Uplatnenie kogenerácie a energie prostredia v systémoch CZT

Pri zefektívnení existujúcich prevádzok zdrojov tepla sa musia aplikovať vysokoúčinné a alternatívne systémy.

Článok ukazuje návrh zefektívnenia existujúcej prevádzky zdroja tepla v systéme centralizovaného zásobovania teplom (SCZT) na sídlisku Západ v meste Brezno. Existujúci zdroj tepla pozostáva z troch teplovodných kotlov spaľujúcich zemný plyn. K doterajšej prevádzke pribudnú kogeneračná jednotka (KGJ) a tepelné čerpadlá (TČ) typu voda – voda.

Činnosť KGJ a TČ sa navrhuje bez vonkajšieho pripojenia na elektrickú sieť. Hlavným cieľom návrhu je zosúladiť výkon KGJ so spotrebou TČ a jeho periférie. Sústroj KGJ a TČ bude slúžiť na prípravu teplej vody (TV) akumulačným spôsobom.

Tok vykurovacej teplonosnej pracovnej látky prejde najskôr cez TČ a potom cez KGJ, ak však teplota pracovnej látky nebude dostatočná, prejde tok teplonosnej látky na prípravu TV aj kotlom. Reálne prevádzkové údaje, z ktorých sa vychádzalo pri návrhu, poskytol prevádzkovateľ zdroja tepla za obdobie rokov 2016 – 2018. Návrh sa posúdil z hľadiska energetiky, ekonomiky a ekológie.

Systémy CZT a obnoviteľné  zdroje energie

Systémy CZT spočívajú v centralizovanej výrobe a distribúcii tepelnej energie podzemnými rozvodmi do obytných domov, administratívnych budov, škôl a ostatných budov. Tieto systémy koncentrujú výrobu tepla na jednom mieste – v centrálnom zdroji tepla/teplovodnej kotolni, ktorá je väčšinou situovaná na okraji obytných zón a rešpektuje všetky bezpečnostné a environmentálne hľadiská.

SCZT zároveň umožňujú flexibilne reagovať na potreby pôvodných a nových odberateľov, čím sa zabraňuje budovaniu ďalších lokálnych zdrojov znečistenia ­ovzdušia. Budovy, ktoré sú napojené na SCZT, majú záruku bezpečnej a bezporuchovej dodávky tepla [10].

Vyčerpateľnosť fosílnych palív, klimatické zmeny či dôsledky ľudskej činnosti v podobe stúpajúcej úrovne koncentrácie atmosférického CO2 nútia spoločnosť uvažovať o potrebe využívania alternatívnych alebo obnoviteľných zdrojov energie (OZE).

Navyše, v budovách sa už viac ako 80 % energie v podobe tepla, chladu či elektrickej energie používa na zabezpečenie komfortu ich užívateľov pomocou energetických systémov, ako sú vykurovanie, vetranie a klimatizácia, príprava TV a elektroinštalácie [3, 5]. Európska únia preto prijíma vyhlášky, smernice a strategické dokumenty, ktorými sa usiluje o väčšie využívanie OZE a znižovanie energetickej náročnosti prevádzky budov [3].

V smernici Európskeho parlamentu a Rady č. 2010/31/EÚ z 19. mája 2010 o energetickej hospodárnosti budov sa okrem iného uvádza, že členské štáty EÚ nabádajú na to, aby sa v súvislosti s významne obnovovanými budovami zvažovali a zohľadňovali vysokoúčinné alternatívne systémy ako:
a) decentralizované systémy dodávky energie využívajúce energiu z OZE,
b) združená výroba tepla a elektrickej energie (kogenerácia),
c) blokové vykurovanie alebo centralizované zásobovanie teplom, resp. chladom, najmä ak sa pri ňom v úplnej miere alebo sčasti využíva energia z OZE,
d) využívanie energie prostredia prostredníctvom tepelných čerpadiel, ak sa to dá technicky, funkčne a ekonomicky zrealizovať [4].

V SCZT sa uplatňuje aj účinné CZT. Ide o taký systém CZT, ktorým sa dodáva aspoň 50 % tepla vyrobeného z OZE alebo z odpadového tepla z priemyselných procesov, 75 % tepla vyrobeného kombinovanou výrobou alebo 50 % tepla vyrobeného ich kombináciou [7].

Zefektívnenie prevádzky zdroja tepla na sídlisku Západ v Brezne

Budeme sa venovať súčasnému zdroju tepla z hľadiska jeho situovania, použitej technológie na výrobu tepla, vyhodnotenia energetickej bilancie za posledné tri roky, ďalej návrhu výkonu sústroja KGJ a TČ a návrhu objemu akumulačnej nádrže (AN) na teplú vodu.

Riešená oblasť

Združená výroba tepla a elektrickej energie prostredníctvom KGJ a TČ sa navrhuje na sídlisku Západ v okresnom meste Brezno. Riešenú teplovodnú kotolňu tvorí samostatne stojaci objekt situovaný v blízkosti rieky Hron v obytnej zástavbe Štvrte Ladislava Novomeského.

Blízkosť vodného toku (obr. 1) vytvára predpoklad, že v okolitom podloží bude nadbytok podzemnej vody – nízkoteplotnej energie, ktorá sa pretransformuje na vyššiu teplotnú úroveň návrhom TČ typu voda – voda [1, 3].

Centrálna teplovodná kotolňa zásobuje vykurovaciu sústavu teplonosnou pracovnou látkou a zabezpečuje prípravu TV pre 782 bytov, zimný štadión, reštauračné zariadenie a penzión pre dôchodcov. Celková dĺžka teplovodných sietí umiestnených pod úrovňou terénu v teplovodných kanáloch je 1 458 m [9].

Súčasný stav plynovej kotolne

Počas vykurovacej sezóny prebieha neprerušovaná 24-hodinová prevádzka. V letnom období je teplovodná kotolňa v prevádzke od 4.00 do 23.00 h, teda 19 hodín. Teplonosnou pracovnou látkou je vykurovacia voda s pôvodným výpočtovým tepelným spádom 90/70 °C.

Zdrojom tepla sú tri teplovodné stacionárne kotly s celkovým tepelným výkonom 6,76 MW. Za každým z týchto kotlov je zaradený spalinový výmenník tepla. Príprava TV sa realizuje v doskových výmenníkoch tepla v sériovom zapojení ako predohrev a ohrev vody so zaústením cirkulácie medzi tieto výmenníky z dôvodu lepšieho vychladenia vratnej vykurovacej vody do kotlov.

Studená voda je pred doskovými výmenníkmi predhriata v kondenzačných ekonomizéroch (spalinových výmenníkoch tepla) napojených na 6 300-litrovú zásobnú nádrž predhriatej vody, slúžiacu na akumuláciu TV v čase, keď je odber TV malý alebo žiadny [1].

Energetická bilancia riešeného zdroja tepla

V rámci podkladov sme získali hodinové odbery zemného plynu (ZP) za roky 2016 – 2018. Z grafu na obr. 2 logicky vyplýva, že najväčší odber ZP bol vo vykurovacom období a najnižší v letnom období. Veľkosť odberu ZP zároveň závisí od klimatických podmienok v danom období.

Prenásobením hodnôt odberov ZP výhrevnosťou paliva sa dopracujeme k celkovému množstvu tepla obsiahnutého v ZP. Porovnanie ročných odberov ZP a celkového tepla obsiahnutého v ZP ukazuje, že odber ZP, a tým pádom aj hodnota celkového tepla v ZP boli najväčšie v roku 2017. Naopak, v roku 2018 bol odber ZP oproti roku 2017 o 11,6 % menší, o čom svedčí aj graf na obr. 3 [1].

Návrh výkonu sústroja KGJ a TČ

KGJ a TČ sa nainštalujú k existujúcej prevádzke zdroja tepla – teplovodným kotlom. Zdrojom energie na pohon KGJ bude ZP. Zdrojom energie na pohon TČ bude elektrická energia, ktorú vyrobí KGJ. Sústroj KGJ a TČ bude slúžiť na prípravu TV akumulačným spôsobom.

Akumulačná nádoba bude umiestnená za KGJ a TČ, pričom v čase, keď bude znížená požiadavka na odber TV, sa v nej bude ohriata TV akumulovať, v čase zvýšenej potreby sa voda dodá do siete. Podstatou návrhu je zabezpečiť pravidelnosť prevádzky zariadení – aby pracovali čo najdlhšie a mali minimum štartov.

Na to, aby sa mohol stanoviť optimálny tepelný výkon zariadenia, je dobré poznať spotrebu TV počas 24 hodín. Tepelný výkon zariadenia môžeme stanoviť na základe priemernej hodinovej potreby tepla na prípravu TV, vychádzať sa bude z hodinových spotrieb v mesiaci jún.

Predmetom porovnávania sú dva pracovné dni (pondelok, streda) a jeden voľný deň – sobota. Na grafe na obr. 4 vidieť dodávku TV medzi 4.00 a 23.00 h, teda spomínaných 19 hodín. V pracovných dňoch je spotreba TV najvyššia v ranných a večerných hodinách.

Počas víkendov je odber TV oproti pracovným dňom zvýšený a v priemere rovnaký počas celého dňa. Priemerná hodinová potreba tepla na prípravu TV v roku 2016 predstavovala 275 kW, v roku 2017 to bolo 280 kW a v roku 2018 predstavovala potreba tepla na prípravu TV 267 kW [1].

Porovnaním údajov za roky 2016 až 2018 sa tepelný výkon sústroja KGJ a dvoch TČ stanovil na 270 kW. Sústroj KGJ a TČ bude umiestnený pred kotlami v smere toku vratnej vykurovacej vody. Vratná teplonosná pracovná látka (vykurovacia voda) má teplotu 45 °C. Našou úlohou je vyrobiť teplonosnú pracovnú látku s teplotou 60 °C.

Teplotný spád v sústave prípravy TV je teda 60/45 °C, čo znamená že rozdiel teplôt ∆θ = 15 K. Veľmi dôležitým parametrom pri návrhu tepelných výkonov zariadení je aj objemový prietok, ktorý bude sústavou pretekať. Musí platiť, že objemový prietok, ktorý vstupuje do sústavy, sa musí rovnať objemovému prietoku, ktorý z nej vystupuje.

Objemový prietok pri tepelnom výkone sústavy 270 kW a teplotnom rozdiele 15 K predstavuje 15,48 m3/h. TČ pracuje s tepelným spádom primárneho okruhu 5/1 °C, čo znamená, že do TČ vstupuje nízkoteplotný zdroj tepla (podzemná voda zo studní), ktorý sa v ňom transformuje na vyššiu teplotu. Tú potom odovzdá sekundárnemu okruhu vykurovacej sústavy.

Do TČ vstupuje vratná vykurovacia voda s teplotou 45 °C, ktorá sa v ňom ohreje o 10 K, čo znamená, že na výstupe z TČ bude teplota vody 55 °C. Rozdiel teplôt je ∆θ = 10 K a objemový prietok, ktorý preteká obomi TČ, je M = 15,48 m3/h. Výpočtom sa stanovil tepelný výkon oboch TČ na 180 kW. Z toho vyplýva, že tepelný výkon KGJ bude 90 kW.

Vzhľadom na to, že KGJ štandardne pracuje s teplotným spádom ∆θ = 20 K, to znamená, že ak do KGJ vstúpi voda s teplotou 55 °C, v KGJ sa ohreje a na výstupe z nej bude mať teplotu 75 °C. Z toho možno stanoviť, aký objemový prietok musí KGJ odobrať, aby na výstupe zo sústroja a pred vstupom do akumulačnej nádrže dosiahla TV teplotu 60 °C.

Objemový prietok odobraný KGJ predstavuje 3,87 m3/h. Na lepšiu regulovateľnosť systému sa navrhnú dve rovnaké dvojstupňové TČ typu voda – voda. Výhodou dvojstupňového TČ je, že má dva výkonové stupne a možno ho teda prevádzkovať na jeden kompresor s polovičným výkonom. Vzhľadom na to, že v TČ dochádza k ochladzovaniu primárnej teplonosnej látky (čerpanej vody), mohlo by dôjsť k jej zamŕzaniu a k tvorbe námrazy na výparníku TČ, čím by sa čerpadlo po určitom čase úplne znehodnotilo.

Preto sme sa rozhodli použiť v primárnom okruhu oddeľovací výmenník tepla, ktorého úlohou je zabezpečiť medzi čerpanou podzemnou vodou a TČ medziokruh s nemrznúcou kvapalinou. Podrobným prepočtom sme sa dopracovali k návrhu dvoch rovnakých TČ, pričom tepelný výkon jedného predstavuje 89,6 kW.

Na to, aby KGJ spolu s TČ vytvárala sústroj, treba zladiť nielen ich tepelné výkony, ale aj elektrické príkony, keďže KGJ bude zásobovať elektrickou energiou TČ. Spolupôsobenie TČ a KGJ sa nasimulovalo pomocou výpočtových programov v spolupráci s dodávateľom týchto zariadení. Z troch uskutočnených simulácií sa vybrala najvhodnejšia, čím sa tepelný výkon KGJ stanovil na 90 kW [1].

Návrh objemu akumulačnej nádrže

Počas prevádzky KGJ a TČ vo vykurovacom období sa všetka tepelná energia vyrobená týmito zariadeniami spotrebuje na prípravu TV a na ohrev vykurovacej vody. V letnom období, keď sa vyrobená tepelná energia spotrebúva len na prípravu TV, môže dochádzať k nadbytkom vyrobeného tepla.

Tieto nadbytky sa musia umiestniť do AN teplej vody, z ktorej sa odoberú v prípade väčšej potreby tepelnej energie počas prevádzkovej špičky. Ak by sa táto nadbytočná energia neakumulovala, ale prúdila by do systému, mohla by sa postupne zvyšovať teplota vratnej vykurovacej vody vstupujúcej do TČ, čím by došlo k javu, keď by TČ začali vykurovať samy seba, až by sa úplne vypli.

Vzhľadom na to, že sa navrhli dve dvojstupňové TČ, vieme ich tepelný výkon podľa vhodne zvolenej regulácie regulovať. Čo sa týka veľkosti tepelného výkonu KGJ, počas regulovania tepelného výkonu TČ sa jej výkon bude tiež meniť.

Vzhľadom na známe hodinové spotreby tepla na prípravu TV (kWh) počas letného obdobia v rokoch 2016 až 2018 [8] sa stanovila priemerná spotreba tepla na prípravu TV počas 24 hodín v jednotlivých rokoch. Z týchto hodinových spotrieb sa vypočítala kumulatívna spotreba tepla na prípravu TV.

Keďže je snahou zbytočne neakumulovať veľké množstvo TV, bude sa vyrobené množstvo tepelnej energie regulovať podľa potreby tepla na prípravu TV. Z vyrobeného tepla na prípravu TV v jednotlivých hodinách sa opäť napočítala kumulatívna výroba tepla na prípravu TV. Rozdiel medzi kumulatívnou výrobou tepla potrebného na prípravu TV a kumulatívnou spotrebou tepla na prípravu TV vyjadruje, koľko tepla treba akumulovať v AN.

Výsledky ukázali, že najväčšie množstvo tepla, ktoré sa musí naakumulovať, má hodnotu 135 kWh. Na ňu sa teda navrhla AN. Na zistenie objemu, ktorý musí AN naakumulovať za hodinu, sa použil vzťah na výpočet objemového prietoku. Objem, ktorý musí AN prijať za jednu hodinu, predstavuje 7 740 l.

Po preskúmaní katalógových listov od rôznych výrobcov sme sa rozhodli navrhnúť akumulačnú nádrž s objemom 10 000 l. Medzi dôvody tohto návrhu patrila rezerva v prípade väčšej potreby akumulácie TV a tiež typizovaný výrobný rozmer zariadenia, keďže sme nechceli navrhovať atypické zariadenia [1].

Zhodnotenie navrhovaného riešenia

Pre aplikáciu KGJ a TČ v danej prevádzke sme sa rozhodli vzhľadom na to, že SCZT majú potenciál pre vysoko účinnú kombinovanú výrobu elektriny a tepla spaľovaním ZP a efektívne využívanie energie prostredia prostredníctvom TČ.

Aplikáciou KGJ a TČ k existujúcej prevádzke teplovodných plynových kotlov sa ušetrí 7 973 m3 ZP. Z hľadiska energetiky sa vyrobí rovnaké alebo väčšie množstvo tepelnej energie, no spotrebuje sa menej paliva. Z hľadiska ekológie ide o využívanie nízkopotenciálneho zdroja tepla – podzemnej vody –, ktorú nijako neznečisťujeme.

Zároveň sa šetrí fosílnym palivom (zemným plynom), ktorého zásoby sa postupne míňajú.
Čo sa týka ekonomiky, úsporou paliva sa šetria aj financie, ktoré by sa inak minuli na nákup paliva. Ročná úspora na ZP predstavuje 3 631 €. Vzhľadom na to, že elektrická energia (EE) sa vyrába vysokoúčinnou kombinovanou výrobou, možno si uplatniť aj nárok na doplatok v zmysle vyhlášky Úradu pre reguláciu sieťových odvetví č. 18/2017 Z. z., ktorou sa stanovuje cenová regulácia v elektroenergetike [6].

Ročné tržby za vysokoúčinnú kombinovanú výrobu EE predstavujú 19 600 €. Z hľadiska energetiky a ekonomiky možno návrh hodnotiť pozitívne, keďže predstavuje viac-menej sebestačný systém. Elektrickú energiu vyrába KGJ – bez závislosti od dodávok EE z verejnej siete s výnimkou tých prípadov, keď je na KGJ porucha alebo údržba. Pozitívne možno hodnotiť aj ročné tržby za kombinovanú výrobu EE.

KGJ by sa mohla pripojiť aj na verejnú elektrickú sieť, no v čase, keď sa optimalizácia riešila, platil STOP-STAV na pripájanie nových väčších zdrojov elektrickej energie.

Záver

V záujme zabezpečiť zefektívnenie energetiky sa staré technológie zdrojov tepla postupne nahrádzajú modernými technologickými zariadeniami. Za takéto zariadenia môžeme považovať aj KGJ a TČ. Môžu sa inštalovať samostatne, ale ako sme ukázali, je tu aj predpoklad vzájomného spolupôsobenia oboch zariadení súčasne. V prvom rade je dôležité stanoviť si oblasť prevádzkovania zariadení, na čo má vplyv aj stanovenie tepelných a elektrických výkonov.

My sme sa rozhodli prostredníctvom týchto zariadení navrhnúť výrobu tepla potrebného na prípravu TV akumulačným spôsobom, hlavne v letnom období. Podľa tohto návrhu sa počas vykurovacej sezóny teplo vyrobené navyše nebude akumulovať, ale bude sa dodávať do siete vykurovania. Výsledkom je návrh, ktorý šetrí primárnym zdrojom energie (zemným plynom) a využíva energiu prostredia (podzemnú vodu) prostredníctvom tepelných čerpadiel.