Managementul energetic

NOTA:

In managementul energetic, orientat la nivel national spre economisirea energiei sub orice forma si in toate sectoarele activitatii umane, instalarea unor termoizolatii eficiente este adesea citata in literatura tehnica de specialitate ca fiind una dintre masurile necesare si capabile sa asigure economii semnificative de energie sau combustibil.

Efectele generalizarii instalarii de izolatii eficiente, chiar si in acele domenii de interes mai putin evident, se traduc in economii de combustibil sau de energie avand, la nivelul intregii economii nationale, o pondere apreciabila.

Prin metoda grafica de optimizare tehnico-economica propusa se va putea determina, dupa caz, fie grosimea economica a termoizolatiei necesare, fie solutia cea mai avantajoasa in alegerea materialului termoizolant, intr-un anumit timp de aplicatie urmarit.

Prevenirea pierderilor de caldura prin termoizolarea eficienta a conductelor de apa si abur fierbinte.

Reducerea in limite economice a pierderilor de caldura care se produc in mod natural la vehicularea prin conducte a fluidelor calde sau fierbinti constituie, de fapt, obiectivul principal al unei termoizolari eficiente. Aceasta reducere devine un mijloc sigur de obtinere a unor substantiale economii de energie sau combustibil, pe baza unei investitii minime, rezultate din alegerea materialelor adecvate din punct de vedere tehnic si accesibile, inclusiv ca pret.

Pierderile de caldura, care pot fi prevenite printr-o izolatie termica avand grosimea stabilita pe criterii economice, reprezinta numai o cota parte- de dorit a fi cat mai ridicata- din pierderile rezultate prin exploatarea unei conducte fierbinti in stare complet neizolata.

Ideal, reducerea la zero a pierderilor de caldura ar necesita montarea unei termoizolatii de grosime foarte mare. Din punct de vedere practic acest lucru este imposibil, iar din punct de vedere economic, total nejustificat.

Altfel spus, reducerea pierderilor de caldura prin izolare termica va trebui astfel planificata incat efectul obtinut - economiile de energie sau combustibil - sa contrabalanseze costurile materialului si instalarii termoizolatiei.

Exemplu:

O conducta neizolata de 100m lungime si 50mm diametru, functionand continuu (cca.5400ore/an) la o temperatura medie de 100° C, va pierde in mediul ambiant (t_a=20° C) echivalentul a 8166kg combustibil lichid pe an.

Prin prevederea unei termoizolatii de 38mm grosime, pierderile conductei se vor reduce la 1350kg combustibil lichid anual (16.5%) economisindu-se astfel echivalentul a 6816kg combustibil lichid sau 886000lei, in preturi medii actuale (130lei/kg).

Daca grosimea izolatiei prevazute ar fi fost in aceleasi conditii de numai 19mm, pierderile de caldura s-ar fi redus la circa 25% sau 2350kg combustibil lichid anual, ceea ce nu ar fi reprezentat totusi o termoizolare la nivelul maxim de eficienta posibil de atins practic, tinand seama de costul energiei utile si de costul materialului termoizolant folosit.

Pierderile de caldura printr-o suprafata fierbinte cresc in mod natural cu temperatura acesteia sau, mai exact. Cu diferenta dintre temperatura suprafetei fierbinti si cea a mediului ambiant in care functioneaza conducta.

Grosimea economica a izolatiei.

Avand in vedere exemplul mentionat anterior, rezulta ca exista o limita tehnica a termoizolarii, impusa de calitatea si grosimea limitata a materialului folosit, chiar si atunci cand se doreste reducerea maxima a pierderilor de caldura, dar si o limita economica, derivand din costul caldurii pierdute comparativ cu costul termoizolatiei.

Ilustrand in figura 1 evolutia costului caldurii pierdute (C_qp) si a investitiilor pentru diferitele grosimi de izolatie folosite (C_iz), rezulta ca grosimea optima sau economica va fi cea care se obtine prin insumarea celor doua componente. Se stabilesc astfel cheltuielile totale anuale (C_tot) minime si grosimea economica δ_ec a izolatiei corespunzatoare acestei valori.

Grosimea minima a izolatiei termice pentru instalatii de incalzire deservite de centrale termice pe combustibili lichizi sau gaze naturale.

Tabelul 1

* IAC - Instalatii de apa calda lucrand la t≤90° C.

Calculul grosimii economice a izolatiei

Una dintre metodele simple si rapide de determinare sau verificare a grosimii economice a teroizolatiei in situatii relativ comune de aplicare este o metoda grafica, bazata pe cunoasterea unui minim de date de intrare. Metoda presupune folosirea unot nomograme si grafice cu pierderi de caldura trasate corespunzator unui numar de situatii sau configuratii uzuale de combinare a factorilor tehnico-economici de influenta asupra valorii grosimii economice a unei termoizolatii.

Informatiile de baza necesare pentru aplicarea metodei grafice propuse constau in principal, din:

puterea calorifica si costul combustibilului (energiei primare) folosit in producerea agentului termic vehiculat prin conducta ce urmeaza a fi termoizolata;

randamentul cazanului sau instalatiei de ardere pentru producerea agentului termic vehiculat prin conducta care se izoleaza;

numarul total anual de ore de functionare a conductei (instalatiei);

numarul de ani pentru care se evalueaza eficienta economica a investitiei in termoizolatia instalata;

costul materialului si al instalarii izolatiei termice in diferite variante de grosime, corespunzand tipului si caracteristicilor termofizice ale materialului izolant vizat;

pierderile de caldura pe metru liniar de conducta neizolata, precum si la diferite grosimi de izolatie sau tipuri de material adecvat pentru aplicatia preconizata.

Metoda de calcul a grosimii economice a izolatiei

Datele de baza necesare pot fi centralizate intr-un tabel, in care valorile marimilor

caracteristice pot fi consemnate pe coloana, in una sau mai multe variante, daca exista supozitia posibilitatii modificarii uneia sau mai multora dintre ele.

Informatii de baza in calculul grosimii economice a izolatiei  

Tabelul 2

Metoda de calcul a grosimii economice a izolatiei consta din parcurgerea celor 4 nomograme si utilizarea graficului sau graficelor corespunzatoare pentru determinarea pierderii specifice de caldura (W/m) in diferitele varainte de tip si grosimi de izolatie considerate. Marimea de iesire din fiecare nomograma reprezinta marime de intrare in urmatoarea.

In final, in nomograma 4 se obtine costul total al energiei pierdute pe un metru liniar de conducta si pe perioada de evaluare si care, adunat cu costul izolatiei instalate (lei/m), va da cheltuielile totale anuale (CT).

Determinand in acelasi mod CT pentru diferite grosimi de insatalatie (plecand de la grosimea minima recomandata, daca se dispune de o astfel de cifra), grosimea economica de izolatie va fi cea careia ii va corespunde CT minim.

Astfel, nomogramele si graficele de pierderi sunt folosite prin parcurgerea urmatoarelor etape:

1. Se va trasa o orizontala in nomograma 1, de la punctual selectat pe coloana corespunzatoare timpului si pretului combustibilului utilizat pana la coloana reprezentand costul energiei primare (lei/GJ)

- Se va marca punctul rezultat si se va citi valoarea corespunzatoare intrandu-se apoi in nomograma 2

2. Se va marca pe abscisa in nomograma 2 punctul reprezentand costul energiei primare, urcandu-se apoi cu o linie verticala pana la linia oblica corespunzatoare randamentului cazanului (sau instalatiei de producere a caldurii)

- Se citeste pe ordonata valoarea caldurii utile propuse si transportate prin conductele care se vor izola

3. Corespunzator numarului total de ore de functionare si avand in vedere costul caldurii utile, din nomograma 3, se va determina factorul de cost al energiei utile (lei/W), care introduce in evaluare elemental timp sau durata pentru care se evalueaza costul pierderilor de caldura utila

- Se va marca punctul corespunzator valorii determinate a factorului de cost pe coloana din partea stanga a nomogramei 4

4. Se va alege din tabelele 1 si 2 grosimea minima de izolatie recomandata (δ_izmin) si pentru acesta si pentru inca 3-4 valori crescatoare ale δ_iz, si se va citi apoi pierderea specifica de caldura (W/m) din graficul corespunzator

- In cazul in care valoarea δ_iz min nu este adecvata conditiilor specifice pentru aplicatia efectuata, se va extrage din graficul corespunzator si se va utiliza ca valoare de comparare pierderea specifica de caldura a conductei neizolate

- Se va marc ape coloana din partea stanga a nomogramei 4 punctele corespunzatoare valorilor de pierderi specifice de caldura determinate

5. Se va uni cu cate o linie dreapta fiecare dintre punctele marcate pe coloana stranga, cu punctul de pe coloana din dreapta nomogramei 4, reprezentand factorul cost al caldurii utile

- La intersectia cu coloana din centrul nomogramei 4 vor rezulta punctele si, deci valorile reprezentand costul total al pierderilor de caldura pe perioada de evaluare considerata si pentru diferitele grosimi de izolatie examinate

6. Se vor insera valorile obtinute la punctual 5 intr-un table de tipul celui prezentat mai jos (tabelul 3)

- Se vor consemna in tabel si valorile corespunzatoare costului izolatiei instalate

7. Se vor aduna valorile "cost total pierderi de caldura" si "cost izolatie instalata" si dupa consemnarea in tabel a valorilor CT (cheltuieli totale), vor fi comparate intre ele selectandu-se variante CT minime

- In dreptul valorii obtinute se va putea citi grosimea economica a termoizolatiei care urmeaza a fi instalata

Rezultatele finale ale metodei grafice de determinare a grosimii economice a izolatiei pot fi centralizate in tabelul urmator:

Tabelul 3

Pentru a ilustra modul de folosire a nomogramelor si a graficelor intocmite in scopul aplicarii metodei de calcul prezentate mai sus in determinarea grosimii economice a termoizolatiei intr-un caz oarecare s-a folosit urmatorul exemplu:

Ipoteze de baza in metoda de calcul a grosimii economice:

a) Tipul si costul combustibilului folosit in producerea caldurii. Randamentul cazanului

Combustibil lichid de calorifer: P_ci = 41.17MJ/kg

C_c = 130lei/kg

η_c = 0.8

b) Numarul de ore de functionare (continua) a instalatiei (conductei): 5000ore/an

c) Perioada de evaluare a pierderilor de caldura si investitiei in termoizolatie: 2ani

d) Diametrul conductei: 50mm

e) Temperatura medie: t_SC = 100° C     (t_a = 20° C)

f) Costul izolatiei la diferite grosimi: δ_iz

Materiale termoizolante si aplicatii

In prezent, piata materialelor de constructie pune la dispozitia celor interesati o larga paleta de materiale termoizolante pentru izolarea termica a conductelor fierbinti.

Diagramele de calcul a pierderilor de caldura prezentate, se refera la cele mai commune, in sensul de uzuale si accesibile, materiale termoizolante din urmatoarele categorii:

termoizolatii fibroase pe baza de vata minerala si produse din vata minerala (saltele, placi, cochilii, pasla) si vata de sticla

izolatii rigide prefabricate pe baza de ipsos, silicate de calciu si magneziu

izolatii prefabricate din spume poliuretanice, inclusive cu adaosuri de substante anorganice (sistemele ISOLAR, ISOPLUS)

Toate aceste categorii de materiale sunt utilizate curent in izolarea conductelor

calde si fierbinti, spumele PUR avand totusi o limitare superioara de temperatura (t<150° C) pentru mentinerea calitatilor termofizice.

In general calitatile unui bun material termoizolant trebuie sa se inscrie pe cat posibil in urmatoarele deziderate:

a) conductivitate termica - λ_iz (W/mK) scazuta

b) simplitate si usurinta in instalarea izolatiei pe conducte

c) rezistenta mecanica buna si mentinerea in timp a proprietatilor termoizolante garantate de furnizor in conditiile nominale de lucru precizate de beneficiar

d) proprietatile ignifuge ale materialului termoizolant sa fie in concordanta cu prevederile normelor specifice locului si conditiilor de lucru in care acesta se instaleaza

Avanatajele termoizolarii conductelor calde

In general ar trebui sa fie luata in considerare in vederea teroizolarii orice

conducta calda prevazuta sa functioneze in cadrul unei instalatii cu regim continuu sau chiar intermitent de lucru de peste 2300ore/an.

Exista totusi situatii in care se considera ca aceste categorii de conducte (de exemplu, in instalatiile de incalzire din interiorul cladirilor) pot fi neglijate din acest punct de vedere fara ca decizia sa fie intemeiata pe un calcul tehnico-economic de evaluare a eficientei instalarii unei izolatii termice minimale.

Evolutia continuu crescatoare din ultimii ani a pretului combustibililor sau energiei primare utilizate in producerea agentilor termici impune reconsiderarea acestei optici pagubitoare daca nu este sprijinita pe argumentele calculului tehnico-economic specific.

Exemplu:

O conducta neizolata cu lungimea totala echivalenta de 100m si diametrul de 50mm, operand la o temperatura medie de t_SC=70°C in cadrul unei instalatii interioare de incalzire (cca. 4500ore/an), va disipa anual in mediul ambient (t_a=+18° C) echivalentul a 6032kg combustibil lichid sau, altfel spus, va avea pierderi anuale de circa 7842lei/m de conducta.

Izoland-o cu un strat de 32mm spuma poliuretanica (λ_iz=0.029 W/mK), pierderile acesteia se vor reduce la sub 9%, iar economia actuala de combustibil lichid va fi de circa 5488kg sau 713488lei. Aceasta reprezinta eficienta maxima rezultata pentru izolatia dimensionata in configuratia considerate de valori ai factorilor tehnico-economici de influenta.

Rezulta cel putin concluzia necesitatii efectuarii in astfel de situatii a unui calcul de verificare rapida prin metoda grafica propusa pentru determinarea oportunitatii tehnico-economice a termoizolarii conductelor calde, in mod obisnuit neglijate.

Baza de calcul a pierderilor specifice de caldura (trasarea graficelor)

Pierderea specifica de caldura a fost calculata cu relatia:

in care:

q_p - emisia de energie termica pe metru liniar de conducta izolata (W/m)

t_SC - temperatura medie anuala a suprafetei exterioare a conducrei (agentului termic), (°C)

t_a - temperatura de calcul a mediului ambient (°C)

d_c - diametrul exterior al conductei neizolate (mm)

d_iz - diametrul exterior al conductei peste izolatie (mm)

λ_iz - conductivitatea termica a izolatiei (W/mK)

α_e - coeficientul de transfer de caldura de la suprafata izolatiei (conductei) la aerul inconjurator, (W/m²K)

Un grafic a rezultat prin reprezentarea functiei de mai jos la valori constante ale t_SC si λ_iz :

q_p = f (d_c, δ_iz)

Toate graficele au fost intocmite in ipoteza amplasarii conductelor in spatii inchise, fara miscari semnificative ale aerului in jurul conductei, corespunzand valorilor:

t_a = 20° C si α_e = 1 lW/ m²K

In functie de temperatura de lucru (t_SC) a conductei si de categoria materialului izolant vizat in intocmirea graficului corespunzator, au fost utilizate valori ale conductivitatii termice - λ_iz (W/ m K) dupa cum urmeaza:

- izolatii fibroase (vata minerala, vata de sticla): 0.041÷0.06

- izolatii rigide pe baza de ipsos, silicate de calciu si magneziu:   0.06÷0.07

- izolatii pe baza de spume poliuretanice: 0.025÷0.035

-PUR + substante anorganice:   0.04