Ekonomické úspory - Energie budoucnosti (I)

PŘEDMĚT ŘEŠENÍ

V níže popsaném technickém řešení je navržen zdroj energií (el.+ teplo) tak, aby splňoval všeobecné požadavky na jejich dodávku zejména z hlediska: životního prostředí, emise škodlivin a hluku, velikosti výkonu a jeho pohotovosti k odběru a úspory energií, které mají rozhodující vliv zejména na konečnou cenu samostatně vyráběných energií.

Nízko-teplotní systém vytápění (NTSV) řeší problém dodávky energii (el.+ teplo) teplárenským způsobem, s maximální účinností celého cyklu počínajíc jejich výrobou, přes regulaci a konče jejich optimální spotřebou pro vytvoření příjemné idividuální tepelné pohody i v panelových bytech. S výhodou lze nízko-teplotní systém vytápění realizovat při celkové rekonstrukci stávajících panelových domů. Ekonomičnost celého cyklu se zvyšuje dodávkami přebytků el.energie do vnější rozvodné sítě tak, aniž by výroba energií byla na těchto dodávkách ekonomicky závislá (viz Strategie B).

Vzhledem k rozsáhlosti dané problematiky je řešení rozděleno do tří samostatných částí, část popisnou, technickou a ekonomickou. Jednotlivé části na sebe navazují a vzájemně se doplňují.

V části popisné je uveden celkový obecný popis nízkoteplotního systému vytápění budov, jeho princip a způsob provozu s důrazem na kombinovaný zdroj tepla (KZT). V principu jde o využití funkčního propojení kogenerační jednotky a tepelného čerpadla, který umožňuje v topném systému zpětné využití tepla odpadní vody.

V technické části je v konkrétních podmínkách tepelného hospodářství komunální sféry (pro obytný blok s 336 byty) proveden návrh energetického zdroje s využitím nejmodernějších poznatků tepelné techniky - kogenerační jednotky (dále jen KJ) jako zdroje tepla a el.energie. Nízko-teplotní systém vytápění umožňuje současně získat technicky proveditelné ekonomické úspory energií.

Ekonomická část dokládá, že i investice do energetických úspor i přes zdánlivě větší počáteční investiční náklady je návratná a za dobu své životnosti vytváří oproti současnému stavu zisk.

Popis stávajícího stavu

V našich úvahách je bytovou jednotkou uvažován byt 1+3 o celkové půdorysné ploše cca 70 [m²]. Ze stávajícího počtu různě velkých bytů po přepočtu na ekvivalentní bytovou jednotku získáváme dále uváděných 336 bytových jednotek (b.j.).

Zdrojem tepla pro sledovaný obytný blok je plynová kotelna klasického provedení umístěná v samostatném objektu sousedící s čelní stěnou domu, podle níž je také vyveden zděný komín. Zdrojem tepla jsou tři ocelové nízkotlaké teplovodní kotle ČKD Dukla typu OW 65 s hořákem typu APH 10 PZ s celkovým instalovaným výkonem 3 x 530 = 1 590 [kW] a s celkovou spotřebou zemního plynu 3 x 87 = 261 [m³/h].

Plynová kotelna vyrábí topnou vodu pro vytápění a výrobu TUV. Topná voda je dále rozváděna pomocí čtyř-trubkového rozvodu do vytápěných objektů bez předávacích stanic, ale s dvojicí měřidel pro TUV a topení na každé patě objektu. Vytápění bytů se děje ekvitermě regulovanou topnou vodu s max.teplotním spádem 25 [°C] o teplotě 92,5/67,5 [°C]. Do jednotlivých bytů je TUV rozváděna z boileru samostatným řadem s cirkulací pro zabezpečení pohotovosti odběru. Nevýhody tohoto způsobu vytápění a výroby TUV jsou všeobecně známé.

Stávající spotřeba energií (PDF; 21,5 kB)

Jako výchozí podklady pro stanovení spotřeby tepla pro topení a na výrobu TUV v průběhu roku byly použity údaje o spotřebě tepla v r.1997 poskytnuté majitelem a současně provozovatelem uvedených obytných bloků. Jsou to skutečné naměřené stávající spotřeby jednotlivých energií pro sledovaný nezateplený obytný blok s 336 b.j. se spotřebou tepla 6 224[MWh] a odhadnutou spotřebou el.energie a plynu.

Stávající údaje spotřeby tepla získané přímým odečtem spolu se spotřebou el. energie a zemního plynu jsou následující:

Topení:

roční spotřeba tepla E_t = 4 691 [MWh], průměrný denní výkon zdroje v měsíci únor P_t = 1 317 [kW], předpokládaný špičkový výkon zdroje P_{t max} = 1 431 [kW]

Příprava TUV:

roční spotřeba tepla E_t = 1 533 [MWh], průměrný denní výkon zdroje v měsíci únor P_t = 208 [kW]

Spotřeba el. energie:

předpokládaná celková roční spotřeba E_c = 730 [MWh]

Spotřeba zemního plynu:

předpokládaná roční spotřeba (na vaření) E_c = 274 [MWh]

Celková spotřeba všech energií E_c = 7228 [MWh].

CELKOVÁ KONCEPCE TECHNICKÉHO ŘEŠENÍ

Z topenářské praxe je známo, že každým cca ± 1°C od normované teploty 20°C se zvyšuje nebo snižuje hodnota tepelného příkonu o cca ± 5 %. Budeme-li sledovaný systém provozovat na +18°C můžeme očekávat úsporu tepla až 2 x 5 = 10 % o proti stávajícímu stavu. Je-li v uvažovaném objektu i výroba TUV, potom celá tato výroba tepla je pomocí kombinovaného zdroje tepla (KZT viz dále) vrácena zpět do systému. Představuje-li výroba TUV 20% celkové výroby tepla, potom úspora energie z výroby TUV bude též 20%.

Významným a charakteristickým rysem nízko-teplotní systému vytápění je však uplatnění veškeré vyráběné elektrické energie uvnitř sledovaného systému jak ve formě elektrické energie, tak ve formě regulovaného elektrického tepla realizovaným přídavným el.topením nejlépe - halogenovými zářiči. Tedy nevzniká ekonomická nutnost prodeje přebytků elektrické energie do vnější rozvodné sítě (ekonomická závislost na výkupní ceně elektřiny). Elektrické teplo je do systému distribuováno multiplexem (je zavedeno přepínání el.výkonu dle požadavku místa a času) s využitím tepelné setrvačnosti jednotlivých místností objektu. Tímto způsobem je dosaženo cca 50% úspory el.výkonu. Uvažujeme-li, že elektrické teplo se na celkovém dodaném množství tepelné energie na topení podílí cca 20%, potom energetická úspora bude polovinou této hodnoty tady cca 10%.

Očekávaná celková energetická úspora je daná součtem těchto dílčích úspor tj. 10 + 20 + 10 = 40%.

Pro lepší představu je v přílohách uvedeno srovnání procentuálního rozdělení energetických výkonů ve stávajícím systému vytápění (PDF; 14,9 kB) a nízko-teplotním systému vytápění (PDF; 16,6 kB).

Podstatou nízko-teplotního systému vytápění je minimalizování tepelných ztrát rozdělením vyráběného tepla na teplo základní ekvitermě regulované dle venkovní teploty pro temperování bytů a teplo elektrické regulované dle okamžitých požadavků uživatele bytu a úspory. Minimální úspory plynou z převedení tepla odpadní vody zpět do topného systému. V tomto případě je využito spojení kogenerační jednotky a tepelného čerpadla do kombinovaného zdroje tepla ( KZT a je předmětem patentové ochrany).

Velkým přínosem je výroba zdravotně nezávadné TUV v kterémkoliv místě topného okruhu a je nezávislá na velikosti spotřeby. S výhodou lze nízko-teplotní systém vytápění instalovat do technicky vyhovujících stávajících rozvodů CZT.

Další nezanedbatelnou stránkou instalace nízko-teplotního systému vytápění jsou jasná pravidla rozúčtování energetických nákladů mezi jednotlivé uživatele. Základní tepelná energie je vytvářena pouze na "temperování" bytů a je nezbytná pro zajištění jejich hygienické nezávadnosti s ohledem na kondenzaci vodních par. Rozúčtování těchto nákladů je odvozeno od vytápěné podlahové plochy a má charakter zálohových plateb závislých na venkovní teplotě. druhou složkou platby je platba za spotřebovanou el.energii, která se jednoznačně měří elektroměrem a zahrnuje jak nutné doplňkové el.teplo (individuálně dle potřeby jednotlivých uživatelů bytu), tak celkovou spotřebu el.spotřebičů. Spotřeba TUV je měřena studeným vodoměrem násobena jasně definovaným koeficientem tepelného obsahu vody pro všechny byty stejně (při konstantní teplotě topné vody jsou stejné podmínky přestupu tepla).

Strategie provozu

Rozhodující pro spotřebu energií v nízko-teplotním systému vytápění je způsob provozování KJ během dne tzv. strategie provozu daného energetického systému. Strategie provozu optimalizuje vzájemnou vazbu mezi výrobou a spotřebou energií (tepla a elektřiny) při vytvoření výše deklarovaných energetických úspor bez nutnosti prodeje el.energie do vnější rozvodné sítě, ale současně v době kdy je výhodné mít možnost vytvořit přebytky špičkové el.energie a tyto prodejem do rozvodné sítě ekonomicky zhodnotit. Výchozí hodnotou požadované spotřeby energií jsou naměřené hodnoty. Jednotlivými strategiemi provozu KZT stanovujeme předpokládaný vzájemný poměr výroby tepla, elektřiny a úspor, kde energetické úspory jsou deklarovány na úkor výroby elektřiny při stejné předpokládané potřebě tepla.

Strategie A (PDF; 23,2 kB)

Celková výroba tepla pro topení je rozdělena na tři části: teplo, el.teplo a úspory tepla v poměru 50% tepla + 30% el. + 20% úspory = 100%, tzn., že např. měsíční výroba tepla v lednu v hodnotě 885[MWh] je ve strategii A rozdělena takto: 885 x 0,5 = 445[MWh] - měsíční výroba tepla, 885 x 0,3 = 265[MWh] - měsíční výroba elektřiny, 885 x 0,2 = 177[MWh] - měsíční úspory energie.

Strategie B (PDF; 23,2 kB)

Celková výroba tepla pro topení je opět rozdělena na tři části: teplo, el.teplo a úspory tepla v poměru 50% tepla + 10% el. + 40% úspory = 100%, tzn., že např. měsíční výroba tepla v lednu v hodnotě 885 je ve strategii A rozdělena následovně: 885 x 0,5 = 445[MWh] - měsíční výroba tepla, 885 x 0,1 = 89 [MWh] - měsíční výroba elektřiny, 885 x 0,4 = 354 [MWh] - měsíční úspory energie.

Průměrná roční úspora energií se bude pohybovat někde uprostřed. Uvedené limitní hodnoty úspor energií jsou uvedeny pro zjištění jejich vlivu na celkový ekonomický efekt investice uvedený dále v závěru tohoto článku.