Využití odpadního tepla v budovách

Článek se zabývá možnostmi alternativního využití odpadního tepla v budovách. Shrnuje výzkum autorů v tématu, popisuje jednotlivé zdroje tepla a možnosti využití této energie v budovách. V rámci studie byly vyhodnoceny potenciály a technické řešení odvodu tepla z těchto zdrojů.

Příspěvek zazněl v rámci konference Vytápění Třeboň, pořádané STP ČR, a byl otištěn ve sborníku konference.

Úspora energie je dnes zásadní světové téma. Jednotlivé cesty ke snižování energetické náročnosti jako efektivnější technologie, využití optimalizačních algoritmů, snížení spotřeby či zlepšení tepelných vlastností stavebních konstrukcí jsou dnes hojně využívané.

Nicméně i přes snahu snižovat spotřebu energie způsobenou jednak stoupající cenou energie, jednak státními regulacemi, spotřeba energie v jednotlivých sektorech stagnuje (většinou země OECD) či roste (země mimo OECD) [1]. Jednou z potenciálních cest k snížení energetické náročnosti provozů je aktivní využívání odpadního tepla, které vzniká téměř ve všech procesech přeměny energie. Tento článek se zaměřuje na možnosti využití nízko potenciálního odpadního tepla v budovách.

Zdroje odpadního tepla v budovách

• Datová centra

Výpočetní technika je součástí většiny moderních objektů. Jedna plně osazená racková skříň běžně dosahuje 2–7 kW elektrického příkonu, který je roven produkovanému teplu. [2] Teplo je standardně odváděno vzduchem, kde je teplota vzduchu omezena na cca 30–35 °C. Existují varianty odvodu vodou, kdy můžeme počítat s výstupní teplotou až 65 °C. Datová centra a telekomunikace mají světovou roční spotřebu přes 400 TWh [3].

• UPS, trafostanice

Záložní zdroje energie pro nepřetržitý provoz, trafostanice a obdobné objekty jsou zdrojem odpadního tepla. Produkované teplo u UPS značně záleží na typu konverze (delta, dvojitá konverze). Efektivita trafostanic dosahuje 90–95 %. [4] Zbylá energie je transformována do odpadního tepla. U menších objektů je tato energie zanedbatelná, ovšem u větších objektů s velkým požadavkem na záložní zdroje (nemocnice, náročné provozy) či vysokým odběrem elektrické energie dosahuje potenciál desítek kW.

• Nabíjecí stanice pro elektromobily

V roce 2020 bylo ve světě v provozu přes 10 milionů elektrických osobních vozidel (EV) [5]. Předpokládaná spotřeba těchto vozidel se pohybuje mezi 10 až 50 TWh elektrické energie za rok. Do roku 2030 by celková spotřeba elektrické energie EV měla dosáhnout 550 až 1 000 TWh ročně [6]. Vzhledem k nedokonalému systému nabíjení je na místě zamyšlení nad možnostmi využití vznikajícího odpadního tepla a jeho potenciálem.

Dnes jsou v praxi užívány dvě úrovně nabíjení EV. Nízko výkonné nabíjení, kde dochází k usměrnění proudu až v integrovaném usměrňovači v EV. Tento způsob je omezen výkonem integrovaného usměrňovače (do 22 kW) a odpovídá třífázovému proudu 400 V při 32 A. Vysoko výkonné nabíjení je prováděno v profesionálních nabíjecích stanicích, které mají vlastní usměrňovač střídavého proudu. Tyto stanice jsou schopny přenášet nabíjecí výkon až 300 kW (typicky 50–100 kW).

Účinnost nabíjení je značně závislá na okolní teplotě. S nižší venkovní teplotou účinnost klesá. Při vnějších teplotách 25 °C odpovídá účinnost údajům od výrobců a to ± 90 %. Při teplotách pod bodem mrazu klesá až k ± 60 % při -25 °C. Účinnost je značně závislá na konkrétních dobíjecích stanicích. [7]

Možnosti využití odpadního tepla

• Předehřev VZT

Moderní VZT jednotky s vysokou účinností rekuperace vyžadují protimrazovou ochranu z důvodu rizika zamrznutí kondenzátu a poškození rekuperátoru. Standardně se využívá elektrický předehřev umístěný před rekuperátorem.

Při umístění jednotky se samostatným přívodem vzduchu (v interiéru) a zároveň odvodu neznehodnoceného teplého odpadního vzduchu (bez pachů, toxických látek či nadměrné koncentraci škodlivin) je možné umístit směšovací komoru na trasu čerstvého vzduchu (ODA) a navýšit tak teplotu venkovního vzduchu.

Při umístění jednotky bez samostatného přívodu (v exteriéru) či odvodu znehodnoceného teplého vzduchu je alternativou připojení odtahovaného vzduchu před rekuperátor (ETA). V tomto případě nedojde k smíšení odtahovaného a přívodního vzduchu.

• Napojení na tepelné čerpadlo

Vzniklé odpadní teplo je možné napojit na primární stranu tepelného čerpadla. V případě chlazení vodou je velmi efektivní a technicky jednoduché využití pro tepelná čerpadla voda/voda. V případě odvodu tepla vzduchem je napojení na TČ vzduch/voda či vzduch/vzduch možné, ale technicky složitější. Možná varianta je vlastní napojení přívodu exteriérového vzduchu k TČ a propojení na přívod odpadního teplého vzduchu.

Navýšením teploty na primární straně u TČ docílíme zvýšení SCOP, snížíme počet motohodin provozu kompresoru a redukujeme či kompletně odstraníme nutnost provozovat protimrazovou ochranu v případě nízkých teplot.

Případová studie

Pro vyhodnocení potenciálu byla vytvořena příkladová studie pro objekt bytového domu. Studie byla vyhotovena v hodinovém kroku pro reálná klimatická data z databáze PVGIS – oblast České Budějovice. Uvažuje se s odvodem tepla ze zdroje odpadního tepla vzduchem a s kolísavým výkonem mezi 3,5–5,5 kW využitelného tepla. V rámci studie byly vyhodnoceny dvě možnosti umoření odpadního tepla.

Tab. 1: Údaje o posuzovaném objektu.

• Předehřev systému VZT

Řešení odvodu odpadního tepla předpokládá vlastní sání čerstvého vzduchu pro posuzovaný prostor a odvod ohřátého vzduchu do prostoru strojovny VZT. Varianta 1 je referenční, standardní provedení. Varianta 2 byla uvažována s napojením odpadního teplého vzduchu na přívod čerstvého vzduchu do vzduchotechnické jednotky. Varianta 3 byla uvažována s napojením odpadního teplého vzduchu na odtah vzduchu z objektu před VZT jednotku. V tomto případě jednotka nepracovala v rovno průtoku.

Tab. 2: Vyhodnocení předehřevu VZT.

Tab. 3: Vyhodnocení napojení na tepelné čerpadlo vzduch/voda

• Napojení na tepelné čerpadlo vzduch/voda pro přípravu teplé vody

Ve variantě napojení na tepelné čerpadlo byl vyhodnocen potenciál pouze pro přípravu teplé vody, jakožto konstantní odběr tepla v průběhu roku. Uvažovaný zdroj tepla je shodný s minulým příkladem.

Závěr

Závěrem lze konstatovat, že v nízko-potenciálním odpadním teple je potenciál pro budoucí využití. Otázkou je ekonomická rentabilita, která v této studii nebyla zohledněna. S rostoucí cenou energií a zároveň větším tlakem na snižování energetické náročnosti státem či nadnárodními organizacemi je ovšem i nízko-potenciální odpadní teplo stále lukrativnější pro zpětné využití.

Největší potenciál je rozhodně u datových center, kde se běžné výkony pohybují ve stovkách kW. I u menších výpočetních výkonů, např. v administrativních budovách se produkce odpadního tepla bude pohybovat v desítkách kW. Problém je praktické propojení datového centra s reálným odběratelem tepla. V budoucnu lze předpokládat častější využití tepla z rychlonabíjecích stanic pro elektromobily. U systémů UPS či trafostanic je rentabilita závislá na velikosti – výkonu, řešení systémů TZB objektu a schopnosti objektu využít odpadní teplo.

Ze zkoumaných variant je výhodnější předehřev nuceného větrání, a to obzvlášť při napojení na odtah z interiéru. V této studii ovšem nebyly zhodnoceny zvýšené náklady na potrubní síť, ventilátory, regulaci apod.

doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D., Ing. David Staněk

Autoři působí na Katedře technických zařízení budov, Fakultě stavební, Českého vysokého učení technického v Praze.