Vytápíme plynem: Vlastnosti zdroje tepla a otopné soustavy musí být v souladu

Úvod

Teplovodní vytápění (topení) s využitím tepla z plynu je desítkami let provozu a stovkami miliónů aplikací prověřená možnost, jak komfortně zajistit přijatelnou tepelnou pohodu v bytech, rodinných domech, velkých multifunkčních objektech včetně průmyslových hal atp. Hovoříme o vytápění, ale zpravidla je jeho součástí i příprava teplé vody. Plynový zdroj tepla může být i součástí větrání objektu.

Aktuální pozice vytápění plynem je dána historicky neobvykle zásadním úkolem. A to v co možná nejkratší době opustit fosilní zdroje energie a přejít na energii ze zdrojů obnovitelných. Tím je dáno, že v rámci EU se dotačně nepodporují nové instalace plynových kondenzačních kotlů, byť výměna starého nekondenzačního kotle za kondenzační významně sníží spotřebu fosilního zemního plynu. Dotace nejsou ani na plynová tepelná čerpadla. Oblastí, kde dotace působí, je kogenerační výroba elektřiny a tepla s využitím plynu, která má sloužit k vyrovnávání nerovnoměrné výroby elektřiny z přírodních zdrojů a využití kogenerace jako nástroje pro urychlený odchod teplárenství od uhlí.

Obr. Využití kogenerace není novinkou, jak dokazuje příklad již starší kogenerační jednotky Motorgas, která je stále v provozu v areálu Pražské plynárenské a.s. (Foto a copy: autor)

S využitím zemního plynu ve spojení s narůstající výrobou biometanu, případně budoucí výrobou vodíku, se počítá ještě po dobu několika dalších desítek let. Pro dosažení plánovaného poklesu potřeby zemního plynu je nutné věnovat i mimořádnou pozornost teplovodním otopným soustavám. Neboť jejich vlastnosti spotřebu zemního plynu ovlivňují a mohou ji výrazně snížit. Níže je stručný souhrn základních poznatků.

Provozní teploty otopných soustav

Tam, kde je zdrojem tepla kondenzační kotel, je pro energetickou a efektivitu zásadní dosáhnout co nejdelší provozní období s plnou kondenzací spalin. A to znamená pracovat s teplotami otopné vody (na zpátečce) co nejvíce pod cca 55 °C, tedy pod teplotou, při které přibližně začíná kondenzace spalin ze zemního plynu (metanu).

Požadavek co nejnižších provozních teplot otopné vody platí i pro sorpční plynové tepelné čerpadlo, neboť čím nižší provozní teploty, tím vyšší má tepelné čerpadlo faktor energetické efektivity. I zde lze za hraniční teplotu považovat cca 55 °C, byť provoz i při vyšších teplotách je možný.

Požadavek co nejnižších provozních teplot otopné vody lze aplikovat i na kompresorové plynové tepelné čerpadlo. Respektive, vzhledem k pohonu kompresoru tohoto tepelného čerpadla plynovým motorem, který vyžaduje chlazení s úrovní teplot chladicí vody okolo 80 až cca 100 °C, je výhodné, pokud otopná soustava má dvě rozdílné provozní teplotní úrovně. Pro otopnou vodu procházející kondenzátorem tepelného čerpadla teplotu co nejnižší, danou vlastnostmi použitého chladiva. A pro vodu použitou pro chlazení motoru teplotu vyšší, typicky pro přípravu teplé vody.

Tam, kde bude zdrojem tepla kogenerační jednotka, lze uvažovat s teplotami otopné vody vyššími. U kogenerační jednotky se využívá odpadní teplo z chlazení motoru s teplotou chladicí vody cca 80 až cca 100 °C. Vzhledem k tomu, že u kogenerační jednotky se většinou nepočítá s trvalým provozem, ale přerušovaným s prioritou provozu v době zvýšených cen elektřiny, tak je žádoucí doplňovat otopnou soustavu zásobníky pro uložení tepelné energie. Tedy tak, aby vykryly co nejdelší provozní přestávku kogenerace nebo dobu provozu se sníženým elektrickým, a tedy i tepelným výkonem. Běžně se akumulace dimenzuje pro zásobu tepla cca na jeden den, i mírně více. Objem zásobníku závisí na využitelném rozdílu teplot vody v něm. Čím vyšší je možný rozdíl mezi teplotou vody v zásobníku a teplotou vody pro vytápění, tím více tepelné energie lze do zásobníku uložit. Proto i zde je výhodná otopná soustava s co nejnižší provozní teplotou.

Souhrnem tedy, otopná soustava napojená na jakýkoliv plynový zdroj tepla by měla být navržena a provozována s co nejnižšími provozními teplotami.

Výše uvedené pravidlo je v rozporu s investičními náklady na otopnou soustavu. Protože pro snížení provozních teplot je nutné zvětšit otopné plochy, zvýšit průtok otopné vody. To znamená větší otopná tělesa, velkoplošné podlahové, stěnové nebo stropní vytápění. Případně i oběhová čerpadla větších výkonů a potrubí, armatury s většími dimenzemi. Ve výjimečných případech pak může být z pohledu komplexních nákladů výhodnější se spokojit s nižší energetickou efektivitou, když ji vyrovná zásadně nižší investice do otopné soustavy.

Čím větší regulovatelnost spotřeby tepla, tím vyšší nároky na regulaci výkonu plynového zdroje tepla

V bytových domech bylo standardní řešení teplovodní otopné soustavy v druhé polovině dvacátého století založeno především na domovním rozvodu složeném z podstropního ležatého rozvodu v suterénu (technickém přízemí), ze kterého vycházely svislé stoupačky procházející všemi místnostmi nad sebou. Toto řešení je konstrukčně jednoduché a pro zajištění základní potřeby tepla v bytech vyžaduje minimum armatur. To odpovídalo tehdejším omezeným možnostem potřebné konstrukční prvky soustav získat. Ale bylo spojeno s poměrně velkým plýtváním tepelnou energií.

Poslední dekáda dvacátého století se vyznačila rapidním nárůstem nabídky nejrůznějších regulačních armatur. Ty se staly základním prvkem, který umožnil snížení spotřeby tepelné energie. A to se mohlo v některých případech projevit poklesem provozních teplot otopné vody a zvýšeným požadavkem na regulaci výkonu plynových zdrojů tepla.

Zainteresovanost domácností v bytových domech na snižování spotřeby tepla řeší rozúčtování nákladů. V tradičních soustavách s více stoupačkami procházejícími jedním bytem jde o poměrně složitý proces, neboť je nutné vyhodnocovat množství tepla spotřebované bytem ze všech jednotlivých otopných těles a zjištění spotřeby tepla na přípravu teplé vodu probíhá přes měření spotřeby studené vody. Indikace spotřeby tepla otopnými tělesy nemůže probíhat přímo, kalorimetry, ale probíhá nepřímo a je tudíž zatížena nepřesností. Tento proces zásadně zjednodušuje konstrukce otopné soustavy založená na jedné stoupačce, na kterou jsou byty napojeny přes své bytové předávací stanice. Pro každý byt pak pak stačí jeden kalorimetr, který měří spotřebu tepla jak pro vytápění, tak přípravu teplé vody. Uživatel bytu si v takovém případě může mnohem přesněji, byť ne zcela přesně vzhledem k pravidlům rozúčtování, kontrolovat spotřebu tepla. Tento fakt a mnohem jednodušší hydraulické vyregulování takto řešené otopné soustavy se promítají do dalšího snižování potřeby tepla, na které musí plynový zdroj tepla umět reagovat nebo se mu pro to musí vytvořit optimální provozní podmínky.

Při snižování spotřeby tepla na vytápění roste význam spotřeby tepla na přípravu teplé vody. Z dřívějšího poměru tepla na teplou vodu k teplu na vytápění cca 1:4 se tento poměr v novostavbách prakticky vyrovnal na 1:1 a ve zvláště úsporných objektech je spotřeba tepla na přípravu teplé vody i větší než na vytápění. I s tímto faktem, zvláště pak při zateplování stávajících budov, se musí umět otopná soustava vypořádat tak, aby se plynový zdroj tepla nedostal mimo své optimální provozní podmínky. V případě starých plynových zdrojů tepla pro vytápění, které byly zpravidla navrhovány s velkou výkonovou rezervou vzhledem k tehdejší nejistotě na straně odběru tepla, je žádoucí potřebu výkonu přepočítat a plynový zdroj tepla modernizovat.

Regulace výkonu plynového zdroje tepla a otopná soustava

Plynové kotle jsou zdroje tepla s poměrně velkým rozsahem regulace výkonu. V případě jednoho kotle je aktuálně běžný rozsah regulace v poměru 1:10. Již v případě kaskády dvou kotlů lze proto dosáhnout vynikající regulační poměr až 1:20. V napojené otopné soustavě pak není potřeba ji nějak specificky navrhnout. Specifický požadavek vyplývá z profilu spotřeby teplé vody. Pokud výkon zdroje tepla nemá dostatečnou výkonovou rezervu na průtokový ohřev vody, vkládá se zásobník pro přípravu teplé vody, který lze nabíjet výkonem menším, ale po delší dobu.

V případě plynového tepelného čerpadla lze uvažovat s rozsahem regulace výkonu cca 1:4.

S plynovými kogeneračními jednotkami nelze počítat s velkou možností jejich tepelný výkon regulovat s ohledem na potřebu vytápění a přípravy teplé vody. Výkon plynového motoru pohánějícího generátor elektrické energie lze v poměrně širokém rozmezí regulovat, a tím regulovat i produkci odpadního tepla z motoru. Jenže primárním kritériem regulace výkonu je aktuální požadavek na výrobu elektřiny, a tudíž se otopná soustava musí přizpůsobit na svou „podřízenou roli. Akumulační nádrže umožňující uložení tepla a zásobníkový způsob přípravy teplé vody jsou zde nutné.

Závěr

Teplovodní otopné soustavy napojené na plynový zdroj tepla jsou v současnosti vystaveny sílící konkurenci otopných soustav napojených na elektrická tepelná čerpadla. Poznatky uvedené v článku ukazují, že mezi takovými otopnými soustavami nemusí být zásadně odlišné rozdíly, neboť v obou případech je výhodný provoz při co nejnižších provozních teplotách. Optimálně navržená teplovodní otopná soustava, pro kterou investor v současnosti využije plynový zdroj tepla, se tak může po ukončení životnosti zdroje stát dobrým odrazovým můstkem pro další volbu. A to v budoucích ekonomických a politických podmínkách, které se mohou od našich současných představ lišit.