Vplyv reflexných náterov na spotrebu energie klimatizácie

V tomto teste sa demonštruje pasívny chladiaci výkon náterov ClimateCoating na modelových domoch podobných kontajnerom. Skúma sa spotreba energie pri aktívnom chladení a správanie sa teploty v modelových domoch.

Vypracoval: Marius Sprenger, výskum a vývoj, SICC Coatings GmbH, Berlín

Zhrnutie

Cieľom tohto testu je preukázať, aký silný môže byť vplyv pasívneho chladenia náteru ClimateCoating na tepelnú bilanciu modelu chladiaceho kontajnera. Hlavné otázky sú: Ako výrazne ovplyvňuje náter ClimateCoating spotrebu energie dodatočného aktívneho chladiaceho systému? Ako vyzerá teplotná krivka v prípade poruchy chladenia?

Na tento účel boli v rámci porovnávacieho testu dva modelové domy vybavené snímačmi teploty a klimatizačnými systémami s riadenou teplotou. Jeden bol natretý vrstvou ClimateCoating, druhý si ponechal štandardnú sivú farbu. V prvej časti testu sa merala spotreba energie pri zapnutých klimatizačných systémoch. V druhej časti sa simulovala porucha klimatizačných zariadení ich vypnutím a skúmali sa výsledné teplotné krivky.

Výsledok ukázal úsporu energie 52,9 % (= 30,8 kg ekvivalentu CO2) vďaka náteru ClimateCoating a zníženie a) priemerných teplôt počas prehriatia (>26,0 °C) o 2,5 °C a b) súhrnného relatívneho trvania prekročenia teploty (>26,0 °C) o 16,8 %. Pri simulovanom zlyhaní chladenia sa priemerné teploty počas prehriatia (>26,0 °C) mohli náterom ClimateCoating znížiť o 3,9 °C a ich súčet relatívneho trvania o 15,5 %. Ukázalo sa, že priemerná kinetická teplota bola počas aktivovaného chladenia o 2,7 °C nižšia a počas neúspešného chladenia o 6,0 °C nižšia ako v štandardne natretom modelovom dome len vďaka náterom ClimateCoating.

Z toho vyplýva, že pasívne chladenie prostredníctvom odrazu slnečného žiarenia prostredníctvom ClimateCoating môže mať významný vplyv na úroveň teploty a spotrebu energie na chladenie. Z tohto experimentu nemožno vyvodiť, aký významný je rozdiel medzi náterom ClimateCoating a štandardným bielym náterom. Podobne aj výsledky meraní v oblastiach alebo časoch so zmeneným slnečným žiarením alebo zmenenou farbou porovnávacieho modelu môžu vykazovať významné rozdiely v meraniach.

Úvod

V súvislosti so zmenou klímy sú potrebné opatrenia na zníženie alebo zamedzenie emisií CO2. Štrukturálne zmeny vo výrobe energie smerom k obnoviteľným a bezemisným zdrojom energie sa rozvíjajú, ale v súčasnosti sa stále spolieha na palivá s vysokými emisiami CO2. Veľká časť svetovej spotreby energie sa využíva na klimatizáciu. Klimatizačné systémy sa používajú na chladenie budov alebo miestností a spotrebúvajú energiu. Od roku 1990 sa celosvetová spotreba energie na chladenie obytných a kancelárskych budov zvýšila zo 608 na 2 021 TWh ročne[1] . To zodpovedá nárastu spotreby o 232 %[1] .

Hlavnou príčinou je vo väčšine prípadov silný ohrev spôsobený slnečným žiarením. Najmä v oblastiach s vysokým slnečným žiarením, napr. v blízkosti rovníka[2] , je toto otepľovanie veľkým problémom. Je to priamy dôsledok absorpčných vlastností ožarovaných povrchov. Preto je dôležitým krokom v boji proti klimatickým zmenám úvaha o zmiernení tejto absorpcie prostredníctvom reflexie. Zachovanie zdrojov energie, či už z fosílnych alebo obnoviteľných zdrojov, je hnacou silou akéhokoľvek úsilia v boji proti zmene klímy. V tejto práci sa skúma vplyv zvýšenej reflexie nátermi ClimateCoating, reflexnou membránou od spoločnosti SICC Coatings, na vykurovacie vlastnosti budov. Tepelné žiarenie, ktoré sa odráža a neabsorbuje, sa nemusí odvádzať ďalšou prácou chladiacej jednotky. To môže znížiť spotrebu energie, a tým aj emisie CO2.

Metódy

Príprava – Experimentálna zostava

V tomto teste sa skúma vplyv reflexnej membrány ClimateCoating na teplotný profil a spotrebu energie v budovách. Na tento účel boli na strechu budovy vo vzdialenosti približne 4 m od seba namontované dva rovnaké kovové domčeky z oceľového plechu. Zatienenie budovami, stromami a podobne by sa mohlo vylúčiť. Otvory a dvere boli počas celého testu zatvorené a neotvárali sa. Domčeky mali rozmery (výška / šírka / dĺžka / hrúbka steny) 1,57 m / 2,03 m / 1,18 m / 1,0 mm.

Ako konštrukčný materiál bol zvolený 1 mm tenký oceľový plech. Keďže oceľ má vysokú tepelnú vodivosť a nízku tepelnú kapacitu typickú pre kovy/zliatiny, a teda nemá výrazný tepelný odpor, je ideálne vhodná na preukázanie maximálneho výkonu náteru ClimateCoating. Na meranie priebehu teploty vzduchu boli v každom dome vo výške 1,40 m umiestnené dva záznamníky údajov (KLIMA- DATENLOGGER BL30, Trotec) so snímačmi teploty vzduchu (obr. 1).

Záznamníky údajov boli nastavené tak, aby zaznamenávali a ukladali teplotu každých 10 minút. Klimatizačné zariadenia (PR KLIMA, mobilný typ klimatizácie, model: MPN3- 07CRN1) boli umiestnené v strede domov tak, aby prúd chladiaceho vzduchu smeroval k južnej stene, a teda k stene najviac ohrievanej slnečným žiarením. Dôvodom južnej orientácie klimatizačných jednotiek je minimalizácia teplotného gradientu. S východom Ak by boli klimatizačné jednotky nainštalované v južnej, severnej alebo západnej orientácii, táto stena by bola viac ochladzovaná a teplotný gradient medzi horúcou južnou stenou a ochladzovanou stenou by viedol k veľkým nepresnostiam merania.

Klimatizačné jednotky sa zapínali a vypínali pomocou ovládača. Oba riadiace moduly boli naprogramované tak, aby sa pri teplotách >26 °C aktivovalo napájanie klimatizačnej jednotky a pri teplotách <22 °C bola vypnutá. Na tento účel bol každý kontrolný modul vybavený snímačom teploty, ktorý bol zavesený v strede každého domu vo výške 1,20 m.

Snímač teploty bol umiestnený v plastovej rúrke zabalenej v hliníkovej fólii. Aby sa zabránilo skresleniu merania v dôsledku tepelného žiarenia zo strechy a bočných stien, snímač teploty vzduchu bol umiestnený v plastovej rúrke obalenej hliníkovou fóliou. Na určenie spotreby energie klimatizačných jednotiek boli riadiace jednotky na ovládanie napájania pripojené priamo k meraču spotreby (merač energetických nákladov HAMA). Na začiatku merania boli merače spotreby vynulované na hodnotu 0,0 kWh.

Náter domov

Strecha domu H1 bola pokrytá materiálom ThermoActive (biely). Hrúbka suchého filmu bola
279 μm. Vonkajšia strana stien bola potiahnutá vrstvou ThermoProtect (biela) s hrúbkou
suchého filmu Ø 243 μm. Druhý dom H2 nebol natretý a zostal v pôvodnom stave (RAL 7005 –
myšia sivá).

Experimentálne nastavenie – správanie pri ohreve

V tejto sérii experimentov sa používa rovnaké experimentálne usporiadanie (ako v bode 2.1.1.). Klimatizačné jednotky sú však vypnuté, aby sa simulovala porucha chladiacich jednotiek, a nemajú žiadny vplyv na výsledné teploty vzduchu v domoch. Pri tomto experimente sa každých 10 minút nepretržite zaznamenáva aj teplota vzduchu v domčekoch.

Porovnanie spotreby klimatizačných zariadení

Aby sa predišlo falšovaniu výsledkov meraní v dôsledku rozdielnych mier spotreby klimatizačných jednotiek, testovali sa jednotky na rovnosť ich spotreby. Obe jednotky boli umiestnené spolu počas 31 hodín v nevetranej a neklimatizovanej miestnosti a každá bola pripojená k meraču spotreby. Jednotky boli nastavené na plný výkon a maximálnu teplotu 17 °C. Odpadové teplo sa zvyčajne odvádza z miestnosti výfukovou hadicou. V tomto prípade sa to však neurobilo, pretože by sa dalo využiť na ohrev miestnosti a zabrániť tak vypnutiu jednotiek z dôvodu klesajúcich teplôt. Pred aktiváciou zariadení boli merače spotreby vynulované na hodnotu 0,0 kWh. Po simultánnej aktivácii 23. 6. 2021 o 9:30 hod. bola miestnosť uzamknutá a otvorená až po 31 h a ukončení testu 24. 6. 2021 o 15:45 hod.

Spotreba je zdokumentovaná v tabuľke 1.

Zariadenie	Spotreba
Klimatizácia K1	7,1 kWh
Klimatizácia K2	7,1 kWh

Z výsledkov vyplýva, že obe jednotky majú takmer rovnakú spotrebu pri rovnakom výkone. Malé rozdiely sa nedajú vylúčiť počas dlhších období, ale sú dostatočne malé na to, aby významne neovplyvnili výsledky meraní.

Hodnotenie – určenie spotreby pri chladiacom zaťažení

Na určenie spotreby energie na chladenie domov v dôsledku vysokého príkonu tepla zo slnečného žiarenia sa meranie začalo po nastavení experimentu 22. 7. 2021. V tomto procese sa teplota vzduchu v domoch zaznamenávala priebežne každých 10 min. Spotreba energie sa odčítala a zdokumentovala dvakrát v každý pracovný deň (po – pia). Po ukončení série meraní, 13.8.21 o 14:02, boli klimatizačné zariadenia deaktivované. Záznamníky údajov na zaznamenávanie teploty zaznamenávali nepretržite až do konca druhej časti experimentu 30.8.2021 14:32.

Na grafe 1 sú jasne viditeľné denné teplotné krivky. Rastúce teploty sú dôsledkom ohrievania slnečným žiarením. Oteplenie budovy bez náteru (modrá) je obzvlášť zreteľné v porovnaní s budovou s náterom (oranžová). Skutočnosť, že ohrev bol spôsobený slnečným žiarením a nie konvekčným prúdením teplého vzduchu, dokazujú pridané teploty vonkajšieho vzduchu[3] , ktoré sú počas dňa neustále nižšie ako teploty v nezakrytej budove. V noci teplota vnútorného vzduchu v oboch modelových domoch klesá pod teplotu vonkajšieho vzduchu. Príčinu tepelných strát možno vysvetliť len emisnými stratami, pretože straty spôsobené vedením bolo možné vylúčiť z dôvodu nedostatku vodivých materiálov, ako aj konvekčnými stratami, keďže okolitý vzduch bol teplejší, a preto by muselo dôjsť ku konvekčným ziskom. Najpravdepodobnejšou príčinou sú tepelné straty vyžarovaním z oboch domov do okolia, napríklad na nočnú oblohu.

Pri pohľade na spotrebu energie oboch jednotiek (Tab. 2) počas obdobia merania sú viditeľné jasné rozdiely. Celková spotreba jednotky K1 (dom s náterom) bola 68,4 kWh. Pre porovnanie, spotreba K2 (dom bez náteru) bola 145,20 kWh, čo zodpovedá zníženiu spotreby K1 o 76,8 kWh (52,9 %) v porovnaní s K2 (Tab. 4).

Klimatizácia	Sumárna spotreba
K2 – dom bez povrchovej úpravy	145,2 kWh
K1 – dom s povrchovou úpravou	68,4 kWh (-52,9 %)

Výpočet ekvivalentov CO2 spotreby

Keďže pri výpočte ekvivalentov CO2 zohráva rozhodujúcu úlohu mix elektriny z fosílnych a obnoviteľných zdrojov energie, a preto sa v dostupných kalkulačkách predpokladajú rôzne emisné faktory kg/kWh pre výrobu elektriny, tieto hodnoty sa budú lokálne líšiť. Spolková agentúra pre životné prostredie stanovuje emisný faktor na rok 2019 na 401 g/kWh [4] pre berlínsky mix elektrickej energie. Ak sa ako základ použije tento emisný faktor, rozdiel 76,8 kWh znamená zníženie emisií CO2 o 30,7 kg.

K2 – dom bez povrchovej úpravy	K1 – dom s povrchovou úpravou
145,2 kWh	68,4 kWh
58,2 kg CO2	27,4 kg CO2
	-30,8 kg CO2

Správanie sa pri ohreve pod vplyvom slnečného žiarenia

Na určenie správania sa domov pri vykurovaní slnečným žiarením sa používa skúšobná zostava s vypnutými klimatizačnými jednotkami. Tým sa simuluje porucha klimatizačných jednotiek. Teploty v domčekoch sa zaznamenávajú každých 10 minút a na konci experimentu sa odčítajú zo záznamníkov údajov (graf 3).

Na grafe 3, rovnako ako na grafe 1, je jasne rozpoznateľná periodicita denných teplotných kriviek. Hlavným rozdielom je výraznejšie kolísanie maximálnych a minimálnych denných teplôt. Má to dve hlavné príčiny. Po prvé, v dôsledku absencie aktívneho chladenia klimatizačných systémov chýba tlmiaci účinok na maximálne denné teploty, ktoré v niektorých prípadoch dosahujú > 40 °C, zatiaľ čo v období merania s aktívnymi klimatizačnými systémami (graf 1) maximálne teploty nepresiahli približne 37 °C. Na druhej strane, výsledky zo 17. – 20.08.21 a 23.08.21 boli ovplyvnené veľkou oblačnosťou a s ňou spojeným zníženým slnečným žiarením. To vysvetľuje výrazne nižšie teploty.

Výpočet teplotných odchýlok

Keďže nastavené teplotné okno regulátorov je medzi 22,0 a 26,0 °C, má zmysel pozrieť sa práve na tieto prekročenia a podkročenia teploty. Celé meranie zahŕňa 5637 meraní teploty na dom (jedno meranie každých 10 minút). Z nich 3186 bolo nameraných s aktívnym chladením počas testovacieho obdobia a 2451 bez aktívneho chladenia.

	Počet hodnôt na dom
Chladené	3186
Nechladené	2451
Celkom	5637

Odfiltrovaním všetkých hodnôt teploty >26,0 °C alebo <22 °C a použitím funkcie programu Excel „=NUMBER IF()“ bolo možné určiť počet nameraných hodnôt, ktoré prekročili alebo klesli pod príslušnú teplotu (Tab. 4). Keďže počet nameraných hodnôt oboch fáz nie je rovnaký, je potrebné zohľadniť relatívne podiely (Tab. 5).

	Číslo T >26,0 °C		Číslo T <22,0 °C
Dom	Chladené	Nechladené	Chladené	Nechladené
H1	117	147	1916	2039
H2	654	527	1556	1648

	Číslo T >26,0 °C		Číslo T <22,0 °C
Dom	Chladené	Nechladené	Chladené	Nechladené
H1	3,7%	6,0%	60,1%	83,2%
H2	20,5%	21,5%	48,8%	67,2%

Keďže každá nameraná hodnota zodpovedá časovému oknu 10 minút, počet odchýlok teploty od nastaveného teplotného okna možno aproximovať ako časové jednotky. To znamená, že v opláštenom dome H1 namerané teploty počas chladenia prekročili 26 °C v 3,7 % času, zatiaľ čo v tom istom období H2 sa prekročenie prejavilo v 20,5 % času merania. To zodpovedá rozdielu 16,8 %.

V období simulovaného zlyhania chladenia sa ukázal podobný obraz, v ktorom H1 mala o 15,5 % menej prípadov prekročenia teploty ako H2. To ukazuje, ako výrazne ovplyvňuje odrazivosť náteru ClimateCoating ohrev slnečným žiarením. Ak sa pozrieme na relatívne podiely nedosiahnutých teplôt (<22,0 °C), hodnoty sú výrazne vyššie. Čiastočne je to spôsobené absenciou ohrevu, ktorý pôsobí proti ochladzovaniu, ale aj vysokým teplotným oknom 22,0 – 26,0 °C. Pri aktívnom chladení je H1 so 60,1 % približne o 11,3 % vyššia ako H2 so 48,8 %. Pri nechladení sú teploty v 83,2 % prípadov nižšie ako 22,0 °C. V prípade domu 2 je to 67,2 %, teda o 16,0 % menej.

Hodnoty medzi „chladenou“ a „nechladenou“ fázou merania sú porovnateľné len v obmedzenom rozsahu. Dôvodom je zmena poveternostnej situácie, ktorá viedla k zníženiu slnečného žiarenia v dôsledku veľkej oblačnosti a dažďa (obr. 2)[5] . To vedie k menšiemu otepľovaniu a poklesu teplôt, čo je zrejmé aj zo strednej kinetickej teploty, ktorá sa v ďalšom texte označuje ako MKT (2.2.5. Výpočet strednej kinetickej teploty).

Pri chladiacich jednotkách je však rozhodujúca nielen dĺžka trvania, ale aj intenzita odchýlok teploty. Na rozdiel od MKT sa na výpočet priemerných hodnôt používajú len namerané hodnoty, ktoré sa odchyľujú od teplotného rozsahu 22,0 – 26,0 °C. Výpočet priemerných teplotných odchýlok T+ a T- sa uskutočnil podľa rovnice (2) a (3), kde n je príslušný počet teplotných odchýlok (Tab.5). Namerané hodnoty sa filtrovali pomocou dátových filtrov (>26,0 °C / <22,0 °C) a vypočítala sa príslušná priemerná hodnota.

	Ø – T+		Ø – T-
Dom	Chladené	Nechladené	Chladené	Nechladené
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

Kombináciou výsledkov priemernej odchýlky teploty T+ (Tab.6) s vypočítanými relatívnymi časovými podielmi prekročenia teploty sa získajú porovnateľné číselné hodnoty v kontexte (Tab.8).

Dom	Ø – T+	Relatívne časové podiely
H1, chladené	1,8 °C	3,7 %
H2, chladené	3,3 °C	20,5 %
H1, nechladené	2,1 °C	6,0 %
H2, nechladené	6,0 °C	21,5 %

Tabuľka 8) porovnanie časov prehriatia

Výpočet strednej kinetickej teploty

Dôležitým parametrom na monitorovanie priestorov citlivých na teplotu je stredná kinetická teplota (MKT). Používa sa na vyjadrenie celkového vplyvu teplotných výkyvov počas skladovania.

Na výpočet MKT podľa rovnice (1) je potrebná molárna plynová konštanta R a aktivačná energia ΔH (tab. 9), ktoré možno predpokladať pre väčšinu kvapalín a tuhých látok. Pri výpočte sa teploty prepočítali na Kelviny a po stanovení MKT sa vrátili späť na °C.

Molárna plynová konštanta R	0,00831447 kJ/mol
Aktivačná energia ΔH	83,14472 kJ/mol

Teplotný profil	S chladením	Bez chladenia
dom s povrchovou úpravou – H1	20,6 °C	18,7 °C
dom bez náteru – H2	23,1 °C	23,6 °C
Vonkajšia teplota vzduchu	21,6 °C	18,6 °C

Keďže pri poruche chladiacich jednotiek dochádza k väčšiemu kolísaniu teploty, MST má v tomto prípade mimoriadny význam. V takomto prípade môže zvýšenie teploty viesť k rýchlejšiemu znehodnoteniu tovaru citlivého na teplotu (napr. potravín, liekov atď.).

Výsledky

Spotreba energie a uhlíková stopa

K2 – dom bez povrchovej úpravy	K1 – dom s povrchovou úpravou
145,2 kWh	68,4 kWh
58,2 kg CO2	27,4 kg CO2
	-30,8 kg CO2

Prekročenie teplotnej odchýlky a relatívneho trvania

dom	Ø – T+	Δ (H2-H1)	relatívne časové podiely	Δ(H2-H1)
dom s povrchovou úpravou – H1, chladené	1,8 °C		3,7 %
dom bez náteru – H2, chladené	3,3 °C	+2,5 °C	20,5 %	+16,8 %
dom s povrchovou úpravou – H1, nechladené	2,1 °C		6,0 %
dom bez náteru – H2, nechladené	6,0 °C	+3,9 °C	21,5 %	+15,5 %

Stredná kinetická teplota TK

dom	s chladením	ΔTK	bez chladenia	ΔTK
dom s povrchovou úpravou – H1	20,6 °C		18,7 °C
dom bez náteru – H2	23,1 °C	+2,7 °C	23,6 °C	4,9 °C

Z výsledkov je zrejmé, že náter ClimateCoating má silný vplyv na tepelnú bilanciu. Vďaka zníženiu spotreby energie klimatizačných systémov o 52,9 % (76,8 kWh) v tejto testovacej zostave v porovnaní s náterom zo sivého oceľového plechu bolo možné preukázať maximálny výkon bielych náterov ClimateCoating ThermoActive a ThermoProtect. Súvisiace úspory CO2 možno priaznivo zahrnúť do celkovej bilancie CO2 podnikov alebo budov. V porovnaní s modelovým domom bez náteru vykazuje náter aj nízke (2,5 °C) a výrazne kratšie (16,8 %) prekročenie teploty v období merania v prípade komponentov alebo miestností, ktoré je potrebné chladiť.

Pri zlyhaní chladiacich jednotiek sa podľa očakávania v oboch modelových domoch zvýši priemerná teplota a celkové trvanie prekročenia. Náter ClimateCoating však vykazuje aj miernejší nárast teploty (3,9 °C) a kratšie fázy (15,5 %) prekročenia v porovnaní s domom H2 bez náteru. V prípade chladiacich miestností/kontajnerov, ktoré sú vystavené slnečnému žiareniu, to znamená rýchlejší.

Vráťte sa do potrebného teplotného rozsahu. MKT tu slúži ako nástroj na posúdenie vplyvu teplotných výkyvov na dobu skladovania tovaru citlivého na teplotu. V dome s náterom sa zistili nižšie teploty ako v dome bez náteru, a to pri aktivovanom aj neaktivovanom chladení.

V prípade tovaru podliehajúceho skaze preto povrchová úprava ClimateCoating poskytuje dodatočnú ochranu pred nadmerným nárastom teploty, ktorý vedie k rýchlejšiemu kazeniu.

Pasívne chladenie vďaka zvýšenému odrazu slnečného žiarenia môže významne prispieť k úspore nákladov na energiu a ochrane pred prehriatím bez potreby použitia ďalšej energie.

Kritickým bodom, ktorý je tu potrebné zohľadniť, je skutočnosť, že neexistuje tolerančný rozsah na kompenzáciu tepelnej zotrvačnosti, ktorá vzniká, keď sa klimatizačné systémy aktivujú až pri 26,0 °C, ale teploty naďalej stúpajú, až kým sa „chladiaci účinok“ nedá merať s časovým oneskorením. Z tohto testu nemožno vyvodiť ani žiadne konkrétne kvantifikačné tvrdenie o tom, či a ako dobre alebo zle je biely náter ClimateCoating termodynamicky účinný v porovnaní s iným bielym náterom. To by sa muselo preskúmať v samostatnom experimente.

Podobne aj tento test je zámerne zvoleným extrémnym variantom testovacieho nastavenia, aby sa preukázal maximálny výkon. Skutočné usporiadanie kontajnerov, budov, chladiarenských vozidiel sa čiastočne výrazne líši od tohto testu z dôvodu izolácie, iných teplotných rozsahov atď. a môže dosiahnuť nižšie výsledky. Podobne ešte tmavší porovnávací model (menšia referenčná hodnota svetla ako RAL CLASSIC 7005 s HBW 17,30) alebo zmenený príkon slnečného žiarenia pre rovnaké testovacie zariadenie v blízkosti rovníka, napr. v Dubaji, môže viesť k ešte väčším rozdielom v meraní.

Marius Sprenger
Výskum a vývoj

SICC Coatings GmbH
Wackenbergstraße 78-82
13156 Berlín