Vliv reflexních nátěrů na spotřebu energie klimatizace
6 min čtení
Demonstrace vlivu reflexních nátěrů na spotřebu energie klimatizace – závěrečná zpráva o testování na modelových domech podobných kontejnerům.
V tomto testu se demonstruje pasivní chladící výkon nátěrů ClimateCoating na modelových domech podobných kontejnerům. Zkoumá se spotřeba energie při aktivním chlazení a chování teploty v modelových domech.
Vypracoval: Marius Sprenger, výzkum a vývoj, SICC Coatings GmbH, Berlín
Shrnutí
Cílem tohoto testu je prokázat, jak silný může být vliv pasivního chlazení nátěru ClimateCoating na tepelnou bilanci modelu chladicího kontejneru. Hlavní otázky jsou: Jak výrazně ovlivňuje nátěr ClimateCoating spotřebu energie dodatečného aktivního chladicího systému? Jak vypadá teplotní křivka v případě poruchy chlazení?
Za tímto účelem byly v rámci srovnávacího testu dva modelové domy vybaveny snímači teploty a klimatizačními systémy s řízenou teplotou. Jeden byl natřen vrstvou ClimateCoating, druhý si ponechal standardní šedou barvu. V první části testu se měřila spotřeba energie při zapnutých klimatizačních systémech. Ve druhé části se simulovala porucha klimatizačních zařízení jejich vypnutím a zkoumaly se výsledné teplotní křivky.
Výsledek ukázal úsporu energie 52,9 % (= 30,8 kg ekvivalentu CO2) díky nátěru ClimateCoating a snížení a) průměrných teplot během přehřátí (>26,0 °C) o 2,5 °C a b) souhrnného relativního trvání překročení teploty ( >26,0 °C) o 16,8 %. Při simulovaném selhání chlazení se průměrné teploty během přehřátí (>26,0 °C) mohly nátěrem ClimateCoating snížit o 3,9 °C a jejich součet relativního trvání o 15,5 %. Ukázalo se, že průměrná kinetická teplota byla během aktivovaného chlazení o 2,7 °C nižší a během neúspěšného chlazení o 6,0 °C nižší než ve standardně natřeném modelovém domě jen díky nátěrům ClimateCoating.
Z toho vyplývá, že pasivní chlazení prostřednictvím odrazu slunečního záření prostřednictvím ClimateCoating může mít významný vliv na úroveň teploty a spotřebu energie na chlazení. Z tohoto experimentu nelze vyvodit, jak významný je rozdíl mezi nátěrem ClimateCoating a standardním bílým nátěrem. Podobně i výsledky měření v oblastech nebo časech se změněným slunečním zářením nebo změněnou barvou srovnávacího modelu mohou vykazovat významné rozdíly v měřeních.
Úvod
V souvislosti se změnou klimatu jsou nezbytná opatření ke snížení nebo zamezení emisí CO2. Strukturální změny ve výrobě energie směrem k obnovitelným a bezemisním zdrojům energie se rozvíjejí, ale v současnosti se stále spoléhá na paliva s vysokými emisemi CO2. Velká část světové spotřeby energie se využívá ke klimatizaci. Klimatizační systémy se používají k chlazení budov nebo místností a spotřebovávají energii. Od roku 1990 se celosvětová spotřeba energie na chlazení obytných a kancelářských budov zvýšila z 608 na 2 021 TWh ročně[1] . To odpovídá nárůstu spotřeby o 232 %[1] .
Hlavní příčinou je ve většině případů silný ohřev způsobený slunečním zářením. Zejména v oblastech s vysokým slunečním zářením. v blízkosti rovníku[2] , je toto oteplování velkým problémem. Je to přímý důsledek absorpčních vlastností ozařovaných povrchů. Proto je důležitým krokem v boji proti klimatickým změnám úvaha o zmírnění této absorpce prostřednictvím reflexe. Zachování zdrojů energie, ať už z fosilních nebo obnovitelných zdrojů, je hnací silou jakéhokoli úsilí v boji proti změně klimatu. V této práci se zkoumá vliv zvýšené reflexe nátěry ClimateCoating, reflexní membránou od společnosti SICC Coatings, na topné vlastnosti budov. Tepelné záření, které se odráží a neabsorbuje, se nemusí odvádět další prací chladicí jednotky. To může snížit spotřebu energie, a tím i emise CO2.
Metody
Příprava – Experimentální sestava
V tomto testu se zkoumá vliv reflexní membrány ClimateCoating na teplotní profil a spotřebu energie v budovách. Za tímto účelem byly na střechu budovy ve vzdálenosti přibližně 4 m od sebe namontovány dva stejné kovové domky z ocelového plechu. Zastínění budovami, stromy a podobně by se mohlo vyloučit. Otvory a dveře byly během celého testu zavřené a neotevíraly se. Domečky měly rozměry (výška / šířka / délka / tloušťka stěny) 1,57 m / 2,03 m / 1,18 m / 1,0 mm.
Jako konstrukční materiál byl zvolen 1 mm tenký ocelový plech. Jelikož ocel má vysokou tepelnou vodivost a nízkou tepelnou kapacitu typickou pro kovy/slitiny, a tudíž nemá výrazný tepelný odpor, je ideálně vhodná k prokázání maximálního výkonu nátěru ClimateCoating. Pro měření průběhu teploty vzduchu byly v každém domě ve výšce 1,40 m umístěny dva záznamníky údajů (KLIMA-DATENLOGGER BL30, Trotec) se snímači teploty vzduchu (obr. 1).
Záznamníky dat byly nastaveny tak, aby zaznamenávaly a ukládaly teplotu každých 10 minut. Klimatizační zařízení (PR KLIMA, mobilní typ klimatizace, model: MPN3-07CRN1) byla umístěna ve středu domů tak, aby proud chladicího vzduchu směřoval k jižní stěně, a tedy ke stěně nejvíce ohřívané slunečním zářením. Důvodem jižní orientace klimatizačních jednotek je minimalizace teplotního gradientu. S východem Pokud by byly klimatizační jednotky nainstalovány v jižní, severní nebo západní orientaci, tato stěna by byla více ochlazována a teplotní gradient mezi horkou jižní stěnou a ochlazovanou stěnou by vedl k velkým nepřesnostem měření.
klimatizace s regulátorem a záznamníkem dat
Klimatizační jednotky se zapínaly a vypínaly pomocí ovladače. Oba řídicí moduly byly naprogramovány tak, aby se při teplotách >26 °C aktivovalo napájení klimatizační jednotky a při teplotách <22 °C byla vypnuta. Za tímto účelem byl každý kontrolní modul vybaven snímačem teploty, který byl zavěšen uprostřed každého domu ve výšce 1,20m.
Snímač teploty byl umístěn v plastové trubce zabalené v hliníkové fólii. Aby se zabránilo zkreslení měření v důsledku tepelného záření ze střechy a bočních stěn, čidlo teploty vzduchu bylo umístěno v plastové trubce obalené hliníkovou fólií. K určení spotřeby energie klimatizačních jednotek byly řídicí jednotky pro ovládání napájení připojeny přímo k měřiči spotřeby (měřič energetických nákladů HAMA). Na začátku měření byly měřiče spotřeby vynulovány na hodnotu 0,0 kWh.
Nátěr domů
Střecha domu H1 byla pokryta materiálem ThermoActive (bílý). Tloušťka suchého filmu byla 279 μm. Vnější strana stěn byla potažena vrstvou ThermoProtect (bílá) o tloušťce suchého filmu Ø 243 μm. Druhý dům H2 nebyl natřen a zůstal v původním stavu (RAL 7005 – myší šedá).
Experimentální nastavení – chování při ohřevu
V této sérii experimentů se používá stejné experimentální uspořádání (jako v bodě 2.1.1.). Klimatizační jednotky jsou však vypnuty, aby se simulovala porucha chladicích jednotek, a nemají žádný vliv na výsledné teploty vzduchu v domech. Při tomto experimentu se každých 10 minut nepřetržitě zaznamenává i teplota vzduchu v domcích.
Porovnání spotřeby klimatizačních zařízení
Aby se předešlo padělání výsledků měření v důsledku rozdílných měr spotřeby klimatizačních jednotek, testovaly se jednotky na rovnost jejich spotřeby. Obě jednotky byly umístěny celkem po dobu 31 hodin v nevětrané a neklimatizované místnosti a každá byla připojena k měřiči spotřeby. Jednotky byly nastaveny na plný výkon a maximální teplotu 17 °C. Odpadní teplo se obvykle odvádí z místnosti výfukovou hadicí. V tomto případě se to však neudělalo, protože by se dalo využít k ohřevu místnosti a zabránit tak vypnutí jednotek z důvodu klesajících teplot. Před aktivací zařízení byly měřiče spotřeby vynulovány na hodnotu 0,0 kWh. Po simultánní aktivaci 23. 6. 2021 v 9:30 hodin. byla místnost uzamčena a otevřena až po 31 hod. a ukončení testu 24. 6. 2021 v 15:45 hodin.
Spotřeba je zdokumentována v tabulce 1.
| Zařízení | Spotřeba |
| Klimatizace K1 | 7,1 kWh |
| Klimatizace K2 | 7,1 kWh |
Z výsledků vyplývá, že obě jednotky mají téměř stejnou spotřebu při stejném výkonu. Malé rozdíly nelze vyloučit během delších období, ale jsou dostatečně malé na to, aby významně neovlivnily výsledky měření.
Hodnocení – určení spotřeby při chladícím zatížení
K určení spotřeby energie na chlazení domů v důsledku vysokého příkonu tepla ze slunečního záření bylo měření zahájeno po nastavení experimentu 22. 7. 2021. V tomto procesu se teplota vzduchu v domech zaznamenávala průběžně každých 10 min. Spotřeba energie se odečetla a zdokumentovala dvakrát v každý pracovní den (po – pá). Po ukončení série měření, 13.8.21 ve 14:02, byla klimatizační zařízení deaktivována. Záznamníky údajů na zaznamenávání teploty zaznamenávali nepřetržitě až do konce druhé části experimentu 30.8.2021 14:32.
Na grafu 1 jsou jasně viditelné denní teplotní křivky. Rostoucí teploty jsou důsledkem ohřívání slunečním zářením. Oteplení budovy bez nátěru (modrá) je obzvláště zřetelné ve srovnání s budovou s nátěrem (oranžová). Skutečnost, že ohřev byl způsoben slunečním zářením a ne konvekčním prouděním teplého vzduchu, dokazují přidané teploty venkovního vzduchu (zelená) , které jsou během dne neustále nižší než teploty v nezakryté budově. V noci teplota vnitřního vzduchu v obou modelových domech klesá pod teplotu venkovního vzduchu. Příčinu tepelných ztrát lze vysvětlit pouze emisními ztrátami, protože ztráty způsobené vedením bylo možné vyloučit z důvodu nedostatku vodivých materiálů, jakož i konvekčními ztrátami, protože okolní vzduch byl teplejší, a proto by muselo dojít ke konvekčním ziskům. Nejpravděpodobnější příčinou jsou tepelné ztráty vyzařováním z obou domů do okolí, například na noční oblohu.
Při pohledu na spotřebu energie obou jednotek (Tab. 2) během období měření jsou patrné jasné rozdíly. Celková spotřeba jednotky K1 (dům s nátěrem) byla 68,4 kWh. Pro srovnání, spotřeba K2 (dům bez nátěru) byla 145,20 kWh, což odpovídá snížení spotřeby K1 o 76,8 kWh (52,9 %) ve srovnání s K2 (Tab. 4).
| Klimatizace | Celková spotřeba |
| K2 – dům bez povrchové úpravy | 145,2 kWh |
| K1 – dům s povrchovou úpravou | 68,4 kWh (-52,9 %) |
Výpočet ekvivalentů CO2 spotřeby
Protože při výpočtu ekvivalentů CO2 hraje rozhodující úlohu mix elektřiny z fosilních a obnovitelných zdrojů energie, a proto se v dostupných kalkulačkách předpokládají různé emisní faktory kg/kWh pro výrobu elektřiny, tyto hodnoty se budou lokálně lišit. Spolková agentura pro životní prostředí stanoví emisní faktor pro rok 2019 na 401 g/kWh [4] pro berlínský mix elektrické energie. Pokud se jako základ použije tento emisní faktor, rozdíl 76,8 kWh znamená snížení emisí CO2 o 30,7 kg.
| K2 – dům bez povrchové úpravy | K1 – dům s povrchovou úpravou |
| 145,2 kWh | 68,4 kWh |
| 58,2 kg CO2 | 27,4 kg CO2 |
| -30,8 kg CO2 |
Chování při ohřevu pod vlivem slunečního záření
K určení chování domů při vytápění slunečním zářením se používá zkušební sestava s vypnutými klimatizačními jednotkami. Tím se simuluje porucha klimatizačních jednotek. Teploty v domcích se zaznamenávají každých 10 minut a na konci experimentu se odečítají ze záznamníků údajů (graf 3).
Na grafu 3, stejně jako na grafu 1, je jasně rozpoznatelná periodicita denních teplotních křivek. Hlavním rozdílem je výraznější kolísání maximálních a minimálních denních teplot. Má to dvě hlavní příčiny. Za prvé, v důsledku absence aktivního chlazení klimatizačních systémů chybí tlumící účinek na maximální denní teploty, které v některých případech dosahují > 40 °C, zatímco v období měření s aktivními klimatizačními systémy (graf 1) maximální teploty nepřesáhly přibližně 37 °C. Na druhé straně, výsledky ze 17. – 20.08.21 a 23.08.21 byly ovlivněny velkou oblačností as ní spojeným sníženým slunečním zářením. To vysvětluje výrazně nižší teploty.
Výpočet teplotních odchylek
Jelikož nastavené teplotní okno regulátorů je mezi 22,0 a 26,0 °C, má smysl podívat se právě na tato překročení a podkročení teploty. Celé měření zahrnuje 5637 měření teploty na dům (jedno měření každých 10 minut). Z nich 3186 bylo naměřeno s aktivním chlazením během testovacího období a 2451 bez aktivního chlazení.
| Počet měření na dům | |
| Chlazené | 3186 |
| Nechlazené | 2451 |
| Celkem | 5637 |
Odfiltrováním všech hodnot teploty >26,0 °C nebo <22 °C a použitím funkce aplikace Excel „=NUMBER IF()“ bylo možné určit počet naměřených hodnot, které překročily nebo klesly pod příslušnou teplotu (Tab. 4). Jelikož počet naměřených hodnot obou fází není stejný, je třeba zohlednit relativní podíly (Tab. 5).
| Číslo T >26,0 °C | Číslo T <22,0 °C | |||
| Dům | Chlazené | Nechlazené | Chlazené | Nechlazené |
| H1 | 117 | 147 | 1916 | 2039 |
| H2 | 654 | 527 | 1556 | 1648 |
| Číslo T >26,0 °C | Číslo T <22,0 °C | |||
| Dům | Chlazené | Nechlazené | Chlazené | Nechlazené |
| H1 | 3,7% | 6,0% | 60,1% | 83,2% |
| H2 | 20,5% | 21,5% | 48,8% | 67,2% |
Jelikož každá naměřená hodnota odpovídá časovému oknu 10 minut, počet odchylek teploty od nastaveného teplotního okna lze aproximovat jako časové jednotky. To znamená, že v opláštěném domě H1 naměřené teploty během chlazení překročily 26 °C ve 3,7 % času, zatímco ve stejném období H2 se překročení projevilo ve 20,5 % času měření. To odpovídá rozdílu 16,8 %.
V období simulovaného selhání chlazení se ukázal podobný obraz, ve kterém H1 měla o 15,5 % méně případů překročení teploty než H2. To ukazuje, jak výrazně ovlivňuje odrazivost nátěru ClimateCoating ohřev slunečním zářením. Podíváme-li se na relativní podíly nedosažených teplot (<22,0 °C), hodnoty jsou výrazně vyšší. Částečně je to způsobeno absencí ohřevu, který působí proti ochlazování, ale také vysokým teplotním oknem 22,0 – 26,0 °C. Při aktivním chlazení je H1 se 60,1 % přibližně o 11,3 % vyšší než H2 se 48,8 %. Při nechlazení jsou teploty v 83,2 % případů nižší než 22,0 °C. V případě domu 2 je to 67,2 %, tedy o 16,0 % méně.
Hodnoty mezi „chlazenou“ a „nechlazenou“ fází měření jsou srovnatelné pouze v omezeném rozsahu. Důvodem je změna povětrnostní situace, která vedla ke snížení slunečního záření v důsledku velké oblačnosti a deště (obr. 2)[5] . To vede k menšímu oteplování a poklesu teplot, což je zřejmé i ze střední kinetické teploty, která se v dalším textu označuje jako MKT (2.2.5. Výpočet střední kinetické teploty).
U chladicích jednotek je však rozhodující nejen délka trvání, ale také intenzita odchylek teploty. Na rozdíl od MKT se pro výpočet průměrných hodnot používají pouze naměřené hodnoty, které se odchylují od teplotního rozsahu 22,0 – 26,0 °C. Výpočet průměrných teplotních odchylek T+ a T- se uskutečnil podle rovnice (2) a (3), kde n je příslušný počet teplotních odchylek (Tab.5). Naměřené hodnoty se filtrovaly pomocí datových filtrů (>26,0 °C / <22,0 °C) a vypočítala se příslušná průměrná hodnota.
| Ø – T+ | Ø – T- | |||
| Dům | Chlazené | Nechlazené | Chlazené | Nechlazené |
| H1 | 1,8 °C | 2,1 °C | 5,3 °C | 6,1 °C |
| H2 | 3,3 °C | 6,0 °C | 5,8 °C | 6,3 °C |
Kombinací výsledků průměrné odchylky teploty T+ (Tab.6) s vypočtenými relativními časovými podíly překročení teploty se získají srovnatelné číselné hodnoty v kontextu (Tab.8).
| Dům | Ø – T+ | Relativní časové podíly |
| H1, chlazené | 1,8 °C | 3,7 % |
| H2, chlazené | 3,3 °C | 20,5 % |
| H1, nechlazené | 2,1 °C | 6,0 % |
| H2, nechlazené | 6,0 °C | 21,5 % |
Výpočet střední kinetické teploty
Důležitým parametrem pro monitorování prostorů citlivých na teplotu je střední kinetická teplota (MKT). Používá se k vyjádření celkového vlivu teplotních výkyvů během skladování.
Pro výpočet MKT podle rovnice (1) je zapotřebí molární plynová konstanta R a aktivační energie ΔH (tab. 9), které lze předpokládat pro většinu kapalin a tuhých látek. Při výpočtu se teploty přepočítaly na Kelviny a po stanovení MKT se vrátily zpět na °C.
| Molární plynová konstanta R | 0,00831447 kJ/mol |
| Aktivační energie ΔH | 83,14472 kJ/mol |
| Teplotní profil | S chlazením | Bez chlazenia |
| dům s povrchovou úpravou – H1 | 20,6 °C | 18,7 °C |
| dům bez nátěru – H2 | 23,1 °C | 23,6 °C |
| Venkovní teplota vzduchu | 21,6 °C | 18,6 °C |
Jelikož při poruše chladicích jednotek dochází k většímu kolísání teploty, MST má v tomto případě mimořádný význam. V takovém případě může zvýšení teploty vést k rychlejšímu znehodnocení zboží citlivého na teplotu (např. potravin, léků atd.).
Výsledky
Spotřeba energie a uhlíková stopa
| K2 – dům bez povrchové úpravy | K1 – dům s povrchovou úpravou |
| 145,2 kWh | 68,4 kWh |
| 58,2 kg CO2 | 27,4 kg CO2 |
| -30,8 kg CO2 |
Překročení teplotní odchylky a relativního trvání
| dům | Ø – T+ | Δ (H2-H1) | relativní časové podíly | Δ(H2-H1) |
| dům s povrchovou úpravou – H1, chlazené | 1,8 °C | 3,7 % | ||
| dům bez nátěru – H2, chlazené | 3,3 °C | +2,5 °C | 20,5 % | +16,8 % |
| dům s povrchovou úpravou – H1, nechlazené | 2,1 °C | 6,0 % | ||
| dům bez nátěru – H2, nechlazené | 6,0 °C | +3,9 °C | 21,5 % | +15,5 % |
Střední kinetická teplota TK
| dům | s chlazením | ΔTK | bez chlazenia | ΔTK |
| dům s povrchovou úpravou – H1 | 20,6 °C | 18,7 °C | ||
| dům bez nátěru – H2 | 23,1 °C | +2,7 °C | 23,6 °C | 4,9 °C |
Z výsledků je zřejmé, že nátěr ClimateCoating má silný vliv na tepelnou bilanci. Díky snížení spotřeby energie klimatizačních systémů o 52,9 % (76,8 kWh) v této testovací sestavě v porovnání s nátěrem z šedého ocelového plechu bylo možno prokázat maximální výkon bílých nátěrů ClimateCoating ThermoActive a ThermoProtect. Související úspory CO2 lze příznivě zahrnout do celkové bilance CO2 podniků nebo budov. Ve srovnání s modelovým domem bez nátěru vykazuje nátěr i nízké (2,5 °C) a výrazně kratší (16,8 %) překročení teploty v období měření u komponentů nebo místností, které je třeba chladit.
Při selhání chladicích jednotek se podle očekávání v obou modelových domech zvýší průměrná teplota a celkové trvání překročení. Nátěr ClimateCoating však vykazuje i mírnější nárůst teploty (3,9 °C) a kratší fáze (15,5 %) překročení ve srovnání s domem H2 bez nátěru. V případě chladicích místností/kontejnerů, které jsou vystaveny slunečnímu záření, to znamená rychlejší.
Vraťte se do potřebného teplotního rozsahu. MKT zde slouží jako nástroj pro posouzení vlivu teplotních výkyvů na dobu skladování zboží citlivého na teplotu. V domě s nátěrem se zjistily nižší teploty než v domě bez nátěru, a to při aktivovaném i neaktivovaném chlazení.
V případě zboží podléhajícího zkáze proto povrchová úprava ClimateCoating poskytuje dodatečnou ochranu před nadměrným nárůstem teploty, který vede k rychlejšímu kažení.
Pasivní chlazení díky zvýšenému odrazu slunečního záření může významně přispět k úspoře nákladů na energii a ochraně před přehřátím bez nutnosti použití další energie.
Kritickým bodem, který je zde třeba zohlednit, je skutečnost, že neexistuje toleranční rozsah pro kompenzaci tepelné setrvačnosti, která vzniká, když se klimatizační systémy aktivují až při 26,0 °C, ale teploty nadále stoupají, dokud se „chladící účinek“ nedá měřit s časovým zpožděním. Z tohoto testu nelze vyvodit ani žádné konkrétní kvantifikační tvrzení o tom, zda a jak dobře nebo špatně je bílý nátěr ClimateCoating termodynamicky účinný ve srovnání s jiným bílým nátěrem. To by se muselo prozkoumat v samostatném experimentu.
Podobně i tento test je záměrně zvolenou extrémní variantou testovacího nastavení, aby se prokázal maximální výkon. Skutečné uspořádání kontejnerů, budov, chladírenských vozidel se částečně výrazně liší od tohoto testu z důvodu izolace, jiných teplotních rozsahů atp. a může dosáhnout nižších výsledků. Podobně ještě tmavší srovnávací model (menší referenční hodnota světla než RAL CLASSIC 7005 s HBW 17,30) nebo změněný příkon slunečního záření pro stejné testovací zařízení v blízkosti rovníku. v Dubaji, může vést k ještě větším rozdílům v měření.
Marius Sprenger
Výzkum a vývoj
SICC Coatings GmbH
Wackenbergstraße 78-82
13156 Berlín
