Centrální vs. decentrální vzduchotechnické systémy
Trendem poslední doby je stavět haly pomocí stavebnicového systému a stejně jako zděné stavby se dají používat pro nejrůznější účely. Jejich výhodou je poměrně rychlá a snadná montáž. Důležitějším může být rozhodování o technických nárocích, zejména na vytápění a větrání. V případě rekonstrukce se nabízí otázka srovnání stávajícího fungujícího systému v porovnání s novým řešením.
Prečítajte si:Jsou nejčastěji užívané centrální klimatizační systémy ve výhodě, nebo jsou přívětivější decentrální systémy chlazení a vytápění díky své flexibilitě? Které řešení je ekonomičtější? Na tyto otázky jsme se zaměřili v následující studii postavené na příkladu konkrétní výrobní haly1.
Popis zkoumaného objektu
Zkoumaným objektem byla hala sloužící pro zpracování oceli, nacházející se na Slovensku nedaleko Žiliny. Výrobní procesy v hale se zaměřují na klasické operace týkající se zpracování kovů – obrábění, svařování, montáž aj. Výroba pracuje v klasickém dvousměnném provozu od 6 do 22 hod.
Délka objektu: 126 m
Šířka objektu: 39 m
Výška objektu: 6,8 m
Výška hřebene objektu: 8,5 m
Obrázek č. 1: Výrobní hala – popis
Během výrobních operací je zapotřebí v hale zajistit neustálý přísun čerstvého vzduchu v množství 72 000 m3/hod. Ventilační systém musí kompenzovat tepelné ztráty, ke kterým standardně dochází. Teplota v hale musí být během provozu udržována na 18 °C (vnitřní zátěž 44 kW), mimo provozní dobu se teplota udržuje stabilně na 13 °C. Pro výpočet proudění vzduchu byl použit model W12 programu Solarcomputer.
Modely ventilačních systémů
Aby mohlo dojít k lepšímu porovnání obou variant systémů, jednotky byly dimenzovány na celkový přívod čerstvého vzduchu během provozní doby 72 000 m3/hod. Výroba tepla je uvažována ve všech případech pomocí jednoho či více plynových kondenzačních kotlů, sloužících také pro přípravu teplé vody. Pokud výroba není v provozu, tepelné ztráty jsou kompenzovány pomocí cirkulační vytápěcí jednotky (s dvoubodovou regulací).
V daném případě jsme zpracovali několik následujících řešení systémů:
Obrázek č. 2 Přívodní a odvodní jednotka s rekuperací tepla (centrální)
Centrální vzduchotechnický systém (Systém č. 1)
Přívod a odvod vzduchu zajišťuje centrální jednotka s rekuperací, přívod čerstvého a odvod znehodnoceného vzduchu probíhá pomocí pevně umístěných rozvodů po hale. Jelikož rozvod vzduchu je dán umístěním vývodů, očekává se stratifikace vzduchu odpovídající 1 K/m (obrázek č. 2). (Ve výpočtu na požadavek tepla je stanovena tolerance 5 %.)
- Úsporné ventilátory (celkový příkon pouze 50 kW)
- Vysoká účinnost rekuperace tepla
- Krátké připojení otopné soustavy (cca 200 m)
- Dlouhé vzduchovody (pokles tlaku, čištění, ztráty)
- Nízká provozní flexibilita
Decentrální vzduchotechnický systém
Tato kategorie zahrnuje 3 modely, které mají společné následující:
- 9 jednotek pro větrání haly (přesný počet je určen dle uspořádání haly a potřebné distribuce vzduchu)
- Rozvod vzduchu pomocí regulovaných výustek, snižujících výškové rozvrstvení teploty maximálně 0,2 K/m výšky haly
- Bez vzduchovodů
- Provozní režimy lze v hale nastavit rozdílně dle požadavku výroby – to zajišťuje vysokou flexibilitu
Rozdíly mezi těmito třemi modely jsou následující:
Obrázek č.3 Decentrální systém vzduchotechniky
Obrázek č. 4 Decentrální střešní větrací jednotka s rekuperací vzduchu a kondenzačním plynovým kotlem
1. Nástřešní ventilační jednotky (Systém č. 2)
Jedná se o malou decentrální jednotku s rekuperací vzduchu, zajišťující distribuci a odsávání vzduchu. Je umístěna na střeše, jmenovitý průtok vzduchu je 9 000 m3/hod (přívod a odvod vzduchu). Výhody a nevýhody tohoto systému jsou následující:
- Kompaktnost
- Lze rozšířit nebo přizpůsobit v návaznosti na měnící se provozní požadavky
- Regulovaná rekuperace tepla
- Regulování využití ventilátorů (celkový příkon ventilátorů 54 kW)
- Dlouhé připojení otopné soustavy (cca 700 m)
2. Nástřešní ventilační jednotky s plynovým kondenzačním kotlem (Systém č. 3)
Systém je obdobný jako v případě Systému č. 2 s tím rozdílem, že každá jednotka má plynový kondenzační kotel. Ventilační jednotka umístěna do střechy objektu funguje podobně jako nástěnná teplovzdušná jednotka. Toto řešení nepoužívá žádné vzduchotechnické rozvody ani rozvody otopné soustavy. Systém představuje dokonalý princip decentralizace, jednotka je prakticky nezávislá. Hlavní výhody jsou stejné jako v případě Systému č. 2, dále lze zmínit:
- Bez rozvodů otopné soustavy
- Možný lokální provoz
- Přívod plynu dle potřeby
3. Přívodní jednotka a ventilátory pro odvod vzduchu (Systém č. 4)
Tato „ekonomická verze” se skládá z přívodní vzduchotechnické jednotky (9 000 m3/h), která dokáže zajistit cirkulaci a dostatečný přívod čerstvého vzduchu do prostoru přes směšovací komoru. K udržení rovnováhy se odvádí přes 9 střešních ventilátorů stejné množství odsávaného vzduchu. Rekuperace vzduchu v tomto případě není možná. Z toho vyplývá:
- Nízký příkon ventilátorů (16 kW)
- Bez rekuperace tepla
- Dlouhé připojení otopné soustavy (cca 700 m)
- Samostatné odtahové ventilátory vzduchu
Investiční náklady
Graf č.1 Relativní investiční náklady vzhledem k nejlevnější variantě
Investiční náklady se liší model od modelu, přičemž je vždy důležité rozlišovat, zda se jedná o náklady na vzduchotechnické jednotky nebo náklady na instalaci. Jak ukazuje graf č. 1, náklady na pořízení VZT jednotek jsou srovnatelné pro všechny 4 uvažované modely. Náklady na instalaci centrálního vzduchotechnického systému (Systém č. 1) jsou překvapivě vyšší o dodatečné náklady na instalaci vzduchových rozvodů a distribuce. Naopak Systém č. 3 vychází o poznání levněji právě díky absenci instalace rozvodů a vzduchových výustek. Jak graf ukazuje, Systém č. 4 je z hlediska investičních nákladů nejekonomičtější, a to včetně dodatečných instalačních prací. Roční náklady plynoucí z investic jsou určeny v souladu s VDI 2067-1 s ohledem na dobu odepisování 15 let.
Provozní náklady
Vzhledem k životnosti a charakteru investice by měl být brán mnohem větší zřetel na provozní náklady oproti pořizovacím. V daném případě je potřeba sledovat:
- Náklady na zemní plyn
- Náklady na elektřinu
- Náklady na údržbu
- Náklady na servis
Náklady na údržbu a servis lze zjednodušeně vypočítat procentem z investice. Náklady na energie jsou uvažovány z aktuálních tržních cen na Slovensku a Německu (stav r. 2008)
| Plyn | Elektřina | |
|---|---|---|
| Slovensko | 34.00 | 95.00 |
| Německo | 60.00 | 125.00 |
| Česká republika | 38.00 | 122.00 |
Rozdíly v cenách energií jsou značné, což nás mnohem více směřuje k nutnosti hledět na provozní náklady. V obou případech, jak na Slovensku, tak v Německu, jsou investiční náklady na pořízení VZT jednotky zhruba na stejné úrovni, zatímco náklady na instalaci budou logicky vyšší v Německu a to v důsledku vyšších mezd.
Porovnáním ročních provozních nákladů v Německu a na Slovensku (graf č. 2 a graf č. 3) je zřejmé, že rozdíl v cenách energií hraje významnou roli, to má zásadní vliv na výpočet ekonomické návratnosti. Pro oba scénáře platí:
- Náklady na vytápění převažují
- Náklady na elektřinu nelze přehlížet
- Náklady na údržbu a servis nehrají tak důležitou roli
- Provozní náklady pro systémy rekuperace vzduchu (1, 2, 3) jsou přibližně stejné.
- Systém č. 4 má nejvyšší provozní náklady, což je důsledkem absence rekuperace vzduchu
Graf č. 2 Roční provoní náklady na Slovensku (2008)
Graf č. 3 Roční provozní náklady v Německu (2008)
Celkové roční náklady
V rámci výpočtu celkových ročních nákladů bereme v úvahu všechny zmíněné náklady a předpokládaný meziroční nárůst o 3 %. Výpočet celkových nákladů bude následující:
*)
kde je
- K
- – kumulativní náklady
- ITotal
- – investiční náklady
- i
- – úroková sazba (počítáno 3 %)
- τ
- – období (1 rok)
- T
- – celková doba trvání (15 let)
- (τ)
- – „v daném okamžiku“
- B
- – provozní náklady
- A
- – znehodnocení
e.g.:nebo
pro lineární pokles
- I
- – rozdíl investičních nákladů (v porovnání s náklady u nejlevnější varianty)
*) po celou dobu předpokládáme neměnnou úrokovou sazbu
Výsledky jsou uvedeny pro (předpokládanou) dobu životnosti 15 let v případě Grafu č. 4 pro umístění na Slovensku a Grafu č. 5 v Německu. Závěrem lze vyvodit:
Slovensko:
- V důsledku nízkých nákladů na energie jsou rozdíly mezi systémy minimální
- V případě provozu po dobu přibližně 10 let se Systém č. 4 jeví jako nejlevnější řešení
- S ohledem na životnost zařízení je Systém č. 3 vyhodnocen jako nejvhodnější
- Systémy č. 1 a č. 2 jsou nejméně hospodárné
Německo:
- Systémy č. 1 a Systém č. 2 jsou téměř ekvivalentní
- Systém č. 4 je vyhodnocen jako nejlevnější řešení a to po dobu provozu přibližně 3 roky
- S ohledem na životnost zařízení je Systém č. 3, vyhodnocen jako nevýhodnější
- Systém č. 4 je vyhodnocen jako nepříznivý
Graf č. 4 Celkové náklady Slovensko
Graf č. 5 Celkové náklady Německo
Porovnáním dosažených výsledků docházíme k několika závěrům:
- Systém nástřešní jednotky v kombinaci s plynovým kotlem se jeví jako ekonomicky nejefektivnější řešení
- V případě vysokých cen energií má chybějící rekuperace energie velmi negativní vliv na návratnost investice
- S ohledem na efektivnost nákladů je centrální vzduchotechnický systém konkurenceschopným řešením
- Rozdíly v celkových nákladech jsou výraznější v důsledku vyšších cen energií
Kromě těchto prokazatelných výsledků lze také konstatovat další výhody a nevýhody, které jsou čísly těžko vyčíslitelné, ale které je třeba brát v potaz:
- Vzduchové kanály nejsou nikdy zcela těsné, plánovaný vzduchový výkon je zapotřebí odpovídajícím způsobem navýšit v závislosti na konkrétní instalaci
- Pokud se vzduchovody znečistí, dochází ke zhoršení kvality přiváděného vzduchu
- Pomocí decentrálního vzduchotechnického systému mohou být jednotlivé VZT jednotky nastaveny zcela individuálně pro každou oblast zvlášť, což umožní vysokou flexibilitu systému chlazení a vytápění
- Decentrální vzduchotechnický systém lze snadno rozšířit nebo upravit tak, aby vyhovoval měnícím se provozním podmínkám; to přináší jistou flexibilitu investice
- V závislosti na typu zvolené jednotky lze brát v úvahu architektonické rozložení budovy
Závěr
Závěrem lze říci, že pro námi uvažovanou výrobní halu je nejvhodnějším řešením právě decentrální vzduchotechnický systém s plynovými kondenzačními kotli. Takové řešení se z hlediska nákladů a to jak investičních, tak provozních, zdá být nejekonomičtější variantou. Pokud si přejeme zohlednit návratnost investice, systém bez rekuperace tepla se nedoporučuje.
S ohledem na vynaložené investiční náklady, rozdíly mezi centrálním a decentrálním systémem vzduchotechniky jsou zanedbatelné. Ceny energií, jsou-li použity technologie s podobnou náročností, hrají méně významnou roli, než jak se předpokládalo. V případě výrobních hal a skladů může decentrální systém vzduchotechniky přinášet řadu výhod týkajících se účinnosti a provozní flexibility.
Poznámky
1 Tuto studii vypracoval Dipl.-Ing. (FH), Christian Friebe, který pracuje jako projektový inženýr v Institutu für Luft- und Kältetechnik Gemeinnützige Gesellschaft mbH v Drážďanech (Německo) ... Zpět
Hlavní činností firmy Hoval je výroba a prodej tepelné techniky a vzduchotechniky, podpora projektování, spolupráce s investory a developery při tvorbě komplexních řešení s ohledem na efektivnost a úsporu provozních nákladů, zajištění spolehlivého provozu ...
