Úspory energie pro dopravu vzduchu ve vzduchotechnice
Systémy větrání a klimatizace patří svou spotřebou energie mezi významné položky v energetické bilanci budov. Hlavní součástí systémů VZT jsou zařízení pro dopravu a úpravu vzduchu (vzduchotechnické jednotky) a potrubní rozvod. Návrh obou zásadně ovlivňuje jak pořizovací a provozní náklady, tak energetickou náročnost.
Úvod
Systémy větrání a klimatizace zaujímají přední místo ve spotřebě energie v budovách. Kromě spotřeby tepla, chladu a páry pro úpravy vzduchu je tu významná spotřeba pomocné elektrické energie pro pohon ventilátorů.
Spotřeba energie ventilátoru roste s jeho příkonem a dobou provozu. Příkon ventilátoru (P) závisí na jeho konstrukčním řešení a na požadovaném výkonu vyjádřeném průtokem vzduchu (V) při určitém dopravním tlaku. Obě tyto skutečnosti vyjadřuje známý vztah:
Nízkého příkonu ventilátoru lze tedy dosáhnout těmito způsoby:
- vysokou účinností (η) přeměny elektrické energie na mechanickou způsobující pohyb vzduchu, tedy jeho efektivní konstrukcí,
- nízkým požadovaným dopravním tlakem (Δp), tedy malými tlakovými ztrátami v potrubní síti i VZT jednotce.
Skutečná spotřeba se v reálných podmínkách odvíjí významně také od regulace vzduchového výkonu, kterou lze zásadně spotřebu energie snížit, pokud lze průtok vzduchu regulovat např. na základě výskytu osob nebo kvality vzduchu. Při samotném návrhu je ovšem denní průběh potřeby větrat, ze které vyplývá regulace průtoku vzduchu, značně spekulativní záležitost, neboť se odvíjí od odhadovaného počtu osob a jeho proměnlivosti v čase. To jistě významu regulace neubírá, ale na začátku vždy stojí nominální vzduchový výkon zařízení a jeho příkon, a tím se budeme zabývat.
Pro vzájemné porovnání výrobků a zařízení zavádí EN 13 779 veličinu specifický výkon ventilátoru (specific fan power), zkráceně SFP. Ten je definován jako příkon ventilátoru vztažený k jednotkovému průtoku vzduchu s jednotkou W/(m3.s). Obsahuje-li vzduchotechnické zařízení více ventilátorů, (nejčastěji dva - pro přívod a odvod vzduchu), hodnotí se zařízení jako celek, tedy součet příkonů všech ventilátorů. Tak je SFP definován vztahem:
Tato veličina je tedy určitým kvalitativním ukazatelem samotného ventilátoru i řešení potrubní sítě a úprav vzduchu z hlediska potřeby energie na dopravu tohoto vzduchu. EN 13 779 rozlišuje kategorie SFP 1 až 7, přičemž kategorie 1 je nejlepší a 7 nejhorší. Poměr SFP mezi kategorií 7 a 1 je téměř 10, tzn. že vzduchotechnické zařízení kategorie SFP 7 má téměř desetinásobně větší spotřebu elektřiny pro pohon ventilátorů než zařízení se stejným vzduchovým a tepelným/chladicím výkonem, ale v kategorii SFP 1.
Příklad 1 - Vliv velikosti VZT jednotky
Na příkladu zařízení vzduchové klimatizace můžeme názorně porovnat nejen reálně dosažitelnou hodnotu SFP při různém řešení potrubní sítě a VZT jednotky, ale také ekonomické dopady a spotřebu energie.
Běžné používané řešení vzduchové klimatizace představuje klimatizační jednotka pro přívod a odvod vzduchu s deskovým výměníkem ZZT, vzduchovými filtry (pro přívod vzduchu F5 až F7, pro odvod vzduchu G4), vodním ohřívačem a chladičem a radiálními ventilátory s řemenovým nebo přímým pohonem. Potrubní síť pro průtok vzduchu 5 000 m3/h vykazuje pro další úvahy externí tlakovou ztrátu 350 Pa. Velikost obou ventilátorů je dána jak externí tlakovou ztrátou - tedy ztrátou potrubní sítě, tak zejména tlakovou ztrátou prvků ve VZT jednotce. Ta závisí v dané sestavě na rychlosti proudění vzduchu, běžně užívané rychlosti proudění ve volném průřezu se pohybují mezi 2 až 3 m/s. Pro typizované velikosti jednotek lze v tomto případě použít 4 velikosti s rychlostí vzduchu v průřezu jednotky 1,6 až 3,6 m/s. Jak s rychlostí vzduchu roste nutný příkon přívodního a odvodního ventilátoru znázorňuje obr. 1. Hodnotu SFP lze odečíst na vedlejší ose; rychlosti proudění do 2 m/s vykazují třídu SFP 5, vyšší rychlosti SFP 6. Doporučené hodnoty SFP pro tento typ zařízení dle EN 13 779 jsou v rozmezí 3 až 4.
Obr. 1 Elektrický příkon přívodního a odvodního ventilátoru VZT jednotky vzduchové klimatizace s průtokem
vzduchu 5000 m3/h podle rychlosti v průřezu pro vybranou sestavu úprav vzduchu a externí tlak 350 Pa.
Snižování tlakové ztráty VZT jednotky je ovšem kompenzováno většími rozměry i cenou zařízení. Je tedy účelné zhodnotit volbu zařízení i z tohoto hlediska, tedy porovnat náklady na pořízení větší, tedy dražší VZT jednotky s nízkými tlakovými ztrátami, které budou provázeny nižšími provozními náklady s variantou menší a levnější VZT jednotky, která ovšem vyžaduje ke svému provozu silnější ventilátor. V tomto porovnání hraje zásadní roli provozní doba zařízení. Na obr. 2 je uvažováno s životností 15 let, s provozem 5 dní v týdnu a 6 h denně s cenou 3 Kč/kWh elektrické energie. Nejmenší náklady za pořízení i provoz zařízení odpovídá velikosti jednotky s rychlostí proudění vzduchu v průřezu 1,8 m/s.
Obr. 2 Cena za pořízení VZT jednotky a její provoz za 15 let životnosti s celkovou dobou provozu 234 tis. hodin.
Pokud se životnost sníží na 10 let a 4 h provozu v pracovních dnech, stane se výhodná menší jednotka, protože náklady na provoz významně klesnou. Zatímco v příkladě na obr. 2 jsou náklady na pořízení i provoz souměřitelné, při snížení provozní doby jsou i za 10 let náklady na pořízení vyšší, než na provoz.
Obr. 3 Cena za pořízení VZT jednotky a její provoz za 10 let životnosti s celkovou dobou provozu 104 tis. hodin.
Příklad 2 - Vliv dimenzování VZT potrubí
Podobný efekt jako změna velikosti VZT jednotky má změna průřezu vzduchotechnického potrubí a samozřejmě i tvar celé potrubní sítě. S rostoucím průřezem klesá rychlost proudění a tím i tlaková ztráta. Optimální velikost potrubní sítě pak zjistíme z obr. 4 hledáním minima součtu pořizovacích a provozních nákladů na dopravu vzduchu. Příklad uvažuje s 15tiletou životností potrubí (pouze přívod vzduchu: přívodní ventilátor + přívodní potrubí) s pozinkovaného plechu s tepelnou izolací tl. 40 mm, s provozem 4 h denně ve všech pracovních dnech roku. V tomto případě má být optimální potrubí dimenzováno s měrnou tlakovou ztrátou 3,5 Pa/m. Při delší provozní době zařízení bude výhodnější potrubí s ještě menší tlakovou ztrátou.
Obr. 4 Cena za pořízení izolovaného VZT potrubí a jeho provoz (výkon ventilátoru zajistí průtok
vzduchu potrubím i VZT jednotkou) za 15 let životnosti s celkovou dobou provozu 156 tis. hodin.
Hodnocení
Porovnáním nákladů pořizovacích a provozních za dobu životnosti vycházejí obecně příznivěji systémy s nižšími tlakovými ztrátami, než je v současnosti běžné. Z hlediska spotřeby energie, resp. emisí CO2 je tento trend shodný, neboť náklady jsou spotřebě energie přímo úměrné. Veličina SFP sleduje stejný cíl, nízkou spotřebu energie. Aby byla dodržena ve sledovaném případě doporučená hodnota SFP 4, znamenalo by to volbu VZT jednotky s průřezovou rychlostí vzduchu max. 2 m/s a potrubí s tlakovým spádem max. 3,5 Pa/m, což jsou v současných podmínkách ČR hodnoty neobvykle nízké. Dodržení doporučených hodnot SFP dle EN 13 779 z roku 2007 tedy vede k takovým velikostem potrubí a VZT jednotek, které jsou ekonomicky opodstatněné pouze v případě 15tileté životnosti zařízení a provozem více jak 16000 h/rok.
Závěr
Uvedený příklad názorně ilustruje ekonomické aspekty dopravy vzduchu ve vzduchotechnice. Z hlediska zdraví naší planety je velmi účelné, aby energetická náročnost budov byla snižována, je však zapotřebí vyvážit hledisko ekologické, reprezentované spotřebou energie, a ekonomické, které představují zvýšené náklady na rozměrné VZT jednotky a potrubní rozvody. Pouze při uvažování spotřeby energie za celou dobu technické životnosti zařízení začínají být při celoročním provozu zařízení s nízkými tlakovými ztrátami ekonomicky výhodná.
Při důsledném rozboru problematiky ovšem nesmíme opomenout šedou energii, vloženou do výroby samotného vzduchotechnického zařízení a také do budovy, do které se má zařízení umístit. Rozdíl v obestavěném prostoru pro umístění potrubí s průtokem vzduchu 5 000 m3/h dimenzovaného s tlakovou ztrátou 1,5 Pa/m nebo 9,4 Pa/m činí cca 100 m3. I tento prostor má svou hodnotu, jak finanční, tak z hlediska zátěže životního prostředí, která spočívá ve vynaložené šedé energii na zhotovení budovy. Cenu 1m3 obestavěného prostoru pro zvýšení konstrukční výšky budovy za účelem vedení rozvodů TZB v podhledech lze odhadnout na cca 3500 Kč. Rozhodneme-li se pro rozměrné potrubí s malou tlakovou ztrátou (místo 9,4 Pa/m snížíme na 3,5 Pa/m) a zvětšíme-li z tohoto titulu budovu ve sledovaném případě o 50 m3, vynutí si toto opatření vícenáklady na stavbu o hodnotě 175 000 Kč, přičemž úspora nákladů na ventilátor činí za dobu 15ti let 88 000 Kč. S ohledem na tuto skutečnost se tedy větší potrubí a tím i větší budova vyplatí až s časovým horizontem dosahujícím 30 let.
Žhavé téma pasivních domů, zelených a všemožně ekologických budov a s tím rozvíjejících se metod pro jejich klasifikaci z hlediska spotřeby energie nám poskytuje prostor pro opravdu objektivní hodnocení úsporných opatření včetně jejich důsledků. Ekonomická kritéria, vezmou-li do úvahy dostatečně dlouhý časový horizont, jakým se zdá být 15 let, tedy běžná životnost vzduchotechnických zařízení, vykazují relevantní hodnocení návrhu vzduchotechnického systému. Významnou roli zde hraje předpokládaná roční doba provozu. Rovněž ukazatel SFP je použitelné kritérium pro energetické hodnocení dopravy vzduchu ve vzduchotechnice a jeho současně doporučované hodnoty lze v podmínkách ČR považovat za poměrně přísné.
Důležitým faktorem při navrhování VZT systémů je i využití OZE. Tyto je možné využívat pro ohřev, či chlazení vzduchu. Pro dopravu vzduchu je využívaná elektrická energie. Jako technicky proveditelnější oproti OZE je zaměřit se na účinnější ventilátory s nižší spotřebou energie a s tím spojeného návrhu rychlosti v průřezu jednotky a optimální potrubní sítě.
Literatura
[1] Lada Hensen Centnerová : Zelené budovy v New Yorku, Topenářství instalace 5/2009, ISSN 1211-0906
[2] ČSN EN 13779 Větrání nebytových budov - Základní požadavky na větrací a klimatizační zařízení [3] Technické listy výrobce jednotek bosch
[4] Chyský J., Hemzal K. a kol. Technický průvodce větrání a klimatizace. 3. vyd. Praha, 1993. ISBN 80-901574-0-8
Recenze článku: Energie pro dopravu vzduchu ve vzduchotechnice.
Problematika článku je velmi zajímaná, protože se zaobírá v podstatě tématem, které se při návrhu vzduchotechnických soustav moc neřeší a to je právě problematika potřeby energie pro dopravu potřebného množství vzduchu ze strojovny do místa potřeby. Je zde proveden rozbor celého problému a na jeho základě jsou provedena jistá doporučení včetně konkrétního příkladu, který může být vodítkem pro tyto energetické rozvahy. V článku jsou uvedena jistá doporučení, která by projektant měl respektovat při návrhu vzduchotechnických systémů.
V závěru článku jsou uvedeny ekologické a ekonomické aspekty celé problematiky. Dle mého názoru je článek velmi zajímavý a aktuální v této době, zvláště když se činnost projektantů více než kdy dříve přiklání ve všech směrech k úsporám energie. Článek doporučuji uveřejnit.
Doc. Ing. Karel Papež, CSc
Katedra Technických zařízení budov
Fakulta stavební, ČVUT Praha
Air conditioning and ventilation systems show big energy consumption in buildings. Measure of the consumption of electrical energy for the conveyance of air is SFP. SFP is defined as the total consumption of electrical energy by the all of fans in the air-distribution systems, defined by the total volumetric air flow through the operated space under nominal loads. The article presents influence of design equipment on energy consumption.
