Z konference Vykurovanie 2018 – část 2.

13. února pokračovala 26. mezinárodní vědecko-odborná konference VYKUROVANIE 2018 pořádaná Slovenskou společností pro techniku prostředí druhým dnem. Hlavním tématem druhého dne byla progresívní výroba tepla. Toto téma bylo děleno do tří sekcí, a to zdroje tepla, kogenerační zdroje tepla a soustavy CZT.

V rámci dne byla první v pořadí přednáška Prevádzkové parametre zdroja tepla využívajúceho odpadové teplo z elektrických oblúkových pecí. „Celý rad firiem, v ktorých existujú technológie s vysokopotenciálnym teplom (výpal keramiky, metalurgia, tavenie skla a pod.) často pre potreby iných technológií s nízkopotenciálnym teplom (sušenie, vykurovanie, ohrevy vody a pod.), má možnosť znížiť energetickú náročnosť výroby aj spätným získavaním tepla a jeho využívaním najlepšie v tých procesoch, ktoré ho produkujú.“ Popsané zařízení navrhla, konstrukčně a projekčně zpracovala Strojní fakulta Žilinské univerzity ve spolupráci s externí firmou. Šlo o využití tepla z klobouku (horní části složené z několika segmentů) elektrických obloukových pecí provozovaných ve slovenské firmě s instalovaným elektrickým výkonem 18 MWe. Původně byl systém realizovaný jako horkovodní 130/80 °C se samostatnými frekvenčně řízenými oběhovými čerpadly pro každý segment klobouku. Režim byl po zkušenostech s provozem upraven na teplovodní 105/80 °C, a to s pouze jedním společným oběhovým čerpadlem pro celý klobouk pece.

Obr. Klobouk pece se segmentovými výměníky pro zpětné získávání tepla (Zdroj: Sborník z konference Vykurovanie 2018)

Systém byl podrobně provozně monitorován a měření prokázala, že velkou pozornost je nutné věnovat kvalitní regulaci. Tato nutnost vyplývá z nestacionárního charakteru provozu obloukové pece. Konkrétnímu provozu je nutné přizpůsobit ovládání výměníků tepla a navazujících prvků. Tedy řešit otázku využití tepelných zisků, jejichž velikost se mění. Využití má zpravidla jiný provozní charakter, například příprava teplé vody a její spotřeba, potřeba vytápět aj.

Kvalita vnitřního prostředí je základním kritériem spokojenosti lidí. Vytváří ho vytápění, chlazení, větrání s ohledem na přívod čerstvého vzduchu, odvodu CO₂, VOC aj. a také dostatek teplé vody. Trendem při vytápění plynem jsou kondenzační kotle. Prvním požadavkem je velmi rychlá reakce na změny v požadovaném výkonu. Potom kompaktnost, a to zejména u velkých kotlů s integrovaným hořákem.

Často není možné zjistit, jaké materiály a konstrukční prvky jsou použity v otopných soustavách bytových domů, kde si lidé často individuálně mění původní jednotné řešení na své individuální. Pak je vhodné oddělit okruh kotlů od vytápěcí soustavy optimálně dimenzovaným výměníkem tepla ve spojení s využitím regulovaného oběhového čerpadla v okruhu kotle.

Požadavkem doby je dálkové řízení s možností zásahu nejen do řízení kotle, ale až k řízení koncových prvků předávání tepla.

K větrání je dnes dostatečná nabídka jak v oblasti centrálního větrání, tak i decentrálního v jednotlivých místnostech.

Trendem budoucnosti je přechod ke komplexním zařízením zajišťujícím jak výrobu tepla, tak větrání včetně zpětného získávání tepla. Ať již na bázi plynových kondenzačních kotlů nebo tepelných čerpadel. Regulace těchto komplexních zařízení musí zvládat složité úlohy, aby optimalizovala jejich chod s minimem spotřeby nakupované energie.

Moderní řídicí a regulační systémy disponují velkým množstvím informací o provozních parametrech. Je důležité, aby určitá část z nich byla přístupná uživateli tak, aby si mohl ověřovat, jak jeho zařízení pracuje.

Možným trendem u sice starších, ale provozně stále ještě spolehlivých kotlů na biomasu, je modernizace starších zařízení na kusové dřevo nebo brikety s cílem zvýšit komfort a účinnost. Nabízí se možnost doplnit kotel o zásobník na pelety, dopravník a nový automatický hořák, který se zasune do kotle. V České republice je nutné zvážit, zda tato modernizace bude odpovídat platné legislativě s ohledem na třídy kotlů a požadavky ekodesignu. Možným příkladem mimo oblast bydlení je využití rotačního hořáku v pěstitelských a průmyslových destilačních zřízeních, v zemědělství například s využitím agropelet aj.

Energetická koncepce města s 10000 obyvateli je historicky založena na jedné výtopně. Maximální potřebný výkon je cca 2,5 MW, zatímco mimo otopnou sezónu je potřebný výkon na úrovni cca 1/10. Je zřejmé, že provozovaný kotel s výkonem 2,8 MW je na tyto potřeby předimenzovaný. Tento stav vznikl jako důsledek zateplení objektů a nové regulaci. Ke zlepšení stavu byla provedena analýza několik možných variant s uplatněním kogeneračních jednotek s cílem zvýšit účinnost využití paliva zemního plynu, a také se zvýšením podílu OZE. Současné distribuční ztráty jsou na úrovni 11,1 %, a proto byl analyzován i přechod na decentralizovaný způsob vytápění objektů včetně porovnání nákladů na modernizaci CZT ve srovnání s náklady na decentrální systém více kotelen. Z hlediska měrných investičních nákladů na kW se jako nejvýhodnější jeví prostá modernizace výtopny. Rozdíl oproti přechodu na decentralizaci není tak velký, ale decentralizace znamená zanesení emisí do nižších vrstev ovzduší až mezi objekty. Uplatnění kogeneračních jednotek je investičně náročné. Na konečném rozhodnutí se tedy podílí i otázka velikosti dostupných investičních prostředků.

Kontaminace otopných soustav je velmi úzce spojena s různorodostí použitých materiálů, nečistot atp. Lze použít mechanické čištění protékající vodou a také přidávat vhodné chemické prostředky. Předpokladem vyčištění je účinná filtrace. Pro následující bezpečný provoz se doporučuje aplikace ochranných kapalin, které řeší různorodost kovových materiálů a z ní vyplývající korozi.

Kogenerační zdroje

Kogenerační jednotky mohou být při nevhodné instalaci zdrojem hluku. Místo jejich instalace, výběr vhodných silentbloků, je nutné ověřit výpočtově na základě možných frekvencí hluku. Největší problém vytváří nízké frekvence, které se často šíří i přes silentbloky. Podobně je toto problémem aktuální i u kotlů. Nízké frekvence mohou po čase poškodit i stavební konstrukci kotelny, neboť se blíží seizmickým kmitům. Akustický výkon je sice malý, ale mechanický účinek - dynamické vibrace - může být až tragický. Bohužel pro nízké frekvence pod cca 30 Hz, které lidské ucho nevnímá, se nedají uplatnit běžné akustické výpočty. Vibrace mají i negativní účinek na vlastní zařízení, jeho konstrukční části. Nevhodná údržba může stav zhoršit!

I použití kogeneračních jednotek, přestože je obecně doporučováno s ohledem na vyšší využití energie oproti samostatné výrobě tepla, se musí podřídit národním legislativním předpisům. Ty zpravidla reagují na evropskou legislativu. Velmi důležité je věnovat pozornost definicím jednotlivým pojmům. Během překladů z jiných jazyků dochází k zaměňování pojmů, změně jejich významu, a toto může vnášet chaos a nedorozumění.

Zajímavé výsledky vyšly z porovnání výroby elektrické energie ve slovenské elektrizační soustavě s ohledem na kogenerační systémy. Ve správně navržených a provozovaných zdrojích lze běžně dosáhnout účinnosti 70 %, špičkově až 80 %. Tato účinnost nemůže být nikdy dosažena při samotné výrobě elektřiny při spalování paliv. Z toho plyne nezbytnost propojení výroby elektřiny s distribucí tepla. Toto je skutečný ekologický přínos. Ten by měl být současně dosažen v ekonomicky přijatelných podmínkách. Za ně nelze považovat podmínky, které jsou vytvářeny uměle dotacemi.

Podmínkou spolehlivého provozu kogeneračních jednotek využívajících bioplyn je sledování a dodržování provozních podmínek fermentoru, ve kterém bioplyn vzniká. Nedodržení optimálních podmínek vede k poruchám činnosti kogenerační jednotky. Toto si musí uvědomit každý zájemce o bioplynové stanice, protože jinak se mu investované investiční prostředky nevrátí. Je nutné sledovat nejen vstupní složení biomasy - siláže, ale i parametry fermentačního procesu. Tak lze odhalovat stavy, kdy je například náplň fermentoru již vyčerpaná a kdy je nutné ji optimálně doplňovat čerstvou náplní.

Nemocnice s poliklinikou je vhodným příkladem pro uplatnění kogenerační jednotky. V daném případě zvolili jako zdroj tepla kombinaci plynové kogenerační jednotky a plynového tepelného čerpadla, neboť toto je méně závislé na poměrně nižší teplotě venkovního vzduchu v místě instalace, cena plynu je příznivější než elektřiny a rovněž konverzní faktor plynu je příznivější. Návratnost, v případě realizace různými subjekty s různými vstupními parametry, se pohybuje okolo 10 let plus mínus cca 2 roky.

Zajímavý poznatek pochází ze zkoumání provozu kogenerační jednotky se stirlingovým motorem typu alfa s palivovým článkem SOFC. V daném případě jednotek s výkony do 10 kWe byla produkce emisí Nox, CO, CxHx menší se stirlingovým motorem než s palivovým článek. Obecně není problematika emisí z palivových článků šířena. Má se zato, že jde o velmi progresívní zdroj elektřiny.

V problematice soustav včetně těch, které zahrnují kogenerační jednotky, se musí řešit hydraulické problémy. Aktuálním nejvyšším standardům odpovídá ENERGY VALVE^TM kombinovaný dvojcestný regulační ventil a průtokoměrem, teplotními čidly a servopohonem s integrovanou logikou. Výhody uplatnění jsou rychlé a spolehlivé dimenzovaní a jednoduché uvedení do provozu. Pro uživatele tato pokroková technologie umožňuje bezdrátové soustředění provozních informací v Belimo Cloud, odkud si je uživatelé mohou stahovat, zpracovávat. V jiných přednáškách zmiňovaná potřeba optimalizace provozu výměníku tepla je předmětem integrovaného řízení tohoto zařízení a jeho komunikace po ModBus s jinými prvky soustavy. V podstatě jde o to, že při navyšování průtoku přes tepelný výměník neroste jeho výkon přímo úměrně, ale klesá, neboť klesá rozdíl teplot na výměníku. Naproti tomu příkon čerpadla exponenciálně roste. Řízení hledá optimální provozní bod.

CZT a jeho souvislosti

Budoucnost CZT ovlivní tzv. Zimní balíček legislativy EK (2017). V současné době se hledá odpověď na jeho požadavky jak na slovenské, tak české straně.

Energetické a environmentální aspekty CZT řešil ve své přednášce Ing. Ján Sadlek, Veolia Energia Slovensko, a.s: „V posledných 30 rokoch sa časový priebeh vonkajších vplyvov zintenzívnil, a to zapříčinilo zmenu v správaní sa jednotlivých prvkov sústavy CZT ako aj samotných odberateľov tepla. Čoraz viac sa požadujú minimálne environmentálne vplyvy, vysoká flexibilita a komplexnosť služieb. Na tieto zmeny samozrejme museli a musia reagovať aj prevádzkovatelia sústav CZT rôznymi opatreniami na strane výroby, distribúcie a predaja tepla... Aby bol zabezpečený optimálny rozptyl emisií, musí byť vybudovaný komín s potrebnou minimálnou výškou pre rozptyl emisií v ovzduší. Uvedenú podmienku musia spĺňať komíny pre všetky zdroje tepla, aj tie, ktoré sú súčasťou sústav centralizovaného zásobovania teplom. Dostatočná výška komína zabezpečuje, že emisie sa v ovzduší premiešajú s okolitým vzduchom, nariedia sa a zvyčajne sa dostanú vplyvom atmosférických podmienok ďaleko od miesta vzniku. Tým sa minimalizuje ich negatívny vplyv na živé organizmy. Ideálne je, ak ústie komína je nad inverznou vrstvou ovzdušia, čo je však ekonomicky realizovateľné iba pri veľkých zdrojoch.“

Pozn. red.: Je zřejmé, že původní účel vysokých komínů je v době zpřísnění emisních podmínek kladených na spaliny omezen. Příznivý vliv výšky komína na mikroklima uvnitř měst, je v současné době odsunut do pozadí.

„I v malém městě lze dělat unikátní projekty, které ukazují budoucnost soustav dálkového vytápění,“ je uvedeno v přednášce Ing. Tomáše Daníčka, SYSTHERM s.r.o. CZT v městě Přeštice využívá pět plynových kondenzačních kotlů, za kterými je napojena kogenerační jednotka. Tak lze soustavu provozovat s teplotou zpátečky 40 – 60 °C, kdy kondenzační kotle řeší předehřev otopné vody a kogenerační jednotka dohřev na potřebnou vyšší teplotu. Součástí je řízení odběrní sítě CZT, jednotlivých předávacích stanic. Síť není dělena do více samostatných úseků, jak bývá obvyklé. Soustava je řízena s využitím optimalizačního software SW HESCOnet, který umožní plánovat provoz zdrojů. Predikce dle budoucích klimatických podmínek umožní zvýšení odběru z kogenerace, tj. nahřátí teplovodu pouze před očekávanou odběrovou špičkou.

Obr. Milým zvykem slovenské konference Vykurovanie je osobní poděkování vedoucímu každé sekce. V tomto případě poděkování směřuje k prof. Ing. Františkovi Urbanovi, CSc., Strojnícka fakulta STU v Bratislave, Ústav energetických strojov a zariadení

K problematice efektivní distribuce tepla v soustavách CZT přispěl Ing. Igor Maco, REHAU s.r.o. Efektivnost ovlivňují investiční náklady, náklady na montáž, a provozní ztráty tepla. Ty lze minimalizovat použitím vhodného potrubí. V tomto směru je velmi důležitá včasná komunikace mezi tím, kdo nový rozvod tepla plánuje a tím, kdo může nabídnout vhodné potrubí. Je nutné konzultovat předem všechny technické detaily. „Preukázalo sa, že včasná a ústretová spolupráca medzi výrobcom rozvodom, zhotoviteľom ako aj prevádzkovateľom sieti je mimoriadne dôležitá. Nakoľko stav sieti a ich pôvodná dokumentácia je často krát v pôvodnom stave. Pre úspešnú realizáciu je potřebné mať v zálohe množstvo individuálnych technických riešení.“

Běžnou součástí většiny tepelně technických zařízení jsou výměníky tepla. Tento prvek má velmi významný vliv na výslednou efektivitu, a proto je nutné jej správně navrhnout. K návrhu se používá počítačová simulace budoucího provozu. Příklad z využití geotermálních systémů je v přednášce Modelovanie výmenníkov tepla v geotermálních systémoch v poľnohospodárstve, doc. Ing. Ján Takács, PhD., Ing. Soňa Gažíková, Slovenská Technická Univerzita v Bratislave. Modelován byl provoz výměníku v systému vytápění pěstebních skleníků. K tomu byl vypracován podrobný model výměníku. Důležité je dosažení shody mezi výsledky při modelování a chování výměníku v praxi. Na základě této shody lze pak vhodně upravovat jak vlastní výměník, tak jeho provozní podmínky.

Z diskuzního fóra

Co jsou to progresívní systémy? Názor je ten, že nejde jen o samotné zdroje tepla, ale i jejich zapojení do soustavy. V tomto je třeba tento pojem chápat jako velmi široký. Progresívní by mělo přinášet něco nového ve výrobě tepla a jeho distribuce. Nová zařízení, nové principy. A je vůbec ještě možné nalézt něco nového?

Je třeba začít od spotřebiče, od místa, kde se teplo spotřebovává. A také učit spotřebitele, jak mají optimálně s teplem zacházet. Například maximální využití OZE je spojeno s novými návyky spotřebitelů, s optimalizací provozních parametrů u nich. Pak teprve lze optimalizovat nadstavbu až ke zdroji.

Z hlediska zátěže životního prostředí je třeba se více zabývat malými zdroji tepla, neboť velké zdroje jsou doregulované na maximum, zatímco u malých zdrojů jsou rezervy. Přitom součtový výkon malých zdrojů tepla je srovnatelný s velkými zdroji. Tato cesta by však neměla vést cestou zdražování, neúměrného zvyšování nákladů lidí.

Rezervy jsou v informování koncových spotřebitelů tepla, domácností, o vztahu jejich chování ke spotřebě tepla. Ovšem nejen u domácností, ale i v politické sféře.

Virtuální CZT? V podstatě to již funguje v řadě měst, kde je více objektových, okrskových zdrojů tepla a jejich údaje jsou sumarizovány. Lze předpokládat, že datové propojení přináší vyšší úroveň informovanosti, a tedy i zainteresovanosti na úsporách.

Typickým znakem neinformovanosti je chování domácností, které při odchodu z bytu vypínají vytápění a očekávají, že po příchodu vytápění zapnou a během čtvrt až půl hodiny budou mít v bytě opět teplo. To fyzicky není možné. Navíc toto chování zvyšuje technické požadavky na otopnou soustavu, které musí hradit i ti lidé, kteří se chovají poučeně a v souladu s podmínkami návrhu otopné soustavy. Vzniká otázka, kdo a co chce, jaké řešení se zvolí a kdo to zaplatí?

Problém s prosazováním inovací ze strany dodavatele tepla na straně odběratele naráží na ekonomický protiklad. Zvýšené náklady na optimalizaci u odběratele se projeví snížením dodávky tepla a tedy i zisku na straně dodavatele. Pozitivně může působit snaha udržet si odběratele po delší dobu, ale i ta musí být podložena ekonomickou přijatelností pro dodavatele tepla. V opačném případě progresivní opatření na straně spotřeby tepla prosazovat nebude.

Uvádí se, že Slovensko patří mezi státy, které mají největší měrnou spotřebu tepla na byt. Oficiální statistiky jsou podložené poznatky firem provádějících rozúčtování nákladů za vytápění a mají k dispozici údaje o vnitřních teplotách. Mezinárodní statistiky nereflektují individuální požadavky lidí, kteří požadují vyšší vnitřní teploty než v jiných státech. Slovenským standardem je cca 23 stupňů Celsia. Je to špatně? Lidi to požadují, chtějí a platí za to. Je to kontraproduktivní vůči cílům snižovat spotřebu. Jenže jde o komfort a právo lidí danou teplotu doma mít, pokud na to mají peníze. Nebo je třeba je za to trestat?

(Pozn. red.: Pak by bylo třeba trestat veškerou nadprůměrnou spotřebu čehokoliv počínaje nadprůměrnými auty, domy, létaní letadly atd.).

Snižování spotřeby energie by nemělo být novým náboženstvím, vírou.

Kdysi zcela jednoznačně nejlepší řešení zásobování sídlišť teplem z CZT se mění v souvislosti se změnami tepelně technických vlastností budov. K tomu se přidává nové vnitřní vybavení bytů, spotřebiče, a to vytváří zcela nové požadavky. Výrazně klesá požadavek na teplo pro vytápění - snižují se provozní teploty otopné vody, zůstává požadavek na teplo pro přípravu teplé vody - provozní teploty se nemění, ale roste požadavek na dodávku chladu. Nabídka technických řešení je dnes historicky nejširší a nelze přikazovat použití jen jednoho způsobu.

Pokud bude pokračovat výrazná produkce obalů, které spotřebitelé vyhazují, není možné trvale odmítat jejich likvidaci spalováním.