Konference Vytápění Třeboň 2013 14. až 16. května 2013
EKONOMICKO-ENVIRONMENTÁLNÍ ANALÝZA NÁVRHU VZT JEDNOTEK PRO TEPLOVZDUŠNÉ VYTÁPĚNÍ – PŘÍPADOVÁ STUDIE Milan Drda1, Ondřej Šikula2, Josef Plášek2 ANOTACE Příspěvek se zabývá hodnocením provozu VZT jednotek určených pro teplovzdušné vytápění budov se zaměřením na zhodnocení ekonomických a ekologických aspektů provozu těchto jednotek při použití různých zdrojů tepla pro ohřev vzduchu. Použity byly metody dle EUROVENT a metoda výpočtu nákladů životního cyklu. ÚVOD Při hodnocení VZT jednotek je v dnešní praxi používáno mnoho přístupů. Nejčastějším z nich je bohužel pouze prosté porovnání nákupní ceny, dalším je např. hodnocení energetické náročnosti provozu jednotky pomocí tzv. třídy energetické účinnosti. Jiným, vhodnějším způsobem, může být porovnání pomocí uvážení poměru nákupní cena – náklady na provoz. Jedním z nástrojů porovnání, který zohledňuje jak cenu jednotky, tak její provozní náklady, je výpočet nákladů životního cyklu – life cycle cost (dále jen LCC ) VZT jednotky. Výpočet LCC nám poskytuje ekonomické zhodnocení provozu jednotky. Pokud bychom chtěli brát v potaz i environmentální aspekty, je potřeba použít jiná kritéria hodnocení provozu. V tomto příspěvku se proto zabýváme jak zhodnocením provozu z hlediska ekonomického (pomocí metody LCC), tak environmentálního vlivu provozu VZT jednotky pomocí produkce emisí CO2 a spotřeby primární energie. POUŽITÉ METODY HODNOCENÍ VZT JEDNOTEK Třída energetické účinnosti VZT jednotek Třídu energetické účinnosti (energy efficiency class) definuje organizace EUROVENT jako metodiku kategorizace VZT jednotek do 6 tříd. Zatřídění probíhá pomocí vypočteného faktoru f; nejlepší je třída A, nejhorší pak třída E. Podrobněji pojednává o výpočtu faktoru f literatura [3]. Referenční hodnoty fref pro jednotlivé třídy – viz Tab. 1.
Class
Tab. 1 Třídy energetické účinnosti VZT jednotek dle EUROVENT [3].
A / A↕ / A↑ B / B↕ / B↑ C / C↕ / C↑ D / D↕ / D↑ E / E↕ / E↑ <E / <E↕ / <E↑
Reference to be used in the calculations All subgroups Subgroup 1 Velocity Heat recovery system vref [ m.s-1 ] nref [ % ] Δpref [ Pa ] 1,8 75 280 2,0 67 230 2,2 57 170 2,5 47 125 2,8 37 100 No requirements
Final check of class Absorbed power factor fref [ - ] 0,90 0,95 1,00 1,06 1,12 No requirements
LCC Metoda hodnocení provozu VZT jednotek pomocí LCC je založena na sumarizaci potřeby energie pro transport a tepelně vlhkostní úpravy vzduchu. Takto získané potřeby energie jsou při zohlednění účinnosti zdrojů převedeny na spotřeby energie pro výše uvedené úpravy. Dále jsou v metodě zohledněny spotřeby energie na provoz pomocných zařízení používaných při zajištění funkcí VZT jednotky, jako jsou např. čerpadla otopné a chladicí vody pro výměníky VZT jednotky, motory pro pohon rotačních regenerátorů atd. Výše uvedené spotřeby pak pomocí cen za jednotku energie, převedeme na provozní náklady. Hodnocení pomocí LCC zahrnuje náklady na: • transport a tepelně vlhkostní úpravy vzduchu; • provoz zařízení ZZT a dalších pomocných zařízení nutných k chodu VZT jednotky; • pořizovací cenu a údržbu VZT jednotky; • růst cen energií během životního cyklu. Podrobněji je použitá metoda výpočtu LCC popsána v [2], v aplikaci pro klimatizaci pak [5]. Pro jednoduchost a přehlednost jsme počítali pro níže uvedené příklady pouze potřebu/spotřebu energie pro provoz ventilátorů a ohřev vzduchu. Elektrický příkon případného čerpadla pro vodní výměník a motoru pro pohon ROV jsme zanedbali, jelikož u námi porovnávaných VZT jednotek je jejich vliv na celkový výsledek minimální. Výpočet emisí CO2 Výpočet vychází ze spotřeby energií určených při výpočtu LCC. Jednotlivým spotřebám energie jsme přiřadili energonositele a těmto součinitel emisí CO2 v [kg/kWh]. Výsledné emise CO2 vyprodukované při provozu VZT jednotky jsou poté dány součinem mezi spotřebovanou energií při provozu a součinitelem emisí CO2. Tyto součinitele jsme použili dle vyhlášky slovenské č. 311/2009, kterou se stanovují podrobnosti k výpočtu energetické hospodárnosti budov a obsah energetického certifikátu – viz [4]. Výpočet spotřeby primární energie Výpočet vychází ze spotřeby energií určených při výpočtu LCC. Jednotlivým spotřebám energie jsme přiřadili energonositele a těmto tzv. faktor energetické přeměny v [kWh/kWh]. Výsledné spotřeby primární energie při provozu VZT jednotky jsou poté dány součinem mezi spotřebovanou energií při provozu a faktorem energetické přeměny. Tyto faktory jsme použili opět dle [4]. PŘÍPADOVÁ STUDIE – TEPLOVZDUŠNÉ VYTÁPĚNÍ Pro praktické porovnání jsme zvolili jednotku v uspořádání dle Obr. 2. Jednotka je vybavena rotačním regenerátorem s teplotní účinností 73 %, teplota přívodního vzduchu v režimu vytápění – viz Obr. 1, jednotka je v provozu 5 dní v týdnu, 24 h denně, režim chlazení je řešen zónovými chladiči mimo VZT jednotku. Nominální množství přívodního/odvodního vzduchu je 20 000 m3.h-1, vzduchový výkon jednotky pro výpočet LCC je uvažován v průměru 65 % z nominálního, rezerva na externí tlakové ztráty pro přívodní/odvodní ventilátor je 500 Pa.
Obr. 1 závislost teploty přívodního vzduchu na teplotě venkovního vzduchu. Tab. 2 Porovnávané varianty VZT jednotek. Varianta
Požitý ohřívač ve VZT jednotce
Zdroj tepla pro ohřívač VZT jednotky
Teplotní spád topného média [°C]
1 2 3 4
Plynový Teplovodní Teplovodní Elektrický
Plynový ohřívač Tepelné čerpadlo Plynový kotel Elektrická energie
40/30 50/30 -
Uvažovaná účinnost zdroje tepla [%] 90 400 107 98
Na Obr. 2 je varianta jednotky s plynovým ohřívačem. Další varianty pro porovnání byly jednotky s obdobnou skladbou vyjma ohřívačů. Tab. 2 blíže popisuje porovnávané varianty.
Obr. 2 Skladba VZT jednotky – Varianta 1. Praktické porovnání jednotek pomocí metody LCC Pokud jednotlivé varianty návrhu porovnáme pomocí metody LCC, tak provozně za dobu 10 let vychází nejlépe varianta jednotky s tepelným čerpadlem (dále jen TČ) – viz Obr. 3. o 3 % dráž vychází v hodnocení LCC varianta s plynovým kondenzačním kotlem. Z ekonomického hlediska nejméně výhodná vychází varianta s elektrickým ohřívačem ve VZT jednotce. Za dobu hodnocení 10 let jsou náklady této varianty v hodnocení LCC o 36 % vyšší než u jednotky s TČ.
Obr. 3 Výsledky analýzy návrhu VZT jednotek metodou LCC.
Praktické porovnání jednotek pomocí výpočtu emisí CO2 Při porovnání emisí CO2 za rok provozu vychází nejlépe jednotka, která jako zdroj otopné vody používá TČ. Jednotka s kondenzačním kotlem vyprodukuje o 13 % více emisí CO2 než jednotka s TČ. Nejhůře z tohoto pohledu vychází jednotka s elektrickým ohřívačem, která vyprodukuje o 90 % více emisí CO2 než jednotka s TČ.
Obr. 4 Výsledky analýzy návrhu VZT jednotek pomocí produkce emisí CO2. Praktické porovnání jednotek pomocí spotřeby primární energie Z hlediska spotřeby primární energie vychází opět nejlépe jednotka s tepelným čerpadlem. VZT jednotka, která používá, jako zdroj otopné vody kondenzační plynový kotel, spotřebuje o cca 13 % více primární energie. Nejhůře je na tom opět jednotka s elektrickým ohřívačem, která spotřebuje o 90 % více primární energie než jednotka s tepelným čerpadlem.
Obr. 5 Výsledky analýzy návrhu VZT jednotek výpočtem spotřeby primární energie. VYHODNOCENÍ A ZÁVĚR Souhrnné výsledky porovnávaných variant uvádí Tab. 3. Z tabulky je patrné, že všechny varianty spadají do třídy energetické účinnosti A dle [3]. Pokud však jednotky porovnáme pomocí analýza LCC resp. podle vyprodukovaných emisí CO2 nebo spotřeby primární energie, tak je rozdíl mezi některými variantami značný. Hodnocení dle zařazení jednotek do třídy energetické účinnosti je pro tyto porovnávané varianty nevhodné, jelikož se takto jednoty jeví z hlediska spotřeby energie stejně. VZT jednotka, která používá jako zdroj otopné vody TČ, vychází z pohledu ekonomického hodnocení podle LCC analýzy pouze o 3 % lépe než jednotka, která používá jako zdroj otopné vody kondenzační kotel. Tento rozdíl je velmi malý, pokud bychom v hodnocení zahrnuli i odmrazování TČ, tak by v hodnocení LCC vyšla nejlépe jednotka s kondenzačním kotlem. Při výše uvedené úvaze by se zmenšil i rozdíl v produkci emisí CO2 a spotřebě primární energie mezi variantou jednotky s TČ a kondenzačním kotlem.
Tab. 3 Souhrnné výsledky porovnávaných variant.
Varianta
Nákupní cena VZT jednotky a zdroje tepla [Kč]
1 2 3 4
952 345 1 324 291 873 253 770 864
LCC - 10let [Kč]
Emise CO2 [t.rok-1]
Spotřeba primární energie [GJ.rok-1]
Velikost jističe pro VZT jednotku a zdroj tepla [A]
Třída energetické účinnost VZT jednotky dle literatury [3]
4 596 820 4 055 441 4 162 195 5 516 146
47,01 39,40 44,57 74,78
814,73 686,35 772,95 1302,68
63 500 63 250
A A A A
Při pohledu na Tab. 3 je patrné, že jednotka s ŤC vyžaduje nejvyšší počáteční náklady, naopak nejlevněji na pořízení vychází jednotka s elektrickým ohřívačem ve VZT jednotce. Dle velikosti nutného jističe pro VZT jednotku + zdroj tepla je potřeba největší jistič pro variantu s tepelným čerpadlem a to až 8 krát větší než pro jednotky s kondenzačním kotlem či plynovým ohřívačem ve VZT jednotce. Toto s sebou nese další vícenáklady, které nebyly v hodnocení LCC zahrnuty. Rovněž to vede k omezení užití jednotek s tepelným čerpadlem pro místa, kde je omezená kapacita elektrické rozvodné sítě. Nutnou velikost jističe lze zmenšit pomocí tzv. soft starteru, který omezuje max. náběhový proud. Z výše uvedeného vyplývá, že nelze jednoznačně říci, jaký zdroj tepla je obecně nejlepší volbou pro VZT jednotku a je nutné u každého případu zhodnotit daný systém z ekonomického a ekologického hlediska individuálně. LITERATURA [1] ČSN EN 13779 Větrání nebytových budov – Základní požadavky na větrací a klimatizační systémy, 2010. [2] Recommendations for Calculations of Energy Consumption for Air Handling Units, Paris, 2005. [3] Energy Efficiency Classification of Air Handling Units (update 30/01/2010), Paris, 2010. [4] Vyhláška č. 311/2009 Ministerstva výstavby a regionálneho rozvoja SR, ktorou sa ustanovujú podrobnosti o výpočte energ. hospodárnosti budov a obsah energetického certifikátu. [5] DRDA, M.; PLÁŠEK, J. Sledování spotřeb energie VZT jednotky od projektu po reálný provoz. TZB- info, 2013, roč. 2013, č. 1, s. 1-4. ISSN: 1801- 4399. SEZNAM OZNAČENÍ LCC life cycle costs, náklady životního cyklu ROV rotační regenerátor TČ tepelné čerpadlo VZT vzduchotechnická/ých ZZT zpětné získávání tepla Tento příspěvek byl podpořen projektem číslo CZ.1.07/2.3.00/30.0039, Excelentní mladí vědci na Vysokém učení technické v Brně.
