Zhodnotenie odpadového tepla v modelovej predajni potravín

Aké úspory môže priniesť zmena konceptu HVAC?

Príspevok rieši možnosť energetického zhodnotenia odpadového tepla z výpeku pekárenských pecí v modelovej predajni potravín.

Projekt bol spracovaný ako štúdia s cieľom optimalizovať riešenia profesijnej časti VVK. Na realizáciu štúdie sa použili tieto záväzné predpisy a odporúčané technické normy:

• Nariadenie Komisie EÚ č. 1253/2014, ktorým sa vykonáva smernica Európskeho parlamentu a Rady EÚ č. 2009/125/ ES – ekodesign
• STN EN 16798-3: 2018 Vetranie nebytových budov. Všeobecné požiadavky na vetracie a klimatizačné zariadenia
• STN EN 13465: 2005 Vetranie budov. Výpočtové metódy na stanovenie prietoku vzduchu v obytných priestoroch
• STN 73 0548: 1985 Výpočet tepelnej záťaže klimatizovaných priestorov

Zároveň boli použité takéto výpočtové hodnoty klimatických pomerov:

• miesto: Galanta
• nadmorská výška: 118,45 m n. m. (BPV)
• normálny tlak vzduchu: 0,0987 MPa = 98,7 kPa
• výpočtová teplota vonkajšieho vzduchu v lete: +36 °C
• entalpia vonkajšieho vzduchu v lete: 63,0 kJ/kgs.v.
• výpočtová teplota vonkajšieho vzduchu v zime: -11 °C
• relatívna vlhkosť vonkajšieho vzduchu v zime: 90 %

Výpočet tepelnej záťaže a tepelných strát objektu

Tepelné zisky podľa STN 73 0540: 1985:

• požadovaný chladiaci výkon (bez VZT jednotky): 83 548 W, t. j. cca 100,26 MWh/r
• požadovaný chladiaci výkon (VZT jednotky): 55 400 W, t. j. cca 66,48 MWh/r
• zisky chladu (z potravinárskeho chladenia): -33 700 W, t. j. cca 40,44 MWh/r
• celkový požadovaný chladiaci výkon: 105 248 W, t. j. cca 126,30 MWh/r

Výpočet potreby tepla podľa STN EN 12 831: 2019 (STN 06 0210):

• podlahové vykurovanie (predajná plocha + pokladne), plná prevádzka 24 h: 30 000 W
• vykurovanie priestorov podstropnými/nástennými klimatizačnými jednotkami, plná prevádzka 15 h, tlmená 9 h: 15 746 W
• vykurovanie priestorov stropnými elektrickými sálavými panelmi, plná prevádzka 15 h, tlmená 9 h: 1 137 W
• dohrev priestorov pokladní VZT jednotkou, plná prevádzka 15 h, vypnutá 9 h: 4 700 W
• vetranie predajne VZT jednotkou, plná prevádzka 15 h, vypnutá 9 h: 31 100 W
• dverná clona (opcia), plná prevádzka 13 h, vypnutá 11 h: 11 800 W

Spolu: 94 483 W

Bilancia potreby tepla v objekte (max. požiadavka na vykurovací výkon) je uvedená v tab. 1. Ročná spotreba tepla na prevádzku je 257,10 MWh/rok.

Podružné meranie spotreby elektrickej energie

V predajni sa realizovalo podružné meranie spotreby elektrickej energie. Jednotlivé merače sú vzájomne prepojené zbernicou M-Bus. V elektrických paneloch boli osadené podružné elektromery – buď priame alebo nepriame – ktoré merajú okamžitú spotrebu elektrickej energie cez pomocné transformátory. Informácie z týchto meračov sa odosielajú do interného cloudu a následne spracúvajú v grafickej a tabuľkovej forme.

Návrh riešenia a potenciál úspor

Potenciálny zdroj úspor elektrickej energie

Predstavený návrh počíta s použitím systému Daikin HeRec v2 VRV, pri ktorom môžeme celkové uvoľnené teplo z pecí (disponibilný tepelný výkon) využiť v systéme spätného získavania tepla. Daikin VRV IV Inverter HeRec v2 (Heat Recovery – rekuperácia tepla) ponúka mimoriadne výhodnú funkciu. V jednej budove možno chladiť aj kúriť jedným centrálnym systémom súčasne.

Vnútorné klimatizačné jednotky sa podľa potreby správajú ako výparníky – klimatizácie alebo kondenzátory – vykurovacie telesá. Výhodou tohto riešenia sú výrazné úspory energií. Kým napríklad klimatizácia v serverovni pracuje v režime chladenia, vo vedľajšej kancelárii môže v tom istom čase vykurovať a tak sa náklady na energie môžu znížiť až o polovicu.

Namiesto skvapalnenia chladiva na vonkajšej kondenzačnej jednotke kondenzuje splynené chladivo v priestore zázemia. Inými slovami, odpadové teplo z pecí sa použije na ohrev zázemia. V zmysle výpočtu je celkový okamžitý tepelný výkon z výpeku pecí približne 33,60 kW, čo predstavuje disponibilný tepelný výkon za celú vykurovaciu sezónu približne Q_{PEKAREN, ROK} = 52,551 MWh.

Ako so zdrojom tepla a chladu pre predajnú plochu počítame s VZT jednotkou s integrovaným tepelným change-over registrom pre priamy výpar s dvomi tepelnými čerpadlami Mitsubishi Electric FDC 140 VSA. Spotreba energie kondenzačnej jednotky FDC 140 VSA v režime vykurovania je 4,70 kW. Sezónny vykurovací faktor SCOP jednotky je 4,28.

Predpokladaný náklad na 1 kWh je 0,032 €. Vykurovací výkon jednotky je 15,5 (4,0~16,5) kW. Celkový vykurovací výkon registra je Q = 44 kW. Súčasťou VZT jednotky je rekuperačný rotačný výmenník s účinnosťou spätného získavania tepla min. 76 % (ETA) a s účinnosťou spätného získavania vlhkosti min. 53 %. Pri využití oboch kondenzačných jednotiek s chladivom R410A je teoreticky možné pokryť tepelnú stratu na predajnej ploche.

Disponibilný tepelný výkon pecí

Pece DEBAG sa nachádzajú v miestnos na prípravu pečiva. Harmonogram výpeku pečiva sa skladá z troch hlavných výpekov, pri ktorých sú v prevádzke obe pece naraz. Pekárenská pec DEBAG sa skladá z hornej a dolnej pece s celkovým inštalovaným príkonom 29,56 kW. V miestnosti na prípravu pečiva je nad každou pecou navrhnutý odťah pomocou ventilátora Systemair DVC315-P, ktorý sa spúšťa pri teplote miestnosti vyššej ako +25 °C.

Na elimináciu tepelných ziskov slúžia v súčasnom riešení aj tri kazetové jednotky Daikin FCAG 100A s chladiacim výkonom 9,5 kW. V navrhovanom riešení, ktoré počíta s použitím systému HeRec VRV, by sa použili kazetové jednotky Daikin FXFQ 100B s chladiacim výkonom 9,5 kW. V zmysle interných podkladov je priemerný cyklus pečenia zhruba 15 minút, priemerne sa denne realizuje približne 17 cyklov v každej peci.

Súčasný tepelný zisk z pecí (ak počítame súčasnosť chodu pece 0,2833 hod.), t. j. tepelný zisk (citeľné aj latentné teplo) je približne 33,60 kW, čo predstavuje disponibilný tepelný výkon na úrovni asi 9,52 kWh. Celková spotreba energie na pohon odťahového ventilátora Systemair DVNI 355 EC je približne Q_{VENTILATOR ROK} = 1,00 MWh počas vykurovacieho obdobia.

Vychádzame z predpokladu, že ventilátor je spustený 15 hodín denne počas 202 vykurovacích dní. Merný výkon ventilátora SPF (kW/m³/s) je 0,587. Celková energia spotrebovaná SPLIT jednotkami na chladenie odpadového tepla z pecí, či už vo forme citeľnej alebo latentnej záťaže, sa odhaduje približne na Q_{KLIMA ROK} = 6,05 MWh.

Podľa katalógového listu výrobcu je spotreba jednotky FCAG 100A + vonkajšej jednotky približne 2 016 kWh za celé vykurovacie obdobie. V priestore sa štandardne osádzajú tri kazetové jednotky FCAG 100A + vonkajšie jednotky, t. j. ich spotreba je 3× 2,016 MWh. Celková spotreba energie na elimináciu tepelných ziskov z pecí je odhadnutá spolu na približne ∑Q_{PEKAREN ROK} + Q_{VENTILATOR ROK} + Q_{KLIMA ROK} = 58,60 MWh.

Porovnanie efektívnosti prípravy tepla a chladu

Zdrojom tepla a chladu pre predajnú plochu je TČ s priamym výparom priamo vo VZT jednotke (tab. 2), médiom je privádzaný vzduch. Celková vypočítaná ročná spotreba tepla na vykurovanie predajnej plochy je 185,74 MWh. Pri referenčnej cene 0,135 € za 1 kWh (ZSE) to znamená, že 1 kWh tepla vyrobíme v danom TČ za 0,032 €.

Výhodou navrhovaného riešenia je takmer okamžitá zmena teploty vykurovacieho/chladiaceho média (vzduchu) v tepelnom registri VZT jednotky (merná tepelná kapacita vzduchu je C_20oC = 1 010 J/(kg . K), vody je C_p0oC = 4 019 J/(kg . K)). Vzhľadom na fyzikálne vlastnosti distribučného média je to však zároveň aj nevýhoda.

Aby sme dopravili rovnaké množstvo tepla, resp. chladu, je v prípade vzduchu potrebné voliť väčší tepelný gradient (K) alebo oveľa väčší objem tepelne upraveného média. Pri nevhodnom spôsobe distribúcie chladného vzduchu to môže byť pre personál aj zákazníkov obťažujúce.

Preto je na predajnej ploche zvolený doplnkový zdroj tepla/chladu. V navrhnutom riešení sa počíta s kazetovými jednotkami Daikin FXFQ 100B, ktoré sú súčasťou VRV systému.

Primárna energia

Prepočet spotreby energie na primárnu energiu v zmysle vyhlášky č. 364/2012 Z. z. je v tab. 3.

Zhodnotenie

Z prevádzkového hľadiska je predpokladaná úspora nákladov na vykurovanie vo výške približne 52,551 MWh/rok, čo v percentuálnom vyjadrení znamená, že možno ušetriť zhruba 20 % spotreby tepla za rok. Pri vypočítanej úspore U_CELKOVA = 52,551 MWh je predpokladaná hrubá návratnosť riešenia N = 7,58 roka.

Literatúra

1. STRAKOVÁ, Z. – ŠABÍKOVÁ, J. – LEIMBERGER, P. – BODÓ, R.: Technické zariadenia budov, 3. Vetranie a klimatizácia – cvičenia. Bratislava: STU, 2015, 288 s.
2. SZEKYOVÁ, M. – FERSTL, K. – NOVÝ, R.: Vetranie a klimatizácia, Bratislava: JAGA GROUP, 2004, 422 s.
3. RECKNAGEL, H. – SPRENGER, E.: Vykurovanie, vetranie a klimatizácia. 2000, 167 s.
4. Firemné podklady Daikin.
5. Firemné podklady Glen Dimplex.
6. Firemné podklady DEBAG.

Autor pôsobí v spoločnosti zaoberajúcej sa maloobchodným predajom.

Článok bol publikovaný v časopise TZB 01/2021.