Rekuperacija: Primerjava učinkovitosti klima naprav za večje stavbe

Zanimanje za energetsko učinkovito klimatizacijo in prezračevanje z rekuperacijo s svežim zrakom je vedno večje. Največ zanimanja beležimo zadnjih letih v panogi industrije (proizvodne hale) in turizma (kuhinje, restavracije, hoteli).

Ob tem se številnim investitorjem porajajo vprašanja:

• kakšno klima napravo izbrati?
• kakšna investicija se obrestuje?
• kaj je glede na tehnologijo rekuperacije smiselno?

Da bi investitorjem pokazali način razmišljanja in kako se odločiti pri izbiri klima naprave smo za primerjalno stavbo izbrali prezračevanje in hlajenje proizvodne hale; podobno pa velja tudi za druge tipe stavb.

V proizvodnih halah se poleg višje onesnaženosti zraka pojavljajo tudi velike toplotne obremenitve, kar pomeni, da je pogosto prevroče in je potrebno toploto odvajati.  Zahteve po intenzivnejšem hlajenju pa vplivajo na obratovalne stroške. Zato je pomembno, da smo poleg ustrezne zasnove prezračevanja pozorni tudi na izbiro klima naprave in njeno hlajenje. Prav zaradi tega, ker energetska učinkovitost vpliva na obdobje vračila investicije.

V kolikor je rekuperacija oz. učinkovitost vračanja toplote klima naprave denimo 80%, so prezračevalne izgube za 100% večje, kot pri 90% učinkovitosti! V prvem primeru moramo namreč dovesti v sistem 20% toplotne energije, ki je ne uspemo povrniti z rekuperacijo, v slednjem pa le še 10% toplotne energije.

Čeprav lahko dosežemo s klasično in visoko učinkovito prezračevalno napravo enake zahtevane parametre temperature in vlage, so stroški obratovanja visoko-učinkovite klimatske naprave veliko nižji.

Pri tem se pojavlja vprašanje, kakšna je doba povračila investicije (ang. ROI – return of investment) v visoko-učinkovito napravo. Ali se nakup manj učinkovite klimatske naprave res bolj splača? Kakšna je dejanska razlika v investiciji med učinkovito in manj učinkovito napravo?

Cena klima naprave: Kaj se bolje obrestuje – klasična ali visoko-učinkovita prezračevalna naprava?

V nadaljevanju vam bomo predstavili primerjavo med klasično in visoko-učinkovito klima napravo, ki sta po svojih karakteristikah primerni za prezračevanje in hlajenje proizvodnih hal. Na podlagi nedavno izvedenih projektov klimatizacije hal z visokimi toplotnimi obremenitvami, bomo prikazali tudi razliko v investiciji in obratovalnih stroških hlajenja, ki poteka v proizvodnih prostorih večino leta. Pri tem bomo ločili:

• Majhne proizvodne hale velikosti cca. 330 m2 s potrebo zraka cca. 6.000 m3/h,
• Srednje velike proizvodne hale velikosti cca. 1160 m2 s potrebo zraka cca. 21.000 m3/h,
• Velike proizvodne hale velikosti cca. 2260 m2 s potrebo zraka cca. 41.000 m3/h.

V nadaljevanju sta podrobneje opisani klasična klima naprava in visoko-učinkovita klimatsko-prezračevalna naprava z integriranim mehanskim in adiabatskim hlajenjem.

Klasična prezračevalna klimatska naprava: rekuperacija brez adiabatnega hlajenja (Systemair KA HSO)

Rekuperator – rekuperacija

V napravi je nameščen diagonalni ploščni prenosnik toplote – rekuperator iz aluminija s 85% izkoristkom (temperaturnim učinkom) pozimi. V poletnem času, oziroma v režimu hlajenja je učinek rekuperatorja ničeln, saj je odtočni zrak toplejši od zunanjega. To pomeni, da bi v primeru rekuperacije zunaji zrak še dodatno predgreli z odtočnim zrakom, kar seveda ni zaželeno, saj bi tako še povečali potrebno hladilno moč.

Spremembe stanja zraka skozi rekuperator so prikazane na diagramu h-x, na podlagi katerega določimo prezračevalne izgube. Upoštevani so pogoji izvedenega projekta prezračevanja proizvodne hale, in sicer:

V zimskem režimu se zunanji zrak ob toku skozi rekuperator ogreje iz -16°C na 15,4°C. To pomeni, da je potrebno ogreti zunanji zrak le še za 4,6°C, kar predstavlja prezračevalne izgube. Le-te so prikazane za tri velikosti proizvodnih hal v sledeči tabeli:

V poletnem režimu je zunanji zrak voden mimo rekuperatorja preko lopute bypass. To pomeni, da je za doseganje željene vpihovane temperature 19°C zrak hlajen izključno s hladilnikom, kar pa ima za posledico velike prezračevalne izgube, kar se kaže v večjih stroških obratovanja. Izkoristek rekuperatorja klima naprave v režimu hlajenja je enak nič.

Hlajenje

Sistem za pripravo hladu v klasični napravi ni zajet, zato je potrebno poleg takšne klasične naprave poskrbeti še za hladilni agregat, kar predstavlja še dodaten strošek pri nabavi opreme in projektiranju. Prezračevalne izgube v poletnem režimu za klasično napravo so sledeče:

Hladilni / grelni register

V napravi sta zajeta hladilni in grelni register, preko katerih se pokrivajo prezračevalne izgube in toplotne obremenitve proizvodnje. Registri so sestavljeni iz bakrenih cevi ter aluminijastih lamel in so zaščiteni proti zamrznitvi s termostatom in s temperaturnim senzorjem iz platine. Za vodnim hladilnikom je nameščen ločevalnik vodnih kapljic za odstranjevanje vodnih kapljic iz zraka.

Filtracija

Za filtracijo zraka so na strani zunanjega in odtočnega zraka nameščeni vrečasti filtri razreda M5, dolžine 360mm. Tlačni padec skozi filter znaša med 24Pa in 150Pa. Na strani vtočnega zraka je nameščen filter razreda F7, dolžine 97mm. Tlačni padec skozi filter je med 71Pa in 200Pa.

Elektro-motorni ventilatorji

Nameščeni so elektro-motorni ventilatorji dovodnega in odvodnega zraka, ki imajo zaščito razreda IP55 in ustrezajo zunanjim tlačnim padcem do 500Pa. Dovodna enota porablja pri pretoku 21.000 m³/h 2 × 3,95kW električne moči, odvodna enota pa 2 × 3,27kW moči. Z izkoristkom okrog 74% sodijo v razred energetske učinkovitosti IE5. Po specifični moči sodijo v razred 3.

Potrebna dodatna oprema za hlajenje

V klasični klimatski napravi priprava hladilne energije ni zajeta, zato je potrebno namestiti še:

• zunanji sistem hlajenja,
• razvod procesne energije do hladilnega registra v klimatski napravi.

Pri prezračevanju proizvodnih prostorov s klasično klimatsko napravo je zato potrebno upoštevati tudi investicijo v ločen hladilni agregat ali DX enoto ter avtomatizacijo teh sistemov.

Potrebno je poskrbeti tudi za dovod hladilne energije preko hladilnih agregatov, DX enote ali daljinskega hlajenja.

Ohišje

Ogrodje ohišja je narejeno iz aluminijevih profilov kvalitete EN-AW 6060, ki ima dobre protikorozijske lastnosti in sodi med srednje jakostne materiale. Kotni deli ogrodja so narejeni iz polimera najlon-6.

Pokrov naprave sestavljata dve plasti galvaniziranega jekla, med katerima je toplotna in zvočna izolacija iz kamene volne debeline 50 mm. Izolacija sodi v protipožarni razred A po DIN 4102.

Nosilni okvir zagotavlja togost naprave in jo ščiti pred korozijo. Narejen je iz galvaniziranega jekla višine 125 mm. Za zbiranje in odtok kondenzata je na podložnem profilu nameščeno korito iz nerjavečega jekla 1.4301.

Spoji ohišja so zatesnjeni s silikonskim ali poliuretanskim tesnilnim materialom, ki imajo protimikrobne lastnosti in so odporne proti plesni. Kakovostni razredi ohišja so sledeči:

Skupni podatki klasične naprave

Visokoučinkovita klimatska naprava z rekuperatorjem in adiabatskim hlajenjem: Adsolair

Rekuperator

V napravi je vgrajen dvojni ploščni rekuperator, narejenim iz polimera polipropilen, kar omogoča integrirano indirektno adiabatsko hlapilno hlajenje. Le-to omogoča ohlajanje vtočnega zraka za 12°C brez kompresorskega sistema. Temperaturni izkoristek rekuperatorja v zimskem režimu je 78,%, v poletnem režimu ob adiabatskim hlajenju pa 90,8 %.

Spremembe stanja zraka skozi rekuperator so prikazane na diagramu h-x, na podlagi katerega določimo prezračevalne izgube. Upoštevani so pogoji izvedenega projekta prezračevanja proizvodne hale, in sicer:

V zimskem režimu se zunanji zrak ob toku skozi rekuperator ogreje iz -16°C na 12,4°C. To pomeni, da je potrebno ogreti zunanji zrak še za 7,6°C, da dobimo željeno vpihovano temperaturo. Prezračevalne izgube v zimskem času za tri velikosti proizvodnih hal so prikazane v sledeči tabeli:

Hlajenje

Posebnost naprave Adsolair je, da ima ob rekuperatorju vgrajen dodatno tudi sistem za adiabatsko hlapilno hlajenje, s katerim se zunanji zrak ohladi iz 32°C na 23,5°C skoraj brez vložene električne energije.

To znatno zniža potreben vložek hladilne moči za hlajenje na vpihovalno temperaturo 19°C:

Integrirano: adiabatsko hlajenje + kompresorsko hlajenje

Poleg indirektnega adiabatskega hlajenja je v napravi integriran tudi kompresorski sistem hlajenja, kar pomeni, da potrebe po ločenem sistemu za pripravo hladilne energije ni. Vgrajen je tudi ločevalnik kapljic.

Grelni register / Hladilni register

Za ogrevanje zraka je nameščen grelni register, preko katerega se dovaja ogrevna energija, generirana v toplotni črpalki ali v kotlu. Register je sestavljen iz bakrenih cevi ter aluminijastih lamel in je zaščiten proti zamrznitvi s termostatom in s temperaturnim senzorjem.  Možna je tudi izvedba z električnim grelnikom.

Hladilni register ni nameščen v napravi, saj na osnovi zagotovljenega mehanskega hlajenja in dodatnega adiabatskega hlajenja ni več potreben.

Filtracija zraka

Za filtracijo zraka so na strani zunanjega in odtočnega zraka nameščeni vrečasti filtri razreda M5, dolžine 300 mm. Tlačni padec skozi filter znaša 125 Pa. Na strani vtočnega zraka je nameščen filter razreda F7, dolžine 96 mm. Tlačni padec skozi filter je 139 Pa.

Elektro-motorni ventilatorji

Nameščeni so elektro-motorni ventilatorji dovodnega in odvodnega zraka, ki imajo zaščito razreda IP55 in ustrezajo zunanjim tlačnim padcem do 500 Pa. Dovodna enota porablja pri pretoku 21.000m³/h 2 x 4,41 kW električne moči, odvodna enota pa 2 x 4,10 kW moči. Z izkoristkom okrog 70% sodijo v razred energetske učinkovitosti IE4. Po specifični moči sodijo v razred 3.

Ohišje

Konstrukcija ohišja in nosilni okvir sta iz pocinkanega jekla in zagotavljata maksimalno stabilnost in zelo visoko nosilnost naprave. Po jakosti ohišja se uvršča naprava v najvišji razred kakovosti – D1.

Debelina panelne plošče je 50 mm in jo sestavljata notranji in zunanji panel, med katerima je toplotna izolacija PUR. Paneli so pocinkani in zaščiteni z epoxi prevleko.

Ključavnice za dostop v notranjost so pritrjene na zunanjo stran naprave, ne da bi prodirale v njeno ohišje, kar povečuje zrakotesnost naprave.

Razredi kakovosti ohišja so:

Avtomatizacija: digitalna regulacija

V visoko-učinkoviti klimatski napravi je integriran sistem adiabatskega in kompresorskega hlajenja, zato ni potrebe po ločenih sistemih priprave hladilne energije. Vključena je tudi vsa potrebna avtomatizacija (elektro omara z vsemi potrebnimi komponentami vključno z krmilniki) za učinkovito in varčno delovanje klimatske naprave.

Potrebno je poskrbeti za dovod ogrevne energije, bodisi preko toplotne črpalke, bodisi preko kotla ali daljinskega ogrevanja.

Skupni podatki visokoučinkovite naprave

Primerjava klimatskih naprav: rekuperacija z dodatkom hlajenja ali zagotoviti dodaten hladilni agregat?

Pri klimatizaciji proizvodnih prostorov, kjer so največji problem visoke toplotne obremenitve, delujejo klimatske naprave v režimu hlajenja večji del leta. Ob primerjavi naprav za tovrstne prostore je zato najbolj pomembno vprašanje, kakšne prihranke naprava nudi pri hlajenju. V nadaljevanju se bomo zato osredotočili na primerjavo obratovalnih stroškov med klasično in visoko-učinkovito klimatsko napravo v režimu hlajenja.

Ob iskanju rešitve klimatizacije prostorov je pomembno vprašanje, kaj vse je potrebno v sam sistem za učinkovito klimatizacijo zajeti. Če se odločimo za klasično klimatsko napravo, je potrebno upoštevati tudi dodatno investicijo v zunanji sistem priprave hladilne energije, saj le-ta v samo napravo ni zajet. To zahteva tudi dodaten prostor za postavitev ločenega sistema ter njegov razvod do klimatske naprave. Potrebno pa je poskrbeti tudi za avtomatizacijo obeh sistemov.

Sistem za pripravo hladilne energije pa je v visoko-učinkoviti klimatski napravi že zajet, kar pomeni veliko bolj enostavno in kompaktno rešitev, ki ne zahteva veliko prostora. V tovrstni napravi je integrirano popolnoma naravno indirektno adiabatsko hlapilno hlajenje, zaradi česar so prihranki v vloženi električni energiji precejšnji. Zaradi kompaktnosti naprave in napredne tehnologije hlajenja so tudi zahteve po vzdrževanju veliko manjše.

V sledečih tabelah so na podlagi izvedenih projektov prezračevanja in hlajenja proizvodnih hal in industrijskih objektov prikazane ocenjene razlike v investiciji v sistem klimatizacije, kakor tudi v stroških hlajenja med klasičnimi in visoko-učinkovitimi klimatskimi napravami z integriranim adiabatskim hlajenjem. Z upoštevanjem vseh faktorjev je razlika v skupni investiciji med 8% in 12%, kar zavisi od potrebne velikosti naprave (večji potreben pretok zraka – m3/h).

Iz zgornje primerjave je razvidno, da je učinkovitost višja pri večjih kapacitetah proizvodnih hal; kar neobhodno vpliva tudi na ROI.

Na učinkovitost klimatskih naprav pa poleg tehnologije hlajenja in samega izkoristka vračanja toplote (rekuperacije) vplivajo tudi:

• kakovost in zrakotesnost ohišja,
• učinkovitost ventilatorjev,
• tlačni padci skozi napravo.

Visoko-učinkovite klima naprave sodijo v najvišje razrede kakovosti tudi zglede na te faktorje. Velika prednost pri rešitvi s kompaktno visoko-učinkovito napravo so tudi manjši stroški delovanja ventilatorjev, saj je pri klasični izvedbi potrebno upoštevati dodatne stroške, ki nastanejo z delovanjem ventilatorjev enote za pripravo hladu. Stroških obratovanja visoko-učinkovite naprave so z upoštevanjem vseh teh faktorjev še veliko manjši.

Povzetek: klimatske naprave z rekuperacijo z hlajenjem ali brez hlajenja?

Visoko-učinkovita izvedba klimatske naprave predstavlja kompaktno rešitev, kar pomeni prihranke pri vzdrževanju in zavzetem prostoru  v strojnici. Ohišje in ostale komponente sodijo v sam vrh kakovosti, zaradi česar so bistveno manjše tudi toplotne izgube.

Razlika v investiciji med sistemom s klasično in visoko-učinkovito klimatsko napravo je ob upoštevanju vseh faktorjev je med 8% in 12%. Letni stroški hlajenja pa so pri klasični izvedbi večji za več kot 100%. Investicija v visoko-učinkovito napravo se pri obratovanju prezračevalne naprave 16 ur na dan povrne že v cca. 5 letih, v kolikor pa deluje naprava neprekinjeno, se doba povrnitve investicije lahko skrajša do 3 let.

Pri podjetju Menerga je mogoče zagotoviti klimatske naprave s klasično rekuperacijo kakor tudi z visoko-učinkovito rekuperacijo. Primer naprave s klasično stopnjo rekuperacije je kompaktna klimatska naprava Systemair KA, medtem ko je primer visoko-učinkovite rekuperacije (z dodatkom adiabatskega hlajenja), naprava Menerga Adsolair.

Ko poskrbimo za dobro kvaliteto zraka, prijetno temperaturo in ustrezno vlago zraka v delovnih prostorih, se poveča tudi psiho-fizično ugodje ljudi, s tem pa storilnost in učinkovitost delovnega procesa, kakor tudi zdravje zaposlenih. A to je že predmet drugega članka mehkih vplivov, ki jih tukaj sploh nismo zajeli.

V Menerga katalogu si lahko preberete več o prezračevalnih napravah in njihovi energetski učinkovitosti.