Optymalizacja izolacji rur instalacji klimatyzacyjnych z wodą lodową

W czasach, kiedy ceny energii są wysokie i niestety nadal rosną, kiedy istnieje rosnąca zależność od dostawców energii i co bardzo ważne, w perspektywie pogarszających się warunków klimatycznych, potencjał oszczędzania energii w sektorze budowlanym musi być wykorzystywany bardziej rygorystycznie.

Prowadząc obliczenia i opracowania dotyczące zmniejszenia emisji CO₂, firma Armacell udowodniła, że jest możliwe osiągnięcie olbrzymich oszczędności energii poprzez modernizację polegającą na właściwym doborze i zastosowaniu odpowiedniej izolacji na instalacjach grzewczych oraz ciepłej wody użytkowej w istniejących budynkach.

Zgodnie z europejską dyrektywą 2002/91/WE w sprawie charakterystyki energetycznej budynków [1], po raz pierwszy przy obliczaniu całościowej charakterystyki energetycznej budynku należy wziąć pod uwagę nie tylko instalacje c.o. i c.w.u. ale również chłodzenie, wentylację i oświetlenie. Dawniej klimatyzacja w budynkach była luksusem, natomiast obecnie sprzedaż klimatyzatorów w Europie wzrasta co roku o 10%.

Nie tylko na południu Europy, ale również w krajach Europy środkowej i północnej montuje się coraz więcej instalacji klimatyzacyjnych. Przyczyną tego są częściowo zmiany klimatyczne, które skutkują gorętszymi sezonami letnimi w regionach europejskich o klimacie umiarkowanym.

Konieczność zapewnienia niskich temperatur potrzebnych do chłodnictwa i klimatyzacji powoduje wysokie koszty. W optymalizacji tych kosztów ważną rolę odgrywa izolacja. Zapewnia ona utrzymywanie jak najdłużej wymaganej temperatury czynnika, redukując tym samym czas pracy agregatu chłodzącego.

Jak dowodzi ten artykuł, poprzez optymalizację izolacji rur z wodą lodową, można uzyskać znaczny potencjał oszczędności. Dotychczas głównym celem izolowania rur z czynnikami chłodzącymi było zapobieganie kondensacji. W przyszłości celem pierwszoplanowym powinno stać się zmniejszenie straty energii z instalacji.

Potencjał oszczędności energii w instalacjach klimatyzacyjnych opartych na wodzie lodowej

W zależności od struktury klimatyzowanego budynku, jego powierzchni, złożoności i liczby pięter, układ rurociągów z wodą lodową może być zaprojektowany i skonstruowany na różne sposoby. Jest on zazwyczaj dzielony na sekcje, dla każdej grupy klimakonwektorów.

Regułą jest, że im większa liczba klimakonwektorów, do których ma być dostarczony czynnik chłodzący, tym większa średnica rury. Dlatego też w takiej instalacji mamy do czynienia z rurami o różnych średnicach. W analizowanym przypadku zyski ciepła obliczane są w odniesieniu do metra bieżącego rury, dlatego długość rury w każdej sekcji jest nieistotna. Aspekty, które są istotne to przyjęta średnica rury, o wymiarach od DN 32 do DN 100 oraz grubość izolacji rur, którymi się tutaj zajmujemy. 

Najlepszym sposobem na określenie potencjału poprawy wydajności energetycznej jest porównanie przynajmniej dwóch rozwiązań dla tego samego systemu. Jedno z nich pokazuje niższe całkowite zużycie energii podczas okresu, o którym jest tu mowa. Omawianym tu okresem może być jeden sezon klimatyzacyjny lub wiele lat.

Na rzeczywistą oszczędność energii w przykładowej instalacji wody lodowej ma wpływ jakość (właściwości termoizolacyjne, materiał) oraz grubość izolacji. W obliczeniach wykorzystujemy aktualne parametry techniczne elastycznych izolacji kauczukowych AF/Armaflex, ostatnio poprawione w 2006 r.

Aby zapobiec kondensacji w warunkach opisanych w tab. 1., wystarczy zaizolować instalacje izolacją AF/Armaflex AF-1 o narastającej grubości izolacji pomiędzy 7 a 11 mm. Istotna jest przy tym informacja, że otuliny AF/Armaflex są produkowane z technicznie uzasadnionymi grubościami ścianek (tzw. narastająca grubość izolacji).

W celu zapewnienia jednakowej temperatury na powierzchni zewnętrznej izolacji dla wszystkich średnic rur grubość izolacji będzie zwiększać się automatycznie w miarę, jak będzie wzrastać średnica rury. Średnice rury i grubości izolacji, które są uwzględniane, przedstawiono w tab. 1. (w obliczeniach tych nie porównujemy wszystkich możliwych grubości izolacji ze sobą).

W każdym przypadku minimalna grubość izolacji potrzebnej, aby zapobiec kondensacji (AF/Armaflex AF-1) jest porównywana z większymi grubościami izolacji (szeregi grubości od AF-2 do AF-6).

Przy wilgotności względnej do 70%, przyjąwszy temperaturę otoczenia do +26°C, zakres grubości izolacji AF-1 od 9,0 do 9,5 mm zapewnia kontrolę kondensacji dla przyjętych średnic rur. W omawianym przypadku zakres AF-1 jest uważany za „izolację minimalną”, która spełnia swój podstawowy cel – kontrolę kondensacji – jednakże, nie ma ona żadnego konkretnego znaczenia, jeśli uwzględnić kryterium oszczędności energii.

W obliczeniach wydajności energetycznej i ekonomicznej dotyczących większych grubości izolacji, we wszystkich przypadkach porównuje się AF-1 do typoszeregów grubości od AF-2 do AF-6.

Kolejność obliczeń

Dla każdej danej średnicy rury i grubości izolacji zysk ciepła z powietrza otaczającego instalację może być obliczony w odniesieniu do metra bieżącego rury w [W/m]. Zysk ciepła powoduje lekki wzrost temperatury wody lodowej w instalacji, dodatkowo do głównego przyrostu o 5÷6 K w klimakonwektorach.

W agregacie wody lodowej temperatura czynnika musi być ponownie obniżona do pierwotnych +7°C w możliwie wydajny energetycznie sposób. Chociaż wzrost temperatury, będący rezultatem zysku ciepła, nie jest bardzo duży, nawet w przeliczeniu na setki metrów rur, to akumuluje się on poprzez wiele cykli i powoduje znaczącą stratę energii po kilku sezonach klimatyzacyjnych.

W typowych sytuacjach bardziej powszechne jest kontrolowanie temperatury powrotu wynoszącej od +11 do +12°C niż temperatury zasilania rzędu +6 do +7°C. Jednakże, sterowanie instalacją nie jest szczególnie istotne w obliczeniach.

Jedyną ważną rzeczą jest założenie, że zysk ciepła dla instalacji rurociągów wody lodowej musi być rekompensowany większym zużyciem energii (głównie sprężarki) w centralnej jednostce chłodzącej. Jeśli już zyski ciepła w [W/m] dla różnych grubości izolacji będą znane, można obliczyć różnicę wobec najwyższego poziomu zysku ciepła dla grubości AF-1, uzyskując w ten sposób oszczędności [W/m] w porównaniu z najmniejszą grubością izolacji (wymaganie minimalne dla kontroli kondensacji).

Co więcej, poprzez pomnożenie oszczędności w zysku ciepła przez omawiany okres czasu, można obliczyć oszczędności energii cieplnej [kWh/m] w danym okresie czasu, np. w jednym lub większej liczbie sezonów klimatyzacyjnych.

W przedstawionych obliczeniach zakłada się 6-miesięczny sezon klimatyzacyjny. To, co można zaoszczędzić podczas eksploatacji instalacji klimatyzacyjnej, to energia elektryczna zużywana przez centralną jednostkę chłodzącą w danym okresie czasu. Oszczędności te można obliczyć za pomocą wskaźnika wydajności energetycznej (WWE), w którym brane są pod uwagę sprężarki, wentylatory i elementy kontrolne.

WWE zależy od warunków pracy jednostki chłodzącej: temperatury powietrza atmosferycznego oraz temperatury wody lodowej opuszczającej jednostkę (temperatury zasilania). Może on mieć zakres od ok. 1,7 do 3,0. Dla celów niniejszych obliczeń przyjmuje się wskaźnik wydajności energetycznej 2,6 dla całego okresu klimatyzacyjnego.

Gdy znane są oszczędności energii elektrycznej, możliwe jest również obliczenie zmniejszenia emisji CO₂. Współczynnik emisji CO₂ zależy od tego, jakie paliwa (gaz, ropa naftowa, węgiel, paliwo atomowe) są zużywane w danym kraju do produkcji energii elektrycznej w elektrowniach.

Np. w Niemczech, współczynnik ten wynosi 0,683 kg CO₂/kWh. W tabelach 3a i 3b przedstawione są wyniki obliczeń energetycznych dla rur o średnicach DN 40 (48,3 mm) oraz DN 80 (88,9 mm) przypadające na 1 mb rury.

Obliczenie wydajności ekonomicznej

Wyniki przedstawione w tabelach 3a i 3b mogą być ciekawe, ale same w sobie niewiele udowadniają. Jest oczywiste, że gdy zwiększa się grubość izolacji, zyski ciepła będą mniejsze, zaoszczędzając w ten sposób energię cieplną i elektryczną oraz zmniejszając emisję CO₂.

Kwestią, która jeszcze nie była omawiana w niniejszym artykule, jest opłacalność inwestycji w optymalną izolację. Inwestycja początkowa w grubszą izolację jest nieznacznie większa niż inwestycja w minimalną izolację wymaganą celu zapobieżenia kondensacji. Tak czy inaczej, koszty montażu izolacji występują w obu przypadkach, a zatem można ich nie uwzględniać.

Pozostaje kwestia wyjaśnienia, czy wyższe koszty inwestycyjne będą równoważone przez wyższe oszczędności energii, innymi słowy, czy cała operacja zastosowania grubszej izolacji będzie się opłacać.

W tych obliczeniach musi być obliczana wartość finansowa oszczędności energetycznych na każdy kolejny rok, na podstawie przyjętego rocznego wzrostu cen energii, a następnie wartość ta musi być sprowadzona do wartości obecnej, włączywszy przyjętą realną stopę zwrotu (oprocentowania). Przyszłe oszczędności należy porównać z bieżącą inwestycją.

Przyjęte tu wartości przyrostu rocznego cen energii oraz stopa zwrotu wynoszą odpowiednio 5 i 4%. Obliczenia oparte są na cenach energii elektrycznej przyjętych w wysokości 0,20 EUR/kWh.

Oszczędności finansowe i koszty inwestycji (cena izolacji dla inwestora) są przedstawione na rys. 1. dla średnic rur DN 40 (48,3 mm) oraz DN 80 (88,9 mm). Jak można zaobserwować na rys. 1., na przykładzie rury DN 40, uzyskane oszczędności po 5, a nawet po 10 latach są ciągle poniżej linii kosztów inwestycji, czyli są ujemne.

Jednakże, po osiągnięciu punktu przełomowego po ok. 10 latach, możliwe są realne oszczędności. Aby zatem oszacować oszczędności całkowite, koszty inwestycji (linia żółta) muszą zostać odjęte od oszczędności finansowych energii, i w ten sposób uzyskujemy właśnie oszczędności całkowite. Są one przedstawione na rys. 2. i 3. ponownie dla rur DN 40 (48,3 mm) i DN 80 (88,9 mm).

Na rys. 2. i 3. pokazano, że w naszym przykładzie istnieje optymalna grubość izolacji, dla której oszczędności całkowite są najwyższe. W podanych tu warunkach jest to zakres AF/Armaflex AF-4 (20,0÷23,5 mm). Nawet w przypadku większych grubości izolacji (zakresy AF-5 i AF-6), wyższe koszty inwestycji nie są wystarczająco rekompensowane przez dodatkowy efekt oszczędności energii.

Jednakże ważne jest tutaj, aby pamiętać, że przedstawione wyniki są przewidywaniem dotyczącym przyszłości, przyjmując pewne założenia z perspektywy teraźniejszej – czyli, jeśli np. średni wzrost roczny cen energii będzie wynosił więcej niż 5% ponad przyjęty lub jeśli nastąpi nagły wzrost cen, wtedy nawet zastosowanie grubszych izolacji będzie miało sens z ekonomicznego punktu widzenia. Prawdziwym jest stwierdzenie, że w kategoriach całkowitych tym więcej energii jest oszczędzane, im większa grubość izolacji.

Równocześnie, nawet jeśli początkowe koszty inwestycji będą wyższe, jest ona bardziej przyjazna dla środowiska.

Jednym z powodów niższej wydajności ekonomicznej większych grubości izolacji w porównaniu do zakresu AF-4 jest fakt, iż przewodność cieplna izolacji AF-5 i AF-6 jest o 10% wyższa (0,036 W/mK), stąd oszczędności energii są o 10% niższe.

Inny powód to fakt natury czysto fizycznej – oszczędność energii w rurach, odmiennie niż w przypadku wymiany ciepła przez płaską powierzchnię – zmniejsza się w zależności od zastosowania każdej następnej grubości izolacji, z powodu większej powierzchni wymiany ciepła.

Oszczędności energii i redukcje w emisji CO₂ są przedstawione na rys. 4. i 5.

W tabeli 4. użyty jest konkretny przykład w celu ukazania potencjału oszczędzania energii, który może być uzyskany poprzez zoptymalizowaną izolację rur wody lodowej.

Zostało tutaj wybrane typowe zastosowanie: supermarket o powierzchni 9000 m² oraz wymaganiu chłodniczym 70 W/m², chłodzony przez instalację klimatyzacyjną o mocy 505 kW, o nominalnej temperaturze zasilania +7°C. Całkowita długość rur z wodą lodową, o różnych średnicach, to 608 m. W tabeli 4. zostały opisane szczegółowo odpowiednie odcinki instalacji rurowej.

Dla temperatury powietrza +26°C i wilgotności względnej φ≤70% izolacja AF/Armaflex AF-1 (7÷10 mm) jest wystarczająca, aby zapobiec kondensacji. Oszczędności dodatkowe, które mogą być uzyskane przy większych grubościach izolacji, ilustruje rys. 6. W podanych warunkach izolacja AF/Armaflex AF-4 (20,0÷23,5 mm) jest optymalna. Inwestycja o nieznacznie wyższych kosztach zacznie się opłacać już po 5 latach.

Potencjał oszczędności energii w przykładowym zastosowaniu

Z danych zawartych w tabeli 5. wynika, że w 15-letnim okresie użytkowania, poprzez zastosowanie izolacji AF-4, zużycie energii elektrycznej może być zredukowane o 153 MWh.

Przyjmując roczny wzrost cen energii o 5%, można zaoszczędzić 23 200 EUR. Pod względem emisji CO₂, następuje redukcja tego związku o ok. 105 ton, co jest mniej więcej równe rocznej emisji CO₂ z 20 średnich domów jednorodzinnych, o powierzchni 150 m² oraz zapotrzebowaniu na energię 100 kWh/m².

Wnioski

W przeciwieństwie do powszechnie panującego przekonania minimalna grubość izolacji potrzebna do kontroli kondensacji w rurach z wodą lodową nie jest optymalnym rozwiązaniem pod względem oszczędności energii. Dodatkowe oszczędności energii mogą być uzyskane przy większej grubości izolacji; w przedstawionych typowych warunkach, przez zastosowanie izolacji AF/Armaflex o optymalnej grubości AF-4 (20,0÷23,5 mm). 

Nieznacznie wyższe koszty inwestycji zwrócą się już po 5÷10 latach. Z ekonomicznego i ekologicznego punktu widzenia, istnieje górny limit grubości izolacji rur z wodą lodową. Przyjmując typowo europejskie warunki podstawowe, optymalna grubość izolacji to 20÷30 mm.

Przy typowym zastosowaniu (9000 m² powierzchni, o wymaganiu chłodniczym 70 W/m²) poprzez optymalną izolację, można zaoszczędzić 153 MWh energii elektrycznej lub 23 200 EUR w 15-letnim okresie użytkowania. W zakresie ochrony środowiska, redukcja emisji CO₂ wynosi 105 ton. Zużycie energii w instalacjach chłodniczych i klimatyzacyjnych jest olbrzymie. Pomimo to, użytkownicy i inwestorzy są często tego nieświadomi.

Z uwagi na rosnące ceny energii, oszczędność energii w instalacjach staje się coraz ważniejsza, ponieważ poprzez instalacje oszczędne energetycznie można zaoszczędzić konkretne środki finansowe. Równocześnie instalacje takie chronią środowisko. Zwłaszcza w sektorze niemieszkaniowym na całym świecie istnieje duży potencjał oszczędności.

Gdyby zrealizować wspomniany potencjał, zmalałoby zużycie energii oraz zwiększyłaby się wartość nieruchomości, bezpieczeństwo energetyczne i ochrona środowiska.

Literatura

 1. Dyrektywa 2002/91/WE Parlamentu Europejskiego i Rady Unii Europejskiej z dnia 16 grudnia 2002 r. w sprawie charakterystyki energetycznej budynków.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!