Návod pro výběr správné technologie vytápění a chlazení v případě výrobních hal a skladů

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.

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 haly.

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: 126m

• Šířka objektu: 39m

• Výška objektu: 6,8m

• Výška hřebene objektu: 8,5m

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:

Centrální vzduchotechnický systém (Systém č.1)

Přivod 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%.)

Obrázek č. 2 Přívodní a odvodní jednotka s rekuperací tepla (centrální)

• 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 flexibila

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, snížujících 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:

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 9000 m³/hod (přívod a odvod zvduchu). 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 přípojení otopné soustavy (cca 700 m)

Obrázek č. 3 Decentrální system vzduchotechniky

2. Nástřešní ventilační jednotky s plynovým konzenzačním 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 vzduchotecnické 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

Obrázek č. 4 Decentrální střešní větrací jednotka s rekuperací vzduchu a kondenzačním plynovým kotlem

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

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.

Graf č. 1: Investiční náklady – srovnání 4 uvedených systémů ( modrá barva – provozní náklady, červená barva – instalační náklady)

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)

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 jsou (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

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

Obrázek č. 4 Celkové náklady Slovensko

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

Obrázek 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.