Prednosti kondenzacijske tehnike Vincenc Butala, Uroš Stritih Univerza v Ljubljani, Fakulteta za strojništvo, Aškerčeva 6, Ljubljana, Slovenija Povzetek Večjo učinkovitost kurilnih narav oziroma ogrevalnih sistemov oredeljuje tako evroska direktiva o energijskih lastnostih stavb, ki jo moramo članice EU imlementirati v nacionalni ravni red do januarja 2006, kakor tudi osnutek evroske direktive o učinkovitosti rabe končne energije in energetskih storitvah, katere strateški cilj je dodatni 6% rihranek energije do leta 2012. Razvoj znanosti in tehnologije na odročju tolotne tehnike nam danes nudi kotle, ki imajo bistveno večjo energijsko učinkovitost kar omogoča višjo energetsko učinkovitost ogrevanja stavb. Med te uvrščamo redvsem kondenzacijske kurilne narave, ki o (stari) metodologiji izračuna dosegajo energijsko učinkovitost reko 100%. Zamenjava klasične kurilne narave z novimi linskimi kondenzacijskimi tehnologijami realno omogoča 15% dvig učinkovitosti ogrevalnega sistema, kar omembno vliva na njegovo letno učinkovitost. Zamenjava starejših klasičnih kurilnih narav oziroma celotnih sistemov a omogoča rihranke energije tudi do 40%. Ali bo domača kakovost kurilnega olja EL vzodbudila uorabo energijsko učinkovitejše oljne kondenzacijske tehnike? Vgradnja kondenzacijkih kurilnih narav omogoča 0,63% delež dorinosa k izolnjevanju Kyotskega rotokola. Ključne besede: kurilne narave, faktor učinkovitosti, goriva, kondenzacija, rihranek 1. Uvod Evroska direktiva o energijskih lastnostih stavb (EPB) ostavlja nove zahteve in ristoe, ki jih moramo imlementirati v nacionalno zakonodajo države članice EU do začetka leta 2006. Določila EPB omembno osegajo na rabo energije, vlivov na notranje (zdravo kakovost bivanja) in zunanje (Kyotski rotokol ohranjanja ravnovesja v zunanjem okolju) okolje stavb. Prinaša otrebo o gradnji trajnostnih stavb in s tem ovečano skrb tako za energijo, kakor tudi za odročje njenih virov, gradbenih materialov in surovin, voda, itn. Nadgradnja obstoječe domače zakonodaje bo omembno vlivala na samo arhitekturno in gradbeno zasnovo stavb, na tehnologije in tehnike narav in sistemov ogrevanja, hlajenja, rezračevanja in klimatizacije, metod določitve energijskih kazalcev in energetsko certificiranje stavb, etikiranje relevantnih roizvodov (kotlov, hladilnih narav, klimatskih narav,...). Ocena energetske učinkovitosti in etiketiranja obstoječih stvab se uvaja v večino držav EU. EPB direktiva bo verjetno odirala ta trend tudi v bodoče. Direktiva redisuje enotna ravila in vsebino za oceno bodočih energijskih rocedur. Bo to vodilo k bolj enotni energijski oceni v obstoječih stavbah in kateri za določeno državo in regijo secifični elementi so otrebno za usešno izvajanje lokalnih rogramov? 12
Zelena knjiga EU Towards a Euroean Strategy for Energy Suly osvetljuje tri ključne točke: - EU ostaja vedno bolj in bolj odvisna od uvoza energije. Po sedanjih naovedih, brez srejetih ukreov, se bo uvozna odvisnost s sedanjih 50% (leto 2003) ovečala na 70% leta 2030. - Emisija tologrednih linov v EU je v orastu. Izvrševanje določil Kyoto rotokola. - EU ima zelo omejeno območje vliva na uvozne energetske ogoje. Zato je otrebno ukreati na strani otrošnikov energije, redvsem na romociji in ukreih učinkovite rabe energije v stavbnem sektorju in rometu. 40,7 % celotne rabe končne energije v EU se rabi v stanovanjskem in tercialnem sektorju (slika 1). Električne narave 11% Kuhanje 7% Hlajenje 4% Drugo 16% Ogrevanje 57% Razsvetljava 14% Ogrevanje 50% Tola voda 25% Kuhanje 7% Tola voda 9% Slika 1: Rabe končne energije v EU: stanovanjski sektor (levo) in terciarni sektor (desno). Osnovni cilj je ovečati učinkovitost rabe končne energije, redvsem na odročju ogrevanja. Pri roizvodnji in distribuciji energije so možnosti za dvig energijske učinkovitosti majhne in delno omejene, medtem ko obstajajo znatni ekonomski otenciali za dvig učinkovite rabe končne energije. Ocenjeni otenciali rihrankov v držav EU (analiza velja rted 1. majem 2004, za 15 držav) znašajo za sektorja gosodinjstvo in terciarni sektor 22% ter za industrijo 17%. 2. (Predlog) Metoda izračuna energijske učinkovitosti ogrevalnega sistema V Sloveniji je metodologija za določitev tolotnih lastnosti stavbe zajeta v Pravilniku o tolotni zaščiti in učinkoviti rabi energije v stavbah. Ker redhodno imenovani ravilnik temelji na četrtem nivoju izražanja energijskih lastnosti stavb, bo otrebno reiti na eti novo izražanja energijskih lastnosti stavb, glede na razlagalni dokument direktive o gradbenih roizvodih številka šest (Racionalno ravnanje z energijo in ohranjanje tolote). Primer rabe rimarne energije za otrebe ogrevanja in sistema sanitarne tole vode: Princi metode za izračun otrebne energije za ogrevanje temelji na uoštevanju izgub o določilih standarda SIST EN 832, SIST EN ISO 13790 in sličnih. Sistemske izgube bodo izračunane osebej (tolotne in električne energije) in na koncu bo končna energija konvertirana (reoblikovana) v rimarno energijo (slika 2). Za dano eriodo (leto, mesec, teden,...) se rimarna energija za sistem ogrevanja in sanitarne tole vode določi: E = Q f, h * f + Wh * f + Q f, w * f + Ww * f (kwh/eriodo) (1) kjer omeni: 13
E f h rimarna energija Q, otrebna končna energija za ogrevanje f i reoblikovni faktor rimarne energije za vsako vrsto rabljeno energijo (tolotno, električno, sončno,...) W h f w W w omožna energija otrebna za ogrevanje Q, otrebna končna energija za sistem sanitarne tole vode omožna energija otrebna za sistem sanitarne tole vode Slika 2: Meje sistema rabe energije, celotna energija od izvira do rabe. Potrebna končna energija za sistem sanitarne tole vode: Q f, w = Qw Qnww + Qtw (kwh/eriodo) (2) kjer omeni: Q otrebna tolota za tolo vodo w Q nww ridobljena tolota za toloto vodo od hišnega sistema tole vode (revod dela omožne energije direktno v tolo vodo) Q tw celotne tolotne izgube sistema tole vode. Celotne tolotne izgube sistema tole vode vključujejo rekueracijo tolotnih izgub ogrevanja (slika 3). Raba tolote ( Q h ) za stavbo ali za del stavbe se izračuna v skladu z že omenjenimi standardi o enačbi (3). Raba tolote uošteva tolotne izgube ovoja stavbe in izkoriščene notranje tolotne dobitke (metabolični tolotni dobitki ljudi, sroščena tolota ri razsvetljavi in tolota gosodinjskih aaratov). Ne uošteva izgub ogrevanja in sanitarne tole vode glede na ne-enakomerne temeraturne distribucije, kontrolo neučinkovitosti, izgub ovračljivosti in omožne energije. Q = Q γ * Q (kwh) (3) h Q l Q gs Υ u l u gs tolotne izgube skozi ovoj stavbe tolotni dobitki faktor izkoriščenosti 14
Slika 3: Energijski tok od rimarne energije do njene rabe. Energijske izgube, na rimer ogrevalnega sistema, odaja slika 4. Smer računanja je nasroten smeri energijskega toka. Začne se z rabo tolote in konča z izračunom rimarne energije. Raba tolote je energijski učinek ogrevanja (emisijskega odsistema) in uoštevanje ovračljive izgube. Za vsak odsistem se računa izguba tolote Qhx ki se doda tolotnemu učinku s čemer se ugotovi otrebna količina tolote. Lastnost sistema faktor učinkovitosti Lastnost ogrevanja in sistema sanitarne tole vode se izrazi s faktorjem učinkovitosti: E e = Q h + Q w (-) (4) kjer omeni: e koeficient lastnosti sistema ali faktor učinkovitosti E količina dovedene rimarne energije v ogrevalni sistem (kwh) Q h raba tolote za ogrevanje (kwh) raba tolote za sanitarno tolo vodo (kwh) Q w Nižji je faktor učinkovitosti tem energijsko učinkovitejši je ogrevalni sistem. Slika 4: Energijski tok, smer računanja in struktura ogrevalnega sistema. 15
3. Klasične in kondenzacijske kurilne narave Pri kemičnem rocesu gorenja goriva se srošča energija, ki je vezana na rodukte zgorevanja. Produkti zgorevanja grejejo grelni medij (običajno voda), ki se retaka o ogrevalnem sistemu. Tolota, ki jo imenujemo koristna energija, reko grelnih teles ogreva zrak v bivalnih rostorih. Produkti zgorevanja se na svoji oti roti dimniku ohlajajo. Pri klasičnih (nekondenzacijskih) kurilnih naravah je ohlajanje roduktov zgorevanja omejeno, kar omeni, da smejo biti ri vstou v dimnik ohlajeni na največ 160 C in najmanj na 240 C. Omenjena relativno visoka temeratura roduktov zgorevanja znižuje učinkovitost kurilne narave. Pri klasičnih kurilnih naravah risotna vodna ara v roduktih zgorevanja ne sme kondenzirati, zato je energijska učinkovitost klasičnih kurilnih narav na tekoča in linasta goriva med 88% in 94 % (slika 5a). Tehnologija kondenzacijskih kurilnih narav omogoča, da se rodukti zgorevanja ohlade od temeraturo rosišča vodne are. Nastane (rahlo) kisli kondenzat, ki ga ri kurilnih naravah manjših tolotnih moči (stanovanjske stavbe) lahko odvajamo v kanalizacijo, rodukte zgorevanja a ventilator odvaja skozi dimnik v atmosfero. Naravni vlek, ki ga ustvarja dimnik zaradi različnih energijskih otencialov na dnu in na vrhu dimnika ri klasičnih kurilnih naravah, je zaradi svoje renizke energijske vrednosti na dnu dimnika (rodukti zgorevanja so ohlajeni na 30 C do 50 C) nemogoče ustvariti ri kondenzacijskih kurilnih naravah. Kondenzacijske kurilne narave na lin dosegajo teoretično energijsko učinkovitost do 111 %, v raksi a med 102% in 106% (slika 5b). Plinska kurilna narava ri temeraturi sistema 90/70 C Vložena energija = kurilnost + kondenzacijska tolota 111% 100% 11% Plinska kondenzacijska kurilna narava ri temeraturi sistema 40/30 C Vložena energija = kurilnost + kondenzacijska tolota 111% 100% 11% 100% 11% neizkoriščena kondenzacijska tolota 8% izgube roduktov zgorevanja 108% 3% neizkoriščena kondenzacijska tolota 2% izgube roduktov zgorevanja 92% 4% sevalne izgube 106% 1% sevalne izgube 88% 105% Slika 5a Slika 5b Zakaj učinkovitost kondenzacijske kurilne narave nad 100%? Po zakonih termodinamike, učinkovitost narave ne more biti večji od ena (100%). Pri kondenzacijskih kurilnih naravah a govorimo o dosegani učinkovitosti nad 100%. Karakteristika goriv, ko govorimo o energijski učinkovitosti, je količina tolote, ki jo dobimo ri oolnem zgorevanju goriva. Toloto, ki nastane ri gorenju imenujemo zgorevalna tolota (oznaka H S ). V reteklosti nismo izkoriščali celotne razoložljive energije goriva, redvsem tiste ne, ki se»skriva«v latentni toloti vodne are v roduktih zgorevanja. Latentna tolota se srosti ri kondenzaciji vodne are, zato te 16
narave imenujemo kondenzacijske. Energija, ki se dobi iz goriva brez kondenzacijske tolote (rodukti zgorevanja se ne ohlade od temeraturo rosišča vodne are, na r.: 56 o C ri zemeljskem linu) se imenuje kurilnost (oznaka H I ). Ko se koristi le kurilnost goriva je učinkovitost kurilne narave definirana kot razmerje med ridobljeno toloto in kurilnostjo o dogovorjeni (stari) metodologiji izračuna. Kondenzacijska tehnologija kurilnih naravah omogoča koriščenje latentne tolote vodne are, zato izračunana učinkovitost reseže 100%. Navajanje takšne energijske učinkovitosti je smiselno le zaradi rimerjave med različnimi kurilnimi naravami. Novi standardi, ki oredeljujejo metodologijo za izračun energijske učinkovitosti kurilnih narav, odravljajo navedeno»omanjkljivost«v skladu zakonov termodinamike. 4. Plinasta goriva (zemeljski lin) in kurilno olje EL Goriva se zaradi različne elementne sestave razlikujejo glede na energijski in ekološki vidik. Pri zgorevanju linastega goriva v kondenzacijskih kurilnih naravah, zaradi sestave goriva, nastaja veliko vodne are, zato so rav linasta goriva najbolj rimerna za kondenzacijsko tehnologijo. Ker so linasta goriva izmed fosilnih goriv najrimernejša za uorabo ri kondenzacijskih kurilnih sistemih slovensko tržišče nudi redvsem kondenzacijske kurilne narave na lin. Najbolj uorabljeni so kondenzacijski zgorevalni sistemi na zemeljski lin, ki vsebuje veliko metana. Lastnosti linov so vidne v tabeli 1. Gorivo Zgorevalna Točka Kurilnost Razmerje Steh.kol. tolota r osišča** (Hi) Hs/Hi vo de (kg/kwh) (Hs) ( C) Zemeljski lin 10,55 kw /m 3 3 9,5 kw/m 1,11 56 0,16 E l kurilno olje* 12,61 kw/kg 11,86 kw/kg 1,06 47 0,09 El kurilno olje 10,68 kw/liter 10,0 kw/liter 1,06 47 0,09 UNP butan 3 34,29 37,14 kw/m kw/m 3 1,08 52 0,12 UNP roan 28,24 kw/m 3 26,0 kw/m 3 1,09 53 0,13 Tabela 1 Oombi: : * Po SIST 1011 Hi 42,6 MJ/kg ** Pri razmerniku zraka 1,2 in 50% vlažnosti Glede na zatečeno stanje, da v Sloveniji veliko (cca 54 %) uorabljamo tekoča goriva (kurilno olje EL) za ogrevanje stavb in riravo tole vode, je smiselno in otrebno tržišču onuditi tudi kondenzacijske kurilne narave na kurilno olje EL, ki imajo letni izkoristek za cca 10% višji od nizkotemeraturnih kotlov. Pri kondenzacijski tehnologiji se izloča kondenzat, ri čemer je omembna njegova h vrednost, ki je odvisna od kakovosti goriva. Pri izustu nastalega kondenzata, ri uorabi zemeljskega lina, ni otrebno neutralizirati. Da je h vrednost oljnega kondenzata ribližno enaka sodnji meji kislosti h vrednosti kondenzata zemeljskega lina, je otrebno uorabljati kakovost kurilnega olja EL s vsebnostjo žvela od 50 m (<0,005%). Pri 1000 m (0,1%) vsebnosti žvela v kurilnem olju EL je kislost nastalega kondenzata v kurilni naravi cca 1,8 h vrednosti (Tabela 2). 17
kondenzat iz kondenzacijskih kurilnih narav odadna voda iz gosodinjstev kurilno olje lin 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 H kislo orju, lina lina kis nica nica nica oda no) oda oda Tabela 2: Skala h vrednosti jak bazično 5. Učinkovitost kondenzacijskih sistemov Kondenzacijski sistemi so energijsko učinkovitejši od oznanih sistemov, vendar z omejitvijo možnosti nastanka kondenzacije (slika 6). Pri temeraturni regulaciji vode ogrevalnega sistema v odvisnosti od zunanje temerature zraka je možnost izkoriščenja kondenzacijske tolote odvisna od izbranega temeraturnega ogrevalnega sistema. Možna je le do določene zunanje temerature, ki zavisi od temeraturnega ogrevalnega sistema in uorabljenega goriva (točke rosišča goriva). Slika 6: Korelacija med rabo energije in zunanjo temeraturo zraka ri temeraturnih ogrevalnih režimih 70/50 o C in 45/35 o C ri uorabi kondenzacijskih kurilnih narav. 6. Prihranki energije in zmanjšanje emisije Evroski raziskovalni rogram SAVE je okazal, kako izjemno veliki so možni otencialni rihranki energije doseženi z zamenjavo klasičnih kurilnih narav s kondenzacijskimi tehnologijami. Ocenjeno je, da je skoraj 80% vgrajenih kurilnih narav amortiziranih, velik delež tudi redimenzioniranih, ki ne dosegajo zahtevanih energijskih učinkovitosti. Slošna ugotovitev je, da obstaja velik otencijal za rihranke energije z zamenjavo kurilnih narav. Realističen scenarij zamenjave klasičnih, 18
sodobnih kurilnih narav na tekoča in linasta goriva s kondenzacijskimi kaže, da je v sklou nekaterih držav EU možno doseči ri 30% zamenjavi kurilnih narav 100 PJ rihrankov energije na leto ri ogrevanju stavb. Ocenjujemo, da je v Sloveniji v gosodinjstvih vgrajenih 160 tisoč kotlov na tekoča in linasta goriva ovrečne letne energijske učinkovitosti 70%. V rimeru 30% njihove zamenjave s linsko kondenzacijsko tehnologijo ovrečne letne učinkovitosti 101% in ob uoštevanju otrebnih robnih ogojev, bi letno dosegli zmanjšanje rabe energije (zemeljskega lina in kurilnega olja EL) v gosodinjstvih za 9,0% ob znižanju emisije CO 2 za 94 tisoč ton letno, kar redstavlja 0,63% zmanjšanje glede na določilo Kyotskega rotokola. 7. Literatura: 1. Green Paer: Towards a Euroean strategy for the security of energy suly, Euroean Commission, 2001. 2. Euroean Commission. Directive on the energy erformance of buildings (Direktiva o energijskih lastnsotih stavb) (2002/91/EC), Official Journal of the Euroean Communities, N o L 1, January 4, 2003. 3. Osnutek direktive o učinkoviti rabi končne energije in energetskih storitvah, EC. 4. Estimation of energy savings by relacement of oil- and gas fired boilers, SAVE rogram, David Tveit and Otto Paulsen, 1999. 5. Euroean Commission: Directive on efficiency requirements for new hot-water boilers fired with liquid or gaseous fuels (Direktiva o zahtevah za energijsko učinkovitost tolovodnih kotlov na tekoča in linasta goriva) (92/42/EEC). 6. Statistične informacije RS, št. 281, 18. Energetika, Statistični urad RS, nov. 2003. 7. ren 14335, Heating systems in buildings Method for calculation of system energy requirements and system efficiencies, CEN, Brussels, 2002. 8. Kranjc Andrej, Mednarodne obveznosti zmanjšanja emisij tologrednih linov Kyotski rotokol in stališče EU. Delavnica: Zmanjševanje emisij tologrednih linov. Ministrstvo za okolje in rostor, Institut Jožef Stefan, Ljubljana, 1999. 9. Butala Vincenc. Metodologija in druge zahteve Direktive EPB v ogledu energijskega reskušanja vgrajenih narav in sistemov v stavbe ter trenutno stanje v Sloveniji v rimerjavi s tujimi izkušnjami. V: Direktiva EU o energijskih lastnostih stavb 2002/91/EC: ključni elementi za njeno uvajanje v Sloveniji: strokovna delavnica OPET mreže, 11. 11. 2003, Gradbeni center Slovenije. Ljubljana: Gradbeni inštitut ZRMK, 2003. 19