Konference Vytápění 2017 - třetích deset

V dnech 23. až 25. května proběhla tradičně v Třeboni v kulturním domě Roháč odborná konference Vytápění, kterou organizuje odborná sekce Vytápění ve Společnosti pro techniku prostředí jednou za dva roky. Konference soustředí aktuální poznatky z praxe, vývoje a výzkumu do přednášek, kterých na konferenci zaznělo 62. Ve spektru jsou zahrnuty jak práce teoretické, případové analýzy zpracované s využitím programových analýz, tak práce založené na poznatcích z praxe. S cílem ukázat šíři záběru konference je zpracován sestřih některých poznatků, které v přednáškách zazněly. V této části je obsaženo prvních deset přednášek.

NÁVRH PROTIHLUKOVÝVH OPATŘENÍ U TEPELNÝCH ČERPADEL

Ing. Jan Králíček
Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, České vysoké učení technické v Praze, AKUSTPROJEKT s. r. o.

Tepelná čerpadla jsou v dnešní době využívána jako součást klimatizačních a vytápěcích systémů. Hluk z nich se posuzuje hygienickými limity hluku, např. v chráněném venkovním prostoru staveb, v tomto případě zejména obytných objektů. Projektant chlazení nebo vytápění řeší návrh tepelných čerpadel obvykle jen z hlediska tepelných požadavků. Pak se objevují případy, kdy se akustik k instalaci tepelných čerpadel dostane až poté, kdy je měřením hluku na místě zjištěna nadměrná hlučnost.

Nebezpečí instalace tepelných čerpadel z hlediska akustiky nastává zejména v případech, kdy není možné zařízení instalovat mimo chráněnou zástavbu např. na střechu, nýbrž je nutné zařízení instalovat např. do vnitrobloku obytných domů, kde bývá velice nízké hlukové pozadí a nevyhovující zdroj hluku lze snadno prokázat měřením.

Hlavním zdrojem hluku tepelných čerpadel vzduch / voda je axiální ventilátor u kondenzátorové části a dále kompresor, které jsou instalované většinou do jedné kompaktní venkovní jednotky. Hluk generovaný jednotkou je složen ze středních a vyšších frekvencí vznikajících od axiálního ventilátoru, které je možné účinně tlumit absorpcí, a dále nižšími frekvencemi vznikajících u kompresorové části, které se tlumí obtížně.

V praxi může být výhodnější instalovat výkonnější a hlučnější jednotku, která však snese na sání a výtlaku další tlakovou ztrátu vzniklou přidáním absorpčních tlumičů. Pokud mohou vzniknout tónové složky, výsledný hluk je nutné počítat na stav o 5 dB přísněji vůči běžným hygienickým limitům hluku v chráněném venkovním prostoru staveb, tj. L_Aeq,8h = 45 dB pro den a L_Aeq,1h = 35 dB pro noc.

Dalším úskalím ve výběru jednotky je to, že udávaný hluk v určité vzdálenosti od jednotky v katalogu výrobce platí pro volné akustické pole. Pokud však jednotku vložíme ke zdi, do rohu, nebo dokonce do přístřešku, může být nárůst hluku vlivem odrazů až 8 dB.

Příkladem zanedbání řešení hluku byla instalace tepelných čerpadel ve vnitrobloku obytných domů památkově chráněné zástavby v centru města. Původně bylo 6 tepelných čerpadel vzduch / voda instalováno pouze do přístřešku ve vnitrobloku s jednou volnou stranou pro výměnu vzduchu. Instalovaný výkon chlazení, resp. vytápění cca 190 kW. Nejbližší okno obytné místnosti od volného otvoru přístřešku je ve vzdálenosti 6 m. Výpočet hluku byl proveden programem CADNA R ve frekvenčním pásmu 31,5 až 8000 Hz. Nejistota výpočtu je v úrovni 2 dB. Souběh všech tepelných čerpadel na plný výkon představující nejvyšší denní provoz tepelných čerpadel generuje hluk u nejbližšího obytného objektu v úrovni L_Aeq,8h = 56 dB. Pro noční snížený režim TČ (provoz pouze části jednotek na omezený výkon, celkem cca 50 kW) byl vypočten hluk v úrovni L_Aeq,1h = 51 dB. Jediným možným řešením bylo využití volného prostoru mezi tepelnými čerpadly a koncem přístřešku, do kterého byly vloženy buňkové tlumiče hluku. S touto pravou bylo vypočteno snížení hluku při maximálním výkonu v úrovni L_Aeq,8h na 42 dB a pro noční snížený režim TČ byl vypočten hluk v úrovni L_Aeq,1h = 33 dB, tedy s rezervou pod limitem hluku, i kdyby se objevily ve spektru hluku objevily tónové složky.

EFEKTIVITA SOLÁRNÍCH TERMICKÝCH SYSTÉMŮ V ZÁVISLOSTI NA ODBĚRU TEPLÉ VODY

Ing. Nikola Pokorný^1,2, doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D.^1,2
1Univerzitní centrum energeticky efektivních budov ČVUT, Buštěhrad
²Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, ČVUT v Praze

Mezi nejčastější aplikace patří solární soustavy pro přípravu teplé vody (TV) v rodinných domech. Odběr TV se však může výrazně lišit s ohledem na návyky v domácnosti, reálnou obsazenost budov, případně roční profil potřeby tepla na přípravu TV.

Za účelem srovnání tepelných zisků solární soustavy byla zvolena běžná solární soustava pro přípravu teplé vody v rodinném domě navržená na denní spotřebu 200 l o teplotě 45 °C. Navržený objem zásobníku byl 300 l s pohotovostním objemem 125 l pro elektrický dohřev vody v horní části zásobníku. Teplota studené vody byla uvažována 10 °C po celý rok.

Pro analýzu byly vybrány profily S, M, L, (Nařízení komise 812/2013 [3], které definuje požadavky na štítkování ohřívačů TV a Nařízení komise 814/2013 [4] definující požadavky na ekodesign). Vzhledem ke zvolené požadované teplotě teplé vody 45 °C byly odběrové profily různě upraveny. Další analyzovaný odběrový profil byl převzat z metodiky hodnocení solárních soustav pro získání ekologické známky Modrý anděl [5]. Profil s největším počtem odběrů byl stanoven výpočetním nástrojem DHWcalc [6].

Bylo provedeno několik ročních simulací v simulačním prostředí TRNSYS pro klimatické podmínky v lokalitě Praha s časovým krokem simulace 1 min. Simulace byla provedena pro dvě varianty spotřeby TV (200 l/den a 100 l/den) i s ohledem na snižování spotřeby TV v domácnostech.

V případě spotřeby TV 100 l/den lze uvést, že rozdíly v teple dodaném solární soustavou jsou pro jednotlivé profily ještě nižší. Rozdíl mezi nejnižším a nejvyšším tepelným ziskem solární soustavy je v případě snížené spotřeby TV jen 3 %. Oproti spotřebě TV 200 l/den (solární pokrytí 52 až 55 %) značně narostlo solární pokrytí na 65 až 67 %, provozní účinnost a měrné tepelné zisky soustavy však významně poklesly, systém se stal výrazně předimenzovaným.

Analyzován byl i vliv doby dohřevu TV topnou vložkou v horní části zásobníku na požadovanou teplotu po celý den. Z pohledu regulace byla zvolena tři časová okna (období v roce), ve kterých byla topná vložka vypnuta. Z výsledků je patrné, že čím větší je časové okno, tím větší je přínos solární soustavy. Zároveň je však vyšší podíl nedodané energie na krytí potřeby tepla. V případě snížené spotřeby TV 100 l/den je podíl nedodané energie do 1 % ve všech třech časových oknech. Pro spotřebu 200 l/den je podíl nedodané energie vyšší (až 6 %). Obecně lze konstatovat, že pro měsíc červen a červenec je možné mít odstavenou topnou vložku, ale s rizikem, že v některých dnech nebude dodržena požadovaná teplota 45 °C.

Z výsledků lze konstatovat, že tvar odběrového profilu nemá příliš velký dopad na výpočtem stanovenou efektivitu solární soustavy.

KOMBINACE FV SYSTÉMU A TEPELNÉHO ČERPADLA S ŘÍZENÝM UKLÁDÁNÍM TEPLA

Ing. Yauheni Kachalouski^1,2, doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D.^1,2
1Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, ČVUT v Praze
²Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT v Praze

Uvažuje se kombinovaný systém s tepelným čerpadlem a FV systémem pro přípravu teplé vody a vytápění v pasivním rodinném domě s roční potřebou tepla 3400 kWh na vytápění a 3060 kWh pro přípravu teplé vody v podmínkách České republiky [2]. Chlazení v domě není uvažováno.

Bylo zvoleno tepelné čerpadlo země-voda o výkonu 5.5 kW při podmínkách B0/W35 napojené na kompaktní kombinovaný zásobník tepla pro přípravu teplé vody a vytápění o objemu 900 l s ohřevem vody ve vnitřním trubkovém výměníku (viz obr. 1). Horní část zásobníku tepla je vyhrazena přípravě teplé vody (udržovaná trvale na teplotě 50 °C), dolní část zásobníku je určena pro přípravu otopné vody (v otopném období nabíjena na ekvitermní teplotu). Dům je vytápěn podlahovým otopným systémem s návrhovým teplotním rozdílem 40/35 °C. Profil odběru teplé vody uvažuje o 200 l teplé vody za den při teplotě 45 °C s výraznou ranní a večerní špičkou a dalšími menšími odběry během dne.

Roční spotřeba elektrické energie celého systému včetně oběhových čerpadel, případně doplňkového zdroje (elektrokotle) bez využití FV systému je 2446 kWh a sezónní topný faktor SPF celého systému je 2.7.

Samotná instalace FV systému sice pomáhá mírně zlepšit celkovou efektivitu zásobování teplem, nicméně využití produkce elektrické energie z FV systému je velmi nízké na úrovni procent. Důvodem nízkého využití FV elektřiny je jednak nesoulad mezi špičkami odběru teplé vody (odběrem elektrické energie tepelným čerpadlem) a dobou produkce elektrické energie FV systémem a podobně nesoulad s odběrem tepla pro vytápění, který se vyskytuje především v nočních hodinách, neboť denní tepelné ztráty domu jsou v uvažovaném pasivním domě z velké části hrazeny solárními zisky.

Adaptivní přizpůsobení provozu tepelného čerpadla aktuální produkci fotovoltaické elektrické energie s využitím akumulace tepla v kombinovaném zásobníku může zvýšit využití FV systému. Výše uvedené znamená, že v případě dostatečné produkce elektrické energie pro pokrytí provozu soustavy s tepelným čerpadlem se tepelné čerpadlo zapne, je automaticky provozováno z velké části na elektrickou energii z FV systému a ohřívá definovaný objem zásobníku tepla na vyšší teplotu, než je běžný požadavek ekvitermního řízení. Vyšší teplota v celém objemu má za následek, že i přes večerní a ranní odběr teplé vody ze zásobníku, neklesá požadovaná teplota v zóně přípravy teplé vody pod nastavenou teplotu (teplá voda se navíc předehřívá již v dolní části zásobníku) a tepelné čerpadlo prakticky nespíná mimo denní dobu.

Z podrobného porovnání pro slunečný zimní den je patrné, že i v zimním období lze využitím FV elektřiny pro nabíjení zásobníku tepla tepelným čerpadlem přesunout významnou část noční spotřeby elektrické energie ze sítě do denní doby s využitím produkce obnovitelné elektrické energie.

Analýza poukázala na to, že zatímco FV systémem s instalovaným výkonem 1 kWp a jednoduchým adaptivním řízením lze oproti konvenční kombinaci uspořit pouze okolo 5 %, pro FV systém 3 kWp lze adaptivním provozem uspořit okolo 21 % spotřeby elektrické energie a u FV systému 6 kWp je dosažitelná úspora až 29 %.

KOMBINOVANÝ ZDROJ S TEPELNÝM ČERPADLEM PRO RODINNÝ DŮM

Ing. Michal Broum¹, Ing. Jan Sedlář², Ing. Bořivoj Šourek, Ph.D. ², doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D.^2
1Regulus, s. r. o., ²Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT v Praze

Cílem projektu je vyvinout ekonomicky konkurenceschopný energetický systém s vysokým podílem využití obnovitelných zdrojů energie (nad 70 %) pro vytápění a přípravu teplé vody, který umožní maximálně využít produkci místního FV systému. Systémem pro téměř nulovou budovu je myšlen takový systém, který v kombinaci s energeticky úspornou stavbou ve standardu pasivního domu umožní reálně dosáhnout měrnou potřebu neobnovitelné primární energie (na vytápění, chlazení, přípravu teplé vody a pomocné energie) menší než 30 kWh/m².rok.

Ověřování funkce probíhá na rodinném domě v Hamrech u Hlinska s návrhovou tepelnou ztrátou objektu 4,5 kW, potřebou tepla na vytápění 3400 kWh/rok a potřebou tepla na přípravu teplé vody 3060 kWh/rok.

Koncept je založen na kombinaci fotovoltaické technologie a technologie pokročilého tepelného čerpadla s chladičem přehřátých par a kompresorem s řízenými otáčkami pro přizpůsobování provozu aktuálnímu elektrickému výkonu fotovoltaického systému. Uplatněn je i prototyp vodního kombinovaného zásobníku pro přípravu teplé vody a vytápění s dělicím plechem posilujícím udržení teplotní stratifikace. Ověřovány byly varianty s velikostí vodního kombinovaného zásobníku 398 l a 903 l.

Podle očekávání je varianta s větším zásobníkem o objemu 903 l úspornější. Její roční předpokládaná spotřeba elektrické energie ze sítě je 1078 kWh/rok a systém pracuje s ročním topným faktorem SPF = 6.0. Zejména u varianty s větším zásobníkem je patrná velice nízká spotřeba elektrické energie ze sítě mimo otopné období. Měsíční topné faktory SPF celého systému dosahují hodnot dokonce větších než 30.

Měrná potřeba neobnovitelné primární energie pro vytápění, přípravu teplé vody a pomocnou energii (čerpadla, ventilátory) se pro daný rodinný dům dostává pod hranici 20 kWh/m².rok. Simulace energetického systému s validovanými modely prvků ukázaly na potenciál využití obnovitelných zdrojů energie v budově nad 80 %.

POROVNÁNÍ EFEKTIVITY TEPELNÉHO ČERPADLA S REGULACÍ A BEZ REGULACE VÝKONU PRO VYTÁPĚNÍ RODINNÉHO DOMU

Ing. Jan Sedlář
Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT v Praze

Legislativní opatření pro kontrolu kvality ohřívačů pro vytápění a přípravu teplé vody přinesly požadavek na stanovení jejich celoroční efektivity z pohledu využití primární neobnovitelné energie. Efektivita zdrojů tepla pro vytápění vnitřních prostor, jako jsou plynové a elektrické kotle, tepelná čerpadla a kogenerační jednotky, je dána sezónní energetickou efektivitou η_s [-]. Postup výpočtu je postaven na několika teoretických předpokladech a částečně znevýhodňuje tepelná čerpadla bez regulace otáček (např. neuvažuje akumulaci tepla do zásobníku). Na příkladu bylo ukázáno, že nejlepší účinnosti mohou dosáhnout tepelná čerpadla země-voda s invertorem (průměrně 193 %), tepelná čerpadla typu vzduch-voda s invertorem 173 % a tepelná čerpadla typu vzduch-voda bez invertoru průměrně 143 %).

Posouzení výrazného rozdílu v sezónní energetické účinnosti tepelných čerpadel s invertorem a bez něj pro typ vzduch-voda je předmětem tohoto příspěvku. Byla vybrána jednotka určená pro instalace se jmenovitou tepelnou ztrátou Prated = 4 kW. Topný výkon jednotky při standardních podmínkách A7/W35 podle ČSN EN 14511 a otáčkách kompresoru 50 ot/s je 4,9 kW. Zvolena byla budova dvoupodlažní s různými úrovněmi tepelně technických vlastností s podlahovou plochou 150 m² obývaná 4 osobami, z nichž 1 zůstává trvale doma. Větrání je regulováno v závislosti na počtu osob.

Bylo nasimulováno celkem 8 variant – s regulací výkonu tepelného čerpadla a bez regulace pro každý typ budovy.

Tepelná čerpadla s proměnným výkonem mají ve všech hodnocených variantách vyšší sezónní energetickou účinnost a SCOP. Nejvyšší rozdíl 63 % je u standardní budovy, kdy je tepelné čerpadlo bez regulace výkonu poddimenzované. Naopak nejmenší rozdíl 37 % mezi tepelným čerpadlem s regulací a bez regulace výkonu je u varianty s nízkoenergetickou budovou. Varianta s tepelným čerpadlem bez regulace a standardní budovou dosáhla nejnižší účinnosti 99 %, neboť tepelné čerpadlo je v tomto případě poddimenzováno. Naopak nejlepší varianta bez regulace výkonu je ve spojení s nízkoenergetickou budovou, u které je dohřev zanedbatelný. Pro pasivní budovu již COP klesá z důvodu vytápění pouze v extrémní části otopného období. Všechny varianty s regulací výkonu dosahují obdobné efektivity mezi 160 a 180 %, jak odpovídá statistice, a jsou vždy účinnější než tepelná čerpadla bez regulace výkonu. Průměrný rozdíl mezi variantami je 50 % absolutní hodnoty účinnosti.

AKUMULÁCIA A DIVERZIFIKÁCIA – ZÁKLADNÝ PREDPOKLAD ENERGETICKY NEZÁVISLÝCH SOLÁRNYCH BUDOV

Ing. Alfréd Gottas, Ing. Milan Novák, CSc.
THERMO/SOLAR Žiar s. r. o., Žiar nad Hronom

Neodborníci často nerozlišujú pojmy „Budovy s takmer nulovou spotrebou energie“ a „Energeticky nezávislé budovy“, pričom je medzi nimi obrovský rozdiel. Je obecne známy časový nesúlad medzi energetickými ziskami z OZE a reálnou potrebou energie. Je podstatne jednoduchšie postaviť budovu s takmer nulovou spotrebou energie ako energeticky nezávislú.

Ak je dostatok disponibilných plôch, najľahšie sa to dá dosiahnuť vybudovaním fotovoltaickej (FV) elektrárne napojenej na verejnú rozvodnú sieť. Tá jej slúži jako akumulátor, t.j. v čase prebytku sa do nej dodáva elektrická energia a v čase nedostatku sa z nej energia čerpá. Tento nesúlad sa často a to aj v odbornej tlači zmierňuje tým, že energetické zisky z OZE a spotreba sa kalkulujú na mesačnej báze.

Jeden z najstarších a najrozšírenejších spôsobov využívania energie zo Slnka je príprava teplej vody (TV) prostredníctvom slnečných termických kolektorov. Všeobecne je známe, že veľkostne predimenzované solárne systémy voči spotrebe TV sú ekonomicky menej efektívne, pretože merné investičné náklady na jednotku získaného solárneho tepla rastú rýchlejšie ako solárny energetický zisk. Väčšina výrobcov termických slnečných kolektorov ponúka cenovo a výkonovo optimalizované veľkosti solárnych systémov šité na mieru dennej potřeby TV v domácnostiach.

V praxi však môže podstatne častejšie dochádzať k situáciám, keď veľkosť solárneho systému voči potrebe tepla na ohrev TV je poddimenzovaná. Stáva sa to veľmi často v budovách s cirkuláciou teplej vody a ďalej v prípadoch, keď dodávateľská organizácia chce zákazníka nalákať na čo najnižšiu cenu solárneho systému.

Vďaka dramatickému poklesu cien fotovoltických panelov v posledných rokoch sa štandard budovy s takmer nulovou spotrebou energie dá ekonomicky najvýhodnejším spôsobom dosiahnuť práve inštaláciou vlastnej fotovoltickej elektrárne (FVE). Samozrejme, predpokladá sa, že budova bude mať veľmi nízke tepelné straty a bude používať energeticky efektívne elektrospotrebiče.

V každom prípade sa takýto dom s nulovou spotrebou energie alebo aj tzv. energeticky plusové domy nedajú považovať za energeticky nezávislé.

Možnosti zvýšenia podielu spotrebovanej voči vyrobenej elektrickej energii sú hlavne:

1. Časovým riadením spotreby, t.j. zapínaním elektrospotrebičov v čase najväčšej intenzity slnečného žiarenia (akumulačná príprava TV, pračka, umývačka riadu, elektromobil a pod.).
2. Akumuláciou elektrickej energie, hlavne v rámci dňa presunutím špičkovej výroby z poludnia do večerných hodín max. spotreby - pre veľké investičné náklady je sezónna akumulácia zatiaľ nereálna.
3. Klimatizácia budov - v tomto prípade je veľmi dobrý súlad medzi výrobou a potřebou energie na chladenie, avšak pasívne domy obvykle chladenie nevyžadujú.
4. Konverziou elektrickej energie na teplo.

Najťažšie je dosiahnuť nezávislosť od elektrických rozvodných sietí. Napriek relatívne rýchlemu zlacňovaniu el. akumulátorov budúcnosť energeticky nezávislých budov je v diverzifikácii OZE.

ZKUŠENOSTI S ŘÍZENÍM VÝKONU TEPELNÉHO ČERPADLA PODLE DYNAMICKÉ CENY ENERGIE

Ing. Jiří Cigler, Ph.D.
Feramat Cybernetics s. r. o.

Algoritmy, které se starají o tvarování výkonu v čase, se souhrnně nazývají demand side management (DSM) algoritmy a na každé úrovni distribuční sítě existují různé motivace, proč tyto algoritmy využívat. Například v situaci, kdy má koncový zákazník instalovanou FVE v kombinaci s tepelným čerpadlem a akumulací, může DSM algoritmus řešit úlohu minimalizace přetoků do sítě takovým způsobem, že pokud by hrozily přebytky, dojde ke spuštění TČ a k akumulaci vyrobené tepelné energie.

Modelů DSM je celá řada, nelze se dopouštět nesprávné generalizace a porovnání vůči regulaci podle HDO a je vždy nutné posoudit přínos DSM řízení jednotlivým zainteresovaným stranám.

Pro obchodníka s elektrickou energií představuje zákazník s možností posouvat spotřebu v čase prostředek na dorovnání nebo cílené tvarování regulační odchylky. Obchodník připravuje odhad ceny odchylky, tato informace vstupuje do algoritmu prediktivní regulace, která má kompletní informaci o stavech všech akumulací v budově a rozhoduje, za jakou cenu bude teplo nebo chlad vyráběn.

Příklad uplatnění je v nové budově ZŠ Líbeznice, která má jako základní koncový prvek systém tepelnou aktivaci betonového jádra (BKT, TABS) a jako rychlý koncový prvek vzduchotechniku (VZT).

Stávající struktura finální ceny elektrické energie sestává z několika složek, které můžeme jednoduše rozdělit na fixní položky a položky za odebranou energii. Fixní položkou je platba za rezervovaný příkon podle jmenovité proudové hodnoty instalovaného hlavního jističe před elektroměrem. Položky dané množstvím odebírané energie můžeme opět rozdělit na část fixní (tj. obchodník cenu neovlivní), která mimo jiné pokrývá daň za elektřinu, poplatek za odběrné a předávací místo (OPM), dopravu elektřiny a distribuci elektřiny, a na část silovou, která představuje platbu za samotnou elektrickou energii. Pro vytápění s tepelným čerpadlem je speciální sazba ceny za elektrickou energii s označením D56d. Je to dvoutarifová sazba s operativním řízením doby platnosti nízkého tarifu po dobu 22 hodin. Dvoutarifová sazba znamená, že elektrická energie proudí ve vysokém tarifu (VT) nebo nízkém tarifu (NT). Operativní řízení znamená, že distributor energie může operativně měnit doby platnosti jednotlivých tarifů, ale musí zaručit splnění jistých omezení, jako jsou např. minimální souvislá doba trvání NT je 1 hodina či maximální souvislá doba trvání VT je 1 hodina.

V daném případě je uvažována konstantní distribuční sazba, ale časově proměnná cena silové energie, kterou obchodník koncovému uživateli nabízí. Cena silové energie reflektuje aktuální situaci na trhu s elektrickou energií. Obchodník má představu o aktuální ceně odchylky nebo protiodchylky a může tuto informaci využít k řízení flexibilních zdrojů nebo spotřebičů. Potenciální úspora na straně zákazníka je tedy pouze v kapitole nákladů za silovou energii.

V průběhu Vánoc 2016 došlo mezi 27. 12. 2016 a 2. 1. 2017 na ZŠ Líbeznice k ověření potenciálního přínosu regulace podle časově proměnné ceny. Toto období byl o zvoleno záměrně zejména z důvodu, aby případné porušení tepelného komfortu nikoho neomezilo. Standardně je systém TABS regulován prediktivním regulátorem, který pracuje jak s předpovědí počasí, tak s matematickým popisem termodynamiky budovy a otopné soustavy. Ukázalo se, že bohužel ne všechny systémy jsou řiditelné podle potřeby. Přesto si prediktivní regulátor dokázal vybírat k dodávce tepla úseky s nižší cenou. V případě odběrového profilu spotřeby bez korekce je ve sledovaném období průměrná cena silové energie za odebranou kWh o 20 % nižší, než je průměr dynamické ceny pro dané období. V případě signálu s korekcí odběru VZT poklesla průměrná cena odebrané kWh o více než 40 %, než je průměr dynamické ceny v období.

Pro skutečně rozumné využití DSM algoritmů v praxi je nutné už od samého počátku návrhu systému uvažovat v kontextu potřeb DSM:

• TABS představuje ideální koncový prvek, u kterého je možné tvarovat a posouvat spotřebu v čase, nicméně pokud ostatní koncové prvky VZT nebo příprava TV odebírají energii podle potřeby, může to celý přínos významně ovlivnit. Ve sledované budově je projekčně navržen podobný výkon pro VZT i pro TABS systém a odpovídá tomu i vyhodnocení průměrných cen za odebranou kWh, kdy VZT jako taková odebírala prakticky za průměrnou cenu energie v období. Pro efektivní využití dynamických cen by v tomto případě bylo nutné mít akumulační zásobník, který dokáže překlenout potřeby VZT v horizontu zhruba 4 h.
• Zákazník platí za primární energii, která je z velké části závislá na běhu kompresoru TČ. Mnohdy se ale stává, že TČ je dodáváno vč. autonomní regulace, která funguje výborně v běžném provozu, ale při jejím návrhu nebylo uvažováno s možností modulovat výkon podle vnějšího signálu podle DSM.

VLIV VELIKOSTI ZÁSOBNÍKU NA ÚČINNOST SOLÁRNÍ SOUSTAVY

Ing. Karolína Vyhlídalová, Ing. Petr Horák, Ph.D.
Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav technických zařízení budov

Obecně platí, že optimální velikostí zásobníku tepla při běžné denní potřebě teplé vody 30 až 50 l/(den/os.) je zásobník o objemu 200 l až 500 l [5]. Dánským průzkumem, provedeným na jednogeneračních rodinných domech a při potřebě teplé vody do 200 l/den, byla určena ideální velikost zásobníku v rozmezí 100 l až 175 l [6]. Pro solární soustavy v ČR obvykle uvažujeme 50 l až 80 l akumulace na 1 m² plochy solárního kolektoru.

Tepelná bilance solární tepelné soustavy byla testována v závislosti na velikosti instalovaného zásobníku tepla. Zvolené zásobníky byly v rozsahu od 120 l do 1000 l. Uvažovaný odběr teplé vody byl 500 l/den a celková plocha apertury kolektorů 9,35 m². Parametry solárního výměníku a samotného zásobníku, včetně tepelných ztrát pláštěm, byly převzaty z technických dokumentací různých výrobců. Více výrobců bylo zvoleno na základě nabídky trhu a možnosti posouzení širšího rozsahu variant.

Výsledky simulací poukázaly, že pro danou solární soustavu je z pohledu ztrát nejvýhodnější varianta se zásobníkem 300 l, jejíž podíl ztrát v porovnání s dosaženými tepelnými zisky je 22,5 %. Nejhůře vyšla varianta se zásobníkem 120 l, jehož podíl ztrát vůči ziskům přesáhl hodnotu 36 %. Průměrný podíl se pohybuje na hranici 29,4 %. Tepelné ztráty zásobníku se pohybovaly v rozmezí 1050 kWh/rok až 1631 kWh/rok a tepelné zisky v rozmezí 3200 kWh/rok až 5144 kWh/rok. Při posouzení možnosti přehřátí zásobníku, byla zjištěna nejvyšší teplota kapaliny 83,5 °C. Jednalo se o zásobník velikosti 120 l. Nejnižší teplota v zásobníku byla okolo 50 °C.

Asi nejzajímavější na výsledcích je skutečnost, že pokud máme malý objem zásobníku (v našem případě 120 l až 400 l), tak nejsme schopni vyrobit solární soustavou stejné množství tepla jako v případě použití větších zásobníků, při stejné ploše solárních kolektorů. Vzhledem k malému objemu se zásobník rychleji ohřeje a dojde k vypnutí oběhového čerpadla.

Jednoznačně má velikost zásobníků vliv na množství získané energie ze solární soustavy. Zde se ukazuje, že pravidlo minimálně 50 l objemu akumulace na 1 m² kolektoru má smysl. Dále výsledky ukazují, že nízké objemy zásobníků (pod 50 l na 1 m² kolektoru) způsobují nárůst teploty vody v zásobníků až k hranici 85 °C. Tato hodnota je teoretická výpočtová, podle provedených simulací. V praxi v reálných soustavách může být teplota v malých zásobnících i vyšší, což může mít negativní vliv na životnost soustavy.

ANALÝZA SOLÁRNÍHO OHŘEVU PRO BYTOVÝ DŮM

Ing. Viacheslav Shemelin^1,2, doc. Ing. Tomáš Matuška^1,2
1Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT v Praze
²Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, ČVUT v Praze

Solární ohřev vody lze v bytových domech snadno integrovat do stávající soustavy přípravy teplé vody jako předřazený stupeň (předehřev). Konvenční ohřívač vody pak slouží jako pohotovostní dohřev.

Analýza je provedena za účelem ukázat vliv dimenzování hlavních prvků solární soustavy (solární kolektor, solární výměník, solární zásobník), které se zpravidla nepromítají do zjednodušených bilancí hodnocení zisků solární soustavy, na energetické zisky a solární pokrytí. Týká se bytového domu obývaného 50 osobami s průměrnou spotřebou teplé vody 40 l/(os./den) při teplotní úrovni 55 °C. Odběr teplé vody byl uvažován s profilem charakteristickým pro bytový dům a letním poklesem o 30 % oproti průměru. Potřeba tepla na vlastní ohřev vody (bez ztrát rozvodů) je 36,3 MWh/rok. Solární kolektory jsou uvažované ploché se sklonem 45° a orientací k jihu.

Ztráty cirkulačního rozvodu se obvykle pohybují mezi 15 a 20 % při časově řízené cirkulaci a kvalitně zaizolovaných rozvodech. Pokud cirkulace běží nepřetržitě, mohou se ztráty v rozvodech pohybovat v rozmezí 50 až 90 %.

S instalovanou plochou kolektorů solární pokrytí objemu připravované teplé vody roste, nicméně od určité hodnoty (okolo 25 m²/m³) je nárůst již jen pozvolný. S rostoucím solárním pokrytím na druhé straně klesají měrné využité solární zisky solární soustavy, protože nárůst pokrytí tepla je doprovázen zvýšením průměrné provozní teploty v solárním zásobníku, a tedy i v kolektorech. To je příčinou nárůstu provozních tepelných ztrát, poklesu účinnosti solárních kolektorů a zejména pak i snížením využitelnosti solárních zisků v letním období.

Druhým závěrem je fakt, že zvyšování ztrát tepla cirkulačním okruhem vede k významnému snížení celkového solárního pokrytí potřeby tepla, například pro hodnotu instalované plochy 25 m²/m³ může být solární pokrytí bez cirkulace 53 % s poklesem až k 30 % při trvale běžící neřízené cirkulaci.

Pro zvýšení solárního pokrytí solárních systémů přípravy teplé vody je vhodná instalace trojcestného ventilu na cirkulačním rozvodu tak, aby bylo možné tepelné ztráty cirkulací v případě dostatečné teploty v zásobníku pokrýt solárními zisky. Pokud není v solárním zásobníku dostatečná teplota, je cirkulace pro dohřev zavedená do pohotovostního zásobníku.

Při řešení velkoplošných solárních soustav v bytových domech je nutné použít pro předání tepla z teplonosné látky kolektorového okruhu do okruhu solárního zásobníku deskový výměník tepla s dostatečně velkou plochou a součinitelem prostupu tepla, tedy s dostatečnou účinností sdílení tepla. Měrné využitelné tepelné zisky a solární pokrytí potřeby tepla rostou s rostoucí účinností solárního kolektoru. Příčinou je fakt, že s rostoucí účinnosti se zvyšuje i množství tepla předaného teplonosnou látkou kolektorového okruhu do okruhu solárního zásobníku. Následkem je nižší teplota teplonosné látky na výstupu z výměníku do kolektorového pole, nižší provozní teplota kolektorů a vyšší tudíž i účinnost solárních kolektorů. Například při zvýšení účinnosti výměníku z hodnoty 0,5 na 0,9 se zvyšují tepelné zisky a solární pokrytí o zhruba 18 % u solární soustavy s instalovanou plochou 10 m²/m³ oproti zvýšení o 12 % u systémů s instalovanou plochou 25 či 40 m²/m³.

Pro volbu objemu solárního zásobníku se ukázalo, že rozsah 70 až 90 l/m² zahrnuje ve všech případech maximum solárního pokrytí potřeby tepla a využitelných tepelných zisků. Křivky solárního pokrytí jsou relativně ploché, a proto pro běžné systémy přípravy teplé vody lze omezit hodnotu měrného objemu zásobníku na hodnoty 40 až 50 l/m², ale při nízkých měrných hodnotách objemu pod 40 l/m² se solární pokrytí začíná významně snižovat.

VYUŽITÍ TEPELNÝCH ČERPADEL PRO DODÁVKU TEPLA A CHLADU

Ing. Miloš Lain, Ph.D.
Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT v Praze, Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní, ČVUT v Praze

V budovách stále narůstá potřeba chlazení. Tato skutečnost nastává nejen u moderních budov s velmi dobře tepelně izolovanou fasádou, kde mohou činit potíže i nižší tepelné zisky. Potřeba chlazení díky vysokým tepelným ziskům vzniká i u starších budov s masivními fasádami, u kterých je však stále i značná potřeba vytápění.

Historická budova univerzity v centru Prahy slouží pro výuku a výzkum a je zde osazena řada laboratorních zařízení, která potřebují chlazení, a to jak přímo chladicí vodou nebo nepřímo vzduchem. Původní zdroj tepla budovy je plynová kotelna o výkonu 1360 kW. K tomuto zdroji tepla se přidaly v roce 2012 dvě tepelná čerpadla země-voda Viessmann 300-G PRO o celkovém jmenovitém topném výkonu 270 kW a celkovém jmenovitém chladicím výkonu 200 kW. Tepelná čerpadla slouží jako zdroj tepla a chladu pro budovu. Pro 0 °C je celkový tepelný výkon 250 kW a je to zároveň bod bivalence.

Je uplatněn podrobný systém měření stavu vrtů a parametrů technologie a naměřená data jsou ukládána do SQL databáze. Právě tato skutečnost byla podkladem studie možnosti analýzy provozu systému. Potvrdilo se, že navržený systém zajišťuje požadované chladicí i topné výkony při minimální spotřebě elektrické energie. V rámci zkušebního provozu pak byly provedeny změny jak v regulaci, tak zvětšením objemu zásobníků teplé i studené vody, což vedlo ke zlepšení funkce systému.

Klíčové je jak správné dimenzování všech tří prvků (tepelné čerpadlo, svislé vrty i zásobníky), tak i vhodný provoz budovy. Otopná soustava v budově by měla umožnit maximální využití tepla z tepelných čerpadel pro vytápění, proto je vhodná nízkoteplotní otopná soustava. U stávajících budov jsou otopné plochy často předimenzované a soustavu lze provozovat jako nízkoteplotní. V řadě budov se však vyskytují místa, kde ať už díky rekonstrukci otopné soustavy, nebo díky špatným tepelně technickým parametrům stavby, je třeba při nižších venkovních teplotách vyšších teplot otopné vody. A tato ojedinělá místa vedou pak k nutnosti vysokoteplotního provozu. Při instalaci tepelných čerpadel by proto mělo být provedeno zaregulování a ověření dimenzování otopné soustavy, případně následná opatření, která umožní nízkoteplotní provoz a tím i maximální využití tepelného čerpadla po většinu zimy.

Dalších deset stručných anotací bude následovat.