Centrálne vs. decentrálne vzduchotechnické systémy

Sú najčastejšie používané centrálne klimatizačné systémy vo výhode, alebo sú prívetivejšie decentrálne systémy chladenia a vykurovania vďaka svojej flexibilite? Ktoré riešenie je ekonomickejšie? Na tieto otázky sme sa zamerali v nasledujúcej štúdii postavenej na príklade konkrétnej výrobnej haly¹.

Popis skúmaného objektu

Skúmaným objektom bola hala slúžiaca pre spracovanie ocele, nachádzajúca sa na Slovensku neďaleko Žiliny. Výrobný procesy v hale sa zameriavajú na klasické operácie týkajúce sa spracovania kovov – obrábanie, zváranie, montáž a.i. Výroba pracuje v klasickej dvojzmennej prevádzke od 6 do 22 hod.

Dĺžka objektu: 126 m
Šírka objektu: 39 m
Výška objektu: 6,8 m
Výška hrebeňa objektu: 8,5 m

Počas výrobných operácií je potrebné v hale zabezpečiť neustály prísun čerstvého vzduchu v množstve 72 000 m³/hod. Ventilačný systém musí kompenzovať tepelné straty, ku ktorým štandardne dochádza. Teplota v hale musí byť počas prevádzky udržiavaná na 18 °C (vnútorná záťaž 44 kW), mimo prevádzkovú dobu sa teplota udržuje stabilne na 13 °C. Pre výpočet prúdenia vzduchu bol použitý model W12 programu Solarcomputer.

Modely ventilačných systémov

Aby mohlo dôjsť k lepšiemu porovnaniu oboch variant systémov, jednotky boli dimenzované na celkový prívod čerstvého vzduchu počas prevádzkovej doby 72 000 m³/hod. Výroba tepla je uvažovaná vo všetkých prípadoch pomocou jedného či viacerých plynových kondenzačných kotlov, slúžiacich aj pre prípravu teplej vody. Pokiaľ výroba nie je v prevádzke, tepelné straty sú kompenzované pomocou cirkulačnej vykurovacej jednotky (s dvojbodovou reguláciou).

V danom prípade sme spracovali niekoľko nasledujúcich riešení systémov:

Centrálny vzduchotechnický systém (Systém č. 1)

Prívod a odvod vzduchu zabezpečuje centrálna jednotka s rekuperáciou, prívod čerstvého a odvod znehodnoteného vzduchu prebieha pomocou pevne umiestených rozvodov po hale. Keďže rozvod vzduchu je daný umiestením vývodov, očakáva sa stratifikácia vzduchu odpovedajúca 1 K/m (obrázok č. 2). (Vo výpočte na požiadavku tepla je stanovená tolerancia 5 %.)

• Úsporné ventilátory (celkový príkon iba 50 kW)
• Vysoká účinnosť rekuperácie tepla
• Krátke pripojenie vykurovacej sústavy (cca 200 m)
• Dlhé vzduchovody (pokles tlaku, čistenie, straty)
• Nízka prevádzková flexibilita

Decentrálny vzduchotechnický systém

Táto kategória zahrňuje 3 modely, ktoré majú spoločné nasledujúce:

• 9 jednotiek pre vetranie haly (presný počet je určený podľa usporiadania haly a potrebnej distribúcie vzduchu)
• Rozvod vzduchu pomocou regulovaných výustiek, znižujúcich výškové rozvrstvenie teploty maximálne 0,2 K/m výšky haly
• Bez vzduchovodov
• Prevádzkový režimy je možné v hale nastaviť rozdielne podľa požiadavky výroby – to zabezpečuje vysokú flexibilitu

Rozdiely medzi týmito troma modelmi sú nasledujúce:

1. Nástrešné ventilačné jednotky (Systém č. 2)

Jedná sa o malú decentrálnu jednotku s rekuperáciou vzduchu, zabezpečujúcu distribúciu a odsávanie vzduchu. Je umiestená na streche, menovitý prietok vzduchu je 9 000 m³/hod (prívod a odvod vzduchu). Výhody a nevýhody tohto systému sú nasledujúce:

• Kompaktnosť
• Je možné rozšíriť alebo prispôsobiť v nádväznosti na meniace sa prevádzkové požiadavky
• Regulovaná rekuperácia tepla
• Regulovanie využitia ventilátorov (celkový príkon ventilátorov 54 kW)
• Dlhé pripojenie vykurovacej sústavy (cca 700 m)

2. Nástrešné ventilačné jednotky s plynovým kondenzačným kotlom (Systém č. 3)

Systém je obdobný ako v prípade Systému č. 2 s tým rozdielom, že každá jednotka má plynový kondenzačný kotol. Ventilačná jednotka umiestená do strechy objektu funguje podobne ako nástenná teplovzdušná jednotka. Toto riešenie nepoužíva žiadne vzduchotechnické rozvody ani rozvody vykurovacej sústavy. Systém predstavuje dokonalý princíp decentralizácie, jednotka je prakticky nezávislá. Hlavné výhody sú rovnaké ako v prípade Systému č. 2, ďalej je možné spomenúť:

• Bez rozvodov vykurovacej sústavy
• Možná lokálna prevádzka
• Prívod plynu podľa potreby

3. Prívodná jednotka a ventilátory pre odvod vzduchu (Systém č. 4)

Táto „ekonomická verzia” sa skladá z prívodnej vzduchotechnickej jednotky (9,000 m³/h), ktorá dokáže zabezpečiť cirkuláciu a dostatočný prívod čerstvého vzduchu do priestoru cez zmiešavaciu komoru. K udržaniu rovnováhy sa odvádza cez 9 strešných ventilátorov rovnaké množstvo odsávaného vzduchu. Rekuperácia vzduchu v tomto prípade nie je možná. Z toho vyplýva:

• Nízky príkon ventilátorov (16 kW)
• Bez rekuperácie tepla
• Dlhé pripojenie vykurovacej sústavy (cca 700 m)
• Samostatné odťahové ventilátory vzduchu

Investičné náklady

Investičné náklady sa líšia model od modelu, pričom je vždy dôležité rozlišovať, či sa jedná o náklady na vzduchotechnické jednotky alebo náklady na inštaláciu. Ako ukazuje graf č. 1, zriaďovacie náklady VZT jednotiek sú porovnateľné pre všetky 4 uvažované modely. Náklady na inštaláciu centrálneho vzduchotechnického systému (Systém č. 1) sú prekvapivo vyššie o dodatočné náklady na inštaláciu vzduchových rozvodov a distribúcie. Naopak Systém č. 3 vychádza o poznanie lacnejší práve vďaka absencii inštalácie rozvodov a vzduchových výustiek. Ako graf ukazuje, Systém č. 4 je z hľadiska investičných nákladov najekonomickejší, a to vrátane dodatočných inštalačných prác. Ročné náklady plynúce z investícií sú určené v súlade s VDI 2067-1 s ohľadom na dobu odpisovania 15 rokov.

Prevádzkové náklady

Vzhľadom k životnosti a charakteru investície by sa mal klásť oveľa väčší dôraz na prevádzkové náklady oproti zriaďovacím. V danom prípade je potrebné sledovať:

• Náklady na zemný plyn
• Náklady na elektrinu
• Náklady na údržbu
• Náklady na servis

Náklady na údržbu a servis je možné zjednodušene vypočítať percentom z investície. Náklady na energie sú uvažované z aktuálnych tržných cien na Slovensku a Nemecku (stav r. 2008)

Ceny energií (rok 2008) [€/MWh]

	Plyn	Elektrina
Slovensko	34.00	95.00
Nemecko	60.00	125.00
Česká republika	38.00	122.00

Rozdiely v cenách energií sú značné, čo nás oveľa viac smeruje k nutnosti hľadieť na prevádzkové náklady. V oboch prípadoch, ako na Slovensku, tak v Nemecku, sú investičné náklady na zriadenie VZT jednotky zhruba na rovnakej úrovni, zatiaľ čo náklady na inštaláciu budú logicky vyššie v Nemecku a to v dôsledku vyšších miezd.

Porovnaním ročných prevádzkových nákladov v Nemecku a na Slovensku (graf č. 2 a graf č. 3) je zrejmé, že rozdiel v cenách energií hrá významnú úlohu, to má zásadný vplyv na výpočet ekonomickej návratnosti. Pre oba scenáre platí:

• Náklady na vykurovanie prevažujú
• Náklady na elektrinu nie je možné prehliadať
• Náklady na údržbu a servis nehrajú tak dôležitú úlohu
• Prevádzkové náklady pre systémy rekuperácie vzduchu sú (1, 2, 3) približne rovnaké.
• Systém č. 4 má najvyššie prevádzkové náklady, čo je dôsledkom absencie rekuperácie vzduchu

Celkové ročné náklady

V rámci výpočtu celkových ročných nákladov berieme do úvahy všetky spomenuté náklady a predpokladaný medziročný nárast o 3%. Výpočet celkových nákladov bude nasledujúci:

kde je

K

– kumulatívne náklady

I_Total

– investičné náklady

i

– úroková sadzba (počítané 3 %)

τ

– obdobie (1 rok)

T

– celková doba trvania (15 let)

(τ)

– „v danom okamihu“

B

– prevádzkové náklady

A

– znehodnotenie

 e.g.:   
       pre lineárny pokles

nebo   

 

I

– rozdiel investičných nákladov (v porovnaní s nákladmi u najlacnejšej varianty)

*) po celú dobu predpokladáme nemennú úrokovou sadzbu

Výsledky sú uvedené pre (predpokladanú) dobu životnosti 15 rokov v prípade Grafu č. 4 pre umiestnenie na Slovensku a Grafu č. 5 v Nemecku. Záverom je možné vyvodiť:

Slovensko:

• V dôsledku nízkych nákladov na energie sú rozdiely medzi systémami minimálne
• V prípade prevádzky po dobu približne 10 rokov sa Systém č. 4 javí ako najlacnejšie riešenie
• S ohľadom na životnosť zariadenia je Systém č. 3 vyhodnotený ako najvhodnejší
• Systémy č. 1 a č. 2 sú najmenej hospodárne

Nemecko:

• Systémy č. 1 a Systém č. 2 sú takmer ekvivalentné
• Systém č. 4 je vyhodnotený ako najlacnejšie riešenie a to po dobu prevádzky približne 3 roky
• S ohľadom na životnosť zariadenia je Systém č. 3, vyhodnotený ako najvýhodnejší
• Systém č. 4 je vyhodnotený ako nepriaznivý

Porovnaním dosiahnutých výsledkov dochádzame k niekoľkým záverom:

• Systém nástrešnej jednotky v kombinácii s plynovým kotlom sa javí ako ekonomicky najefektívnejšie riešenie
• V prípade vysokých cien energií má chýbajúca rekuperácia energie veľmi negatívny vplyv na návratnosť investície
• S ohľadom na efektívnosť nákladov je centrálny vzduchotechnický systém konkurencieschopným riešením
• Rozdiely v celkových nákladoch sú výraznejšie v dôsledku vyšších cien energií

Okrem týchto preukázateľných výsledkov je možné taktiež konštatovať ďalšie výhody a nevýhody, ktoré sú číslami ťažko vyčísliteľné, ale ktoré je potrebné brať do úvahy:

• Vzduchové kanály nie sú nikdy úplne tesné, plánovaný vzduchový výkon je potrebné odpovedajúcim spôsobom navýšiť v závislosti na konkrétnej inštalácii
• Pokiaľ sa vzduchovody znečistia, dochádza k zhoršeniu kvality privádzaného vzduchu
• Pomocou decentrálneho vzduchotechnického systému môžu byť jednotlivé VZT jednotky nastavené úplne individuálne pre každú oblasť zvlášť, čo umožní vysokú flexibilitu systému chladenia a vykurovania
• Decentrálny vzduchotechnický systém je možné jednoducho rozšíriť alebo upraviť tak, aby vyhovoval meniacim sa prevádzkovým podmienkam; to prináša zaručenú flexibilitu investície
• V závislosti na type zvolenej jednotky je možné brať do úvahy architektonické rozloženie budovy

Záver

Záverom je možné povedať, že pre nami uvažovanú výrobnú halu je najvhodnejším riešením práve decentrálny vzduchotechnický systém s plynovými kondenzačnými kotlami. Takéto riešenie sa z hľadiska nákladov a to ako investičných, tak prevádzkových, zdá byť najekonomickejším variantom. Pokiaľ si prajeme zohľadniť návratnosť investície, systém bez rekuperácie tepla sa neodporúča.

S ohľadom na vynaložené investičné náklady, rozdiely medzi centrálnym a decentrálnym systémom vzduchotechniky sú zanedbateľné. Ceny energií, ak sú použité technológie s podobnou náročnosťou, hrajú menej významnú úlohu, než ako sa predpokladalo. V prípade výrobných hál a skladov môže decentrálny systém vzduchotechniky prinášať radu výhod týkajúcich sa účinnosti a prevádzkovej flexibility.

---

Poznámky

¹ Tuto štúdiu vypracoval Dipl.-Ing. (FH), Christian Friebe, ktorý pracuje ako projektový inžinier v Inštitúte für Luft- und Kältetechnik Gemeinnützige Gesellschaft mbH v Drážďanoch (Nemecko) ... Zpět