Systemy stało- kontra zmiennoprzepływowe - porównanie kosztów eksploatacyjnych

W artykule przedstawiono porównanie kosztów eksploatacyjnych na bazie trzech typowych rozwiązań regulacji systemów grzewczych i chłodzących. Analizę przeprowadzono pod kątem oceny kosztów pompowania i kosztów inwestycyjnych dla samych układów regulacyjnych.

W artykule przedstawiono porównanie kosztów eksploatacyjnych na bazie
trzech typowych rozwiązań regulacji systemów grzewczych i chłodzących (rys. 1). Analizę przeprowadzono tylko pod kątem oceny kosztów pompowania i kosztów inwestycyjnych dla samych
układów regulacyjnych. Analiza nie obejmuje pozostałych aspektów, jak:
porównanie efektywności pracy agregatów (chiller), porównanie komfortu,
czy zużycia energii elektrycznej przez klimakonwektory itd.

Rys. 1 Porównywane systemy
Opis analizowanego obiektu
Analiza przeprowadzona jest dla instalacji
klimatyzacji rzeczywistego obiektu
budynku hotelowego o następujących parametrach:
• budynek 15-kondygnacyjny, 10 pionów;
• przepływ całkowity – 215 m3/h;
• wysokość podnoszenia pompy – 250 kPa;
• moc pompy – 20,1 kW, pompa o zmiennym
wydatku sterowana przetwornicą częstotliwości o stałym ciśnieniu podnoszenia
dla systemu 2, o zmiennym
ciśnieniu podnoszenia dla systemu 3;
dla systemu 1 ze względu na stałoprzepływowy charakter nie zastosowano regulacji
pompy;
• liczba klimatyzatorów (FCU) – 941
sztuk;
• koszt energii elektrycznej 0,0835 euro/
kWh;
• stopień wykorzystania pokoi tzw. obłożenie, na podstawie danych statystycznych:
- 100% – 6% czasu eksploatacji,
- 75% – 15% czasu eksploatacji,
- 50% – 35% czasu eksploatacji,
- 25% – 44% czasu eksploatacji.

Rys. 2 Szczegółowa analiza kosztów pompowania dla systemu 2 i 3
Koszty eksploatacyjne
Dla powyższych założeń obliczamy koszty
pompowania, posługując się charakterystykami
pomp dla systemu 2 oraz 3 (rys. 2). Ponieważ zastosowany układ 1
jest stałoprzepływowy, nie wymaga analizy
ze względu na stałe warunki pompowania,
a zatem najwyższe.
Koszty pompowania obliczane są dla wyżej założonych różnych stopni wykorzystania
pokoi (dla budynków innych typów
np. biurowce można przyjąć odpowiednie
godzinowe wykorzystanie poszczególnych
pomieszczeń stosownie do typu pracy
użytkowników). Pobór mocy elektrycznej
obliczany jest na podstawie znajomości
charakterystyki pompy i zmiennego
przepływu wynikającego ze zmiennego
obciążenia (stopnia wykorzystani pokoi).
Szczegółowe obliczenia dla poszczególnych
systemów przedstawiono w tabelach.
Dla uproszczenia przyjęto, iż rozpatrywany
obiekt jest użytkowany przez
365 dni w roku i poszczególne odbiorniki
pracują 24 godziny.
Całkowite roczne koszty pompowania
dla systemu stałoprzepływowego wynoszą 14 707 euro, co w przeliczeniu na odbiornik
(lub upraszczając na zawór regulacyjny)
daje 15,62 euro na zawór.
Dla przypomnienia: zmiana obciążenia
dla takiego systemu nie wpływa na zmianę
przepływu, a zatem możemy się spodziewać,
że koszty dla takiego systemu
będą bardzo wysokie.
Przeprowadźmy zatem analizę dla pozostałych dwóch układów i porównajmy
całkowite koszty w przeliczeniu na odbiornik
(lub zawór regulacyjny).

Rys. 3 Schemat instalacji czynnika chłodniczego
Porównanie kosztów eksploatacyjnych
System 1
Całkowite roczne koszty pompowania: 14 707 euro
Koszt w przeliczeniu na zawór wynosi: 15,62 euro
System 2
Całkowite roczne koszty pompowania: 11 616 euro
Koszt w przeliczeniu na zawór wynosi: 12,34 euro
26% oszczędności w stosunku do rozwiązania 1
System 3
Całkowite roczne koszty pompowania: 6778 euro
Koszt w przeliczeniu na zawór wynosi: 7,20 euro
116% oszczędności w stosunku do rozwiązania 1
71% oszczędności w stosunku do rozwiązania 2
Rozwiązanie zmiennoprzepływowe z użyciem ręcznych
zaworów równoważących (MBV) niestety nie zapobiega
powstaniu nadprzepływów w systemie i MBV
nie są wstanie zapewnić odpowiedniego zrównoważenia dla zmiennych przepływów. Zawory typu PIBCV
w rozwiązaniu 3 dzięki automatycznej funkcji równoważenia oraz możliwości indywidualnej stabilizacji
ciśnienia dla zaworu regulacyjnego, zapewniają perfekcyjne warunki pracy w całym zakresie zmian przepływów (CV ma stały autorytet równy 1), a przez to najmniejsze koszty eksploatacyjne.



Porównanie nakładów
Inwestycyjnych
Instalacja została zaprojektowana dla
maksymalnej prędkości przepływu dla
rurociągów poziomych 2,2 m/s, dla pionów
1,5 m/s. Ręczne zawory równoważące zostały zaprojektowane w sposób umożliwiający dokonanie równoważenia za pomocą metody kompensacyjnej w celu
optymalizacji punktu pracy pompy.
Ze względu na bardzo dużą dowolność
doboru zaworów regulacyjnych i napędów
wybrano dla wszystkich wersji regulacji
napędy termiczne typu on/off w celu łatwiejszego
porównania nakładów inwestycyjnych.
Dla wersji 2 przeanalizowano
dwa typy zaworów regulacyjnych RAC
oraz VZ2. Różnice cenowe wynikają
z różnej konstrukcji i danych technicznych
zaworu jak dopuszczalne spadki ciśnienia
itd. Porównania dokonano na bazie
cen katalogowych z 1.06.07 r. według
cennika firmy Danfoss.
Koszty inwestycyjne zestawione są w kolumnie
pierwszej (tabela 5). Do kosztów
tych należy uwzględnić koszty montażu
(różne dla wariantów ze względu na liczbę
instalowanych zaworów) oraz koszty uruchomienia,
czyli tzw. równoważenia. Dla
ułatwienia przyjęto jednorazowe równoważenie, chociaż niektórzy producenci zalecają coroczne powtarzanie tej procedury
ze względu na zmiany warunków hydraulicznych
instalacji. Koszty montażu oraz
koszty uruchomienia przyjęte zostały raczej
na niskim poziome średnich cen europejskich
10 euro na godzinę (dla przykładu w wysoko rozwiniętych krajach UE
koszty te wynoszą 20-30 euro na godzinę).
Okres zwrotu nakładów w porównaniu do
układów stałoprzepływowych jest bardzo
krótki i liczony dosłownie w miesiącach
nawet bez uwzględnienia kosztów montażu i uruchomienia.
Koszt wariantu 1 – 111 144 euro do 112 606
dla wariantu 3. Każdy projekt wymaga indywidualnego
zestawienia kosztów ze
względu na zróżnicowane rozwinięcia instalacji,
ale zawsze obowiązuje zasada: im
instalacja bardziej rozległa, im wyższe budynki,
tym okres zwrotu będzie krótszy (ze
względu na wystąpienie dużych średnic
zaworów oraz dużej ich liczby). Uwzględniając koszty montażu oraz uruchomienia,
może się okazać (jak w tym przypadku), że
nakłady inwestycyjne są znacznie wyższe
pomimo zastosowania tańszych zaworów
regulacyjnych (stanowią one jedynie jeden
z elementów składowych).
Zestawienie nakładów dla wariantu 2 wygląda atrakcyjnie i zależy od rodzaju zastosowanego
zaworu regulacyjnego (ze
względu na koszty samego zaworu). Celowo
dla wariantu 2 zestawiono dwa
kompletnie różne zawory regulacyjne:
dobry zawór regulacyjny i zawór średni.


Jeśli planowana przez nas inwestycja ma pracować w oparciu
o tzw. BMS (Building Management System), to w celu zapewnienia
odpowiedniej regulacji (odpowiedniego komfortu) nie
mamy dużego wyboru i raczej należy stosować dobre zawory
regulacyjne sterowane dobrymi napędami (regulacja sygnałem
modulowanym). Wtedy całkowite nakłady inwestycyjne (z kosztami
montażu oraz uruchomienia) mogą się okazać znacznie
wyższe i tak wariant 2 – 122 465 euro do 118 252 euro dla wariantu
3. Dane zawarte w tabeli 5 obrazują, iż całkowite koszty
inwestycyjne dla wariantu 1 i 3 są wyższe niż dla wariantu 4.
Dla obiektów „mniej wymagających”, w których z założenia decydujemy
się na potencjalnie gorsze warunki komfortu (słabszą
regulację) czas zwrotu nakładów, uwzględniając ww. parametry
może wynosić około 3,35 roku. Dla takich rozwiązań należy jednak
pamiętać o dodatkowych kosztach takich, jak: liczba reklamacji,
koszty serwisowania, niski komfort (duże oscylacje temperatury),
które nie zostały uwzględnione w tym opracowaniu.
Zatem niższe początkowe nakłady inwestycyjne mogą być pozorne,
jeżeli weźmiemy pod uwagę okres eksploatacji.
Wprowadzenie nowego typu zaworu, jakim jest zawór typu
PIBCV, stwarza możliwości nie tylko projektantom w zakresie
łatwego doboru bez konieczności przeprowadzenia żmudnych obliczeń,
ale również firmom wykonawczym (niższe koszty montażu,
automatyczne uruchomienie) i użytkownikom, zapewniając niskie
kosztu eksploatacji oraz bardzo wysoką jakość regulacji.

Autor: Mariusz Jędrzejowski, Danfoss