Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Potenciál energetických úspor umožněný optimalizací izolace rozvodů chlazené vody v klimatizačních systémech

V době, kdy jsou ceny energií vysoké a stále rostou, kdy se zvyšuje závislost na dodavatelích energií a v neposlední řadě v době zhoršujících se klimatických problémů, je ve stavebnictví nutno využívat možností energetických úspor ještě intenzivněji než dřív. Společnost Armacell ve své studii zaměřené na CO2 prokázala, že je možno dosáhnout obrovských úspor energie dodatečným namontováním izolace na přístupné topné a horkovodní potrubí v již stojících budovách.

Podle Směrnice EU 2002/91/ES o energetické náročnosti budov je vůbec poprvé při počítání celkové energetické účinnosti budov nutno vzít v úvahu nejen topné a horkovodní soustavy, ale také chladicí, ventilační a osvětlovací systémy. Zatímco v minulosti byla klimatizace v budovách poměrně vzácným luxusem, dnes vykazuje evropský trh klimatizačních zařízení každoroční růst až o 10 %. Klimatizace budov je na vzestupu nejen v jižní, ale i ve střední a severní Evropě - částečně díky klimatickým změnám, které v částech Evropy s mírným podnebím vedou k teplejším létům.

Při dosahování nízkých teplot nutných pro chladicí a klimatizační systémy jsou vynakládány vysoké náklady na energii. Aby tyto systémy byly provozovány co energeticky nejúspornějším možným způsobem, hraje v celkové koncepci důležitou roli izolace. Izolace zajišťuje, aby byla co nejdéle udržena požadovaná teplota vedení, a tak se snížila potřeba spuštění chladicího stroje. Jak ukazuje následující článek, značného potenciálu úspor lze dosáhnout optimalizací izolace rozvodů chlazené vody. Až doposavad bylo hlavním důvodem pro izolaci potrubí pro rozvod studené vody zabránění kondenzaci. V budoucnu by se hlavním cílem mělo stát předcházení energetickým ztrátám ze zařízení.

Tento článek zkoumá, zda je možno dosáhnout energetických úspor zkvalitněním izolace potrubí chladicích a klimatizačních soustav a - pokud tomu tak je - jak vysoké mohou tyto úspory být a do jaké míry se splatí investice do takového zkvalitnění izolace vložené. Tato otázka je dnes velice aktuální, protože podle evropské směrnice o celkové energetické náročnosti budov se energie spotřebovaná chladicími soustavami započítává do celkové energetické náročnosti budovy. S ohledem na tuto skutečnost iniciovala společnost Armacell technický projekt zabývající se tímto problémem.

Výchozím bodem bylo typické použití: rozvody chlazené vody v klimatizovaných budovách dodávající chlazenou vodu o jmenovité teplotě +7 °C do fancoilových jednotek rozmístěných na mnoha místech v budově.

Možnost energetických úspor u klimatizačních soustav s rozvody chlazené vody

Potrubí rozvodu chlazené vody může být navrženo různými způsoby, a to v závislosti na konstrukci klimatizované budovy, její rozloze, složitosti a počtu podlaží. Obvykle je rozděleno na úseky určené pro jednotlivé skupiny fancoilových jednotek. Zpravidla platí, že čím vyšší je počet fancoilových jednotek, do nichž je nutno přivést chlazenou vodu, tím větší je průměr potrubí. Obecně lze říct, že v soustavě s rozvodem chlazené vody je možno použít různé trubky různých průměrů. V tomto příkladu jsou tepelné zisky z okolního vzduchu v budově do potrubí rozvodu chlazené vody vypočítávány na běžný metr; délka potrubí v jednotlivých úsecích je proto nepodstatná. Avšak co je důležité, je předpokládaný průměr potrubí (rozmezí od DN 32 do DN 100) a tloušťka izolace příslušných trubek.

Nejlepším způsobem, jak zjistit potenciál energetických úspor, je porovnat alespoň dvě různá řešení pro stejný systém, přičemž jedno z nich ukáže nižší celkovou spotřebu energie za dané období. Toto období může být jedna klimatizační sezóna nebo řada let. Energetická náročnost určitého řešení rozvodu chlazené vody je ovlivňována tepelnými vlastnostmi a tloušťkou izolace. Pro výpočty jsou použity technické údaje nového výrobního programu pružné elastomerové izolace potrubí AF/Armaflex, který byl uveden na trh v roce 2006. Díky svým ještě lepším technickým vlastnostem (λ0°C ≤ 0,033 W/(m.K) a μ ≥ 10 000) je nový AF/Armaflex až o 10 % energeticky úspornější než tradiční elastomerové výrobky. Armacell zaručuje, že tyto výjimečné technické vlastnosti budou díky vnitřnímu i vnějšímu systému sledování kvality zachovány i do budoucna. Energetické ztráty ze zařízení, jež jsou izolována novými výrobky AF/Armaflex, se mohou během jejich životnosti o něco zvýšit, ale po 10 letech jsou stále ještě nižší než 'čisté' původní hodnoty izolačního materiálu s vyšší tepelnou vodivostí a nižší hodnotou μ. To znamená, že vylepšení hodnot λ a μ má významný dopad na dlouhodobé chování izolačního systému.

Aby se zabránilo kondenzaci za podmínek shrnutých v tabulce 1, postačí zařízení izolovat materiálem AF/Armaflex AF-1 (7,0 - 10,0 mm). Je důležité zmínit, že v tomto případě je AF/Armaflex vyráběn s konstrukční tloušťkou stěny. Aby byla zajištěna stejná povrchová teplota izolace u všech průměrů trubky, tloušťka izolace se automaticky zvyšuje spolu s rostoucím průměrem. Zvažované průměry trubek a tloušťky izolace jsou uvedeny v tabulce 2.

Teplota potrubí chlazené vody na vstupu ≥ +7°C
Teplota okolního vzduchu ≤ +26°C
Relativní vlhkost ≤ 70%
Klimatizační sezóna 6 měsíců
EER: koeficient energetické účinnosti (předpokládaná průměrná hodnota) 2,6
Emisní faktor CO2 (struktura elektrické energie v Německu) 0,683 kg CO2/kWh
Náklady na elektrickou energii 0,20 €/kWh

Tabulka 1: Základní podmínky aplikované na výpočty

Kvůli lepší přehlednosti mezi sebou v následujících výpočtech neporovnáváme všechny možné tloušťky izolace. V každém případě je porovnána minimální tloušťka izolace potřebná pro zabránění kondenzaci (AF/Armaflex AF-1) s následnou větší izolační tloušťkou (AF-2 až AF-6).

Rozpětí šířky izolace AF-1
7,0-10,0 mm
AF-2
9,5-16,0 mm
AF-3
12,5-19,0 mm
AF-4
15,5-25,0 mm
AF-5
25,5-32,0 mm
AF-6
32,0-45,0 mm
Tepelná vodivost při 0°C (W/m.K) 0,033 0,033 0,033 0,033 0,036 0,036
DN (ocelové trubky) Vnější průměr trubky (mm) Konstrukční tloušťka izolace (mm)
32 42,4 9,0 13,5 16,0 20,0 27,0 36,5
40 48,3 9,0 14,0 16,0 20,5 27,5 37,5
50 60,3 9,0 14,0 16,5 21,5 29,0 39,0
65 76,1 9,5 14,0 17,0 22,0 30,0 40,5
80 88,9 9,5 14,5 17,5 22,5 30,5 41,5
100 114,3 9,5 15,0 18,0 23,5 31,5 43,0

Tabulka 2: Uvažované průměry trubky a příslušné tloušťky izolace AF/Armaflex

Při relativní vlhkosti do 70 % a za předpokladu teploty okolního vzduchu do +26 °C poskytuje uvedeným průměrům potrubí ochranu před kondenzací řada AF-1 s izolační tloušťkou 9,0 až 9,5 mm. V daném případě je řada AF-1 považována za 'minimální izolaci', která plní svůj hlavní úkol - ochranu proti kondenzaci - ale nemá žádný zvláštní dopad z hlediska energetických úspor. Ve výpočtech je s izolací AF-1 pro každý jednotlivý případ porovnaná energetická a ekonomická účinnost větší tloušťky izolace (AF-2 až AF-6).

Postup výpočtů

Pro jakýkoli daný průměr trubky a tloušťku izolace lze vypočítat průběžné tepelné zisky z okolního vzduchu v budově na běžný metr (jednotka W/m). Tepelné zisky vedou k mírnému zvýšení teploty chlazené vody (kromě vyššího zvýšení teploty o 5 až 6 K ve fancoilových jednotkách). Voda pak musí být v centrální chladicí jednotce co energeticky nejúčinnějším možným způsobem znovu ochlazena na původních +7 °C. Ačkoli tento nárůst teploty způsobený tepelnými zisky není moc vysoký, a to ani v případě stovek metrů potrubí, za řadu cyklů se sčítá a po několika klimatizačních sezónách způsobuje značné energetické ztráty.

V typických případech je obvyklejší regulovat teplotu výstupní vody na přibližně +11 až 12 °C než teplotu vstupní vody na +6 až 7 °C. Avšak způsob regulace systému není pro energetickou náročnost moc důležitý. Důležitá je jen skutečnost, že tepelné zisky do chlazené vody musí být kompenzovány v centrální chladicí jednotce, což vede k vyšší spotřebě energie (hlavně kompresoru).

Jakmile jsou známy tepelné zisky [v W/m] pro různé tloušťky izolace, lze pro řadu AF-1 vypočítat rozdíl vůči nejvyšším tepelným ziskům, a tak zjistit úspory [W/m] ve srovnání s nejmenší tloušťkou izolace (minimální požadavek na zabránění kondenzaci). Když tyto úspory z tepelných zisků dále vynásobíme příslušným časovým obdobím, můžeme vypočítat úspory tepelné energie [kWh/m] za dané období (např. jednu nebo více klimatizačních sezón). Uvedené výpočty vycházejí z předpokladu, že klimatizační sezóna trvá 6 měsíců. V případě klimatizační soustavy je směrodatné, kolik činí potencionální úspory elektrické energie spotřebované centrální chladicí jednotkou za dané období. Tyto úspory můžeme vypočítat pomocí koeficientu energetické účinnosti (EER), který bere v úvahu kompresory, ventilátory a regulační přístroje. EER závisí na pracovních podmínkách chladicí jednotky: teplotě okolního vzduchu a teplotě chlazené vody vycházející z jednotky (teplota vstupní vody). Může se pohybovat v rozmezí od 1,7 do 3,0. Pro účely těchto výpočtů je pro celou topnou sezónu předpokládán koeficient energetické účinnosti 2,6.

úspory elektrické energie = úspory tepelné energie

Když jsou známy úspory elektrické energie, je také možno vypočítat snížení emisí CO2:

Emisní faktor CO2 závisí na struktuře elektrické energie v konkrétním státě, která odráží spotřebu různých paliv (plyn, olej, uhlí, jaderné palivo) v elektrárnách, a tak i emise CO2 při výrobě elektrické energie. V Německu dosahuje tento faktor hodnoty 0,683 kg CO2/kWh. V tabulkách 3a a 3b jsou uvedeny výsledky energetických výpočtů pro trubky o průměrech DN 40 (48,3 mm) a DN 80 (88,9 mm) převedené na běžný metr.

Rozpětí šířky izolace AF-1 AF-2 AF-3 AF-4 AF-5 AF-6
Tloušťka izolace mm 9,0 14,0 16,5 21,0 27,5 37,5
Lineární šíření tepla W/mK 0,501 0,389 0,353 0,306 0,281 0,235
Lineární tepelné zisky W/m 9,52 7,39 6,71 5,81 5,33 4,47
Snížení tepelných zisků W/m   2,13 2,82 3,72 4,19 5,06
Úspory tepelné energie za sezónu kWh/m   7,83 10,35 13,65 15,39 18,58
Úspory elektrické energie za sezónu kWh/m   3,01 3,98 5,25 5,92 7,14
Úspory elektrické energie po 10 letech kWh/m   30,11 39,80 52,50 59,18 71,44
Úspory elektrické energie po 20 letech kWh/m   60,22 79,60 105,01 118,37 142,89
Úspory elektrické energie po 30 letech kWh/m   90,33 119,40 157,51 177,55 214,33
Snížení emisí CO2 za sezónu kgCO2/m   2,06 2,72 3,59 4,04 4,88
Snížení emisí CO2 po 10 letech kgCO2/m   20,56 27,18 35,86 40,42 48,80
Snížení emisí CO2 po 20 letech kgCO2/m   41,13 54,37 71,72 80,85 97,59
Snížení emisí CO2 po 30 letech kgCO2/m   61,69 81,55 107,58 121,27 146,39

Tabulka 3a: Energetické úspory u rozvodů chlazené vody o průměru DN 40 (48,3 mm) na běžný metr

Rozpětí šířky izolace AF-1 AF-2 AF-3 AF-4 AF-5 AF-6
Tloušťka izolace mm 9,5 14,5 18,0 22,5 30,5 41,5
Lineární šíření tepla W/mK 0,819 0,625 0,541 0,465 0,408 0,334
Lineární tepelné zisky W/m 15,56 11,87 10,28 8,84 7,76 6,34
Snížení tepelných zisků W/m 3,69 5,28 6,72 7,80 9,22  
Úspory tepelné energie za sezónu kWh/m   13,54 19,39 24,67 28,64 33,86
Úspory elektrické energie za sezónu kWh/m   5,21 7,46 9,49 11,02 13,02
Úspory elektrické energie po 10 letech kWh/m   52,09 74,59 94,90 110,15 130,22
Úspory elektrické energie po 20 letech kWh/m   104,17 149,19 189,79 220,30 260,44
Úspory elektrické energie po 30 letech kWh/m   156,26 223,78 284,69 330,45 390,66
Snížení emisí CO2 za sezónu kgCO2/m   3,56 5,09 6,48 7,52 8,89
Snížení emisí CO2 po 10 letech kgCO2/m   35,58 50,95 64,81 75,23 88,94
Snížení emisí CO2 po 20 letech kgCO2/m   71,15 101,89 129,63 150,47 177,88
Snížení emisí CO2 po 30 letech kgCO2/m   106,73 152,84 194,44 225,70 266,82

Tabulka 3b: Energetické úspory u rozvodů chlazené vody o průměru DN 80 (88,9 mm) na běžný metr

Výpočet ekonomické účinnosti

Výsledky uvedené v tabulkách 3a a 3b mohou být zajímavé, ale samy o sobě toho moc neprokazují. Je zřejmé, že pokud se zvýší tloušťka izolace, měly by se snížit tepelné zisky a tak by mělo být dosaženo úspor tepelné a elektrické energie a snížení emisí CO2. Otázkou, která zde ještě nebyla pojednána, je investice do izolačních prací. Počáteční investice do větší tloušťky izolace je jen o málo vyšší než investice do minimální tloušťky potřebné pro ochranu proti kondenzaci. Náklady na montáž izolace vzniknou tak jako tak a nemusíme jim tedy věnovat pozornost. Otázkou je, zda jsou vyšší náklady vykompenzovány ještě vyššími energetickými úsporami - jinými slovy, zda se investice splatí.

V těchto případech je nutno vypočítat peněžní hodnotu úspor elektrické energie pro každý následný rok na základě předpokládaného ročního nárůstu cen energií a pak ji přepočítat na aktuální hodnotu včetně předpokládané reálné úrokové sazby. Je to nezbytné, aby bylo možné porovnat budoucí úspory se současnou investicí. Výše předpokládané hodnoty ročního nárůstu cen energií a úrokové sazby je 5 %, respektive 4 %. Tyto výpočty jsou založeny na současné ceně za elektrickou energii 0,20 €/kWh.

Finanční úspory a investiční náklady (konečná cena za izolaci placená investorem) pro průměr trubky DN 40 (48,3 mm) a DN 80 (88,9 mm) jsou zobrazeny v grafu 1.


Finanční úspory a dodatečné investiční náklady u průměru trubky DN 40

Finanční úspory a dodatečné investiční náklady u průměru trubky DN 80

Graf 1: Porovnání finančních úspor po 5, 10, 15, 20, 25 a 30 letech a dodatečných investičních nákladů (žlutá čára)
a minimální tloušťky izolace potřebné pro zabránění kondenzaci (AF-1) u průměrů trubky DN 40 a DN 80.

Překlad textů v grafu:
additional invesment costs - dodatečné investiční náklady
Insulation thicknesses - Tloušťka izolace (mm)
years - let

Jak je vidět v grafu 1, v případě trubky o průměru DN 40 jsou úspory dosažené po 5 a dokonce i po 10 letech stále níže než je čára investičních nákladů, což znamená, že jsou záporné. Avšak jakmile je po o něco více než 10 let překonán bod zlomu, jsou možné skutečné úspory. Abychom je mohli zhodnotit, je nutno od finančních úspor energie odečíst investiční náklady (žlutá čára) - tak získáme celkové úspory. Ty jsou uvedeny v grafech 2 a 3, opět pro průměry trubek DN 40 (48,3 mm) a DN 80 (88,9 mm).


Celkové kumulativní finanční úspory (mínus investiční náklady) pro průměr trubky DN 40

Celkové kumulativní finanční úspory (mínus investiční náklady) pro průměr trubky DN 80

Graf 2: Celkové úspory po 10, 20 a 30 letech v porovnání s minimální tloušťkou izolace potřebnou pro zabránění kondenzaci (AF-1) u průměrů trubky DN 40 a DN 80.

Překlad textů v grafu:
Insulation thicknesses - Tloušťka izolace (mm)
years - let

Grafy 2 a 3 ukazují, že pro náš příklad existuje optimální tloušťka izolace, rozměr materiálu AF/Armaflex, u kterého jsou celkové úspory nejvyšší. Za daných podmínek je to řada AF-4 (21,5 - 25,0 mm). V případě ještě větší tloušťky izolace (řady AF-5 a AF-6) nejsou vyšší investiční náklady dostatečně vykompenzovány dodatečnými úsporami energie. Ovšem zde je důležité mít na paměti, že uvedené výsledky jsou výhledem do budoucna, u kterého bylo nutno provést odhady na základě dnešního pohledu. Pokud například bude průměrný roční nárůst ceny energií vyšší než předpokládaných 5 % nebo pokud dojde k náhlému zvýšení cen, mohla by dávat ekonomický smysl i větší tloušťka izolace. Je jisté, že v absolutním slova smyslu platí, že čím vyšší úspory, tím větší tloušťka izolace.


Celkové kumulativní finanční úspory (mínus investiční náklady) pro průměr trubky DN 40

Celkové kumulativní finanční úspory (mínus investiční náklady) pro průměr trubky DN 80

Graf 3: Kumulativní peněžní úspory po 5, 10, 15, 20, 25 a 30 letech v porovnání s minimální tloušťkou izolace potřebnou pro zabránění kondenzaci (AF-1) u průměrů trubky DN 40 a DN 80.

Překlad textů v grafu:
Insulation thicknesses - Tloušťka izolace (mm)
years - let

Zároveň to znamená šetrnější vztah k životnímu prostředí, i když počáteční náklady jsou vyšší. Jedna z příčin nižší ekonomické účinností větší tloušťky izolace ve srovnání s řadou AF-4 spočívá ve skutečnosti, že tepelná vodivost řad AF-5 a AF-6 je o 10 % vyšší (0,036 W/mK) a energetické úspory jsou tudíž o 10 % nižší. Další příčinu musíme hledat ve fyzikální skutečnosti, že u trubek - na rozdíl od přenosu tepla rovným povrchem - se účinek energetických úspor snižuje s každým zvětšením tloušťky izolace. Důvodem je větší povrch přenosu tepla.

Energetické úspory a snížení emisí CO2 jsou uvedeny v grafech 4 a 5.


Energetické úspory u průměru trubky DN 40

Energetické úspory u průměru trubky DN 80

Graf 4: Úspory elektrické energie po 10, 20 a 30 letech u průměrů trubky DN 40 a DN 80.


Snížení emisí CO2 po 10, 20 a 30 letech u průměru trubky DN 40

Snížení emisí CO2 po 10, 20 a 30 letech u průměru trubky DN 80

Graf 5: Snížení emisí CO2 po 10, 20 a 30 letech u průměrů trubky DN 40 a DN 80.

Překlad textů v grafu:
Insulation thicknesses - Tloušťka izolace (mm)
years - let

Potenciál energetických úspor u vzorového použití

Abychom mohli ilustrovat potenciál energetických úspor, jehož lze dosáhnout díky optimální izolaci rozvodů chlazené vody, je v následujícím textu použit konkrétní příklad. Bylo vybráno typické použití: supermarket o podlažní ploše 9 000 m2 a potřebném výkonu chlazení 70 W/m2 je chlazen klimatizačním systémem o výkonu 505 kW s jmenovitou teplotou vstupní vody +7 °C. Celková délka trubek rozvodů chlazené vody, jež mají různé průměry, je 608 m. Příslušné úseky potrubí jsou podrobně popsány v tabulce 4.

Délka potrubí
(m)
Rozměr
(DN)
Vnitřní průměr
(mm)
Vnější průměr
(mm)
Průtoková rychlost
(m/s)
20 160 155,1 165,1 1,20
40 125 129,7 137,7 0,86
6 80 80,9 88,9 0,73
113 100 105,3 114,3 0,86
6 80 80,9 88,9 0,73
119 80 80,9 88,9 0,73
133 50 53,1 60,3 0,43
85 65 68,9 76,1 0,76
85 65 68,9 76,1 0,51

Tabulka 4: Úseky potrubí a jejich průměry ve vzorové budově

Při teplotě okolního vzduchu +26 °C a relativní vlhkosti φ ≤ 70 % je pro ochranu proti kondenzaci dostatečný izolační materiál AF/Armaflex AF-1 (7,0 - 10,0 mm). Dodatečné úspory, jichž může být dosaženo s větší tloušťkou izolace, jsou ukázány v grafu 6.


Možnosti finančních úspor nabízené větší tloušťkou izolace
(s přihlédnutím k vyšším investičním nákladům)

Překlad textů v grafu:
Insulation thicknesses - Tloušťka izolace (mm)
years - let

Za daných podmínek je optimálním řešením izolace AF/Armaflex AF-4 (21,5 - 25,0 mm). O něco větší investiční náklady se splatily za pouhých 5 let.


Jak ukazuje tabulka 5, během patnáctileté životnosti mohou být energetické nároky pomocí izolace AF-4 sníženy o 153 MWh. Předpokládáme-li roční růst cen energií 5 %, může být ušetřeno 23 200 €. Vyjádřeno v emisím CO2 to znamená snížení o přibližně 105 tun, což zhruba odpovídá ročnímu objemu emisí CO2 dvaceti průměrných rodinných domů o podlažní ploše 150 m2 a energetické náročnosti 100 kWh/m2.

  AF-2 AF-3 AF-4
Elektrická energie (kWh) 84 457 119 213 153 432
Finanční úspory (€) 15 552,31 18 050,90 23 219,87
Snížení emisí CO2 (kg) 57 684 81 423 104 794

Tabulka 5: Potenciál energetických úspor různých tloušťek izolace během životnosti 15 let

Závěry

Zjištěné výsledky nám dovolují vyvodit následující závěry:

  • Pokud přihlédneme i k energetickým úsporám, v rozporu s často panujícím názorem není u rozvodů chlazené vody minimální tloušťka izolace potřebná pro ochranu před kondenzací optimálním řešením.
  • S větší tloušťkou izolace lze dosáhnout dodatečných energetických úspor; za daných podmínek představuje optimum izolace materiálem AF/Armaflex AF-4 (21,5 - 25,0 mm). O málo vyšší investiční náklady se splatily již po 5 - 10 letech.
  • Pro optimalizaci rozvodů chlazené vody z ekonomického a ekologického pohledu existuje horní limit. Vezmeme-li v úvahu typické evropské základní podmínky, je optimální tloušťkou izolace 20 - 30 mm.
  • V typickém případě (9 000 m2 podlažní plochy s požadovaným výkonem chlazení 70 W/m2), lze za dobu životnosti 15 let díky optimální izolaci ušetřit 153 MWh elektrické energie neboli 23 200 eur. Z ekologického hlediska to představuje snížení emisí CO2 o 105 tun.
  • Spotřeba energie u chladicích a klimatizačních systémů je obrovská. Provozovatelé si této skutečnosti přesto nejsou často vědomi. Vzhledem k rostoucím cenám energie narůstá důležitost účinnosti těchto systémů, protože díky energeticky úsporným systémům je možno ušetřit náklady. Tyto systémy zároveň chrání životní prostředí. Na celém světě existuje obrovský potenciál úspor, a to zejména v nebytovém sektoru. Kdyby byl tento potenciál využit, mohla by být snížena spotřeba energie, zvýšila by se hodnota nemovitostí a vzrostla by bezpečnost dodávek a zlepšila by se ochrana klimatu.
 
 
Reklama