Zapojení obnovitelných zdrojů energie do otopné soustavy a význam akumulační nádrže

Úvodem je třeba tématicky oddělit jednotlivé celky a vysvětlit o jakých zdrojích bude vlastně řeč. Hovořit budeme o solárních systémech, tepelných čerpadlech a biomase, což je prakticky celý výčet u nás používaných obnovitelných zdrojů energie. Nebudeme hledat jednotlivá řešení návrhu těchto zdrojů, nebudeme ani popisovat jejich výhody či nevýhody. Půjde nám čistě o zařazení těchto zdrojů do teplovodních otopných soustav s ohledem na jejich regulaci a bezproblémový provoz s co nejvyšší účinností. Budeme se pohybovat v obecné rovině s důrazem na menší (běžnější) systémy používané hlavně v rodinných domech. Co se týká velkých aplikací se zdroji o výkonu několika desítek či stovek kilowattů, je možné některé dále popsané myšlenky převzít, ovšem s určitou rezervou a nutností zrevidování technických možností uplatnění navržených principů řešení.

Obecně můžeme tvrdit, že všechny zmíněné obnovitelné zdroje, tzn. jak tepelná čerpadla, tak solární systémy či kotle na boimasu je dobré kombinovat s akumulační nádrží. Její význam se pokusím u jednotlivých systémů popsat a zmínit hlavní důvody a z nich plynoucí výhody jejího použití. Funkce akumulační nádrže je totiž v jednotlivých systémech rozdílná. Její použití vyžaduje správná rozhodnutí nejen z hlediska její velikosti, ale také z hlediska její vlastní konstrukce, uspořádání, tvaru a možností připojení více zdrojů. Důležitou otázkou je i využití kombinací různých obnovitelných zdrojů v jedné aplikaci. I na tuto otázku se pokusím částečně odpovědět. V době výrazného růstu cen energií jsme svědky zvýšeného zájmu o tyto zdroje. Často se však u neodborné veřejnosti setkáváme sice s nadšením, avšak naprostým nepochopením a iluzorní představou o možnostech těchto zdrojů. To je samozřejmě pochopitelné, díky pomalému rozvoji těchto technologií a tudíž i malé osvětě, která by poukázala na různé problémy, či specifika návrhu a provozu takových soustav. Bohužel se občas podobně zkreslené myšlenky objeví i u některých "odborníků", což už bývá samozřejmě problém větší, který s sebou přináší drtivé následky v podobě různých mýtů o nevýhodách, špatné funkčnosti, či nenávratnostech investic.

Biomasa

Obr. 1

V této oblasti se zaměříme hlavně na zdroje s ruční obsluhou a malou možností regulace výkonu, což jsou zejména kotle na zplynování dřeva nebo dřevěných briket. K dispozici jsou také automatické kotle s velkým modulačním rozsahem výkonu spalující dřevěné či rostlinné pelety. Díky obrovským možnostem řízení těchto kotlů z hlediska spínání a nastavování optimálního výkonu podle aktuálních potřeb vytápěného objektu je jejich zařazení do otopné soustavy velice jednoduché a můžeme k nim přistupovat jako k standardním konvenčním spínaným zdrojům (plynovým kotlům, elektrokotlům apod.). Jiná situace je u prvně zmíněného typu kotlů. Jelikož se jedná o zdroje s manuální obsluhou, tzn. nejsou spínané automaticky a mají malý rozsah modulace výkonu, je potřeba přistoupit k návrhu jejich zapojení s větší mírou odpovědnosti a odbornosti. Vždy je nutno klást důraz na optimální, bezpečný a bezproblémový chod s co možná nejvyšší účinností kotle.

Je nutno také zajistit účinná opatření pro zajištění co nejdelší životnosti kotle. Kotlová tělesa jsou velmi náchylná k tzv. nízkoteplotní korozi, která může jejich životnost zkrátit na dobu několika málo let, což je samozřejmě velmi negativní. Nízkoteplotní koroze vzniká na kotlovém tělese v situaci, kdy kotel již nějakou dobu funguje ve svém výkonovém rozsahu, těleso kotle je ohřáté na provozní teplotu (cca 80-90°C), avšak otopná soustava ještě takovou teplotu nemá a do kotle se nám vrací relativně studená voda (např. 45°C). Tento stav může trvat poměrně dlouhou dobu, u regulovaných soustav s nižším teplotním spádem dokonce může být tato situace trvalá. Je tedy nutno zařadit do systému prvek který udrží teplotu vratné vody do kotle na hodnotě zamezující nízkoteplotní korozi (u menších výkonů zpravidla 65°C). Takovým prvkem může být a zpravidla bývá třícestný termostatický směšovací ventil (TSV). Správné hydraulické zapojení takového ventilu je na obr. 1 (vpravo uprostřed nad kotlovým čerpadlem). Jedná se o třícestnou armaturu obsahující termostatický člen, který podle aktuálních teplot otopné vody (cesta B) a vratné vody z otopného systému (cesta A) nastavuje optimální mísící poměr pro udržení správné teploty vratné vody do kotle (cesta AB).

Kvůli poměrně velké tlakové ztrátě na TSV je při podobném zapojení jako na obrázku dobré instalovat pro situace, které nastávají při výpadku elektrické energie obtok s dvoucestným motorickým ventilem s funkcí "bez napětí otevřeno", mnoha výrobci označováno jako NO (normally open). Tento obtok zajistí samotížnou cirkulaci otopné vody přes hořící kotel. Zařazení kotle s TSV se může zdát z obrázku jednoduché, je ale potřeba upozornit na další prvky na schématu a vysvětlit jejich funkci. Rozhodně důležitým prvkem je vyvažovací ventil na zkratu vedoucím do TSV (cesta B). Může být použit prakticky jakýkoli ruční uzavírací ventil. Jde o nastavení správného průtoku tímto zkratem, tak aby byl zajištěn dostatečný nominální průtok jak kotlem tak otopnou soustavou. Postup při vyvažování vynecháme, neboť je zpravidla obsahem návodů k TSV.

Další prvky, které bychom neměli opomenout, jsou pevný hydraulický zkrat a oběhové čerpadlo otopné soustavy. Kotlové čerpadlo zajišťuje správný průtok otopné vody kotlem. Průtok samotnou otopnou soustavou se od tohoto průtoku může lišit a velmi často liší, zvláště jsou-li v otopné soustavě použity další regulační prvky jako např. termostatické ventily na otopných tělesech, či elektrotermické pohony na rozdělovači podlahového topení. To je první důvod pro použití hydraulického zkratu a druhého oběhového čerpadla, je tu však ještě jeden, a to podstatnější důvod. Ventily TSV nebývají nikdy úplně těsné, tzn. část průtoku nám vždy půjde zkratem do cesty B na ventilu. Tím se samozřejmě velmi narušují hydraulické poměry v celé soustavě a kotlové oběhové čerpadlo není schopno překonat hydraulický odpor (tlakovou ztrátu) otopné soustavy, takže otopná voda do nejnepříznivěji položených otopných těles vůbec nedojde. Zařazením druhého oběhového čerpadla a hydraulického zkratu se logicky tento problém vyřeší, neboť toto oběhové čerpadlo vždy zajistí správný průtok celou otopnou soustavou a v hydraulickém zkratu dojde k vyrovnání obou dynamických tlaků jak na straně kotle, tak na straně otopné soustavy.

Funkci hydraulického vyrovnávače dynamických tlaků může bez omezení v podobném zapojení převzít akumulační nádrž. Máte tedy její první přínos. Dalším, mnohem podstatnějším důvodem, proč akumulační nádrže do systémů s kotli na dřevo instalovat, je schopnost modulace výkonu. Tzn. nadbytečná energie dodávaná kotlem oproti aktuální energetické potřebě objektu se automaticky ukládá v akumulační nádrži, odkud je oběhovým čerpadlem do otopné soustavy distribuována až ve chvíli, kdy je skutečně potřeba. V takovém případě si můžeme dovolit řídit vytápění objektu inteligentně pomocí např. ekvitermní regulace. Otevírají se tedy možnosti vytápět dům sofistikovaným způsobem, podle zadaných teplotních křivek a časových programů, tedy v době, kdy chceme a objekt to potřebuje, a ne pouze v době kdy hoří kotel. Velikost akumulační nádrže se stanovuje výpočtem na základě výkonu kotle, tepelné ztráty objektu a dalších faktorů. Jedním z nich je požadavek na četnost přikládání a dobu vytápění, např. 2 násypky denně, a zajistit vytápění po dobu 48 hodin. Ve výpočtu je nutné též zohlednit režim vytápění, tak jak jej udává regulátor otopné soustavy. Neméně podstatnou veličinou, která nám ovlivní velikost, resp. objem akumulační nádrže, jsou také tepelnětechnické parametry samotného objektu a použitá otopná soustava. Tzn. musíme zohlednit akumulační schopnosti pláště budovy a také, hlavně v případě použití podlahového vytápění, setrvačnost otopné soustavy. Obecně platí, že časová konstanta, tj.odezva na regulační zásah, se u podlahového vytápění projevuje v řádech několika hodin. Objem akumulačních nádrží v běžných aplikacích u rodinných domů vychází od 800 do 3000 litrů.

Obr. 2

Požadavky na konstrukci (tvar) akumulační nádrže u těchto systémů nejsou velké. Jedná se v podstatě pouze o zásobník energie, který je dobré nabíjet v celém jeho objemu na teplotu 90-100°C, je tedy celkem jedno, zda půjde o nádrže kulaté, hranaté, ležaté či stojaté. Nádrž ovšem musí odpovídat všem bezpečnostním předpisům z hlediska odolnosti na provozní teploty, provozní tlak a teplonosnou látku. Většinou se jedná o ocelové tlakové nádoby bez povrchové úpravy a je doporučeno použít profesionálně zpracované nádrže s atestem, či prohlášením o shodě výrobku. Kutilství se v tomto případě nemusí v budoucnu z hlediska bezpečnosti provozu vyplatit. Na trhu je dostatek kvalitních výrobců dodávajících akumulační nádrže o objemu od 200 do 100.000 litrů. Navíc je tu možnost volby tzv. kombinovaných akumulačních nádrží, které umožňují připojení nejen dalších zdrojů tepla, ať už na přímo, nebo přes integrované či externí výměníky, ale také přípravu teplé vody pro domácnost (dále jen TV) přímo v rámci objemu nádrže.

Některé varianty nádrží jsou ukázány na obr. 2, kdy v případě a) se jedná o klasickou akumulační nádrž bez výměníků, osazenou pouze vstupy pro připojení zdroje, v našem případě kotle na biomasu a dalšími vstupy pro případné osazení elektrických topných těles pro zvýšení komfortu vytápění ve dnech, kdy není "síla", která by zatopila v kotli. Tyto vstupy se dají samozřejmě využít i pro připojení konvenčních zdrojů (plynových kotlů, elektrokotlů apod.). Nádrž na obrázku 2 b) má v sobě integrován výměník využitelný pro zdroj, který je nutno hydraulicky úplně oddělit od otopné vody, nejčastěji solární systém. Jak je patrné z obrázku, do této nádrže lze vložit ještě jeden výměník do horní části. Ten může sloužit pro předehřev TV. Třetí v pořadí je tzv. nádrž v nádrži (obr. 2 c). Jedná se o kombinaci akumulační nádrže s integrovaným zásobníkem TV. Výhodou je samozřejmě fakt, že máme k dispozici z jedné nádrže, do které můžeme ukládat energii z libovolného zdroje, či několika zdrojů, jak teplo pro vytápění, tak také teplou vodu. Navíc teplosměnná plocha mezi akumulovanou otopnou vodou a TV je obrovská, takže k přestupu tepla a tudíž k ohřevu přiváděné studené vody dochází automaticky a velice rychle. Tato vlastnost může velmi pomoci při modulaci přebytku výkonu kotle na biomasu. Poslední z ukázaných nádrží je nádrž obsahující dva výměníky pro připojení zdroje (opět hydraulicky odděleného od otopné vody), výměník pro průtokovou přípravu TV a tzv. stratifikační válec. Tato nádrž nachází uplatnění spíše u solárních systémů než u zdrojů na biomasu, proto její podrobnější popis necháme do kapitoly ve které budu hovořit právě o solárních systémech.

Jak je vidět z množství předchozího textu, není zařazení kotlů na biomasu do otopné soustavy úplně triviální záležitost, avšak doufám, že po přečtení je zřejmé, že to není také nic moc složitého. Poslední, na co je potřeba při výběru a následného zařazení kotle na biomasu dbát, je bezpečnostní zařízení kotle proti přetopení. Zde nám v poslední době velmi usnadňují práci sami výrobci, kteří už továrně osazují kotle bezpečnostními prvky, jako jsou dochlazovací smyčky či bezpečnostní ventily. Stále se však můžeme na trhu setkat s prodejci nabízející úplně "holé" zařízení, nejčastěji v oblasti krbových vložek. Pak je nutné dodatečně osadit nějaký bezpečnostní prvek. Nejjednodušším doporučením je osazení dvoucestného bezpečnostního ventilu, do kterého je přivedena studená voda a při přehřívání kotle (teplota otopné vody kolem 100°C) otevírá přívod studené vody do kotle a zároveň výstup, kudy může unikat z kotle horká voda do kanalizace. Montáž této armatury není nijak složitá, proto není potřeba o ní dlouho přemýšlet, protože případů havárií krbových vložek z důvodů přetopení bylo již v minulosti dost a ne všechny dopadly zrovna vesele.

Tepelná čerpadla

Zařazení tepelného čerpadla (dále jen TČ) do otopné soustavy je velice jednoduché, protože se jedná o zdroj spínaný. Můžeme tedy takřka kdykoli TČ zapnout či vypnout. V České republice platí zvláštní dvoutarifová sazba od rozvodných závodů, ve které je doba nízkého tarifu 22 h denně. To je doba, kdy můžeme používat spotřebiče ovládané HDO (hromadné dálkové ovládání). V této době tedy můžeme (resp. je to záležitost regulátoru) TČ libovolně zapínat a vypínat. Zbývající 2 hodiny vysokého tarifu lze jednoduše překlenout opět zařazením akumulační nádrže mezi TČ a otopnou soustavu. Objem této nádrže vychází v řádu stovek litrů, čili přibližně o řád menší než u předchozího případu kotlů na spalování biomasy.

Vykrytí výpadku nízkého tarifu však není tím nejpodstatnějším důvodem, proč je akumulační nádrž k tepelným čerpadlům tak vřele doporučována. Máme tu opět důvody pevně spjaté s hydraulikou celé soustavy a také "problémy" s modulací výkonu TČ. Je všeobecně známo, že se tepelná čerpadla z ekonomických důvodů nenavrhují na plné pokrytí tepelných potřeb objektu, ale na tzv. bivalentní provoz, tzn. ve velmi chladných dnech pomáhá tepelnému čerpadlu další zdroj, v mnoha případech elektrokotel. Jelikož drtivá většina výrobců nabízí tepelná čerpadla bez možnosti plynulé regulace výkonu, dá se obecně tvrdit, že pouze v bivalentním bodě je výkon tepelného čerpadla roven přesně výkonu potřebného pro pokrytí tepelné ztráty budovy. Bivalentní bod je tedy bod, kdy se protíná křivka výkonu tepelného čerpadla s křivkou tepelné ztráty budovy, odpovídá vždy nějaké venkovní teplotě. Je-li venkovní teplota nižší, připíná se bivalentní zdroj, který topí s tepelným čerpadlem v souběhu a nahrazuje tak nedostatek jeho výkonu. Je-li naopak venkovní teplota vyšší než teplota bivalence, má tepelné čerpadlo přebytek výkonu, který musíme opět někde "umořit". Nabízí se v tom okamžiku tepelné čerpadlo vypnout. K tomu samozřejmě v tu chvíli také dojde, nicméně v závislosti na aktuální tepelné ztrátě bude objekt potřebovat za nějaký čas energii znovu. Tento čas může být při určitých venkovních teplotách velmi krátký a TČ začne tzv. cyklovat, tzn. ve velmi krátkých intervalech díky velkému přebytku výkonu neustále spíná a vypíná.

Tento jev má samozřejmě neblahý vliv na životnost TČ, zvláště pak na životnost kompresoru, který je srdcem a také nejdražší součástí TČ. Opět se tedy nabízí, stejně jako v případě předchozím, využít pro modulaci výkonu určité množství vody, čili zařadit do systému akumulační nádrž. Objemově pořád zůstáváme na hodnotě několika set litrů. Pro běžné aplikace rodinných domů se doporučené objemy pohybují na hodnotách 200-500 litrů. Současný trend produkce tepelných čerpadel vede k zjednodušování montáže a kompaktnosti celého zařízení, tzn. můžeme najít zařízení, které obsahují nejen tepelné čerpadlo, ale také už i akumulační nádrž, většinou i s bivalentním zdrojem. Takové zařízení je ukázáno na obr. 3. Ve spodní části je samotné tepelné čerpadlo systému země-voda, tzn. výparník, kompresor, kondenzátor a škrtící ventil a regulace. Dále se uvnitř nachází zmíněná akumulační nádrž s bivalentním zdrojem, v tomto případě i s výměníkem pro průtokovou přípravu TV. Celé zařízení je tak velmi kompaktní, může vypadat velmi elegantně a při jeho zařazování do otopné soustavy se prakticky nedá udělat chyba, stačí správně zvolit vstupy a výstupy pro otopnou vodu, vratnou vodu z otopné soustavy, studenou vodu, teplou vodu a správně připojit elektrickou přípojku.

Obr. 3

Abychom byli úplní, musíme uvést ještě poslední důvod pro instalaci akumulační nádrže do systémů s tepelnými čerpadly, tj. hydraulika soustavy. TČ pracuje na bázi kompresorového chladivového okruhu, kde otopná voda je ohřívána v tzv. kondenzátoru tepelného čerpadla. Teplotní rozdíl otopné vody na vstupu a výstupu kondenzátoru je 3-5 K, rozdíl mezi otopnou a vratnou vodou v otopné soustavě (nazýváno též teplotní spád otopné soustavy) bývá zpravidla větší (5-15 K). Proto abychom přenášeli na obou stranách přibližně stejný výkon, potřebujeme tedy rozdílné průtoky. Ve skutečnosti tomu také tak bývá. Tepelným čerpadlem proudí neškrcené konstantní množství kapaliny, kdežto v otopné soustavě si průtok regulujeme podle potřeb. Akumulační nádrž nám v tomto případě opět velmi dobře poslouží jako hydraulický vyrovnávač dynamických tlaků.

Solární systémy

Slunce je přirozeným a tudíž nejlevnějším zdrojem tepla. Bohužel v našem případě ohřevu otopné vody také zdrojem nejméně stabilním. Zdrojem, který zpravidla není k dispozici ve chvíli, kdy ho nejvíce potřebujeme, tj. když tepelná ztráta objektu dosahuje nejvyšších hodnot. Proto jsou také solární systémy primárně doporučovány pro přípravu TV, kterou připravujeme během celého roku s relativně konstantní potřebou tepla. Pokud však splníme obecně platné podmínky využitelnosti solárního systému pro přitápění, tzn. podaří se výběrem stavebních materiálů a izolací dostat tepelné ztrátu domu na velmi malou hodnotu (nízkoenergetický až pasivní dům) a pokud pro vytápění použijeme nízkoteplotní otopnou soustavu (podlahové či stěnové vytápění apod.), může být solární systém velmi užitečným zdrojem tepla i pro vytápění. Z důvodu již zmíněné nestability zdroje se však v žádném systému pro přitápění objektu bez akumulační nádrže neobejdeme.

Velikost akumulační nádrže se opět stanovuje na základě tepelné ztráty objektu, teplotního spádu otopné soustavy a režimu vytápění. Objemy akumulačních nádrží mohou být velice různorodé i pro jeden a tentýž objekt. Mohou se pohybovat od několika set litrů (300-1000 litrů), mohou však dosahovat i hodnoty několika desítek tisíc litrů v případě tzv. sezónní akumulace. To jsou aplikace, ve kterých solární systém nabíjí přes letní období tuto obrovskou akumulační nádrž a ta je následně v topné sezóně řízeně za pomoci inteligentní regulace vybíjena podle potřeby energie na vytápění objektu. Tyto aplikace jsou však zatím z důvodů vysokých investičních nákladů používány velmi, velmi málo. Ani v těchto, tím spíše v menších solárních systémech, se neobejdeme bez bivalentního zdroje. Jeho zařazení do otopné soustavy má opět svá specifika, podle toho zda se jedná o zdroj s modulovaným výkonem, nebo ne.

Pokud nemáme možnost plynule řídit výkon zdroje (elektrokotel, kotel na tuhá paliva, tepelné čerpadlo apod.), zapojujeme jej do akumulační nádrže jednoduše paralelně k solárnímu systému. U modulovaných zdrojů (plynové kondenzační kotle, kotle na LTO apod.) je situace jiná a tento zdroj řadíme do systému až za akumulační nádrž (viz obr. 4). Navíc do zpátečky z otopné soustavy je dobré zařadit třícestný zónový (přepínací) ventil, který řídí směr toku vratné vody z otopné soustavy. Pokud solární systém nahřeje nádrž na teplotu o něco vyšší, než je teplota vratné vody, je otevřena cesta A do akumulační nádrže, pokud však není dostatek slunečního svitu a nádrž je chladnější, jde vratná voda z otopné soustavy přímo do kotle.

Pro dokreslení všech aspektů solárních systémů je třeba zmínit důležitou vlastnost slunečních kolektorů, a to je, že jejich účinnost je závislá na rozdílu teploty uvnitř kolektoru a kolem něj (venkovní teplota). Lapidárně řečeno, sluneční kolektor čím je chladnější, tím je účinnější. To má velký význam na zařazení systému do otopné soustavy a hlavně na požadavky na akumulační nádrž. Proto je také v našem schématu trojcestným ventilem zamezeno ohřívání nádrže vratnou vodou z otopné soustavy, proto je také nádrž stojatá, aby mohla ohřátá voda samovolně stoupat do horní části nádrže a ta chladnější naopak padat do spodní části na výměník solárního systému. Ten je tam z toho důvodu, že solární systém pracuje s úplně jinou teplonosnou látkou, většinou se jedná o nemrznoucí směs na bázi propylenglykolového vodního roztoku. Celý solární systém pracuje také na jiné provozní tlaky, proto je nutné vždy použít výměník!

V popisovaném systému s akumulační nádrží z obrázku 2 d) je ve spodní části nádrže kromě solárního výměníku také tzv. stratifikační válec, který zajišťuje to, aby vratná voda svým průtokem nerozmíchala tuto část akumulátoru a ta zůstala co nejchladnější pro zvýšení solárních zisků. Tomu dopomáhá ještě výměník pro průtokovou přípravu TV, který nám tuto část ochlazuje přiváděnou studenou vodou. V horní části je pak ještě jeden solární výměník, který zajišťuje, aby byla TV i otopná voda ve dnech s velkým slunečním svitem ihned k dispozici a mohlo dojít co nejrychleji k vypnutí bivalentního zdroje. Lze tedy konstatovat, to co již zaznělo výše, že tato nádrž byla konstruována hlavně pro solární s systémy za účelem maximalizace solárních zisků.

Kombinace různých zdrojů

V krátkém závěru lze pouze shrnout hlavní myšlenku, tj. pokud chceme používat obnovitelné zdroje energie, prakticky nikdy se neobejdeme bez akumulační nádrže. Díky ní lze pak velmi jednoduše tyto jednotlivé typy zdrojů spojit do jednoho celku. Jediné, co musíme zajistit, je inteligentní systém regulace, který zhodnotí jednotlivé priority použitých zařízení a zajistí maximálně úsporný, přitom však velice efektivní provoz. Pak budou naše systémy přinášet to, co je od nich očekáváno, tzn. kýžené finanční úspory. Jedině tak zajistíme i optimální a bezpečný chod celé soustavy s minimálním dopadem na životní prostředí, kvůli kterému jsme se jistě rozhodli využívat právě obnovitelných zdrojů energie.

Obr. 4