Možnosti využívání obnovitelných energií v soustavách Centralizovaného zásobování teplem

Slovensko není bohaté na primární energetické zdroje, dováží téměř 90 % většinou z Ruska. Pro soustavy centralizovaného zásobování teplem (dále SCZT) se většinou využívá zemní plyn, přičemž je potřeba zvýšit efektivnost využívání a podle možností ho nahradit domácími obnovitelnými zdroji energie (dále OZE) na bázi biomasy (dřevní štěpka, pelety, brikety), odpadního tepla z různých technologií (v průmyslu), jakož i geotermální energie (sto sedmdesát vrtů po celém Slovensku). Samozřejmě aplikace OZE je vázána na její výskyt v některých regionech Slovenska.

Směrnice Evropského parlamentu a rady Evropy 2010/31/EU z 19. května 2010 o energetické hospodárnosti budov zavazuje členské státy zvýšit energetickou efektivnost a snížit spotřebu energie do r. 2020 o 20 %, zvýšit podíl energie z obnovitelných zdrojů do r. 2020 o 20 % a snížit emise skleníkových plynů do r. 2020 o 20 %.

V příspěvku chtějí autoři poukázat na skutečnosti, se kterými se při provozu zdrojů SCZT můžeme setkat, a možnosti, které je třeba zvážit a aplikovat ve zdrojích tepla. Základní části SCZT jsou zobrazeny na obr. 1.

Obr. 1 Soustava centralizovaného zásobování teplem podle STN EN 15316-4-5 A – vnitřní část – vytápěcí systém budovy; B – vnější část – SCZT 1 – přívod paliva (zemní plyn, uhlí, biomasa, geotermální energie); 2 – zdroj tepla; 3 – rozvodná tepelná síť; 4 – OST v budově; 5 – akumulace tepla; 6 – distribuce tepla v budově; 7 – odevzdávání tepla (vytápěcí těleso); 8 – potřeba tepla na vytápění.

Technické řešení

Zdrojem tepla pro řešenou SCZT je teplovodní bloková kotelna, v níž jsou osazeny teplovodní kotle spalující zemní plyn. Zdroj tepla byl navržen na výpočtový teplotní spád 90/70 °C. Úprava teplonosné látky je v samotných odběrných místech a připojovacích místech závislá na vnější teplotě vzduchu (ekvitermní regulace).

Oběh teplonosné pracovní látky zabezpečují oběhová čerpadla ve zdroji tepla. Pro zimní provoz se uvažuje se dvěma oběhovými čerpadly paralelně zapojenými, přičemž jedno tvoří 100% zálohu pro případ poruchy.

Výstupní potrubí z kotlů jsou napojena do rozdělovače a sběrače. Z nich jsou uskutečněna napojení na tepelnou potrubní síť, která je rozváděna pod úroveň terénu v bezkanálovém vyhotovení. Prostřednictvím předizolovaných trubek je teplonosná pracovní látka dopravována k jednotlivým tlakově nezávislým odevzdávacím stanicím tepla OST.

Ve sledovaném zdroji tepla byly v 80. letech osazeny tři teplovodní kotle podle obr. 2 (k tomuto stavu budou ostatní varianty porovnávány). Při zvyšovaní efektivnosti a zavádění OZE se uvažuje o následujících variantách:

1. alternativa – původní kotle se nahradí novými efektivnějšími kotli;
2. alternativa – jeden kotel se nahradí kotlem na biomasu;
3. alternativa – do využívání se zapojí geotermální vrt, kotel na biomasu.

Obr. 2 Schéma zapojení zdroje tepla na zemní plyn 1 – kotel na přípravu TV+VYT, 2 – kotel na VYT + TV, 3 – kotel špičkový VYT, 4 – přívodní potrubí, 5 – obytná budova, 6 – vratné potrubí, 7 – oběhové čerpadlo

Pro uvažovaný obytný okrsek s potřebou tepla na vytápění Q_VYT = 750 kW a potřebou tepla na přípravu teplé vody Q_TV = 150 kW je zpracován diagram trvání potřeby tepla na obr. 3. První kotel bude pracovat v základním zatížení – příprava teplé vody a vytápění. Druhý kotel bude pracovat v pološpičkovém režimu a třetí kotel bude ve špičkovém režimu.

Obr. 3 Diagram trvání potřeby tepla a energie

Výpočet potřeby tepla a zemního plynu

Výpočet potřeby tepla na vytápění byl uskutečněn dennostupňovou metodou pro lokalitu Bratislava s délkou vytápěcího období d_t = 202 dny, při průmeřné vnější výpočtové teplotě Ѳ_es = 4,0 °C.
Vnější výpočtová teplota Ѳ_e = –11,0 °C. Pro nepřerušované vytápění 24 hodin se potřeba tepla vypočítá následovně:

Pro nepřerušované vytápění s nočním útlumem 8 hodin platí následující vztah:

kde    Φ_VYK     –     tepelná ztráta vytápěných objektů (kW),
          ε     –     opravný součinitel (-),
         d_t     –     počet dnů vytápěcího období (den),
         θ_i     –     vnitřní výpočtová teplota během vytápěcího období (°C),
         θ_s     –     vnitřní výpočtová teplota při tlumeném provozu během vytápěcího období (°C),
        θ_es    –     průměrná vnější teplota během vytápěcího období (°C),
        θ_e     –     vnější výpočtová teplota během vytápěcího období (°C).

Množství tepla na přípravu teplé vody jsme uvažovali 30 litrů na osobu a den. Následně množství tepla potřebného na přípravu teplé vody bude:

kde   i     –     počet obyvatelů (-),
      c_v     –     specifické teplo vody (kJ/(kg.K)),
      θ_t     –     teplota ohřáté teplé vody (°C),
      θ_s     –     teplota studené vody (°C),
      d      –     doba ohřevu teplé vody (dny).

Množství paliva B při známém množství vyrobeného tepla vypočítáme z následujícího vztahu:

kde      E_Celk. je     výsledná potřeba tepla na vytápění a přípravu teplé vody (GJ),
            H_u     –     výhřevnost zemního plynu (kJ/m³),
            η     –     účinnost spalování v kotlích.

Výsledky výpočtů jsou pro jednotlivé alternativy v tabulkách 1 až 4.

Zhodnocení alternativ

Za porovnávací základ bereme 1. alternativu, kde byly osazeny tři kotle na zemní plyn s účinností spalování h = 0,8, kde se na výrobu 5 654,2 GJ spotřebovalo 210 544 m³ zemního plynu a vyprodukovalo se 404,2 kg CO₂ a 67,37 NO_x.

Ve 2. alternativě byly původní kotle nahrazeny moderními kotli na zemní plyn s účinností spalování h = 0,92 a regulování dodávky tepla, kde se na výrobu 5 511,2 GJ spotřebovalo 178 426 m³ zemního plynu a vyprodukovalo se 342,6 kg CO₂ a 57,10 NO_x.. Porovnáním s 1. alternativou je úspora zemního plynu 15,25 % a sníží se i tvorba škodlivin.

U 3. alternativy je kotel K1 nahrazen kotlem na biomasu, K2 a K3 jsou moderní kotle na zemní plyn s účinností spalování h = 0,92 a regulování dodávky tepla, kde se na výrobu 5 511,2 GJ spotřebovalo 192,021 t dřevní štěpky a 86 714 m³ zemního plynu a vyprodukovalo se 166,5 kg CO₂ a 27,75 NO_x. Porovnáním s 1. alternativou je úspora zemního plynu 58,8 % a sníží se i tvorba škodlivin o 41,2 %.

Ve 4. alternativě se kotel K1 nahradí geotermálním zdrojem a K2 kotlem na biomasu a K3 bude špičkový na zemní plyn s účinností spalování h = 0,92 a regulování dodávky tepla, kde se na výrobu 5 511,2 GJ spotřebovalo 154,1 t dřevní štěpky a 13 132 m³ zemního plynu a vyprodukovalo se 25,2 kg CO₂ a 4,2 kg NO_x.. Porovnáním s 1. alternativou je úspora zemního plynu 99 % a sníží se i tvorba škodlivin o 93,8 %.

Závěr

Jak je zřejmé z porovnání jednotlivých alternativ, OZE mají velkou perspektivu. Vzhledem k tomu, že Slovensko nedisponuje zásobami zemního plynu, je třeba ho nahradit biomasou v podobě dřevních štěpek, případně pokud se v lokalitě vyskytuje geotermální voda, vhodně ji aplikovat v závislosti na množství a teplotě na hlavě vrtu.

Následováníhodné aplikace jsou v Galantě, v Šali, v Seredi a Velkém Mederu. Aplikováním OZE se můžeme přiblížit ke splnění závazku vůči Směrnici Evropského parlamentu a rady Evropy 2010/31/EU z 19. května 2010 o energetické hospodárnosti budov (známější jako 20 – 20 – 20).

Literatura
[1]     PETRÁŠ, D. a kol.: Obnoviteľné zdroje energie pre nízkoteplotné systémy. Jaga, Bratislava 2009, 224 s.
[2] LULKOVIČOVÁ, O. a TAKÁCS, J.: Netradičné zdroje energie. Vydavatelství STU v Bratislavě, Bratislava 2003. str. 73 – 113.
[3] Vyhláška Ministerstva dopravy, výstavby a regionálního rozvoje Slovenské republiky č. 364/2012, jíž se ustanovují podrobnosti o výpočtu energetické hospodárnosti budov a obsah energetického certifikátu.
[4]     PETRÁŠ, D., DAHLSVEEN, T.: Energetický audit budov, Bratislava: Jaga, 2008.
[5] STN EN 15603, Energetická hospodárnosť budov – Celková potreba energie a definície energetického hodnotenia.
[6] STN EN 15316-4-5 VYTurovacie systémy v budovách. Metóda výpočtu energetických požiadaviek systému a účinnosti systému: Časť 4 – 5 Systémy výroby tepla, vlastnosti a kvalita centralizovaného zásobovania teplom a veľkoobjemových systémov.

Text: doc. Ing. Ján Takács, Ph.D., Ing. Lukáš Rácz
Obrázky: Autor
Autoři působí na Katedře technických zařízení budov Stavební fakulty STU v Bratislavě.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 4/2016.