Z konference Vykurovanie 2018 – část 3.

14. února pokračovala 26. mezinárodní vědecko-odborná konference VYKUROVANIE 2018 pořádaná Slovenskou společností pro techniku prostředí třetím dnem. Hlavním tématem byly obnovitelné energie. Téma bylo rozděleno do tří sekcí, zdroje tepla na bázi biomasy, tepelná čerpadla a sluneční energie. Dále jsou uvedeny některé vybrané informace z přednášek s cílem zachytit trendy, nejde o komplexní přehled.

Zdroje tepla na bázi biomasy

Pro ekologické spalování biomasy je nutné splnit řadu předpokladů na straně spotřebiče, ale i paliva. To se týká i krbových vložek do rodinných domů. Jedním z faktorů je vlhkosti dřeva. „Výsledky poukázali, že vlhkosť paliva významne ovplyvňuje tepelný výkon zdroja tepla, účinnost spaľovania a koncentráciu plynných i tuhých emisií v spalinách. Počas experimentov sa taktiež zistilo, že príliš suché palivo taktiež nemusí byť príliš vhodné, pre jeho intenzívne horenie, kedy sa lokálne kúrenisko prekuruje vykurovaný priestor. dávka paliva rýchlejšie vyhorí a pri rovnakej periodicite prikladania paliva vyprodukuje vyššie množstvo oxidu uhoľnatého, oxidov dusíka a organických plynných uhľovodíkov. Na základe experimentov sa ako najvhodnejšie palivo pre krbovú vložku ukázalo vzduchosuché drevo uskladnené v dobre vetranom nevykurovanom priestore v interiéri s relatívnou vlhkosťou okolo 12 %.“

Agropelety jsou často využívány k výrobě tepla těmi, kteří disponují dostatkem biomasy z vlastní pěstebné činnosti, případně agropelety nakupují jako levnější variantu oproti peletám ze dřeva. Se spalováním agropelet je spojeno několik problémů. Vedle zvýšených nároků na hořák, aby na něm nevznikaly nápalky, které jsou velmi tvrdé a těžko se odstraňují, až po nutnost zvýšené odolnosti kotlů proti korozi. Opticky neviditelným problémem jsou emise a jejich složení. Z ekologického pohledu závažná situace vzniká, pokud jde o kotle, u nichž výrobce jako náhradní palivo připouští použití agropelet. V praxi jsou po část provozní doby využívány pelety, jejichž složení není přesně garantováno a neodpovídá složení pelet, se kterým byl kotel certifikován. Proto je třeba, aby kotle určené pro spalování agropelet toto palivo vždy spalovaly tak, aby emise odpovídaly legislativním požadavkům bez ohledu na to, jaké složení pelety mají. Za tímto čelem byl proveden průzkum v oblasti nabídky a složení agropelet a analýza emisí. Ukazuje se, že bez odlučovačů prachu limity s velkou pravděpodobností splněny nebudou.

Bioplynové stanice jsou nejen producenty bioplynu, ale i biologické suroviny, kterou je možné spalovat a tak dále energeticky využít. Hovoří se o tzv. digestátu, fermentačních zbytcích a kompostech. Z výsledků analyzovaných vzorků materiálů na bázi digestátů, fermentačních zbytků a kompostů shrnutých v tomto příspěvku jsou patrné jejich výrazně odlišné vlastnosti, které se projevily i při vlastních provozních zkouškách na spalovacím a zplyňovacím zařízení. Z prvotních krátkodobých zkoušek těchto materiálů vyplývají zejména tyto závěry: Při spalování vybraných vzorků jsou oproti spalování dřevní hmoty zvýšeny sledované emise, což je dáno jednak vlivem paliva, ale i konstrukcí samotného zařízení určeného pro spalování dřevní biomasy. Vývoj v této oblasti bude pokračovat úpravou spalovací komory s cílem optimalizace procesu spalování vedoucí ke snížení emisí. Hledání optima je poměrně složité, neboť pokles jedné složky emisí má zpravidla za následek růst jiné složky a je třeba dosáhnout stavu, kde žádná složka emisí, včetně prachu, nepřekročí limity.

Obecně bylo při zplyňovacích testech těchto materiálů zjištěno, že výsledky jsou horší v porovnání se zplyňováním dřevní hmoty.

Tepelná čerpadla

Na závěr přednášky Prevádzkové podmienky tepelných čerpadiel v rodinných domoch přednášející Ing. Ingrida Skalíková zdůraznila, že velký vliv na sezónní topný faktor u TČ má uživatel. V přednášce byly analyzovány dva rodinné domy, jedno s TČ vzduch-voda a druhé země-voda s plochým zemním výměníkem.

Z grafů, které zachytily konkrétní provozní podmínky v obou domech během pozorovaného období, vyplynul výrazný rozdíl v teplotě teplé vody, kterou si nastavili uživatelé domů.

Poznatky z přednášky potvrzují nutnost provádět výpočet sezonního topného faktoru s těmi údaji, které si uživatel zvolí. Jedině tak se lze vyhnout stížnosti provozovatele na nedosažení předpokládaných úspor. Význam tohoto „individualizačního“ faktoru zvýšení teploty teplé vody roste se zvyšováním podílu tepla na přípravu teplé vody ve srovnání s podílem na vytápění.

Dekarbonizácia vykurovania a chladenia využitím tepelných čerpadiel, autor doc. Ing. Peter Tomlein, CSc., je možná a tento trend potvrzuje volba stavebníků rodinných domu, kteří TČ upřednostňují. Okolo roku 2050 se předpokládá, že výroba elektřiny bude založena na bezuhlíkových technologiích. To znamená, že TČ budou mít zásadní význam na výrobě tepla. Souběžně ovšem i na výrobě chladu, neboť požadavky na chlazení vnitřního klimatu v rodinných domech rostou.

Obr. Vývoj prodejů tepelných čerpadel na Slovensku v letech 2006 až 2017
(Zdroj: Sborník ke konferenci Vykurovanie 2018)

* 2 MDV SR. Aktualizácia Stratégie obnovy fondu bytových a nebytových budov SR (návrh). 24.4.2017
Obr. Stav budov a jejich obnovy ve Slovenské republice (Zdroj: Sborník ke konferenci Vykurovanie 2018)

Při zvažování koncepce zateplení objektu a využití tepelného čerpadla je doporučeno toto: „Zateplením sa menia požiadavky na vykurovací systém i vykurovací výkon. Preto opačné poradie, to znamená najskôr inštalovať TČ na pôvodné tepelné straty a potom zatepliť je nevhodné.“

S instalací tepelných čerpadel vzduch-voda je spojena nutnost řešit problematiku hluku. Většina budoucích provozovatelů TČ v rodinných domech, ale ani jejich sousedů, si nedovede představit, jak se v praxi projeví údaj o hluku, např. akustický výkon 60 dB(A). Z toho posléze vznikají ostré sousedské spory, neboť i splnění hygienického limitu požadovaného legislativou nemusí být dostatečné. Nelze podcenit ani skutečnost, že se objevují i případy hrubého fyzického násilí vůči provozovateli TČ zdůvodněné hlukem, a je registrován i případ končící smrtí. Občasný hluk na úrovni hygienického limitu může být přijatelný, ale pokud působí trvale a znepříjemňuje svým charakterem pobyt venku na sousední parcele, by měl být zásadním důvodem k řešení. Je to možné a prevenci nabízí některá nově koncipovaná tepelná čerpadla vzduch-voda se sníženou hlučností.

Neobvyklé řešení tepelného čerpadla je složeno z tepelných fresnelových slunečních kolektorů, které jsou zdrojem tepla pro ejektorový chladicí systému, který vyrábí chlad z tepla. Ejektorový chladicí systém se skládá především ze soustavy tří deskových tepelných výměníků. Jediný konstrukčně náročnější prvek je ejektor (dýza), ve kterém se Venturiho efektem vytváří podtlak. Podtlak v ejektoru vytváří tlakový rozdíl, který v klasických chladicích strojích vytváří kompresor. Tlakový rozdíl, podtlak, umožňuje změnu skupenství chladiva jeho odpařováním ve výparníku, kdy přes teplosměnnou plochu výparník odnímá teplo z její druhé strany a tam vzniká požadovaný chlad.

„Výhodou je, že predmetný systém je možné v budovách nadimenzovať vždy na konkrétny objekt a potrebné teplo je možné pomerne ľahko akumulovať aj pre nočnú prevádzku alebo pre prípad nižšej slnečnej intenzity. Systém je jednoduchý, spoľahlivý, so zanedbatelnými prevádzkovými nákladmi a potenciálne platí, že by mal byť aj investične nie príliš náročný.

Fresnelov solárny systém dokáže dosiahnuť teploty ohrievanej látky až 230 °C a je možné ho využiť najmä v prechodnom období i na vykurovacie účely alebo na ohrev vody. Na strane druhej je zrejmé, že takýto systém je nový, resp. znovuobjavený a chladiarenské alebo klima firmy nemajú s nasadzovaním podobných systémov skúsenosti a teda pre komerčné nasadenie zatiaľ nie sú prevádzkové skúsenosti.“

Hydraulické zapojení tepelných čerpadel má odpovídat regulačním schopnostem TČ, jeho výkonu v závislosti na pracovních podmínkách, ať v oblasti vytápění, tak při chlazení. Týká se to potřeby a dimenzování vyrovnávacího zásobníku tepla nebo chladu. Cílem je optimálně ošetřit provoz TČ tak, aby se omezilo jeho cyklování v době, kdy je jeho i regulovaný výkon nadměrný. Pak může být dosažen i dobrý sezónní COP.

Obr. Přehled měsíčních COP pro konkrétní aplikaci TČ vzduch-voda
(Zdroj: Sborník z konference Vykurovanie 2018)

Pro soustavu s TČ vzduch-voda v rodinném domě s jedním okruhem pro otopná tělesa s návrhovým teplotním spádem 45/35 C a druhým okruhem pro přípravu teplé vody v zásobníku s doplňkovým dohřevem elektrickými topnými tyčemi uvedl autor přednášky přehled měsíčních topných faktorů, viz obrázek. (Bohužel podobné grafy mají malou vypovídací hodnotu, pokud nejsou doplněny podrobnými údaji o spotřebě elektřiny při dohřevu teplé vody, případně zda uváděné hodnoty topných faktorů tuto spotřebu zahrnují.)

Co to je čtyřtrubkové tepelné čerpadlo? Jde o reverzibilní tepelné čerpadlo vzduch-voda pro výrobu tepla nebo chladu, které je doplněné o výměník voda-voda, ve kterém lze rekuperovat tepelnou energii z odpadní vody. Ing. Juraj Kupčík, Climaport, s.r.o. uvedl:

„Ideálne aplikácie pre použitie takýchto tepelných čerpadiel sú:

1. budovy so skleneným plášťom, ktoré majú minimálne 2 slnečné strany
2. budovy s kvalitnou izoláciou stien, ktoré majú nerovnomerné vnútorné tep. zaťaženie
3. administratívne centrá spojené so serverovňami, počítačovou technológiou.“

Obr. Schéma 4trubkového tepelného čerpadla
(Zdroj: Sborník z konference Vykurovanie 2018)

Koeficienty EER a COP (ESEER a SCOP) určují účinnost v jednotlivých režimech. Efektivita 4-trubkových TČ se hodnotí i s pomocí dalšího koeficientu účinnosti, a to TER (účinnost při celkové rekuperaci:

Podporou a z části i podmínkou ke zvýšení efektivity tepelných soustav jsou vyrovnávací zásobníky. Inovativně řešený zásobník, ve kterém jsou umístěné kuželové prvky pro ustálené teplotní rozvrstvení, byl měřen s velmi dobrými výsledky. Detaily jsou v přednášce Akumulácia tepelnej energie v stratifikáčných zásobníkoch, Ing. Milan Krafčík, doc. Ing. Jana Peráčková, PhD.

Obr. „Priebeh teplôt pri rôznych objemových prietokoch v jednotlivých výškových úrovniach akumulačného zásobníka“
(Zdroj: Sborník ke konferenci Vykurovanie 2018)

Rozvrstvení umožňuje horní teplejší část zásobníku využívat pro přípravu teplé vody a spodní chladná část umožňuje využívat nízkoteplotní zdroje energií. Čím užší je pásmo, ve kterém dochází ke změně teplot, tím více lze zásobník využít. V provozu zásobníku je důležitá jeho schopnost udržet stratifikaci, rozvrstvení teplot, při různých průtocích otopné vody.

Solární soustavy

Přechod na plně obnovitelné energie je na Slovensku uskutečnitelný. Znamená to však každoroční investice ve výši okolo 1,5 % HDP ročně, aby se podíl OZE v roce 2050 pohyboval okolo 90 %.

Jednu z méně využívaných možností využití sluneční energie představuje tepelný parabolický žlabový kolektor. Skládá se z parabolického žlabu, který je v podélné ose natáčen vůči Slunci a svou vnitřní plochou odráží sluneční záření na liniový absorbér o délce 5,88 metru. Matematický model byl vytvořený pro specifický parabolický žlabový kolektor umístěný na budově Žilinské univerzity a ověřen podle praktického měření.

Obr. Vypočtený průběh výkonu konkrétního kolektoru

V přednášce byla analyzována optická a tepelná účinnost kolektoru a odvozen vztah pro výpočet výkonu kolektoru. Celková účinnost výpočtově překračovala i 50 %, zatímco skutečná měřená byla okolo až 45 % vůči celkové dopadající energii.

Podmínky a názory na využití sluneční energie se za posledních 40 let vyvinuly do extrémních názorů, které stojí proti sobě. Od zásadních odmítačů až pro zásadní příznivce. Přitom praxe nachází optimální řešení někde mezi tím. Například návrh na solární pokrytí cca 50 % přípravy teplé vody garantuje účinnost okolo 50 %. To lze považovat za optimální hodnotu. Vyšší solární pokrytí snižuje ekonomickou efektivitu a pak záleží na investorovi, zda je ochoten to zaplatit.

Obr. Termické solární kolektory se v současnosti nachází na svých fyzikálních hranicích. Zatímco fotovoltaika má před sebou z hlediska vývoje ještě velké možnosti, uvedl Ing. Ján Tomčiak, THERMO/SOLAR Žiar, s.r.o.

„Základným problémom, ktorý treba riešiť, je nesúlad medzi prísunom slnečnej energie a spotrebou v reálnych podmienkach. Tento fázový posun sa dá riešiť akumuláciou tepelnej i elektrickej energie. Uskladňovanie energie môže byť krátkodobé (2-3 dni), strednodobé (rádovo týždne) i dlhodobé (ukladanie letných prebytkov na zimu). Všetky tri uvedené kategórie sú technicky zvládnuté, ale s nárastom doby uskladnenia stále viac vystupuje do popredia otázka ekonomickej zmysluplnosti. Aj tá sa, samozrejme, vyvíja so zmenou ekonomických podmienok. A čo sa dnes javí ako neprijateľné, o pár rokov či desaťročí môže byť prijateľnou alternatívou.“

Doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D., hovořil o zasklených hybridních kolektorech. Cílem je zvýšit měrný zisk energie ze Slunce ve vztahu k ploše kolektoru, protože střechy domů mají omezenou plochu a v současnosti nestačí na pokrytí celkové energetické potřeby domu. Pomoci mohou zasklené hybridní kolektory, ale je nutné řešit problém s vysokou teplotou, které musí odolat fotovolatické články.

Ověřovány byly možnosti využití hybridních kolektorů jako součástí velkých zdrojů energie pro CZT, ve fasádách budov. V současném stavu výzkumu se jeví vhodnost těchto systémů především pro přípravu teplé vody, zejména na bytových domech, kde bývá k dispozici relativně malá plocha střechy a cílem je ji maximálně energeticky využít. Z tohoto pohledu je výhodné, že hybridní kolektory vyrábí na stejné ploše i elektrickou energii, byť pracuje s mírně nižší účinností oproti jen tepelným kolektorům.

Jak řešit venkovní potrubí tepelných solárních soustav? Jednou z možností je využít měděné předizolované potrubí s vnějším pláštěm z UV odolného plastu. Toto řešení je odolné i vůči mechanickému poškození padajícími kroupami, ptactvem. V jednom z konkrétních případů se podařilo snížit náklady za teplo na přípravu 1 m³ teplé vody z cca 15 euro pod 6 euro, v jiném z 11 euro na cca 4 euro. Zajímavým prvkem je zřízení přívodu studené vody a elektrické energie ke kolektorům, aby bylo možné kolektory snadno pravidelně čistit tlakovou vodou a udržovat jejich nejvyšší účinnost. Bez zajímavosti není ani skutečnost, že všechny přívody byly upevněny na původní fasádu a teprve pak překryty tepelnou izolací při následném zateplování objektu. To umožnila cílevědomá koordinace prací. Podle praktických zkušeností je spotřeba 2 m³ teplé vody denně v bytovém objektu přibližná hranice, od které se vyplatí instalovat solární soustavu.

Z diskuzního fóra

Na Slovensku je v současnosti v provozu 19 linek na výrobu dřevních pelet, které zpracovávají dostupnou dřevní hmotu. Proto zesiluje zájem o využití jiných druhů biomasy nebo materiálů. Sláma není pro pelety vhodná, neboť má vysoký obsah popelovin, které se taví již při teplotě okolo 870 C. Nejvýhodnější je její spalování z balíků ve větších zdrojích tepla s odpovídající konstrukcí hořáků.

Variantním materiálem pro výrobu pelet by mohly být papírenské kaly, které vznikají na Slovensku ve dvou podnicích.

Největší potenciál mají tzv. digestáty - biomasa odcházející z fermontorů bioplynových stanic. Mají výhřevnost přibližně rovnou výhřevnosti hnědého uhlí. Jejich spalování vyžaduje speciální konstrukci kotlů. Vhodná, která by splnila ekologické limity, je vyvíjena.

Trendem je pokles zájmu o složité systémy kombinujících všechny možné zdroje energií, neboť v převážné většině případů nesplnily očekávání zákazníků. Nejvíce se kombinují dva zdroje tepla, například kotel a solární soustava, tepelné čerpadlo a fotovoltaika.