Využití odpadního tepla pro vytápění hypermarketu

V rámci snahy o snížení energetické náročnosti budov nabízejí hypermarkety a nákupní centra řadu možností. Na praktickém příkladu je ukázáno, že klasický koncept založený na téměř nezávislých systémech vytápění, větrání, klimatizace a technologického chlazení je značně energeticky náročný.

Proti klasickému konceptu téměř nezávislých systémů se staví možnost využití odpadního tepla z technologického chlazení skladů a nábytku spolu s optimalizací větrání, což představuje značný potenciál k úsporám.

Pro menší supermarkety a nákupní centra jsou k dispozici i výrobky umožňující takovéto optimalizace přímo v rámci systému. Pro větší obchody je přístup individuální, ale vychází ze stejných zásad integrace. Důležitý je i správný návrh a provozování větrání. Dalších výrazných úspor lze dosáhnout i celkovou změnou koncepce chlazení.

Případová studie

Opatření pro snížení energetické náročnosti a rekonstrukce prodejny je prezentována na konkrétním objektu hypermarketu. Areál velkoprodejny představuje velkokapacitní prodejnu sloužící pro prodej potravinářského a ostatního sortimentu. Stavebně je objekt řešen jako jednopodlažní s dvoupodlažní sociální a administrativní vestavbou.

Celkový objem všech místností v budově je přibližně 136 000 m³, jejich půdorysná plocha 15 000 m². Nosná konstrukce objektu je ocelová s opláštěním ze sendvičových panelů (trapézové plechy s minerální vlnou). Tepelné ztráty haly prostupem tepla pro zimní extrém jsou přibližně 500 kW + 2000 kW v případě maximálního větrání.

V hale bylo osazeno sedm vzduchotechnických jednotek Airset Troges zajišťujících větrání a ohřev vzduchu s průtokem 28 000 m³/h každá, tj. 54 m³/s celkem. Minimální průtok čerstvého vzduchu každou jednotkou byl 6 000 m³/h, tj. 12 m³/s celkem. Tomu při extrémní teplotě venkovního vzduchu -15 °C odpovídá potřebný výkon pro ohřev větracího vzduchu pro minimální průtok 466 kW a 2 177 kW pro maximální průtok vzduchu.

Další čtyři vzduchotechnické jednotky sloužily pouze k teplovzdušnému vytápění bez větrání. Dle energetického auditu byla dodaná energie v zemním plynu na vytápění 3 975 GJ v roce 2009, 3 372 GJ v roce 2010 a 2 925 GJ v roce 2011.

Při použití dennostupňové metody a za předpokladu minimálního větrání v zimě je vypočtená spotřeba tepla 8 230 GJ. Skutečná spotřeba je tedy přibližně dva a půlkrát nižší. Zdroj tepla zajišťuje přípravu teplé vody, vytápění dalších prostor (dle projektu 50 kW) a ohřev vzduchu pro další jednotky mimo prodejní halu. Tyto systémy nejsou v této studii řešeny.

Větrání hypermarketu

Projekt větrání obvykle vychází z nuceného větrání a přívodu čerstvého vzduchu podle počtu osob plného obchodu a objemu větraného prostoru. V řešeném objektu bylo navrženo přivádět do haly 42 000 až
196 000 m³/h venkovního vzduchu, to odpovídá intenzitě větrání 0,3 až 1,4 m³/h. Průměrný počet návštěvníků v prodejní hale je 540 osob.

To odpovídá při minimálním průtoku vzduchu 77 m³/h na osobu, ale v době špiček bude jistě návštěvnost výrazně vyšší než průměrná a dávka na osobu nižší. V reálném provozu haly dochází k značné infiltraci čerstvého vzduchu netěsnostmi pláště a střechy, to způsobuje částečné přirozené větrání haly a nižší potřebu nuceného větrání a naopak vyšší potřebu vytápění.

Výrazným faktorem je i značná výška haly, kde díky značnému objemu koncentrace CO₂ v hale narůstá pozvolna a krátkodobé návštěvnické špičky jsou kompenzovány infiltrací v době mimo provoz nebo v době minimální návštěvnosti.

V minulých letech došlo k několika zásadním zásahům do systému větrání a teplovzdušného vytápění haly. Byl zprovozněn systém měření koncentrace CO₂ a regulace nuceného větrání dle této koncentrace. To vedlo k výraznému snížení množství nuceně přiváděného čerstvého vzduchu. Některé vzduchotechnické jednotky už nejsou provozovány a jiné nepracují s čerstvým vzduchem.

V nynější době (jak vyplývá i z výsledků měření) jsou v hale provozovány pouze dvě vzduchotechnické jednotky pro větrání čerstvým vzduchem a dalších šest jednotek pro teplovzdušné vytápění. Zbylé tři jednotky jsou odstaveny a nadále se nepoužívají.

Ve stávajícím provozu je tedy možné přivádět čerstvý vzduch minimálně 6 000 m³/h a maximální průtok čerstvého vzduchu je 56 000 m³/h. Dalších šest jednotek slouží k vytápění haly a pracuje s cirkulačním vzduchem s průtokem 167 000 m³/h.

Monitorování provozu

Ze systému měření a regulace haly byly získány průběhy teplot zdroje tepla a vzduchotechnických jednotek za období 27. 1. 2014 až 2. 4. 2015 s intervalem 15 minut a dále hodnoty koncentrací CO₂ od 2. 12. 2014 do 2. 4. 2015. V období od 1. 3. 2015 do 2. 4. 2015 byly zaznamenávány detailní informace o provozu vzduchotechnických jednotek včetně nastavení směšovacích klapek čerstvého vzduchu a regulačních ventilů ohřívačů. Tato data byla analyzována.

Byly provedeny analýzy teploty otopné vody prezentované v grafu na obr. 1. Teplota otopné vody byla ve sledovaném období mezi 70 °C a 85 °C. Teplota zpátečky mezi 65 a 75 °C. Po většinu období (62 %) byl v provozu pouze jeden kotel, 18 % dva kotle a 19 % všechny tři kotle.

Obecně lze říci, že teploty otopné vody sice značně kolísají, ale obecně se pohybují v oblasti vysokoteplotního vytápění. Překvapující je i poměrně častý (19 % roku) provoz všech tří kotlů, který nekoresponduje s předpokladem silně předimenzovaného zdroje tepla.

Základními sledovanými parametry pro posouzení vnitřního prostředí je teplota vzduchu a koncentrace CO₂. Z teplot přiváděného vzduchu byl vyhodnocen topný výkon vzduchotechniky, který byl porovnán s teoretickými hodnotami. V grafu na obr. 2 je černou čárou s křížky znázorněn průběh tepelné ztráty prostupem vycházející z údajů PENB. Z grafu je patrné, že ztráta prostupem téměř odpovídá spodní hraně topných výkonů.

Černou čárou s červenými čtverci je pak znázorněna teoretická ztráta prostupem a větráním dohromady při průtoku vzduchu 56 000 m³/h. V zimním extrému jsou tyto hodnoty podobné max. tepelným výkonům, ale pro vyšší teploty vzduchu jsou topné výkony většinou vyšší než teoreticky spočítané. To ukazuje, podobně jako v předchozích případech, že na potřebný výkon mají významný vliv ještě další faktory kromě venkovní teploty.

Důležitým závěrem této analýzy jsou maximální výkony potřebné pro vytápění haly, ty se pohybují kolem 600 kW. Byla vyhodnocena i koncentrace CO₂, která ukazuje, že při sníženém přívodu čerstvého vzduchu po rekonstrukci jsou udržovány kvalitní podmínky v prostoru haly. Z grafu na obr. 3 je patrné, že ve sledovaném období roku 2015 jsou koncentrace CO₂ většinou pod 900 ppm i v odpoledních špičkách.

Teoretický výkon ohřívače ve vzduchotechnické jednotce

Od výrobce vzduchotechnických jednotek se nepodařilo získat podrobnější informace k jednotkám dodaným do provozovny, tak bylo řešení na základě základních štítkových hodnot teoretickým přepočtem výkonu výměníku. Průtok vzduchu jednotky je 28 000 m³/h s jmenovitým výkonem 406 kW. Jako jmenovitá podmínka je uvažován ohřev vzduchu z -18 °C na 25 °C při teplotním spádu otopné vody 90/70 °C.

Z těchto teplot byl vypočítán střední logaritmický teplotní spád s uvažováním křížového proudu (jakostní součinitel výměníku A = 0,87) a byla stanovena výkonová konstanta výměníku 5,39 kW/K (výkonová konstanta je výkon výměníku podělený středním logaritmickým teplotním spádem a zahrnuje teplosměnnou plochu i součinitel prostupu tepla).

Tato konstanta byla použita pro další výpočty výkonu výměníku při různých teplotách vody a vzduchu. Klíčová je závislost výkonu výměníku na střední teplotě otopné vody. Při vytápění haly je vstupní teplota vzduchu do jednotky kolem 18 °C. Pro tyto podmínky je závislost výkonu znázorněná v grafu na obr. 4.

Jak vyplývá z předchozích analýz, maximální potřebné výkony pro vytápění prodejní haly byly 600 kW. Instalovaných osm vzduchotechnických jednotek je schopných tento výkon zajistit při střední teplotě topné vody 39 °C. To však platí pro provoz bez nuceného větrání.

Při uvažování 15 % čerstvého vzduchu (8 400 m³/h) ve dvou větracích jednotkách, jak odpovídá stávajícímu provozu při nízkých venkovních teplotách, je systém schopen zajistit ohřev větracího vzduchu i vytápění (zbylých šest cirkulačních jednotek) při střední teplotě otopné vody 38 °C. V tomto režimu zajistí větrací jednotky ohřev vzduchu na teplotu 24,6 °C a tím se částečně podílejí i na vytápění haly.

Závěr analýzy vytápění a větrání supermarketu

Tepelná ztráta haly prostupem a infiltrací je při stávajícím provozu pro zimní extrémy přibližně 600 kW, tomu by měl odpovídat výkon teplovzdušného vytápění haly. Potřebný výkon značně kolísá a nelze najít jeho jednoznačnou závislost na venkovní teplotě. Dalších přibližně 100 kW je potřeba na minimální nucené větrání haly v zimních extrémech. Takže celkový výkon vytápění potřebný pro halu je 700 kW.

Stávající režim nuceného větrání haly dvěma jednotkami a průtokem čerstvého vzduchu 8 400 m³/h až 28 000 m³/h lze zhodnotit jako vhodný, jak z pohledu kvality vnitřního vzduchu (koncentrace CO₂ 500 až 1000 ppm), tak vzhledem k minimálnímu potřebnému výkonu ohřívače a spotřebě tepla. Z analýzy provozu vzduchotechnické jednotky vyplývá, že by v případě správné funkce těchto jednotek a při stávajícím provozu mělo být zajištěno větrání a vytápění haly již při střední teplotě otopné vody 38 °C.

Nepřímé chlazení v hypermarketu

Rekonstrukce potravinářského chlazení na velkých formátech hypermarketů (nad 10 000 m²) s sebou v současnosti nese nutnost řešit několik protichůdných požadavků. Požadavky vycházejí z tlaku na energetickou účinnost celé chladicí technologie, dlouhodobou udržitelnost a životnost chladicí technologie ve vazbě na problematiku použitých chladiv a současnou legislativu, dále zajištění perfektní prezentace a kvality distribuovaného a prodávaného zboží, minimalizace času potřebného pro provedení rekonstrukce (remodelingu) a minimalizace servisních nákladů v rámci životnosti chladicího zařízení.

V průběhu roků 2014 a 2016 vznikl a byl realizován projekt kompletní rekonstrukce strojního chlazení na hypermarketu. S ohledem na zpracování a realizaci projektu byl vytvořen pracovní tým, který podrobně analyzoval požadavky investora, připravil a ověřil optimální technické řešení a podílel se na realizaci celé technologie.

Klíčové požadavky investora

Stanovení klíčových požadavků zadání vzniklo při společných jednáních s investorem. Níže jsou uvedeny hlavní požadavky, celkový seznam je rozsáhlejší.

• Vysoká provozní účinnost celé chladicí technologie, snížení energetické náročnosti minimálně o 40 % proti původní chladicí technologii.
• Plné využití odpadního tepla pro výhřev hypermarketu (při zachování stávající otopné soustavy) včetně přípravy TV.
• Provozní životnost minimálně 15 let, predikovaná životnost cca 20 let (tedy technologie chlazení musí splňovat legislativní požadavky (GWP pod 150), zejména s ohledem na problematiku chladiv i po roce 2030).
• Zajištění maximální provozní bezpečnosti chladicí technologie.
• Zvýšení kvality a zlepšení prezentace prodávaných produktů, zvýšení komfortu prodeje pro zákazníka.
• Provedení rekonstrukce nesmí ovlivnit prodej a omezit zákazníka.
• Využití dotační podpory ze strany EU, zajištění přesného harmonogramu realizace a garance termínu kolaudace a nepřekročení rozpočtu stavby.
• Výsledná dokumentace bude v provedení BIM.

Technické řešení

Příprava zahrnovala jednak nutnost precizně analyzovat stávající provoz hypermarketu, optimalizovat a navrhnout chladicí technologii tak, aby přesně naplňovala požadavky investora, ale také zajistit přesný harmonogram a jeho udržení v rámci realizace.

Koncepce chladicího stroje

Ve vazbě na poměrně velký chladicí výkon nutný pro provoz celého hypermarketu (chladicí zdroj zabezpečuje chladicí výkon pro potřebu chlazení připojeného distribučního nábytku, chladicích a mrazicích boxů, ale i přípraven, chodeb a chlazených částí přímého prodeje), nutnost řešení problematiky F-plynů (a to i v období po roce 2030), požadavek vysoké provozní účinnosti, plného využití odpadního tepla, dlouhé životnosti a minimálních nákladů na servisní činnost, bylo přistoupeno k použití inovativní technologie nepřímého chlazení.

Jedná se o využití spolehlivé, jednoduché a robustní koncepce nepřímého chlazení s využitím nových, moderních a vysoce účinných technologií. Jako zdroj chladu pro chladicí (MT) a klimatizační (HT) část byly použity dvě samostatné chladicí jednotky (SINOP, a. s.) pracující s chladivem HFO (R1234ze), využívající turbokompresory (Danfoss Turbocor).

Pro odvod kondenzačního tepla je využit hybridní chladič Jaegy (Guentner, umožňuje pracovat v suchém, mokrém nebo kombinovaném režimu). Jako teplonosná látka zajišťující vlastní chlazení distribučního nábytku bylo použito NGL (Freezium) o koncentraci 30 %, které je dopravováno pomocí frekvenčně modulovaných čerpadel.

Jako zdroj chladu pro mrazicí (LT) část je použita jedna dvouokruhová kaskádní jednotka pracující s chladivem (DX) R744. Nové chladicí zařízení bylo umístěno v nové kontejnerové strojovně (strojovna uzpůsobena pro provoz s chladivem R1234ze, které patří do kategorie A2L, v době realizace dle původní klasifikace ČSN EN 378 se jednalo o chladivo A2), která byla umístěna v zadní části objektu na snížené střeše.

Vytvoření nové strojovny bylo nezbytné s ohledem na nutnost souběžného provozu stávajícího a nového chlazení v době rekonstrukce a požadavkem investora na rozšíření skladovací plochy (nový chladicí box) v místě původní strojovny chlazení. Hybridní chladič Jaegy umožňuje odvod 1200 kW kondenzačního tepla z chladicího stroje, při zajištění teplotního spádu chladicího ETG na hodnotě 32 °C/36 °C a teplotě okolí 36 °C.

Při plném vytížení je chladič do teploty okolí 16,3 °C provozován v suchém režimu, při běžném vytížení je suchý režim možný až do teploty okolí 22,5 °C. Od této teploty okolí se aparát provozuje v mokrém (nebo kombinovaném) režimu. Technologii je možné provozovat v suchém režimu i při vyšších okolních teplotách, ale za cenu ztráty provozní účinnosti, tedy využití mokrého režimu je (i se započítáním nákladů na chladicí vodu a její úpravu) výrazně provozně výhodnější.

Inovativní technická řešení

V rámci technické realizace chlazení bylo nutné vyřešit některé ne úplně běžné požadavky na chlazení produktů.

Chladicí stropy

Zajišťují chlazení prostoru pro paletový prodej chlazených produktů s teplotou cca 10 až 12 °C. Technologie chlazení vytváří vzduchovou clonu kolem chlazených produktů. Technologie zajišťuje precizní regulaci teploty a obíhajícího množství vzduchu v rámci vzduchové clony. Toto řešení bylo použito pro prodej mléčných produktů, ovoce a zeleniny.

Optimalizace chlazení prodeje masa, ryb

Prodej masa je realizován v zákaznicky přístupném chladicím boxu. Cílem řešení bylo zajistit stabilní prostorovou teplotu v rozsahu 0 °C až +1,5 °C s minimálním prouděním vzduchu (tak aby byl zajištěn rozumný nákupní komfort pro zákazníka, který se v chlazeném prostoru pohybuje). Řešením byla optimalizace způsobu proudění vzduchu v komoře tak, aby studený vzduch spadal do spodní části. Podobně jako v komoře pro chlazení masa bylo řešeno bezprůvanové chlazení prodeje čerstvých ryb.

Rekuperace tepla

Pro zajištění ohřevu prostoru hypermarketu bylo použito dvoustupňové tepelné čerpadlo. Toto tepelné čerpadlo pro svůj provoz využívá kompletní energii odpadního tepla z potravinářského chlazení. V této odpadní nízkoenergetické energii (teplotní spád cca 15 °C/10 °C) je zvednut potenciál pomocí tepelného čerpadla, na hodnotu +58 °C/65 °C (požadavek investora na zachování stávající otopné soustavy).

Celkový tepelný výkon tepelného čerpadla je 490 kW při topném faktoru 4,1. Tepelné čerpadlo je zaintegrováno do stávající otopné soustavy tak, že slouží vždy jako prioritní tepelný zdroj. V případě nedostatečného tepelného výkonu čerpadla, nebo jeho výpadku, je otopná soustava zásobována teplem pomocí stávajících plynových kotlů.

Monitorování dat

Technologie je vybavena kompletním monitorovacím systémem přístupným přes VPN, a to lokálně nebo vzdáleně pomocí IT sítě. Systém vyhodnocuje veškerá provozní a poruchová data, kompletní hodnoty všech elektrických odběrů a skutečná (kalorimetricky měřená) data COP chladicí technologie. Pro potřeby zákazníka jsou automatizovaně zpracovávány a odesílány reporty teploty protokolu HACCP.

Rekonstrukce proběhla podle predikce v definovaném harmonogramu a byl dodržen termín kolaudace. Vlastní výměna 122 dílů distribučního nábytku byla provedena pouze v nočních hodinách, trvala (s ohledem na výhody nepřímého chlazení) pouze 14 dní a neovlivnila potřeby zákazníka. Povedlo se vytvořit nové a moderní prostředí.

Benefity a výsledky realizace

Remodeling přinesl výrazné zvýšení komfortu prodeje a zabezpečil vyšší kvalitu skladování chlazených a mražených produktů. Povedlo se ve stávajících prostorách navýšit prodejní a skladovací plochu o 8 % pro mražené produkty (LT), o 56 % pro chlazené produkty a o 38 % pro klimatizované části.

Pomocí tepelného čerpadla je vráceno 100 % využitelné energie zpět pro potřeby hypermarketu při současném zvýšení provozní účinnosti vlastního chlazení. Roční elektrické odběry se snížily o cca 46 % (tak, jak bylo predikováno a navrženo v rámci výpočtu energetických bilancí a energetického auditu).

Podařilo se zajistit stabilní teploty v jednotlivých chlazených zařízeních s výrazným zvýšením kvality dle HACCP při současném výrazném zvýšení provozní spolehlivosti a zajištěním dlouhé životnosti chladicí technologie. Celá projektová část (dokumentace stavby, potravinářského chlazení a části tepelného čerpadla) byla vytvořena pomocí technologie BIM (Autodesk REVIT).

Literatura
[1] CHYSKÝ, J., HEMZAL, Technický průvodce Větrání a Klimatizace, Praha 1993, kap. 1.2.7.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 4/2018.