Autor: tehnički odjel Mycond
Suvremena klimatska kriza zahtijeva kritičan preispit sveukupne energetske učinkovitosti svih inženjerskih sustava, uključujući sustave odvlaživanja zraka. Ovaj proces, koji je energetski zahtjevan zbog svoje termodinamičke prirode, može se optimizirati za značajno smanjenje emisija CO₂. U hrvatskim klimatskim uvjetima, osobito u priobalnim regijama od Dubrovnika do Zadra, gdje je visoka vlaga zraka stalan izazov, pravilan odabir tehnologije odvlaživanja ima osobitu važnost.
Termodinamička priroda emisija CO₂ u procesima uklanjanja vlage
Fizička osnova energetske zahtjevnosti procesa odvlaživanja leži u visokoj vrijednosti topline isparavanja vode. To je količina energije koju je potrebno utrošiti kako bi se voda iz tekućeg stanja pretvorila u plinovito. Ona ovisi o temperaturi i određuje se kao r = 2501 - 2,38 × T kJ/kg, gdje je T temperatura u °C. Pri uklanjanju vlage iz zraka, neovisno o odabranoj tehnologiji, nužno je utrošiti energiju za svladavanje ove fizičke konstante.
Na psihrometrijskom dijagramu entalpija–sadržaj vlage procese odvlaživanja moguće je prikazati kao putanje kretanja: za kondenzacijski način – snižavanje temperature ispod točke rosišta uz naknadno zagrijavanje, za adsorpcijski – smanjenje sadržaja vlage pri gotovo stalnoj temperaturi, za ventilacijski – zamjena zraka s visokim sadržajem vlage sušijim vanjskim zrakom.
Izravna potrošnja energije opreme za odvlaživanje pretvara se u emisije CO₂ kroz koeficijent pretvorbe primarne energije, koji za električnu mrežu iznosi od 2,0 do 3,0, a za plin od 1,1 do 1,3. Također se uzima u obzir ugljična intenzivnost električne energije, koja se mjeri u gramima CO₂ po kilovatsatu.
Energetski i ugljični profil kondenzacijskog odvlaživanja
Kondenzacijski način temelji se na termodinamičkom ciklusu rashladnog stroja. Zrak se hladi ispod točke rosišta, vlaga kondenzira, a potom se zrak zagrijava. Koeficijent učinkovitosti (COP) kondenzacijskih odvlaživača snažno ovisi o temperaturi zraka: pri +5 °C može iznositi oko 1,5, a pri +35 °C dosezati 3,5–4,0.
Specifična potrošnja energije definira se kao omjer električne snage i učinka po vlazi E(spec) = Q(električna) / G(vlage). Za tipične kondenzacijske odvlaživače ovaj pokazatelj iznosi od 0,3 do 0,8 kWh/kg vlage, ovisno o uvjetima eksploatacije.
Važno je uzeti u obzir da kondenzacijski odvlaživač također ispušta toplinu u prostor. Ta toplina jednaka je zbroju topline isparavanja i električne snage, što dovodi do dodatnog opterećenja rashladnog sustava zgrade, osobito ljeti.
Energetski i ugljični profil adsorpcijskog odvlaživanja
Adsorpcijsko odvlaživanje temelji se na sposobnosti nekih materijala (silika-gel, zeolit) da adsorbiraju vlagu iz zraka. Proces uključuje dvije faze: adsorpciju (upijanje vlage) i regeneraciju (uklanjanje vlage iz adsorbensa).
Za regeneraciju je potrebno zagrijavanje na 120–180 °C, što zahtijeva znatne energetske izdatke. Izvori energije za regeneraciju mogu biti električni grijači, plinski plamenici, topla voda ili para. Ugljična intenzivnost ovisi o izvoru energije: najviša je za električne grijače, niža za plinske plamenike.
Energetski i ugljični profil ventilacijskog odvlaživanja
Ventilacijsko odvlaživanje temelji se na zamjeni vlažnog unutarnjeg zraka sušijim vanjskim. Učinkovitost ove metode ovisi o klimatskim uvjetima. U regijama Hrvatske, osobito u kontinentalnim područjima, metoda može biti učinkovita u određenim sezonama.
Važan pokazatelj je klimatska dostupnost metode, koja se određuje udjelom sati u godini kada je sadržaj vlage u vanjskom zraku niži od unutarnjeg. Za učinkovitu primjenu metode potrebno je da se taj uvjet ispunjava više od 4000 sati godišnje.
Energetski troškovi povezani su s toplinskom obradom pripuštenog zraka i radom ventilatora. Primjena rekuperacije topline može znatno smanjiti potrošnju energije, osobito zimi.
Algoritam odabira tehnologije prema kriteriju minimalnih emisija CO₂
Za odabir optimalne tehnologije odvlaživanja s gledišta minimizacije emisija CO₂ može se primijeniti sljedeći algoritam:
- Određivanje godišnjeg učinka po vlazi na temelju bilance vlage objekta
- Izračun specifične potrošnje energije za svaku tehnologiju
- Uvažavanje utjecaja na glavni HVAC sustav (dodatno opterećenje rashladnih agregata ili kotlova)
- Množenje s koeficijentom pretvorbe i ugljičnom intenzivnošću
- Dodavanje izravnih emisija od rashladnog sredstva (za kondenzacijske sustave)
- Usporedba ukupnih emisija CO₂ za različite tehnologije
Opće preporuke: ako je temperatura zraka niža od 15 °C, adsorpcijsko odvlaživanje ima prednost; ako je sadržaj vlage vanjskog zraka niži od unutarnjeg više od 4000 sati godišnje, ventilacijsko odvlaživanje je optimalno; ako postoji potrošač niskopotencijalne topline, kondenzacijsko odvlaživanje s rekuperacijom ima prednost.
Rekuperacija topline kondenzacije: izračun potencijala smanjenja emisija
Toplina dostupna za iskorištavanje u kondenzacijskim sustavima računa se kao Q(rekuperacije) = G(vlage) × r + P(električna), gdje je G(vlage) – učinak po vlazi, r – toplina isparavanja, P(električna) – električna snaga odvlaživača.
Potrošači ove niskopotencijalne topline mogu biti sustavi potrošne tople vode (zagrijavanje na 50–60 °C), bazeni (zagrijavanje na 26–28 °C), sustavi zračnog grijanja (zagrijavanje na 35–50 °C) ili tehnološki procesi.
Smanjenje emisija CO₂ pri korištenju rekuperacije topline ovisi o tome koji se izvor topline zamjenjuje. Ako je to plinski kotao, smanjenje emisija bit će proporcionalno ugljičnoj intenzivnosti plina. Ako je to električni grijač, smanjenje će biti značajnije, osobito u regijama s visokom ugljičnom intenzivnošću električne energije.
Metodologija izračuna potpunog ugljičnog otiska sustava odvlaživanja: metodologija TEWI
Metodologija TEWI (Total Equivalent Warming Impact – ukupni ekvivalentni učinak na zagrijavanje) omogućuje cjelovitu procjenu utjecaja sustava odvlaživanja na klimu. Za kondenzacijske sustave TEWI se računa kao zbroj triju komponenti:
- Izravne emisije od curenja rashladnog sredstva: GWP × m(curinja) × n
- Emisije pri zbrinjavanju: GWP × m(punjenja) × (1 − α(rekuperacije))
- Neizravne emisije od potrošnje energije: n × E(godišnje) × β × PEF
Gdje je GWP – potencijal globalnog zatopljenja rashladnog sredstva, m – masa, n – vijek trajanja, α – udio rekuperacije rashladnog sredstva, E – godišnja potrošnja energije, β – ugljična intenzivnost električne energije, PEF – koeficijent pretvorbe primarne energije.
Za adekvatnu procjenu potrebno je proširiti granice sustava, uzimajući u obzir utjecaj na rashladne agregate i kotlove, što može činiti od 40% do 80% ukupnog utjecaja.
Integracija s obnovljivim izvorima energije: izračun smanjenja ugljičnog otiska
Korištenje obnovljivih izvora energije omogućuje značajno smanjenje ugljičnog otiska sustava odvlaživanja. Za adsorpcijske sustave mogu se koristiti toplinske pumpe s koeficijentom učinkovitosti od 2,0 do 3,5 za temperature regeneracije 120–140 °C.
Sunčani kolektori mogu biti učinkovit izvor energije za regeneraciju adsorbensa. Potrebna površina kolektora računa se kao S = Q(regeneracije) / (I × η × k), gdje je Q(regeneracije) – energija regeneracije, I – prosječna insolacija, η – učinkovitost kolektora, k – koeficijent iskorištenja.
Za kondenzacijske odvlaživače učinkovito je rješenje primjena fotonaponskih sustava. Koeficijent pokrivenosti opterećenja računa se kao k(pokrivenja) = P(foto) × t(generacije) / E(godišnje), gdje je P(foto) – snaga fotonaponskog sustava, t – vrijeme generiranja, E – godišnja potrošnja energije.
Utjecaj ugljične intenzivnosti elektroenergetske mreže na odabir tehnologije
Ugljična intenzivnost električne energije znatno utječe na odabir optimalne tehnologije odvlaživanja. U Europi se taj pokazatelj kreće od 50 g CO₂/kWh (Norveška, Švedska) do 800 g CO₂/kWh (Poljska). U Hrvatskoj je ugljična intenzivnost u srednjem rasponu.
Pri niskoj ugljičnoj intenzivnosti (100 g CO₂/kWh) kondenzacijski sustavi imaju prednost pred adsorpcijskima s plinskom regeneracijom. Pri visokoj intenzivnosti (700 g CO₂/kWh) situacija može biti obrnuta.
Trend dekarbonizacije energetike s projiciranim smanjenjem ugljične intenzivnosti za 50% do 2040. postupno će povećavati prednost električnih sustava u odnosu na plinske.
Normativni zahtjevi i sustavi ekološke certifikacije zgrada
Europska direktiva o energetskim svojstvima zgrada (EPBD) postavlja zahtjeve za zgrade s gotovo nultom potrošnjom energije (nZEB). Uredba o fluoriranim plinovima (517/2014) ograničava uporabu rashladnih sredstava s visokim potencijalom globalnog zatopljenja: od 2020. zabranjena su rashladna sredstva s GWP većim od 2500, od 2025. većim od 150.
Sustavi certifikacije zgrada (BREEAM, LEED, DGNB) ocjenjuju energetsku učinkovitost i emisije CO₂ inženjerskih sustava, uključujući sustave odvlaživanja. Metodologija TEWI često se koristi kao alat za ocjenjivanje u sklopu tih sustava certifikacije.
Tipične inženjerske pogreške i zablude
Najčešće pogreške pri procjeni ugljičnog otiska sustava odvlaživanja:
- Usporedba tehnologija samo prema izravnoj potrošnji energije bez uvažavanja utjecaja na HVAC sustav
- Primjena univerzalne vrijednosti ugljične intenzivnosti bez uvažavanja lokalne strukture proizvodnje (pogreška do 400%)
- Zanemarivanje izravnih emisija od rashladnog sredstva
- Precjenjivanje potencijala rekuperacije bez izračuna stvarnog potrošača i temperaturnog usklađenja
- Procjena obnovljivih izvora prema instaliranoj snazi bez izračuna koeficijenta iskorištenja
- Usporedba adsorpcijskog odvlaživanja s električnom regeneracijom umjesto s plinskom
Granice primjene metodologija i uvjeti neučinkovitosti pristupa
Postoje uvjeti pod kojima određene tehnologije odvlaživanja postaju neučinkovite:
- Kondenzacijsko odvlaživanje: pri temperaturi nižoj od +5 °C koeficijent učinkovitosti pada ispod 1,5, što čini metodu neisplativom
- Ventilacijska metoda: učinkovita je samo kada je sadržaj vlage vanjskog zraka niži od unutarnjeg, neizvediva u vlažnoj klimi (relevantno za priobalne regije Hrvatske ljeti)
- Rekuperacija: pri učinku manjem od 50 kg/dan kapitalni izdaci za sustave rekuperacije mogu biti neopravdani
- Sunčana regeneracija: u sjevernoj Europi (geografska širina iznad 55°) insolacija je manja od 1 kWh/m² na dan, što osigurava pokrivenost opterećenja manju od 20%
Česta pitanja
Kako ispravno uvažiti utjecaj sustava odvlaživanja na ukupni HVAC sustav?
Potrebno je izračunati dodatno toplinsko opterećenje koje stvara odvlaživač. Za kondenzacijske sustave to je zbroj topline kondenzacije i električne snage. To se opterećenje množi s koeficijentom učinkovitosti rashladnog sustava i s ugljičnom intenzivnošću.
Koja je metoda odvlaživanja optimalna za hrvatsku obalu?
U priobalnim regijama Hrvatske, gdje je visoka vlažnost zraka veći dio godine, kondenzacijsko odvlaživanje s rekuperacijom topline za zagrijavanje vode optimalno je rješenje. Ventilacijsko odvlaživanje je manje učinkovito zbog visoke vlage vanjskog zraka.
Kako izračunati uštedu korištenjem rekuperacije topline kondenzacije?
Ušteda se računa kao količina rekuperirane topline pomnožena s cijenom energenta koji se zamjenjuje. Na primjer, ako odvlaživač učinka 10 kg/h rekuperira 25 kW topline, a ta toplina zamjenjuje plinski kotao s cijenom toplinske energije 0,05 €/kWh, satna ušteda iznosi 1,25 €.
Koji je minimalni učinak sustava odvlaživanja pri kojem je smisleno primijeniti rekuperaciju?
Minimalni učinak pri kojem je rekuperacija ekonomski opravdana ovisi o cijeni energenata i kapitalnim izdacima za sustav rekuperacije. Tipično, ta vrijednost iznosi od 50 do 100 kg vlage na dan.
Utječe li tip rashladnog sredstva na odabir sustava odvlaživanja?
Da, s obzirom na Uredbu 517/2014, koja ograničava uporabu rashladnih sredstava s visokim potencijalom globalnog zatopljenja. Pri odabiru sustava potrebno je uvažiti ne samo učinkovitost nego i usklađenost rashladnog sredstva s regulatornim zahtjevima te njegov doprinos ukupnom ugljičnom otisku.
Zaključci
Odabir optimalne tehnologije odvlaživanja s aspekta minimizacije emisija CO₂ zahtijeva sveobuhvatan pristup koji uvažava izravne i neizravne emisije, utjecaj na ukupni HVAC sustav, lokalne klimatske uvjete i strukturu opskrbe energijom.
Za točnu procjenu ugljičnog otiska potrebno je koristiti metodologiju TEWI s proširenjem granica sustava kako bi se uzeo u obzir utjecaj na rashladne agregate i kotlove. Posebno je važno koristiti lokalne vrijednosti ugljične intenzivnosti električne energije, a ne univerzalne pokazatelje.
Integracija s obnovljivim izvorima energije i rekuperacija topline kondenzacije imaju visok potencijal za smanjenje emisija CO₂, ali njihovu opravdanost treba procjenjivati individualno za svaki projekt, uzimajući u obzir kapitalne izdatke i lokalne uvjete.
U kontekstu postupne dekarbonizacije energetike i pooštravanja regulatornih zahtjeva za rashladna sredstva, prednost će se postupno preusmjeravati prema električnim sustavima s niskim GWP i visokom energetskom učinkovitošću, osobito pri integraciji s fotonaponskim sustavima.
