stáhnout - Energetický region

Transkript

České Budějovice 2012
Studijní opora pro studenty prezenčního a kombinovaného studia
Tato publikace byla vytvořena v rámci realizace projektu Efektivní energetický region Jižní Čechy – Dolní Bavorsko
Zadavatel:
Jihočeská hospodářská komora
Husova 9
370 01 České Budějovice
Zpracovatel:
Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích
Okružní 517/10
370 01 České Budějovice
EVROPSKÁ
UNIE
Evropský fond pro
regionální rozvoj
Tento projekt je financován Evropskou Unií prostřednictvím Evropského fondu pro regionální rozvoj v rámci programu Evropská územní spolupráce – Cíl 3 Česká republika – Svobodný stát Bavorsko 2007 – 2013.
Obsah
Obsah .......................................................................................................................................... 2
Průvodce studiem předmětu ....................................................................................................... 3
Základní okruhy studia ............................................................................................................... 3
Průběh studia, zakončení, komunikace ...................................................................................... 4
Poděkování za spolupráci ........................................................................................................... 4
Kapitola 1: Legislativa - Význam OZE v České Republice a Evropě ....................................... 5
Kapitola 2: Terminologie ......................................................................................................... 17
Kapitola 3: Geotermální energie .............................................................................................. 23
Kapitola 4: Biomasa ................................................................................................................. 29
Kapitola 5: Fotovoltaika ........................................................................................................... 39
Kapitola 6: Energie větru ......................................................................................................... 64
Kapitola 7: Kogenerace ............................................................................................................ 73
Kapitola 8: Akumulace............................................................................................................. 86
Kapitola 9: Zdroje tepelné energie ve vztahu k nízkoenergetické a pasivní výstavbě ......... 94
Kapitola 10: Teplovzdušné vytápění, řízené větrání .......................................................... 107
Souhrn doporučené literatury ................................................................................................. 123
Průvodce studiem předmětu
Tato učební opora pro předmět PTV – Progresivní technologie ve výstavbě je určena
studentům prezenčního a kombinovaného studia.
Opora podá studentům základní informace o obnovitelných zdrojích energie. Cílem předmětu
je seznámit studenta se:
1) Základní problematikou vytápění a zdroji tepelné energie ve vztahu k nízkoenergetické a
pasivní výstavbě. Studenti získají informace o legislativě a terminologii.
2) Student se bude orientovat v problematice fotovoltaických kolektorů, kogenerace, větrné
energie, akumulace, teplovzdušného vytápění a řízeného větrání.
3) Student se bude dobře orientovat v oblasti tepelných čerpadel a odborné terminologie.
Student bude znát jednotlivé typy tepelných čerpadel, bilanční výpočty vyrobené energie
včetně ekonomiky provozu (součástí budou i vzorové výpočty).
4) Student bude znát rozdělení a výhřevnost biomasy, včetně zdrojů tepelné energie. Součástí
výuky bude i popis ORC zařízení a student se bude zabývat i ekonomikou provozu zdrojů na
biomasu.
Základní okruhy studia
1. Legislativa - Význam OZE v České Republice a Evropě.
2. Terminologie.
3. Geotermální energie.
4. Biomasa.
5. Fotovoltaika.
6. Energie větru.
7. Kogenerace.
8. Akumulace.
9. Zdroje tepelné energie ve vztahu k nízkoenergetické a pasivní výstavbě.
10. Teplovzdušné vytápění, řízené větrání.
3
Průběh studia, zakončení, komunikace
Průběh studia, zakončení:
-
Bloková výuka - seminář
Seminární práce – témata zadaná cvičícím
Zápočet
Student zpracovává v průběhu semestru seminární práci. Téma seminární práce musí být
odsouhlasena cvičícím. Seminární práce musí být odevzdána nejpozději v zápočtovém týdnu.
Předmět je ukončen zápočtem, který je udělen na základě včasně odevzdané a prezentované
seminární práce a splněné 70 % docházky na blokovou výuku.
Další informace jsou uvedeny v Informačním systému VŠTE, kde je také uveden způsob
komunikace mezi studentem a vyučujícím (tutorem). Kromě kontaktní výuky bude využívána
zejména komunikace prostřednictvím Internetu. Každý vyučující i student VŠTE má
zavedenu svoji emailovou adresu a další formy komunikace jsou možné i přes Informační
systém VŠTE.
Poděkování za spolupráci
Vytvoření této opory bylo financováno z programu přeshraniční spolupráce Cíl 3 – Česká
republika – Svobodný stát Bavorsko 2007 – 2013. Poděkování patří především Jihočeské
hospodářské komoře a přednášejícím ze Strojní fakulty ČVUT - Ing. Jan Schwarzer, Ph.D.,
Doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D., kteří poskytli podklady pro vytvoření tohoto studijního
materiálu.
4
Kapitola 1: Legislativa - Význam OZE v České Republice a
Evropě
Klíčové pojmy:
OZE, státní dotace, spotřeba energie, tuna ropného ekvivalentu, energetická závislost
Cíle kapitoly:
-
základní znalost smluv, směrnic a zákonů týkajících se hospodaření s energií a
využití alternativních zdrojů energie,
-
získání představy o množství získané energie z jednotlivých obnovitelných zdrojů
energie,
-
získání představy o množství spotřebované energie v jednotlivých odvětvích,
-
znalost zákona č. 406/2000 Sb. o hospodaření s energií.
Čas potřebný ke studiu kapitoly: 7 hodin
Výklad:
SMLOUVA O ZALOŽENÍ EVROPSKÉHO SPOLEČENSTVÍ
(Přijata 25. 3. 1957, současné znění z 2. 10. 1997)
HLAVA XIX (ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ), Článek 175, odkaz na čl. 174
1. Politika Společenství v oblasti životního prostředí přispívá k sledování následujících cílů:
– udržování, ochrana a zlepšování kvality životního prostředí,
– ochrana lidského zdraví,
– obezřetné a racionální využívání přírodních zdrojů,
– podpora opatření na mezinárodní úrovni, čelících regionálním a celosvětovým
problémům životního prostředí.
5
2. Politika Společenství v oblasti životního prostředí je zaměřena na vysokou úroveň ochrany,
přičemž přihlíží k rozdílné situaci v jednotlivých regionech Společenství. Je založena na
zásadách obezřetnosti a prevence, odvracení ohrožení životního prostředí především u zdroje
a na zásadě „znečišťovatel platí“.
3. Při přípravě politiky v oblasti životního prostředí přihlédne Společenství k dostupným
vědeckým a technickým údajům, podmínkám životního prostředí v různých regionech
Společenství, možnému prospěchu a nákladům plynoucím z činnosti nebo nečinnosti a
hospodářskému a sociálnímu rozvoji Společenství jako celku a vyváženému rozvoji jeho
regionů.
4. V rámci svých pravomocí spolupracují Společenství a členské státy se třetími zeměmi a s
příslušnými mezinárodními organizacemi.
SMLOUVA O FUNGOVÁNÍ EVROPSKÉ UNIE (30. 3. 2010)
HLAVA XXI (ENERGETIKA), Článek 194
1. V rámci vytváření a fungování vnitřního trhu a s přihlédnutím k potřebě chránit a zlepšovat
životní prostředí má politika Unie v oblasti energetiky v duchu solidarity mezi členskými
státy za cíl:
a) zajistit fungování trhu s energií;
b) zajistit bezpečnost dodávek energie v Unii;
c) podporovat energetickou účinnost a úspory energie jakož i rozvoj nových a
obnovitelných zdrojů energie;
d) podporovat propojení energetických sítí.
SMĚRNICE EP A RADY 2002/91/ES
O energetické náročnosti budov (odkaz na smlouvu o založení ES, čl. 175)
Přepracování Směrnice Evropského Parlamentu a Rady 2010/31/EU
O energetické náročnosti budov (odkaz na smlouvu o fungování EU, čl. 194)
Schváleno:
19. 5. 2010
Účinnost od: 9. 7. 2010
6
Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/31/EU
Článek 6
Nové budovy
U nových budov členské státy zajistí, aby před zahájením výstavby byla posouzena a vzata
v úvahu technická, environmentální a ekonomická proveditelnost vysoce účinných
alternativních systémů, jako jsou systémy uvedené níže, jsou-li k dispozici:
a) místní systémy dodávky energie využívající energii z obnovitelných zdrojů;
b) kombinovaná výroba tepla a elektřiny;
c) ústřední nebo blokové vytápění nebo chlazení, zejména využívá-li zčásti nebo
zcela energii z obnovitelných zdrojů;
d) tepelná čerpadla.
Článek 9
Budovy s téměř nulovou spotřebou energie
1. Členské státy zajistí, aby:
a) do 31. prosince 2020 všechny nové budovy byly budovami s téměř nulovou
spotřebou energie a
b) po dni 31. prosince 2018 nové budovy užívané a vlastněné orgány veřejné moci
byly budovami s téměř nulovou spotřebou energie.
Definice OZE v České Republice
Zákon č. 406/2000 Sb. o hospodaření energií se změnami:
359/2003 Sb., 694/2004 Sb., 180/2005 Sb., 177/2006 Sb., 214/2006 Sb., 574/2006 Sb.,
186/2006 Sb., 393/2007 Sb., 124/2008 Sb., 223/2009 Sb., 299/2011 Sb.
7
Energie větru, energie slunečního záření, geotermální energie, energie vody, energie půdy,
energie vzduchu, energie biomasy, energie skládkového plynu, kalového plynu a energie
bioplynu.
Tab. 1.1 Podíl na výrobě EE z OZE
Hrubá spotřeba elektřiny v České republice v roce 2011 byla 70,52 TWh. Podíl výroby
elektřiny z obnovitelných zdrojů na hrubé tuzemské spotřebě elektřiny dosáhl 10,28 %.
Tab. 1.2 Podíl na výrobě EE z OZE
OZE
(MWh/rok)
2006
2007
2008
2009
2010
2011
MVE do
10MW
964 400
1 001 845
966 884
1 082 683
1 238 819
1 017 878
VE nad 10MW
1 586 330
1 077 493
1 057 451
1 346 937
1 550 655
945 276
Biomasa
728 526
993 360
1 231 210
1 436 848
1 511 911
1 682 563
Bioplyn
172 589
182 699
213 632
414 235
598 755
932 576
Komun. odpad
11 260
11 260
11 684
10 937
35 580
90 190
VtE
49 375
125 098
244 661
288 067
335 493
397 003
FVE
170
1 754
12 937
88 807
615 702
2 182 018
Celkem z
OZE
3 512 650
3 394 224
3 738 459
4 668 514
5 886 915
7 247 504
Spotřeba el.
71 730 000
72 050 000
72 050 000
68 600 000
70 960 000
72 520 000
Podíl OZE
4,90%
4,71%
5,19%
6,81%
8,30%
10,28%
8
Graf 1.1 Předpokládaný vývoj a podíl na spotřebě energie
Obr. 1.1 Energie dopadající na zemský povrch za jeden rok (kWh/m2) – celý svět
9
Obr. 1.2 Energie dopadající na zemský povrch za jeden rok (kWh/m2) - Evropa
Obr. 1.3 Energie dopadající na zemský povrch za jeden rok (kWh/m2) – Česká
republika (zprůměrované hodnoty za posledních 50 let)
Zákon č. 406/2000 Sb. o hospodaření s energií
HLAVA III
STÁTNÍ PROGRAM NA PODPORU ÚSPOR ENERGIE A VYUŽITÍ OBNOVITELNÝCH
ZDROJŮ ENERGIE
§5
10
(4) K uskutečnění Programu mohou být poskytovány dotace ze státního rozpočtu na:
a) energeticky úsporná opatření ke zvyšování účinnosti užití energie a snižování
energetické náročnosti budov,
b) rozvoj využívání kombinované výroby elektřiny a tepla a dále druhotných
energetických zdrojů,
c) modernizaci výrobních a rozvodných zařízení energie,
d) moderní technologie a materiály pro energeticky úsporná opatření,
e) rozvoj využívání obnovitelných a druhotných zdrojů energie,
f) rozvoj energetického využití komunálních odpadů,
g) osvětu, výchovu, vzdělávání a poradenství v oblasti nakládání s energií,
h) vědu, výzkum a vývoj v oblasti nakládání s energií, energetických úspor a využití
obnovitelných zdrojů energie,
i) zpracování územní energetické koncepce a nástrojů na její realizaci,
j) zavádění průkazu energetické náročnosti budov a provádění energetických auditů,
pobídky malým, středním a velmi malým podnikům vyrábějícím energetické spotřebiče k
zavádění nových postupů vedoucích ke splnění požadavků na ekodesign.
Motivace pro uplatňování OZE
- Ochrana životního prostředí.
- Omezenost zásob fosilních paliv a negativní vliv jejich využívání na ŽP.
- Vývoj technologií a dotační podpory projektů (návratnost investic do OZE).
- Legislativní podpora (garantované výkupní ceny elektřiny a povinnost výkupu elektřiny);
Energetický zákon 458/2000.
- Možnost dalších výnosů z projektů OZE (např. prodej úspor emisí skleníkových plynů).
- Sociální přínosy OZE (např. - tržby do obecních rozpočtů, nová pracovní místa, přínos
pro národní hospodářství - odvody daní, snižování výdajů na nezaměstnanost).
Zdroj: www.keajc.cz
11
Další motivace pro uplatňování OZE:
politická
Tab. 1.3 Konečná spotřeba energie (1000 tun ropného ekvivalentu, 2008)
Konečná spotřeba energie
Zdroj:
EUROSTAT
1000 tun ropného
ekvivalentu/rok 1)
TJ/rok 2)
ČR
25 353
1 140 885
Německo
224 007
10 080 315
Rakousko
26 984
1 214 280
EU (25 zemí)
1 134 109
51 034 905
1) Ukazatel vyjadřuje množství energie dodané ke konečnému spotřebiteli pro všechny
typy využití energie. Představuje sumu konečné spotřeby energie v průmyslu, dopravě,
v domácnostech, službách, zemědělství atd.
2) Při výhřevnosti ropy H = 45 (MJ/kg)
Konečná spotřeba energie (TJ/rok)
Graf 1.2 Konečná spotřeba energie (TJ/rok)
12 000 000
ČR
11 000 000
10 080 315
10 000 000
Německo
9 000 000
8 000 000
Rakousko
7 000 000
6 000 000
5 000 000
4 000 000
3 000 000
2 000 000
1 214 280
1 140 885
1 000 000
0
ČR
Německo
Rakousko
12
Graf 1.3 Konečná spotřeba energie - členění podle odvětví; EU (25 zemí): 51 034 905
(TJ/rok)
1%
EU
12%
27%
2%
Průmysl
Doprava
Domácnosti
Zemědělství
25%
Služby
Ostatní odvětví
33%
Tab. 1.4 Konečná spotřeba energie - členění podle odvětví
ČR
Německo
Rakousko
(%)
(%)
(%)
Průmysl
35,9
27,0
32,7
Doprava
25,5
27,4
31,2
Domácnosti
22,9
30,4
24,1
Zemědělství
2,0
0,4
2,2
Služby
12,3
11,6
9,8
Ostatní odvětví
1,3
3,1
0,0
Odvětví
13
Graf 1.3 Energetická závislost
Uhlí
Energetická závislost (%)
100
90
69,9
63,4
70
50
30
ČR
10
-10
Německo
ČR
Německo Rakousko
EU
Rakousko
-30
EU
-50
100
-40,3
98,7
Zemní plyn
87,2
84,5
80
63
60
ČR
40
Německo
Rakousko
20
EU
0
ČR
Německo Rakousko
EU
Zemní plyn
100
80
63
60
Rusko
40
20
EU
0
EU
Rusko: 80 (%) evropských zásob zemního plynu; kryje téměř 30 % ZP z celoevropské
spotřeby EU
… snížení energetické (politické) závislosti
14
Situace se může změnit
Priorita: snížit závislost na dovozu zemního plynu a ropy; pokud se týká zemního plynu z
Ruska, mohl by být do budoucna dodávky nahrazeny břidlicovým plynem.
Břidlicový plyn je v podstatě metan, který je v několikakilometrové hloubce rozptýlený v
břidlicích. Samotný průzkumný vrt pro přírodu a krajinu žádné ohrožení znamenat nemusí.
Při těžbě se však využívají i chemikálie, které by mohly znečistit zásoby podzemní vody.
Metoda tzv. hydraulického štěpení spočívá v tom, že se vyvrtá až 4 kilometry svislý vrt, a vrt
vodorovný. Ve vodorovné části se vytvoří síť trhlin a do vrtu se pod vysokým tlakem 10 - 100
(Mpa) vhání voda s příměsí písku a chemických látek.
Reálná těžba již probíhá hlavně v USA. V Evropě se zatím zkoumají jeho zásoby, přičemž
Francie a Bulharsko průzkum zastavily.
Zdroj: Jiří Hanzlíček
Spojené státy se díky těžbě plynu z břidlic stávají z velkého dovozce zemního plynu jeho
vývozcem.
V USA se plyn těží i v ceně 88 dolarů za tisíc kubických metrů.
Rusko za svůj plyn vyvážený do Evropy požaduje kolem 600 dolarů za tisíc kubíků.
Vzestup cen plynu začíná být spolu se zdražováním cen všech energií pro konečné české
uživatele, tedy domácnosti limitujícím faktorem ke snižující se životní úrovni.
Distribuce plynu v kapalné formě – terminály.
Studijní materiály:
Doporučené studijní zdroje:
Internetový portál Euroskop: Integrovaný informační systém [online]. Místo: Vláda České
republiky, © 2005 [cit. 2012-12-01]. Dostupné z: http://www.euroskop.cz/gallery/2/756smlouva_o_es_nice.pdf.
Internetový portál EUR-Lex: Úřední věstník Evropské unie [online]. Místo: Úřad pro
publikace Evropské unie, © 2011 [cit. 2012-12-01]. Dostupné z: http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:C:2010:083:0047:0200:CS:PDF.
15
Internetový portál Tzb-info: Internetový portál pro TZB [online]. Místo: Topinfo s.r.o.,
Thákurova 531/4, 160 00 Praha 6, © 2001 [cit. 2012-12-01]. Dostupné z: http://www.tzbinfo.cz/pravni-predpisy/smernice-evropskeho-parlamentu-a-rady-2010-31-eu-o-energetickenarocnosti-budov-prepracovani.
Thákurova 531/4, 160 00 Praha 6, © 2001 [cit. 2012-12-01]. Dostupné z: http://www.tzbinfo.cz/pravni-predpisy/zakon-c-406-2000-sb-o-hospodareni-energii.
Internetový portál KEA: Krajská energetická agentura Jihočeského kraje [online]. Místo:
České Budějovice, © 2007 [cit. 2012-12-01]. Dostupné z: http://www.keajc.cz/.
Internetový portál CEP: Centrum pro ekonomiku a politiku [online]. Místo: Praha, © 2005
[cit. 2012-12-01]. Dostupné z: http://cepin.cz/cze/clanek.php?ID=1099.
Otázky a úkoly
1) Vyjmenujte obnovitelné zdroje energie.
2) Porovnejte energetickou závislost ČR na uhlí a zemním plynu s Rakouskem a
Německem.
3) Vyjmenujte smlouvy, směrnice a zákony, které byly zmíněny v této kapitole a krátce
popište, čeho se týkají.
Úkoly k zamyšlení a diskuzi
1) Diskutujte o způsobech motivace lidí k využívání OZE.
2) Zamyslete se nad tím, jaký je podíl vyrobené elektrické energie z OZE na celkové
spotřebě el. energie v ČR.
Klíč k řešení otázek:
1) Viz výklad.
2) Viz výklad.
3) Viz výklad.
16
Kapitola 2: Terminologie
Klíčové pojmy:
energetická náročnost, dodaná energie, užitečná energie, systémová
energonositel, výhřevnost, bilance, účinnost zdroje, pomocná energie
hranice,
Cíle kapitoly:
-
pochopení významu hodinové, měsíční a sezónní bilance,
-
porozumění základním pojmům (energetická náročnost, dodaná energie atd.),
-
znalost výpočtu účinnosti zdroje.
Výklad:
Energetická náročnost
Roční spotřeba energie (GJ/rok, kWh/rok)
Měrná roční spotřeba energie (kWh/rok,m2)
Dodaná energie QDOD (GJ/rok)
Energie dodaná do budovy (areálu) na její systémové hranici.
Užitečná energie QUŽ (GJ/rok)
Energie dodávaná energetickými systémy budovy k zabezpečení požadovaných parametrů
(vnitřní teplota, vlhkost, osvětlení, větrání a příprava teplé vody, včetně využitelných zisků a
ztrát).
17
Systémová hranice
Budova: plocha tvořená vnějším povrchem konstrukcí ohraničujících zónu
Obr. 2.1 Systémová hranice
Energonositel
Hmota nebo jev, které mohou být použity k výrobě mechanické práce nebo tepla nebo na
ovládání chemických nebo fyzikálních procesů (Elektrická energie, zemní plyn, uhlí, atd.).
Výhřevnost
Vlastnost paliva, která udává, kolik energie Q (MJ) se uvolní úplným spálením jedné jednotky
(1 kg, 1 m3)
Q (GJ/rok)
.1000
VZP (m3 /rok)
Tab. 2.1 Výhřevnost paliva
Pro ZP:
H (MJ/m3 ) 
PALIVO
VÝHŘEVNOST
Černé uhlí A
26,0 - 30,0
MJ/kg
Černé uhlí B
18,8 – 26,0
MJ/kg
Hnědé uhlí A
15,4 - 18,00
MJ/kg
Hnědé uhlí B
14,0 - 16,3
MJ/kg
18
Dřevo
14,6 - 16,3
MJ/kg
Propan - kapalný
46,3
MJ/l
Propan - plynný
93,6
MJ/m3
Topná nafta
41,9
MJ/l
Topný olej lehký
42,3
MJ/l
Topný olej těžký
40,8
MJ/l
Zemní plyn tranzitní
35,0
MJ/m3
Bilanční hodnocení
Hodnocení založené na výpočtech energie užívané nebo předpokládané k užití v budově pro
vytápění, větrání, chlazení, klimatizaci, přípravu teplé vody a osvětlení, za standardizovaného
užívání budovy (sezónní, měsíční, hodinové).
Bilance
- sezónní
- měsíční
- hodinová
Graf 2.1 Roční spotřeba tepelné energie pro vytápění (měsíční hodnocení)
19
Bilance
- sezónní
- měsíční
- hodinová
Tab. 2.2 Hodinové hodnocení
Účinnost zdroje ηZDROJ (-)
Schopnost zdroje přeměnit dodanou energii (energii z energonositele) na energii užitečnou.
η ZDROJ 
Q UŽ
Q DOD
QDOD  QUŽ  QZTRÁTY
Obr. 2.2 Účinnost zdroje
20
Tab. 2.3 Účinnost zdroje ηZDROJ (-)
Zdroj tepelné energie
do výkonu 0,5 (MW)
ηZDROJ Starý
ηZDROJ Nový
Kotel na hnědé uhlí
66
84
Kotel na černé uhlí
68
87
Kotel na zemní plyn
85
95
Kotel na propan
85
95
Pomocná energie QPOM (GJ/rok)
Energie užívaná systémy vytápění, větrání, chlazení, klimatizace a přípravy teplé vody k
zajištění provozu zařízení měnících dodanou energii na využitelnou energii a dodávku energie
do zóny.
Tab. 2.4 Pomocná energie
Stará výstavba
Nová výstavba
Vytápění (GJ/rok)
800
Čerpadla (GJ/rok)
31,5
Vytápění (GJ/rok)
200
Čerpadla (GJ/rok)
31,5
Graf 2.2 Podíl pomocné energie vzhledem k celkové dodávce energie
Stará výstavba
Nová výstavba
Energie – příklad 1
Jednootáčkové čerpadlo má příkon 200 (W), doba chodu čerpadla je 250 (dní/rok).
21
Cena elektrické energie je ……………… (Kč/kWh). Určete roční potřebu elektrické
energie. Určete roční náklady na chod čerpadla
Účinnost zdroje – příklad 2
Roční dodané množství ZP QDOD ZP = 20 000 (m3/rok). Zdrojem tepla je starší kotel na ZP.
Určete QDOD, QZTR a QUŽ (GJ/rok)
BAŠTA, J., BROŽ, K. et al. Topenářská příručka – svazek 2. 1. vyd. Praha: Vydavatelství
GAS, 2001. ISBN 80-86176-83-5.
BERANOVSKÝ, J., TRUXA, J. Alternativní energie pro Váš dům. Brno: ERA, 2003. ISBN
80-86517-59-4.
BROŽ, K., ŠOUREK, B. Alternativní zdroje energie. 1. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT,
2003. ISBN 80-01-02802-X.
Otázky a úkoly
1) Vysvětlete významy pojmů: energetická náročnost, dodaná energie, užitečná energie,
systémová hranice, energonositel, výhřevnost.
2) Porovnejte výhřevnost jednotlivých paliv.
3) Vyjmenujte způsoby bilančního hodnocení.
1) Diskutujte o účinnosti jednotlivých zdrojů.
2) Zamyslete se nad podílem pomocné energie vzhledem k celkové dodávce energie.
1) Viz výklad.
2) Viz výklad.
3) Viz výklad.
22
Kapitola 3: Geotermální energie
Klíčové pojmy:
teplotní profil, CFD analýza
Cíle kapitoly:
-
určení energetické výtěžnosti,
-
určení prosté doby návratnosti.
Výklad:
Graf 3.2 Teplotní profil 0 až 2500 m
0
-500
Hloubka vrtu (m)
Graf 3.1 Teplotní profil 0 až 20 m
-1 000
-1 500
-2 000
-2 500
0
10
20
30
40
50
Teplota t (°C)
23
60
70
80
Graf 3.3 Teplotní profil 0 až 2500 (m)
Obr. 3.1 Hloubka pro dosažení teploty 150 °C
Graf 3.4 Závislost teploty země v závislosti na hloubce
24
Obr. 3.2 Provedení vrtu do hloubky 2500 m
Fyzikální děje
- přestup tepla v potrubí
- tepelně-technická vlastnost použitého materiálu
- respektování vertikálního teplotního profilu
Energetická výtěžnost - přístup k řešení
CFD
Základní okrajové podmínky numerického výpočtu
Součinitel tepelné vodivosti zemského masivu 1,7 W/m.K.
25
Tab. 3.1 Parametry provedení vrtu
Obecné
Model turbulence
k-e, dvourovnicový, standardní
Stěnové funkce
standardní
Numerická síť
hexagonální
u stěn adaptována
Vnitřní trubka
Průměr (mm)
125
Tloušťka (mm)
33
lPLAST (W/m.K)
0,25
Pozn.: zóna 1
Vnější trubka do hloubky 800 (m)
Průměr (mm)
380
Tloušťka (mm)
33
lPLAST (W/m.K)
0,25
Pozn.: zóna 2
Vnější trubka od hloubky 800 do 2500 (m)
Průměr (mm)
250
Pozn.: zóna 3
Masiv
Rozměry a x b x h (m)
1 x 1 x 2500,3
Pozn.: zóna 4
Výsledky CFD analýzy
M=6
(l/s)
c = 4200
(J/kg.K)
t1 = 35,0
(°C)
t2 = 41,1
(°C)
26
Graf 3.5 Závislost hloubky vrtu na teplotě
0
Hloubka vrtu (m)
-500
-1 000
-1 500
-2 000
Vnější trubka
Vnitřní trubka
-2 500
30
35
40
45
50
Teplota t (°C)
Příklad 1 - určení energetické výtěžnosti
M=6
(l/s)
c = 4200
(J/kg.K)
t1 = 35,0
(°C)
t2 = 41,1
(°C)
QVRT = . . . . . . . . . . . (kW)
Cena geotermálního vrtu
n = 70 mil. Kč
Určení prosté doby návratnosti
27
GAS, 2001. ISBN 80-86176-83-5.
80-86517-59-4.
2003. ISBN 80-01-02802-X.
Otázky a úkoly
1) Vypočítejte energetickou výtěžnost – příklad 1.
2) Určete prostou dobu návratnosti – příklad 1.
1) Diskutujte o možnosti CFD simulace vrtu.
2) Zamyslete se nad teplotním profilem (závislost teploty země na hloubce).
1) Viz výklad.
2) Viz výklad.
28
Kapitola 4: Biomasa
Klíčové pojmy:
biomasa, termo-chemická přeměna, bio-chemická přeměna, mechanicko-chemická
přeměna, fytomasa, fotosyntéza, charakteristika paliv, součinitel přebytku vzduchu
Cíle kapitoly:
-
pochopení fotosyntézy,
-
znalost charakteristiky biopaliv,
-
znalost základních pojmů (biomasa, fytomasa, fotosyntéza atd.).
Výklad:
Biomasa
substance biologického původu, která zahrnuje rostlinnou biomasu pěstovanou v půdě a ve
vodě, živočišnou biomasu, produkci organického původu a organické odpady.
Energetické využití biomasy
- výroba tepla přímým spalováním
- výroba kvalitnějších paliv (pelety, brikety)
- výroba elektrické energie
Při využívání se postupuje buď suchými, nebo mokrými procesy (rozhoduje hlavně vlhkost
biomasy). Dále lze procesy rozdělit na fyzikální a chemické. Mezi nejdůležitější procesy patří
spalování, anaerobní fermentace, alkoholové kvašení a esterifikace olejů.
Z energetického hlediska lze energii
termochemickou přeměnou (spalováním).
z
biomasy
získávat
téměř
výhradně
Výhřevnost je dána množstvím tzv. hořlaviny (organická část bez vody a popelovin, směs
hořlavých uhlovodíků - celulózy, hemicelulózy a ligninu).
29
Biomasa je podle druhu spalována přímo, nebo jsou spalovány kapalné či plynné produkty
jejího zpracování. Od toho se odvíjejí základní technologie zpracování a přípravy ke
spalování.
TERMO-CHEMICKÁ přeměna → spalování
- pyrolýza (produkce plynu, oleje)
- zplynování (produkce plynu)
BIO-CHEMICKÁ přeměna → spalování
- fermentace, alkoholové kvašení (produkce etanolu)
- anaerobní vyhnívání, metanové kvašení (produkce bioplynu)
MECHANICKO-CHEMICKÁ přeměna → spalování
- lisování olejů (produkce kapalných paliv, oleje)
- esterifikace surových bio-olejů (výroba bionafty a přírodních maziv)
- štípání, drcení, lisování, peletace, mletí (výroba pevných paliv)
Fytomasa
Biomasa rostlinného původu
Tvorba organické hmoty – FOTOSYNTÉZA (základ života na Zemi)
6CO2  6H2O  sluneční energie ( stopové prvky z půdy)  C6H12O6  6O2
Na spodní straně listů malinké průduchy, kterými rostlina během dne přijímá ze vzduchu oxid
uhličitý a vodní páru. Minerální látky rozpuštěné ve vodě přijímá kořeny z půdy. Chemickým
procesem se přeměňuje oxid uhličitý a minerální látky pomocí chlorofylu na škrob a cukr
(asimilace).
Tento proces pohání energie, kterou rostlina čerpá ze světla (fotosyntéza)
FOTOSYNTÉZA
6CO2  6H2O  sluneční energie (  stopové prvky z půdy)  C6H12O6  6O2
Glukóza
30
Ve skutečnosti se organická hmota skládá z různých cukrů, do kterých glukóza patří, olejů,
celulóz, ligninu, škrobu, bílkovin a dalších složek.
SPALOVÁNÍ (HNITÍ)
C6H12O6  6O2  6CO2  6H2O  uvolněná energie  popel
Emise CO2
Při dokonalém spalování fytomasy se do atmosféry uvolní stejné množství oxidu uhličitého,
jaké bylo za dobu růstu akumulováno nebo jaké by se uvolnilo přirozeným rozkladem v
přírodě. Z toho vyplývá označení biomasy jako neutrálního paliva z hlediska emisí CO2 a jako
paliva, které nepřispívá ke skleníkovému jevu.
Charakteristika biopaliv
- chemické složení
- vlhkost
- výhřevnost
- obsah popela
Jiná charakteristika paliva – jiný způsob spalování
Tab. 4.1 Charakteristika paliv
31
- vlhkost
- výhřevnost
- obsah popela
Chemické vlastnosti, tj. obsah rozhodujících prvků ovlivňují provozní podmínky
- způsob spalování - jedno i vícestupňové, s přídavkem nebo bez přídavku aditiv,
- řízení teploty v topeništi s cílem zamezení spékání popele a emisí NOx,
- složení podroštového a létavého popílku,
- složení spalin a emise škodlivin.
Zatímco podíl uhlíku, vodíku a kyslíku je u všech fytopaliv přibližně stejný nebo podobný,
mění se podíl dalších prvků dosti významně.
Dusík (obsažen ve všech organických hmotách), může při větším podílu > 1,5 % zvyšovat
podíl NOx přes povolenou mez.
Stébla
Obsah všech minerálních a rozpustných látek, jako je draslík, vápník, fosfor, ale i dusík a
chlor se podstatně u fytopaliv snižuje vymoknutím ze stébel po odumření rostliny
Patrný hlavní rozdíl mezi pevnými a fosilní palivy v obsahu těkavých teplem uvolňovaných
látek – uvolnění při teplotách > 200 (°C).
Vyplývá to z toho, že paliva s velkým obsahem těkavých látek při hoření vytvářejí velmi
dlouhé plameny, kterým musí být přizpůsoben dohořívací prostor s přívodem sekundárního
nebo i terciálního vzduchu.
Delší plameny → nedostatečné pronikání spalovacího vzduchu → vyšší součinitel přebytku
vzduchu l
Hnědé uhlí je jakýmsi přechodem mezi biopalivy a černým uhlím a proto jej možno spalovat s
určitým přídavkem biopaliv, například s dřevní štěpkou (až do 30 %) - nelze u kotlů na černé
uhlí a koks.
32
Obr. 4.1 Konstrukce kotle spalujícího fytomasu
Graf 4.1 Součinitel přebytku vzduchu
33
Příklad
Kolik je na 1 (kg) spáleného dřeva zapotřebí (m3) vzduchu.
Teoretické množství Vmin pro dokonalé spálení 1 (kg) tuhých paliv
Vmin  0,241 H  0,50 (m3 / kg)
Průtok spalovacího vzduchu
Vspal    Vmin (m3 / kg)
Tab. 4.2 Fytomasa a teploty
- vlhkost
- výhřevnost
- obsah popela
34
Při obsahu vody pod 38 (%) stébelniny odumírají.
Stromy v době těžby obsahují 50-55 (%) vody. Tomu odpovídá cca poloviční výhřevnost.
Energie pro odpaření vody – vázané tepla.
- vlhkost
- výhřevnost
- obsah popela
Graf 4.2 Závislost spodní výhřevnosti na obsahu vody
Tab. 4.3 Teoretický energetický přínos z 1 (ha)
Redukovat o dopravu, skladování, sušení, atd.
35
Graf 4.3 Výhřevnost dřeva v závislosti na obsahu vody (1. Výhřevnost dřeva (MJ/kg); 2.
Výhřevnost dřevní sušiny (MJ/kg))
- vlhkost
- výhřevnost
- obsah popela
Množství popela
Spékavost popela
V porovnání s fosilními pevnými palivy (HU až 30 % popele) mají fytopaliva popele relativně
málo. U čistého dřeva je to 0,5 – 1,0 (%), u kůry 2 i více (%), u stébelnin s ohledem na vyšší
vyztužující obsah křemíkových vláken 5 - 6 (%).
Málo popele představuje na jedné straně výhodu, protože obsah energeticky významné sušiny
je vyšší, na druhé straně však nízký obsah způsobuje problémy na roštech, které nejsou
chráněny proti teplu z hoření a mohou se poškodit.
Tím je dána jiná konstrukce kotlů na uhlí a na fytopaliva
36
Kotel jako zdroj tepelné energie
Graf 4.4 Závislost průběhu účinnosti kotlů na vytížení tepelného výkonu (A. kotel na
palety (automatický podavač); B. kotel na kusové dřevo)
Dosažení požadované účinnosti
- dodržení hlavních zásad spalování
- korektní zapojení otopné soustavy s ohledem na regulaci zdroje tepla
Dodržení hlavních zásad spalování – účinné spalování
- dostatečný přívod vzduchu
- dostatečně vysoká teplota spalování (800 – 900 °C)
- nízká vlhkost paliva (10 – 20 %)
- stálé provozní podmínky
Korektní zapojení otopné soustavy s ohledem na regulaci zdroje tepla
Možnosti regulace (snížení výkonu)
a) omezením přívodu spalovacího vzduchu (nedokonalé spalování, emise CO, nízká
účinnost)
b) omezení přívodu paliva (automatický podavač)
Zapojení kotle na otopnou soustavu
Teplota rosného bodu spalin tDP SPAL = 50 – 60 (°C)
Kondenzát je agresivní
37
Příklad
Výpočet týkající se velikosti zásobníku paliva.
Tepelná ztráta objektu 10 (kW) vypočtená pro te = -15 (°C). Určete, jak dlouho vydrží
zásobník o objemu 1 (m3) pro vytápění při venkovní teplotě te = 0 (°C). Pro te = -15 (°) určete
průtok spalovacího vzduchu.
GAS, 2001. ISBN 80-86176-83-5.
80-86517-59-4.
BERANOVSKÝ, J., MURTINGER, K. Energie z biomasy. 1. vyd. Brno: ERA, 2006. ISBN
80-7366-071-7.
2003. ISBN 80-01-02802-X.
Otázky a úkoly
1) Vypočítejte kolik je na 1kg spáleného dřeva zapotřebí m3 vzduchu.
2) Porovnejte charakteristiky jednotlivých biopaliv.
3) Vyjmenujte nejčastěji používaná biopaliva.
1) Diskutujte o technologii zpracování biomasy a její přípravě ke spalování.
2) Zamyslete se nad závislostí výhřevnosti biopaliva na obsahu vody.
1) Viz výklad.
2) Viz výklad.
3) Viz výklad.
38
Kapitola 5: Fotovoltaika
Klíčové pojmy:
monokrystalický křemík, polykrystalický křemík, amorfní křemík, Watt peak, ingot
Cíle kapitoly:
-
pochopení principu solárního článku,
-
porozumění výpočtu prosté doby návratnosti fotovoltaických elektráren,
-
znalost zapojení fotovoltaických článků.
Výklad:
Cenové rozhodnutí ERÚ č. 8/2006 ze dne 21. listopadu 2006, kterým se stanovuje podpora
pro výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů energie, kombinované výroby elektřiny a tepla a
druhotných energetických zdrojů.
Tab. 5.1 Výkupní ceny elektřiny
Výkupní cena elektřiny
dodané do sítě v Kč/MWh
Zelené bonusy v
Kč/MWh
Výroba elektřiny využitím slunečního záření
pro zdroj uvedený do provozu po 1. lednu
2006 včetně
13 460
12 750
Výroba elektřiny využitím slunečního záření
pro zdroj uvedený do provozu před 1.
lednem 2006 včetně
6 410
5 700
Datum uvedení do provozu
39
Obr. 5.1 Následky dotací na solární elektrárny (solární elektrárna u obce Vepřek na
Mělnicku)
Fotovoltaické články
Fotovoltaické články z monokrystalického křemíku
Základní a nejstarší typ fotovoltaických článků – vyráběny z monokrystalického křemíku.
Výrobní postup je poměrně energeticky a technologicky náročný.
Fotovoltaické články z polykrystalického křemíku
V současné době nejběžnější typ článku. Články se vyrábějí odléváním čistého křemíku do
forem a řezáním vzniklých ingotů na tenké plátky. Články mají mírně horší elektrické
vlastnosti než monokrystalické (na styku jednotlivých krystalových zrn je větší odpor).
Výhodou je skutečnost, že výchozí surovina je levnější a články lze vyrábět ve větších
rozměrech a s obdélníkovým nebo čtvercovým tvarem.
Fotovoltaické články z amorfního křemíku
Na výrobu se spotřebuje podstatně méně materiálu, ve výsledku jsou znatelně levnější.
Fotovoltaické články
Amorfní články
- základem je napařovaná křemíková vrstva
- účinnost těchto článku se pohybuje v rozmezí 4 až 8 (%)
- nejlevnější, pro místa, kde není omezen prostor
40
Polykrystalické články
- základem křemíková podložka
- články se skládají z většího počtu menších krystalů
- účinnost 12 až 15 (%)
Monokrystalické články
- základem křemíková podložka
- krystaly jsou větší než 10 (cm)
- účinnost článků se pohybuje v rozmezí 14 až 17 (%)
Tab. 5.2 Účinnosti fotovoltaických článků
Typ
Obvyklá účinnost (%)
Max. účinnost dosažena
v laboratoři (%)
Monokrystalický křemík
14-17
25
Polykrystalický křemík
12-15
20
Amorfní křemík
4-8
12
Základem této technologie je fotovoltaický jev (produkce elektrického proudu v pevných
polovodičích působením solární energie), objevený v roce 1839 Antoine-César Becquerelem
(1788-1878).
První fotovoltaické články byly vyrobeny v USA v padesátých letech pro vesmírný výzkum.
Cena prvních panelů se pohybovala přes 150 ($/Wp)
41
Graf 5.1 Vývoj ceny technologií fotovoltaických panelů
Graf 5.2 Vývoj roční produkce solárních panelů v MW celosvětově a v jednotlivých
regionech
Jednotka Watt peak (Wp)
Výkon fotovoltaických panelů je udáván v jednotce Watt peak (Wp). Watt peak je jednotkou
špičkového výkonu dodávaného solárním zařízením za ideálních podmínek:
- energetická hustota záření 1000 (W/m2),
- teplota 25 (°C),
- světelné spektrum musí mít parametry odpovídající slunečnímu záření po průchodu
bezoblačnou atmosférou Země.
42
Obr. 5.2 Solární modul 12 V (jmenovitý výkon 140 W)
Obr. 5.3 Elektrické údaje solárního modulu 12 V
Aby bylo možno porovnávat parametry FV panelů, měří se panely při přesně daných
podmínkách - při intenzitě osvětlení 1000 (W/m2) při spektrálním složení světla odpovídající
slunečnímu spektru (AM 1.5 Global) a při teplotě 25°C.
AM 1.5 je modelové spektrum slunečního záření po průchodu bezoblačnou atmosférou.
Energetická hustota spektra je 1000 (W/m2). Celkový teoreticky využitelný výkon slunečního
záření odpovídá šedé ploše pod křivkou AM 1.5.
Energetická hustota spektra ve skutečnosti silně závisí na průhlednosti atmosféry.
43
Graf 5.3 Modelové spektrum AM 1.5
Skutečná charakteristika PV článků
Graf 5.4 Charakteristika proud-napětí (teplota článku 25 °C) při různých intenzitách
solárního záření
Graf 5.5 Charakteristika proud-napětí při různých teplotách článku (ozáření: AM 1.5,
1000 W/m2)
44
Fotovoltaické články – generace vývoje
Generace první
Nejrozšířenější typ článku, vyráběný od začátku sedmdesátých let. Využívá destičky křemíku
silné 0,2 až 0,3 mm, v nichž je vytvořen velkoplošný P-N přechod.
Dosahuje velmi dobré energetické účinnosti přeměny slunečního záření na elektrickou energii
(sériově vyráběné 14 – 19 %, laboratorní vzorky dosahují účinnosti až 28 %).
Disponují vysokou stabilitou výkonu a životností přes třicet let.
Nevýhoda: velká spotřeba čistého křemíku a vysoká energetická náročnost výroby.
Další generace
Druhá generace – tenkovrstvá technologie (snaha snížit množství použitelného křemíku).
Vrstvy 100 x až 1000 x tenčí, než u předchozí generace. Nejpoužívanějším materiálem
aktivních vrstev je opět křemík, avšak s amorfní nebo mikrokrystalickou strukturou. Dosahují
účinnosti 7 až 9 %.
Třetí generace – snaha dosáhnout maximálního počtu absorbovaných fotonů a následně
generovaných párů elektron – díra (proudový zisk). K separaci nábojů jsou použity jiné
metody, než je PN přechod a také odlišné materiály než polovodiče. Nízká účinnost, malá
stabilita a životnost.
Čtvrtá generace - tzv. kompozitní články složené z jednotlivých vrstev. Každá vrstva daného
materiálu dokáže využít světlo v určitém rozsahu vlnových délek. Světlo nevyužité je
propuštěno do následujících vrstev, kde je využito. Využíváno široké části slunečního spektra.
Rané stádium vývoje.
45
Obr. 5.4 Amorfní křemík
Obr. 5.5 Krystalický křemík
Výroba křemíku (Si) o potřebné čistotě
Redukce (snížení oxidačního čísla) taveniny vysoce čistého oxidu křemičitého v obloukové
elektrické peci na grafitové elektrodě. Materiál elektrody je spalován na plynný oxid uhličitý
SiO2  C  Si  CO2
Čistota křemíku 97 – 99 % je nevyhovující
Obr. 5.6 Polykrystalický křemík
46
Výroba polykrystalického křemíku o potřebné čistotě
a) zonální tavení (několikanásobné přetavení tenké tyče)
b) chemickou cestou
-
těkavá sloučenina (trichlorsilan HSiCl3, chlorid křemičitý SiCl4)
-
rozklad sloučeniny na křemíkovou podložku při teplotách nad 1100 °C
Výroba
křemíku o potřebné čistotě
2 HSiClmonokrystalického
3  Si  2 HCl  SiCl4
Řízená krystalizace z taveniny (Czochralského proces - do křemíkové taveniny je vložen
zárodečný krystal vysoce čistého křemíku).
Proces probíhá v nádobách z čistého křemene v inertní atmosféře Ar. Na zárodečném krystalu
se vylučují další vrstvy velmi čistého křemíku.
Výsledný produkt (křemíkový ingot) může mít až 400 mm v průměru a délku do 2 m - jediný
krystal.
Obr. 5.7 Křemíkový ingot
Obr. 5.8 Řezání křemíku na tenké plátky (ztráta až 40 %)
47
Každý plátek je leptáním a broušením vyhlazován. Poté je jedna strana plátku obohacena
malým množstvím pětimocného chemického prvku - vznikne polovodič typu P, druhá strana
je obohacena prvkem trojmocným - vznikne polovodič typu N. Toto obohacení se nazývá
infundace.
Zadní strana článku se potáhne velmi tenkou vrstvou hliníku, která slouží jako kladný pól.
Přední strana je také potažena hliníkem (nikoliv plošně - hliník představuje jen úzké vodivé
dráhy, aby mohlo světlo dále dopadat na křemík).
Dopadne-li na FV článek světelný paprsek (foton), uvolní světlo některé elektrony z
použitého materiálu (např. křemíkové mřížky). Tyto volné elektrony se elektrickým polem
oddělí, takže v jedné vrstvě křemíku vznikne přebytek elektronů a ve druhé jejich nedostatek
(+ / -). Pospojováním jednotlivých článků vznikne fotovoltaický panel.
Princip funkce solárního článku první generace
a) fotony o energii minimálně 1,12 (eV) dopadají na polovodič typu N
b) dopadem fotonů se z atomové mřížky uvolňuje elektrony (-)
c) elektrony přestupují do polovodiče typu P
d) připojením článku na spotřebič, začnou se kladné a záporné náboje vyrovnávat (obvodem
začne procházet elektrický proud)
Obr. 5.9 Princip funkce solárního článku první generace
48
Základem FV článku tenká křemíková destička s vodivostí typu P. Na ní se při výrobě vytvoří
tenká vrstva polovodiče typu N, obě vrstvy jsou odděleny tzv. přechodem P-N. Osvětlením
článku vznikne v polovodiči vnitřní fotoelektrický jev a v polovodiči se z krystalové mřížky
začnou uvolňovat záporné elektrony. Na přechodu P-N se vytvoří elektrické napětí, které
dosahuje u křemíkových článků velikosti zhruba 0,5 (V). Energie dopadajícího světla se v
článku mění na elektrickou energii. Připojí-li se k článku pomocí vodičů spotřebič, začnou se
kladné a záporné náboje vyrovnávat a obvodem začne procházet elektrický proud. Je-li třeba
větší napětí nebo proud, zapojují se jednotlivé články sériově či paralelně a sestavují se z nich
fotovoltaické panely.
Polovodič
pevná látka, jejíž elektrická vodivost závisí na vnějších nebo vnitřních podmínkách, a dá se
změnou těchto podmínek snadno ovlivnit.
Změna vnějších podmínek znamená dodání některého z druhů energie – nejčastěji tepelné,
elektrické nebo světelné.
N-polovodiče
majoritními nositeli náboje jsou elektrony (e-)
P-polovodiče
majoritními nositeli náboje jsou tzv. kladné díry (h+)
Základní ukazatele fotoelektrického jevu
- Aby vznikl fotovoltaický jev, musí mít fotony energii minimálně 1,12 eV.
- Má-li foton menší energii, prochází křemíkem a není v něm absorbován.
- Má-li foton energii právě 1,12 eV, je křemíkem absorbován a v krystalu
vznikne jeden volný elektron a jedna kladná "díra".
- Má-li foton větší energii, způsobí vznik elektronu a "díry" a zbytek jeho energie
přemění na teplo. Polovodič se zahřeje a to představuje ztráty, snižující účinnost
přeměny energie.
- Asi 99 % ve světě používaných fotočlánků je vyrobeno z křemíku.
- Teoreticky lze fotočlánkem přeměnit na elektřinu nanejvýš 50 % energie
dopadajícího světla, prakticky se dosahuje účinnost nanejvýš poloviční.
49
se
- Výkon fotovoltaického panelu o ploše 1 m2 může být v našich klimatických
podmínkách až 150 W.
Elektronvolt (značka eV)
Jednotka práce a energie mimo soustavu SI. Odpovídá kinetické energii, kterou získá elektron
urychlený ve vakuu napětím jednoho voltu. Používá se běžně k měření malých množství
energie zejména v částicové fyzice, fyzikální chemii apod., protože obvyklá energie jedné
částice je v joulech velmi malé číslo. Zároveň je to jednotka technicky výhodná vzhledem k
běžným metodám měření energie částic.
Elektronvolt lze převést na odvozenou jednotku energie soustavy SI (J) podle vztahu:
1 (eV)  1,602176565.1019 (J)
Viditelné světlo i okolní infračervené a ultrafialové záření je tvořeno fotony s energií řádově v
jednotkách elektronvoltů.
Vliv má hustota fotonového toku.
Výhody
Prakticky nevyčerpatelný zdroj energie.
Při provozu nevznikají žádné emise nebo jiné škodlivé látky.
Provoz je bezhlučný (bez pohyblivých dílů).
Jednoduchá instalace.
Provoz zařízení téměř nevyžaduje obsluhu, snadná elektronická regulace.
Zařízení mají vysokou provozní spolehlivost.
Nevýhody
V ČR poměrně nízká průměrná roční intenzita slunečního záření.
V ČR krátká průměrná roční doba slunečního svitu.
Velké kolísání intenzity záření v průběhu roku.
50
Malá účinnost přeměny a z toho plynoucí nároky na plochu článků.
Vysoké investiční náklady na instalaci.
Poměrně malá životnost (20 let) v poměru k ceně.
Potřeba záložního zdroje elektřiny.
Sklon PV kolektorů
Graf 5.6 Optimální sklon roviny modulu v jednotlivých měsících roku
Graf 5.7 Vliv úhlu sklonu na celoroční průměrnou hodnotu ozáření
Graf 5.8 Sklon PV kolektorů - porovnání různých konstrukcí (v podmínkách ČR)
51
Zapojení fotovoltaických článků
Autonomní fotovoltaický systém
Zdroj nezávislý na rozvodné síti, (označován „grid-off“).
Systém se skládá z fotovoltaických modulů nebo polí, regulátoru, akumulátoru a spotřebiče.
Elektrická energie z modulů se uchovává v nabitých akumulátorech pro období, kdy Slunce
nesvítí.
Obr. 5.10 Schéma autonomního fotovoltaického systému
Fotovoltaický systém spojený se sítí
Zdroj napojen na rozvodnou síť, (označován „grid-on“).
Část nebo všechna vyrobená EE se dodává do veřejné rozvodné sítě.
Střídač – synchronizace
E1 a E2 – elektroměry
Obr. 5.11 Schéma fotovoltaického systému spojeného se sítí
52
Použité komponenty
-
Fotovoltaické články (pod úhlem cca 35 °)
Akumulátory
Od běžných auto-akumulátorů se liší cenou (dražší) a konstrukcí. Oproti běžné autobaterii se
vyznačuje delší životností. Běžná autobaterie dosahuje životnosti v solárním systému cca 1-2
roky. Solární baterie dosahuje životnosti cca 7 let i více.
-
Frekvenční měnič
Transformátor
Obr. 5.12 Frekvenční měnič, transformátor, solární baterie
Fotovoltaická elektrárna se skládá z 93 polí fotovoltaických panelů.
Každé pole se skládá vždy ze tří řad panelů, v každé řadě je vždy po 17 panelů.
Každé pole je napojeno na frekvenční měnič.
53
Jednotlivé frekvenční měniče jsou zapojeny do transformátorové stanice.
Obr. 5.13 Zapojení fotovoltaických panelů
Obr. 5.14 Napojení fotovoltaických panelů na VV
54
Pro přesnou bilanci je třeba znát typ použitého zařízení, zejména s ohledem na stanovení ztrát
solární fotovoltaické soustavy jako celku.
Fotovoltaický článek
Snížení účinnosti vlivem teploty článku
Deklarovaná účinnost vztažena k referenčním podmínkám: sluneční ozáření GT = 1000 W/m2,
teplota okolí ta = 25 °C.
Vysoká povrchová teplota má vliv na snížení výkonu kolektorů. Respektovat snížení výkonu
vlivem povrchové teploty, např. βΔt = - 0,47 %/K.
Určení povrchové teploty: vliv sálání a konvekce.
Degradace článků
Uvažovat roční snížení výkonu kolektorů vlivem degradace každý rok o 1 % výkonu z
předešlého období.
Frekvenční měnič
Ztráta ve frekvenčních měničích
Údaje výrobce: účinnost frekvenčního měniče např. ζFM = 97,6 %.
Tab. 5.3 Účinnost frekvenčních měničů
Transformátor
Ztráta v transformátoru
Ztráty v transformátoru jsou dány součtem:
- ztráty naprázdno P0 vždy konstantní (např. P0 = 1100 W)
55
- ztráty nakrátko, ta je definována
, kde
Pk
(W) ztráta nakrátko
PkN
(W) jmenovitá ztráta nakrátko (např. PkN = 9500 W)
P
(W) okamžitý výkon soustavy
PN
(W) jmenovitý výkon soustavy
Fotovoltaický článek
Výroba EE v závislosti na slunečním ozáření (vč. polohy slunce)
Snížení účinnosti vlivem povrchové teploty článku (určení povrchové teploty - vliv sálání a
konvekce).
Transformátor
Ztráty nakrátko v transformátoru
Výroba EE v závislosti na okamžitých podmínkách
Relevantní výpočet!
Článek 1. 2. 2012 (www.cefas.cz):
Fotovoltaické elektrárny v ČR v průměru dosahují o 5 – 10 % nižšího výkonu než
deklarovaného výrobcem.
Reálný výkon elektrárny
Jak zjistit, že elektrárna pracuje na 100 % možného výkonu? Odpověď je bohužel
jednoznačná – nepracuje. Nikdy totiž není možné dosáhnout plného využití instalovaného
56
výkonu. Je to dáno drobnými technickými nuancemi v zapojení – částečně poškozenými
panely, které ovlivňují i ty dobře fungující, špatnými dimenzemi kabelů a spoustou dalších
drobností. Tyto drobnosti lze totiž odladit až v rámci provozu (pakliže nebyla v rámci
výstavby prováděna optimalizace).
Meteorologická data
Meteorologická data pro výpočet generována např. z databáze METEONORM. Pro zvolenou
oblast jsou získána hodinová data s přihlédnutím k údajům naměřenými nejbližšími
meteorologickými stanicemi. Údaje potřebné pro výpočet jsou:
- teplota okolního vzduchu,
- celková intenzita slunečního záření dopadající kolmo na plochu kolektoru,
- rychlost větru
Graf 5.9 Měsíční bilance celkové intenzity slunečního záření dopadající kolmo na plochu
1 m2
Graf 5.10 Hodinový průběh venkovní teploty pro první dva týdny měsíce července
57
Graf 5.11 Hodinový průběh celkové intenzity slunečního záření pro první dva týdny
měsíce července
Výpočet provádět vždy pro každou hodinu v roce. Výpočetní postup je naznačen:
1. Pro danou hodinu v závislosti na celkovém slunečním záření stanovení čistého
výkonu jednoho panelu.
2. Provedení korekce na venkovní teplotu.
3. Stanovení výkonu celé soustavy.
4. Provedení korekce zahrnutím účinnosti frekvenčního měniče.
5. Provedení korekce zahrnutím účinnosti transformátoru.
6. Provedení korekce zahrnutím účinnosti vedení elektrické energie v kabelech.
7. Součet hodinových výkonů - celoroční energetický zisk.
Roční bilance
Graf 5.12 Pokles ročních bilancí
58
1 000 000
900 000
Pcelk [kWh/rok]
800 000
700 000
600 000
500 000
400 000
300 000
200 000
100 000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Roky
Současný stav
•
Zákon č.402/2010 - novela zákona č. 180/2005 - omezuje podporu pouze na zdroje
do 30 (kWP) a instalace na budovách.
•
Cenové rozhodnutí ERÚ č.7/2011 - stanovuje výkupní ceny z obnovitelných zdrojů
ceny pro rok 2012.
Tab. 5.4 Výkupní ceny elektřiny
Datum uvedení do provozu
Výkupní
cena
elektřiny dodané
do sítě v
Kč/MWh
Zelené
bonusy v
Kč/MWh
Výroba elektřiny využitím slunečního záření pro
zdroj uvedený do provozu po
1. lednu 2006
včetně
13 460
12 750
Výroba elektřiny využitím slunečního záření pro
zdroj uvedený do provozu od
1. ledna 2012
do 31. prosince 2012
6 160
5 080
V tabulce je vidět roční výroba elektrické energie se zahrnutím všech výše uvedených vlivů.
Vlivem degradace solárních článků se roční výnosnost snižuje.
Graf 5.3 Pokles ročních bilancí
59
Tab. 5.5 Předpokládané roční zisky při instalaci fotovoltaické elektrárny o výkonu 30
(kWP)
Cena EE: 2,77 (Kč/kWh)
60
Tab. 5.6 Množství vyrobené energie
1) Ve sloupci jsou uvedeny údaje týkající se prodeje vyrobené elektrické energie do
přenosové soustavy.
2) Ve sloupci jsou uvedeny údaje týkající se využití zelených bonusů.
Jednotkové náklady pro instalaci fotovoltaické elektrárny jsou přibližně 45 tis. (Kč/kWP).
Při instalaci fotovoltaické elektrárny o výkonu 30 (kWP) jsou náklady N = 30.45 000 = 1 350
000 Kč.
Graf 5.4 Finanční toky jednotlivých způsobů využití elektrické energie
61
Průnik s čárkovanou červenou čarou značí předpokládanou prostou dobu návratnosti.
Závěr
Instalace fotovoltaické elektrárny s ohledem k připojení do přenosové soustavy je omezena
výkonem 30 (kWP).
Žádost o připojení do distribuční soustavy se hodnotí individuálně (v Praze se jedná o PRE,
a.s.). Je nezbytné projednat ji před samotnou instalací fotovoltaické elektrárny.
Každý provozovatel fotovoltaické elektrárny musí mít licenci od Energetického regulačního
úřadu (ERÚ).
Části solární elektrárny, označené ve Standardní klasifikaci produkce kódem 31.10, 31.20 a
32.10 se od 1. 1. 2011 odepisují 20 let. Pro všechny provozovatele elektráren jsou zavedeny
povinné rovnoměrné odpisy bez možností jejich přerušení. Provozovatel musí platit zdravotní
pojištění z příjmů dosažených provozem elektrárny.
Prostá doba návratnosti je pouze informativní údaj.
GAS, 2001. ISBN 80-86176-83-5.
80-86517-59-4.
2003. ISBN 80-01-02802-X.
MATUŠKA, T. Solární zařízení v příkladech. Praha: Grada, 2013. ISBN 978-80-247-3525-2.
Otázky a úkoly
1) Porovnejte fotovoltaické systémy grid-on a grid-off.
2) Porovnejte účinnosti nejběžnějších typů fotovoltaických článků.
3) Vyjmenujte typy fotovoltaických článků.
62
1) Diskutujte o současných výkupních cenách elektřiny.
2) Zamyslete se nad negativními následky boomu fotovoltaických elektráren.
1) Viz výklad.
2) Viz výklad.
3) Viz výklad.
63
Kapitola 6: Energie větru
Klíčové pojmy:
list, rotor, převodovka, generátor, stožár
Cíle kapitoly:
-
pochopení principu návrhu větrné elektrárny,
-
porozumění vlivu jednotlivých činitelů na účinnost větrné elektrárny,
-
znalost základních částí větrné elektrárny.
Výklad:
Cenové rozhodnutí ERÚ č. 8/2006 ze dne 21. listopadu 2006, kterým se stanovuje podpora
pro výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů energie, kombinované výroby elektřiny a tepla a
druhotných energetických zdrojů.
Základní součásti
- listy
- rotor
- převodovka
- generátor
- stožár
64
Obr. 6.1 Základní části větrné elektrárny
Obr. 6.2 List rotoru
Obr. 6.3 Výroba listu rotoru
Obr. 6.4 Laminování do negativní formy
65
Obr. 6.5 Strojovna větrné elektrárny
Obr. 6.6 Převodovka větrné elektrárny
Stožár větrné elektrárny
- ocelové skruže
- z předepjatého betonu
- příhradová konstrukce
Obr. 6.7 Stožár větrné elektrárny
66
Obr. 6.8 Základová deska
Obr. 6.9 Závěrečná montáž
67
Obr. 6.10 Vývoj velikosti větrných elektráren
Výkonová rovnice
Účinek větru
  w2
2
Příkon
pd 
P  p  V  cp
   w2 
1
3
P
  S  w   cp    w  S  cp
2
 2 
Graf 6.1 Vertikální profil rychlosti větru
140
120
výška h (m)
100
80
60
40
20
0
0
2
4
6
8
10
průměrná rychlost w (m/s)
S rostoucí výškou stoupá průměrná rychlost větru
68
Příklad - výkon větrné elektrárny
h1 = 100 (m)
h1 = 120 (m)
Určit výkony větrné elektrárny (kW/m2).
Účinnost větrné elektrárny
Graf. 6.2 Histogram rychlosti větru
Obr. 6.11 Natáčení lopatek (zvýšení účinnosti)
Větrné podmínky v ČR
Ústav fyziky atmosféry - AV ČR - Větrné mapy
69
Obr. 6.12 Průměrná rychlost větru v 10 m (z0 = 0,1 m), model VAS (mezivýsledek)
Obr. 6.13 Vhodné umístění větrné elektrárny v prostoru
Hluk větrné elektrárny
Hluková studie - norma nařizuje, že u nejbližšího obydleného stavení od VtE nesmí hluk
přesáhnout 40 dBA.
Obr. 6.14 Hlučnost větrné elektrárny
70
Námraza na větrné elektrárně
Pro samotný rotor VtE je nebezpečné otáčet se, pokud jsou lopatky pokryty námrazou
Detekční systémy odhalí námrazu na rotorových listech
Pokud je námraza, VtE se automaticky odstaví z provozu. Buď se čeká až námraza pomine a
nebo se na místo dostaví správci VtE, kteří zajistí aby v okolí nikdo nebyl a pak nechají
pomalu protočit rotor. Listy se vlastní vahou prohnou, led popraská a popadá do nejbližšího
okolí VtE. Jedná se o řízené shození námrazy.
Na některých VtE instalováno vyhřívaní listů teplým vzduchem (energeticky náročné)
Obr. 6.15 Námraza na větrné elektrárně
Podíl na výrobě EE z OZE
Tab. 6.1 Statistika výroby elektřiny z obnovitelných zdrojů v roce 2011
Hrubá spotřeba elektřiny v České republice v roce 2011 byla 70,52 TWh. Podíl výroby
elektřiny z obnovitelných zdrojů na hrubé tuzemské spotřebě elektřiny dosáhl 10,28 %.
71
GAS, 2001. ISBN 80-86176-83-5.
80-86517-59-4.
2003. ISBN 80-01-02802-X.
Otázky a úkoly
1) Vypočítejte výkon větrné elektrárny zmíněné v této kapitole.
2) Porovnejte hlučnost větrné elektrárny s hlučností elektrických spotřebičů.
3) Vyjmenujte základní části větrné elektrárny.
1) Diskutujte o podílu výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů.
2) Zamyslete se nad tím, jak se řeší námraza na větrné elektrárně.
1) Viz výklad.
2) Viz výklad.
3) Viz výklad.
72
Kapitola 7: Kogenerace
Klíčové pojmy:
kogenerační jednotka, sekundární okruh, technologický okruh, účinnost
Cíle kapitoly:
-
pochopení dimenzování kogeneračních jednotek,
-
porozumění provozní charakteristice kogenerační jednotky,
-
znalost zapojení kogeneračních jednotek.
Výklad:
Cenové rozhodnutí Energetického regulačního úřadu č. 7/2011 ze dne 23. listopadu 2011,
kterým se stanovuje podpora pro výrobu elektřiny z obnovitelných zdrojů energie,
kombinované výroby elektřiny a tepla a druhotných energetických zdrojů.
Tab. 7.1 Výše příspěvku k ceně elektřiny
73
Kogenerační jednotka
-
Kombinovaná výroba tepla a elektrické energie.
Vyšší účinnost.
Úspora také ve formě snížení nákupu elektrické energie.
Odběr tepelné energie (vedlejší produkt).
Správné dimenzování (minimálně měsíční bilance).
Obr. 7.1 Schéma zapojení kogenerační jednotky
Základní částí je zejména pístový spalovací motor, který pohání generátor proudu.
Palivo:
- zemní plyn
- bioplyn
- skládkový plyn
- dřevoplyn
Graf 7.1 Provozní charakteristika kogenerační jednotky
74
Kogenerační jednotky
TEDOM
Značení KJ podle elektrického výkonu
Tab. 7.2 Poměr výroby EE a TE
Tepelný systém kogeneračních jednotek se spalovacími motory je tvořen primárním okruhem,
sekundárním okruhem (v některých případech technologickým okruhem).
Primární okruh
Vnitřní uzavřený tlakový okruh, který v případě kogenerační jednotky osazené spalovacím
motorem odebírá teplo z vodního pláště motoru a předává ho do sekundárního okruhu.
Sekundární okruh
Sekundárním okruhem je zajištěno vyvedení tepelného výkonu (získaného chlazením
spalovacího motoru a spalin) z kogenerační jednotky ke spotřebiči, např. výměníku voda/voda
pro ohřev teplé vody nebo ústředního topení.
Technologický okruh
75
Okruh chlazení plnicí směsi ohřáté stlačením v turbokompresoru. Okruh je realizován pouze u
některých typů kogeneračních jednotek. Tepelný výkon technologického okruhu lze využít v
nízkoteplotních okruzích, např. jako předehřev TV, ohřev vody v bazénech a podobně.
Účinnost kogenerační jednotky

výroba celkové energie
energie v palivu

TE  EE TE EE


ZP
ZP ZP
Účinnost kogenerační jednotky
Malé KJ

TE  EE
ZP
Obr. 7.2 Schéma malé KJ (teplotní spád 90/70 °C)
Velké KJ

TE1  TE 2  TE3  EE
ZP
Obr. 7.3 Schéma velké KJ
Velké KJ
TE1
Sekundární okruh
76
TE2
TE3
Odvod spalin (dochlazení ze 120 °C na 90 °C)
TE4
Ventilační vzduch

TE1  TE 2  TE3  EE
ZP
TE1
Sekundární okruh
Sekundární okruh je oddělen od primárního okruhu výměníkem.
Vyvedení hlavního tepelného výkonu KJ (zejména chlazením vodního pláště motoru a spalin
na 120 °C). Teplotní spád (40min až 70max ) / 90 °C.
TE2
Okruh chlazení plnící směsi. Teplotní spád 40 / 43 °C.
TE3
Odvod spalin
Spalinový výměník – dochlazení spalin na 90 °C.
TE4
Ventilační vzduch
Teplo vysálané z horkých částí KJ. Teplota ventilačního vzduchu cca 32 – 40 °C.
Účinnost kogenerační jednotky QUANTO D400
Příkon v palivu
950 kW
EE
Elektrická energie
400 kW
TE1
Sekundární okruh
431 kW
TE2
25 kW
TE3
Odvod spalin
20 kW
TE4
Ventilační vzduch
36 kW
Určení účinnosti KJ
77
Příkon v palivu
950 kW
EE
Elektrická energie
400 kW
TE1
Sekundární okruh
431 kW
TE2
25 kW
TE3
Odvod spalin
20 kW
TE4
Ventilační vzduch
36 kW
Kogenerační jednotka
– správné dimenzování
Návrhové hodnoty
– výpočtový stav
Provozní hodnoty
– zohlednění charakteru provozu
Tab. 7.3 Požadované výkony
Tepelné ztráty (kW)
121,0
Vzduchotechnika (kW)
159,0
Technologie bazénu (kW)
139,2
Teplá voda (kW)
58,2
Celkem (kW)
477,4
Dimenzování KJ (pouze vytápění)
QZTR = 121 (kW)
78
KJ Mikro T30
Graf 7.2 Krytí tepelných ztrát KJ
20 000
Vytápění
(kWh)
15 000
Výroba tepla KJ
10 000
5 000
Počet dní v roce o
teplotě nižší než -2 (°C)
d = 55
0
-15 -14 -13 -12 -11 -10 -9
-8
-7
-6
-5
-4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13
Venkovní teplota te (°C)
KJ Mikro T7
Graf 7.3 Krytí tepelných ztrát KJ
20 000
Vytápění
(kWh)
15 000
Výroba tepla KJ
10 000
5 000
Počet dní v roce o
teplotě nižší než 4 (°C)
d = 125
0
-15 -14 -13 -12 -11 -10 -9
-8
-7
-6
-5 -4
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10 11 12 13
Graf 7.4 Charakter provozu celého objektu 100 % vytíženost
79
100 000
Vytápění
TV
80 000
VZT
Bazén
60 000
(kWh)
Bazénová hyg. voda
40 000
20 000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Měsíc
100 000
Vytápění
TV
80 000
VZT
Bazén
60 000
(kWh)
40 000
20 000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Měsíc
100 000
Bazén
80 000
VZT
TV
Vytápění
(kWh)
60 000
40 000
CENTO T200
CENTO T120
20 000
MIKRO T30
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Měsíc
80
100 000
Bazén
80 000
VZT
TV
60 000
(kWh)
Vytápění
40 000
CENTO T200
CENTO T120
20 000
MIKRO T30
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Měsíc
Obr. 7.4 KJ (schéma zapojení) - řada MICRO
Obr. 7.5 KJ (schéma zapojení) - řada CENTO
81
11
12
Obr. 7.6 KJ (schéma zapojení) – řada CENTO
Mikrokogenerace T120, velikost AN pro krytí denní spotřeby TE pro vytápění – příklad
Doba chodu KJ 12 (h/den)
Teplotní spád okruhů topné vody 55/45 °C, popř. 75/60 °C
Případová studie KJ + TČ
Určení výhodnosti instalace kogenerační jednotky a tepelného čerpadla.
82
Uvažuje se, že vyrobená elektrická energie kogenerační jednotkou bude určena pro provoz
vysokoteplotních tepelných čerpadel.
Tab. 7.4 Měsíční výroba tepelné energie
Obr. 7.7 Schéma zapojení
83
Graf 7.5 Porovnání spotřeby ZP
Úspora je dána
a) vyšší účinností
b) výrobou tepla TČ
Graf 7.6 Výroba tepelné energie
Ekologická a ekonomická proveditelnost kogenerace
-
Celoroční potřeba TE
84
-
Velký objem akumulační nádoby
-
Studie
-
Zapojení KJ (odpadní teplo, účinnost)
GAS, 2001. ISBN 80-86176-83-5.
2003. ISBN 80-01-02802-X.
KRBEK, J., OCHRANA, L., POLESNÝ, B. Zásobování teplem a kogenerace. 1. Vyd. Brno:
PC-DIR Real, 1999. ISBN 80-214-1347-6.
Otázky a úkoly
1) Nakreslete schéma zapojení kogenerační jednotky.
2) Vysvětlete pojmy: primární, sekundární a technologický okruh.
3) Vyjmenujte okruhy, které mohou tvořit tepelný systém KJ.
1) Diskutujte o ekologické a ekonomické proveditelnosti kogenerace.
2) Zamyslete se nad tím, zda je výhodná instalace KJ a TČ.
1) Viz výklad.
2) Viz výklad.
3) Viz výklad.
85
Kapitola 8: Akumulace
Klíčové pojmy:
akumulace, CFD simulace, stratifikace
Cíle kapitoly:
-
pochopení výpočtu doby nabíjení a vybíjení akumulační nádoby,
-
porozumění průběhu nabíjení a vybíjení akumulační nádoby,
-
znalost výpočtu roční spotřeby tepelné energie pro přípravu TV.
Výklad:
Akumulace tepelné energie
Malá tepelná ztráta RD
velký zdroj tepelné energie
Akumulace tepelné energie, doba nabíjení akumulační nádoby – příklad 1
VAN = 500 l
QZDROJ = 10 kW
t1 = 55 °C
t2 = 65 °C
teplotní spád otopné soustavy 55/45 °C
t = 0,58 h = 35 min
86
VAN = 500 l
QZDROJ = 10 kW
t1 = 55 °C
t2 = 85 °C
SCHÉMA (TRV)
t = 1,75 h = 105 min
VAN = 500 l
QZDROJ = 5 kW
t1 = 55 °C
t2 = 85 °C
t = 3,5 h = 210 min
Akumulace tepelné energie, doba vybíjení akumulační nádoby – příklad 4
VAN = 500 l
QZTR = 2,9 kW
t1 = 55 °C
t2 = 85 °C
t = 6,0 h
87
Obr. 8.1 Nabíjení a vybíjení akumulační nádoby současně
Akumulační zásobník
(stratifikace) - příprava TV
Nabíjení - vybíjení
Obr. 8.2 Schéma zásobníku TV
88
Tab. 8.1 Parametry zásobníku TV
VARIANTA
1
Parametry
objem (m3)
VA
0,3
vnitřní průměr potrubí (mm)
d1
0,042
vnější průměr potrubí (mm)
d2
0,047
průměr výměníku (v ose)
dhx
0,435
rozteč šroubovice (mm)
hšr
0,055
celková výška výměníku
(mm)
hhx
0,495
plocha výměníku (mm2)
Shx
2,02
délka potrubí výměníku
(mm)
lhx
13,7
rychlost potrubí výměníku
(m/s)
vhx
0,267
objemový průtok
V
0,000370
hmotnostní průtok (kg/s)
m
0,365
teplotní spád (K)
Δt
6
Obr. 8.3 Nabíjení AN
89
Obr. 8.4 Vybíjení AN (M = 0,125 kg/s)
Obr. 8.5 Vybíjení AN (M = 0,500 kg/s)
Graf 8.1 Závislost teploty vody na čase
t (°C) 60
50
40
30
a1
a5
20
vym_out
10
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
čas (min)
90
t (°C) 60
a1
a2
50
a3
a4
40
a5
30
20
10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
čas (min)
t (°C) 60
a1
a2
50
a3
a4
40
a5
30
20
10
0
5
10
15
20
25
30
35
40
čas (min)
Roční spotřeba tepelné energie pro přípravu TV – příklad 5
Počet osob n = 4
Denní dávka TV na osobu d = 40 (l/os,den)
t1 = 10 (°C); t2 = 55 (°C)
Do kontextu s potřebou pro vytápění.
Roční ztráta tepelné energie
nZP = 1,5 (Kč/kWh); nEE = 2,3 (Kč/kWh)
91
Tab. 8.2 Parametry zásobníku TV
GAS, 2001. ISBN 80-86176-83-5.
80-86517-59-4.
2003. ISBN 80-01-02802-X.
KABELE, K. et al. Energetické a ekologické systémy budov I. 1. vyd. Praha: Vydavatelství
ČVUT, 2005. ISBN 80-01-03327-9.
PAPEŽ, K. et al. Energetické a ekologické systémy budov II. 1. vyd. Praha: Vydavatelství
ČVUT, 2007. ISBN 978-80-01-03622-8.
92
Otázky a úkoly
1) Vypočítejte příklady v kapitole 8.
2) Porovnejte, jak vypadá stratifikace při nabíjení a vybíjení zásobníku TV.
3) Vyjmenujte, jaké znáte vhodné simulační programy pro simulace nabíjení a vybíjení
zásobníku TV.
1) Diskutujte o tom, jak akumulovat tepelnou energii z výkonného zdroje pro dům
s malou tepelnou ztrátou.
2) Zamyslete se nad tím, jak se změní doba nabíjení akumulační nádoby při
dvojnásobném výkonu zdroje (příklad 2 a 3).
1) Viz výklad.
2) Viz výklad.
3) Viz výklad.
93
Kapitola 9: Zdroje tepelné energie
nízkoenergetické a pasivní výstavbě
ve
vztahu
k
Klíčové pojmy:
budovy s téměř nulovou spotřebou energie, tepelná ztráta, součinitel prostupu tepla,
řízené větrání s rekuperací, bod bivalence, topný faktor
Cíle kapitoly:
-
pochopení pojmu topný faktor,
-
porozumění návrhu tepelného čerpadla,
-
znalost legislativy týkající se energetické náročnosti budov.
Výklad:
Článek 9
Budovy s téměř nulovou spotřebou energie
1. Členské státy zajistí, aby:
a) do 31. prosince 2020 všechny nové budovy byly budovami s téměř nulovou
spotřebou energie a
b) po dni 31. prosince 2018 nové budovy užívané a vlastněné orgány veřejné moci
byly budovami s téměř nulovou spotřebou energie.
94
Tab. 9.1 Parametry pasivní výstavby – TNI 730329 (-30)
Jev, veličina
Označení
Jednotka
Požadavek
Způsob
prokázání
W/(m2K)
Splnění
požadavku
na
doporučené
hodnoty
podle ČSN
7305402:2011
Výpočet v
souladu s ČSN
73 0540-4
Poznámka
Prostup tepla
1a
1b
Součinitel
prostupu tepla
všech
jednotlivých
konstrukcí na
systémové
hranici
U
Střední hodnota
součinitele
prostupu tepla
Uem
W/(m2K)
Uem < 0,22
Výpočet v
souladu s ČSN
73 0540-2
Podle
konkrétních
podmínek se
doporučuje
Uem < 0,15 –
0,18
Jev, veličina
Označení
Jednotka
Požadavek
Způsob
prokázání
Poznámka
Zajištěn.
Kontrola
projektové
dokumentace,
slovní
hodnocení.
η > 75
Podle
ověřených
podkladů
výrobce
technického
zařízení
(rekuperátoru)
n50 < 0,6
Měření
metodou
tlakového
spádu a
výpočet n50 v
souladu s ČSN
EN 13829
Kvalita vzduchu a tepelná ztráta výměnou vzduchu
2
Přívod čerstvého
vzduchu do
všech
pobytových
místností
3
Účinnost
zpětného
získávání tepla z
odváděného
vzduchu
4
Neprůvzd.
obálky budovy
--
η
n50
--
%
(1/h)
95
V energ.
bilančních
výpočtech
snížit o 10
proc. bodů
Jev, veličina
Označení
Jednotka
Požadavek
Způsob
prokázání
Poznámka
< 27
Výpočet podle
ČSN 73 0540-4.
Strojní
chlazení se
nepředpoklád
á.
Doporučená
hodnota:
< 15
Zajištění pohody prostředí v letním období
5
Nejvyšší teplota
vzduchu v
pobytové místnosti
θi
°C
Potřeba tepla na vytápění
6
Měrná potřeba
tepla na vytápění
EA
kWh/(m a)
< 20
Výpočet podle
ČSN EN ISO
13790 a dalších
norem,
upřesněni podle
TNI 73 0329
PEA
kWh/(m2a)
< 60
Výpočet podle
TNI 730329
2
Potřeba primární energie
7
Potřeba primární
energie z
neobnovitelných
zdrojů
na
vytápění, přípravu
TV a
technické systémy
budovy
Dosažení uvedených hodnot podmínkou:
Součinitelé prostupu tepla U (W/m2,K)
podle ČSN 73 0340-2: 2007
a podle ČSN 73 0340-2: 2011
a)
Požadované hodnoty
b)
Doporučené hodnoty
c)
Doporučené hodnoty pro pasivní výstavbu
96
Tab. 9.2 Tepelná ztráta prostupem a větráním pro I = 0,5 1/h
Součinitelé prostupu tepla U (W/m2,K) - ČSN 730540-2
Konstrukce
Požadované (2007)
Doporučené (2011)
Dop. pasiv (2011)
Stěna vnější
0,38
0,25
0,12
Střecha
0,24
0,16
0,10
Podlaha k zemině
0,45
0,30
0,15
Okna
1,70
1,20
0,60
Celková tepelná
ztráta (kW)
11,9
8,5
5,5
Součinitelé prostupu tepla U (W/m2,K)
Konstrukce
Požadované
Doporučené
Dop. pasiv
Celková tepelná ztráta
(kW)
11,9
8,5
5,5
Prostupem
8,4
4,9
2,0
Objem RD = 652 m3
I = (0,5 1/h);
vnitřní objem
Větráním
3,5
3,5
3,5
Podíly tepelných
ztrát
Větráním
Větráním
Větráním
Prostupem
Prostupem
Prostupem
97
Snížení tepelných ztrát větráním
Řízené větrání s rekuperací tepla
Obr. 9.1 Schéma řízeného větrání s rekuperací tepla
Tab. 9.3 Podíly tepelných ztrát větráním a prostupem na celkové tepelné ztrátě
Konstrukce
Dop. pasiv
Celková tepelná ztráta (kW)
5,5
Prostupem
2,0
Větráním
3,5
Podíly TZ
Větráním
Prostupem
Tab. 9.4 Dimenzování zdroje tepelné energie - podíly tepelných ztrát větráním a
prostupem na celkové tepelné ztrátě – varianty řízeného a neřízeného větrání
Konstrukce
Neřízené větrání
Řízené větrání
Celková TZ (kW)
5,5
2,9
Prostupem
2,0
2,0
Větráním
3,5
0,9
Podíly TZ
Větráním
Větráním
Prostupem
Prostupem
98
Graf 9.1 Tepelná ztráta v závislosti na venkovní teplotě
Tepelná ztráta (kW)
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
Tab. 9.5 Investiční náklady (Kč)
Kotel
Akumulace a
další
příslušenství
Otopná
soustava
CELKEM
Kotel na ZP
40 000
50 000
150 000
240 000
Kotel na EE
20 000
50 000
150 000
220 000
Přímotopy
-
-
50 000
50 000
Kotel na
biomasu
50 000
50 000
150 000
250 000
TČ
200 000
50 000
150 000
400 000
ALE!!! Přímotopy!
bod 7 - Potřeba primární energie (ZÚ) PEA < 60 kWh/(m2a)
Příklad 1 - návratnost zdroje (vytápění)
Suž = 160 (m2); EA = 20 (kWh/m2, rok)
Určit návratnost zdroje tepelné energie pro vytápění
99
Tab. 9.6 Cena komodity Kč/kWh
EE
2,4
ZP
1,5
Biomasa
1,1
Tab. 9.7 Roční náklady na vytápění
Investiční
náklady (Kč)
Kotel na ZP
240 000
Kotel na EE
220 000
Přímotopy
50 000
Kotel na biomasu
250 000
TČ
400 000
Roční náklady na
vytápění (Kč/rok)
Kotel na ZP – Protherm Panther Condens (závěsný plynový kondenzační kotel)
Tab. 9.8 Protherm Panther Condens – technické parametry
100
Kotel na ZP – Junkers Cerapur Smart (závěsný plynový kondenzační kotel)
Tab. 9.9 Junkers Cerapur Smart – technické parametry
Kotel na ZP – Vailant (závěsný plynový kondenzační kotel)
Závěsný plynový kondenzační kotel pro vytápění s odvodem spalin obvodovou stěnou,
střechou, popř. šachtou nebo světlíkem. Jmenovitý výkon kotle je 11,9 kW s možností
nastavení výkonu v rozsahu 40 až 100 %. Kotel je vybaven elektronickým zapalováním a
plynulou regulací výkonu. Součástí kotle je nerezový kondenzační výměník, čerpadlo,
expanzní nádoba, pojistný ventil a trojcestný přepínací ventil pro připojení nepřímotopného
zásobníku.
Kotel na ZP – Buderus Logamax plus GB072 (závěsný plynový kondenzační kotel)
Kotel v provedení ve výkonových variantách 14 a 24 kW a v provedení singl, kombi. Určen
pro rodinné domy i byty.
Modulace výkonu od 2,9 do 14 nebo od 6,6 do 24 kW.
Normový stupeň využití až 109 %.
Nízká emise hluku 36 dB (A).
Kotel na ZP – Viessmann Vitodens 343-F (plynový kondenzační kotel)
Plynový kompaktní kondenzační kotel s integrovaným solárním ohřevem pitné vody včetně
zapojení solárního systému.
Jmenovitý výkon: 3,8 až 19 kW. Určeno pro rodinné domy (novostavby a modernizace).
101
Kotel na ZP – Geminox (plynový kondenzační kotel)
Kondenzační jednookruhové kotle THRI C s výkony 0,9 – 9,5 kW, 2,3 – 16,9 kW, 4,8 – 23,9
kW a 9,7 – 48,7 kW jsou určeny pro jeden přímý topný okruh s možností rozšíření na více
topných okruhů. Varianty lze doplnit o nepřímotopné zásobníky teplé vody.
Kotel na biomasu – Atmos
Obr. 9.2 Zplynovací kotle na dřevo Atmos DC
Tab. 9.10 Parametry zplynovacích kotlů Atmos DC
Tab. 9.11 Parametry kotlů na pelety Atmos D
102
Obr. 9.3 Kotle na pelety Atmos D
Příklad 2 - řízené větrání a interiérový zdroj tepelné energie
Obývací pokoj Qztr = 800 W; 4 osoby; xZZT = 80 %; te = -12 °C
Určit odvod tepla řízeným větráním
Řízené větrání a interiérový zdroj tepelné energie
Q  0
Q  Qztr  Qinf  Qv  Q zdroj
0   Ui  A i  t i   1300  i  l  B  M  t  V    c  t j  Q zdroj
0  UOS  A OS   t i  t e   UOK  A OK   t i  t e   UPDL  A PDL   t i  tPDL  
 1300  i  l  B  M   t i  t e  
 V    c  (t i  t p ) 
 Qzdroj  vliv akumulace
103
Graf 9.2 Tepelná čerpadla
Potřeba energie pro vytápění objektu a vyrobená tepelná energie tepelným čerpadlem
v závislosti na venkovní teplotě (průnik křivek vyjadřuje předpokládaný bod bivalence).
Tepelná čerpadla
S invertorovou technologií - Otáčky kompresoru se mění plynule v závislosti na potřebném
tepelném výkonu.
Graf 9.3 Topný výkon tepelného čerpadla (kW)
104
Solární soustava
Graf 9.4 Dimenzování kolektorů na letní období
BAŠTA, J. Velkoplošné sálavé vytápění. 1. vyd. Praha: Grada, 2010. ISBN 978-80-247-35245.
GAS, 2001. ISBN 80-86176-83-5.
80-86517-59-4.
BROTÁNKOVÁ, K., BROTÁNEK, A. Jak se žije v nízkoenergetických a pasivních domech.
1. vyd. Praha: Grada, 2012. ISBN 978-80-247-3969-4.
2003. ISBN 80-01-02802-X.
TYWONIAK, J. et al. Nízkoenergetické domy 3. 1. vyd. Praha: Grada, 2012. ISBN 978-80247-3832-1.
105
Otázky a úkoly
1) Vypočítejte návratnost zdroje tepelné energie pro vytápění (příklad 1).
2) Porovnejte požadované a doporučené součinitele prostupu tepla dle ČSN 73 0540-2.
3) Vysvětlete princip řízeného větrání s rekuperací tepla.
1) Diskutujte o požadavcích na parametry pasivní výstavby dle TNI 73 0329-30.
2) Zamyslete se nad tím, jaký podíl tepelných ztrát představuje tepelná ztráta větráním a
prostupem u rodinného domu, který bude projektován na požadované a doporučené
hodnoty U.
1) Viz výklad.
2) Viz výklad.
3) Viz výklad.
106
Kapitola 10: Teplovzdušné vytápění, řízené větrání
Klíčové pojmy:
teplovzdušné vytápění, řízené větrání, intenzita větrání, intenzita výměny vzduchu,
oběhový vzduch
Cíle kapitoly:
-
znalost základní terminologie k tématice větrání,
-
znalost základní legislativy pro návrh množství větracího vzduchu,
-
znalost systému teplovzdušného vytápění a řízeného větrání.
Výklad:
Teplovzdušné vytápění
1. Zajišťuje hygienickou výměnu vzduchu
2. Kryje tepelné ztráty objektu
1. Zajišťuje pouze hygienickou výměnu vzduchu
Obr. 10.1 Řízené větrání (schéma)
107
Obr. 10.2 Teplovzdušné vytápění (schéma)
Průtok větracího vzduchu
Nařízení vlády č. 361/2007 Sb., kterým se stanoví podmínky ochrany zdraví
zaměstnanců při práci (novelizováno č. 68/2010 Sb.)
§41 – Větrání pracovišť
Minimální množství venkovního vzduchu přiváděného na pracoviště musí být
a)
50 (m3/h) na zaměstnance vykonávajícího práci zařazenou do tříd I nebo IIa
b)
70 (m3/h) na zaměstnance vykonávajícího práci zařazenou do tříd IIb, IIIa nebo IIIb
c)
90 (m3/h) na zaměstnance vykonávajícího práci zařazenou do tříd IVa, IVb nebo V
V místnosti, kde je povoleno kouření, se zvyšuje množství přiváděného vzduchu o 10 m3/h
podle počtu přítomných osob.
Při venkovních teplotách vyšších než 26 °C a nižších než 0 °C může být množství venkovního
vzduchu zmenšeno, nejvýše však na polovinu.
Vyhláška 20/2012 (kterou se mění vyhl. č. 268/2009 Sb. o technických požadavcích
stavby
Čl. II.
(3) Obytné místnosti musí mít zajištěno dostatečné větrání venkovním vzduchem a vytápění v
souladu s normovými hodnotami, s možností regulace vnitřní teploty.
(5) Pobytové místnosti musí mít zajištěno dostatečné přirozené nebo nucené větrání a musí
být dostatečně vytápěny s možností regulace vnitřní teploty. Pro větrání pobytových místností
108
musí být zajištěno v době pobytu osob minimální množství vyměňovaného venkovního
vzduchu 25 m3/h na osobu, nebo minimální intenzita větrání 0,5 1/h. Jako ukazatel kvality
vnitřního prostředí slouží oxid uhličitý CO2, jehož koncentrace ve vnitřním vzduchu nesmí
překročit hodnotu 1 500 ppm.
Dimenzování zařízení (kW)
ČSN 06 0210
Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění – zrušena
ČSN EN 12831
Tepelné soustavy v budovách - Výpočet tepelného výkonu
ČSN EN ISO 13789
Tepelné chování budov - Měrné tepelné toky prostupem tepla a větráním – Výpočtová metoda
Roční spotřeby energie (kWh/rok)
ČSN EN 832
Tepelné chování budov - Výpočet potřeby energie na vytápění – Obytné budovy - zrušena
ČSN EN ISO 13790
Energetická náročnost budov - Výpočet spotřeby energie na vytápění a chlazení
ČSN 06 0210
Doporučuje uvažovat pro obytné budovy 0,5 1/h.
109
ČSN EN 12831
Tab. 10.1 Doporučená intenzita větrání
Prostor
Intenzita
větrání
(1/h)
Obytná místnost
0,5
Kuchyně, koupelna
1,5
Kanceláře
1,0
Třída, shromažďovací prostor
2,0
ČSN EN ISO 13789
Doporučuje uvažovat pro obytné budovy typickou hodnotu 0,3 1/h, pro ostatní budovy
doporučuje vycházet z potřebného množství čerstvého vzduchu na pracovníka ve výši 30
m3/h.
ČSN EN 832
Doporučuje uvažovat pro obytné budovy minimální výměnu ve výši 0,5 1/h.
ČSN EN ISO 13790
Tab. 10.2 Doporučená intenzita větrání
Prostor
Intenzita
větrání
(m3/h.m2)
obsazené místnosti
3
chodby a haly
2
třídy
5
kavárny, konferenční místnosti a posluchárny
10
110
ČSN EN 15665
Příloha A – Přehled všeobecných požadavků (ze Švýcarska)
ČSN EN 15665; ZMĚNA Z1
Základním požadavkem je zajištění trvalého větrání s minimální intenzitou větrání 0,3 1/h v
obytných prostorech a kuchyních.
Pro vyšší požadovanou kvalitu vnitřního vzduchu se doporučuje intenzita větrání 0,5 až 0,7
1/h.
Tab. 10.3 Stanovení průtoku venkovního vzduchu
Poznámka: Intenzitu větrání nelze zaměňovat za intenzitu výměny vzduchu.
Intenzita větrání
I = VE /O (1/h)
Intenzita výměny vzduchu
IP = VP /O (1/h)
VP (m3/h) je průtok vzduchu přiváděného do větraného prostoru; zahrnuje, kromě průtoku
venkovního vzduchu VE, i průtok oběhového vzduchu VOb (pokud je použit), tj. VP = VE + VOb
Obr. 10.3 Schéma větrání využívajícího oběhový vzduch
111
Příklad 1 - Základní bilance průtoku vzduchu pro odvedení škodliviny
- člověk vydechuje 0,65 m3/h, obsah CO2 = 4 %
- v přiváděném vzduchu obsah cp CO2 = 0,035 %
- maximální obsah (CMAX) CO2 = 0,15 % (kriterium pohody)
V
3
Mš
0,65.0,04

 23 m
h
cMAX  c p 0,0015  0,00035
V .cp .d  Mš .d V .cMAX .d Vm .dc
Graf. 10.1 Obsah CO2 v atmosféře
Vliv CO2 na činnost člověka
3 % CO2
tělo člověka nereaguje
5 % CO2
závratě, ospalost, bolest hlavy
8 – 10 % CO2
bezvědomí (nebezpečí úmrtí)
20 % CO2
okamžité bezvědomí (smrt do 10 min)
112
Graf. 10.2 Vliv koncentrace CO2 na zdraví (stanovení potřebné dávky čerstvého
vzduchu na osobu)
Přiváděný vytápěcí vzduch VP - Vzduch přiváděný do obytných místností o takovém
množství a teplotě, aby pokryl tepelnou ztrátu objektu.
Oběhový vzduch VOB (Vc) - Vzduch odváděný z obytných prostor do jednotky. Předpokládá
se, že tento vzduch není znehodnocený a vrací se zpět do obytných prostor.
Odpadní vzduch VO - Vzduch, který je odsáván ze sociálních zařízení a kuchyně. Předpokládá
se, že tento vzduch je znehodnocený a je přes výměník ZZT, kde předá část tepla venkovnímu
vzduchu odváděn ven z objektu.
Venkovní vzduch VE - Čerstvý venkovní vzduch, který se předehřívá v jednotce ve výměníku
ZZT, mísí se s cirkulačním vzduchem, dále se dohřívá na teplotu přiváděného vzduchu a
přivádí se do obytného prostoru.
Úvod k teplovzdušnému vytápění
Následující příklady jsou uvedeny pro zimní období, vzduchotechnika se podílí na krytí
tepelných ztrát. Jedná se o obecný jednokanálový vzduchový systém.
113
Řešené ilustrativní příklady:
QZTR = 5,0 kW
tP = 42,0 °C
tI = 20,0 °C
tE = -12(-3) °C
nosob = 4
Přívod venkovního vzduchu, odvod znehodnoceného vzduchu
QOHŘ  M  c  t  VE    c  (tP  tE )
QOHŘ  VE    c  (tI  tE )  VE    c 
(tP  tI )
tP
prac ov ní rozdíl teplot
QOHŘ  .................
Obr. 10.4 Schéma větrání - Přívod venkovního vzduchu, odvod znehodnoceného
vzduchu
Výhody nejsou.
Nevýhody: vysoké provozní náklady
Přívod venkovního vzduchu, odvod znehodnoceného vzduchu, instalace ZZT
=
(tE' - tE )
(t O - tE )
QOHŘ  VE    c  (tP  tE )
QOHŘ (ZZT)  .................
114
Obr. 10.5 Schéma větrání
vzduchu, instalace ZZT
- Přívod venkovního vzduchu, odvod znehodnoceného
Výhody: venkovní a odpadní vzduch jsou odděleny
Nevýhody: prostorová náročnost (potrubní rozvody přívodu a odvodu vzduchu musí být
vedeny ke VZT jednotce, VZT jednotka o větších rozměrech)
Přívod venkovního vzduchu, odvod znehodnoceného vzduchu, oběhový vzduch
t SM =
(t1 . M1 + t 2 . M2 + . . . + t n . Mn )
n
M
i 1
QOHŘ  VE    c  (tP  t SM )
QOHŘ (SM)  .................
vzduchu, oběhový vzduch
Výhody: maximální využití energie cirkulačního vzduchu (100 %)
Nevýhody: znehodnocený odpadní vzduch je centrální VZT jednotkou distribuován do všech
větraných místností
115
Přívod venkovního vzduchu, odvod znehodnoceného vzduchu
Kombinace obou předchozích případů.
vzduchu
QOHŘ(ZZTSM)  .................
Obr. 10.8 Schéma větrání - Schéma optimalizovaného systému teplovzdušného vytápění
Obr. 10.9 Schéma větrání - Schéma optimalizovaného systému teplovzdušného vytápění
116
Zjednodušené dimenzování průtoku vzduchu
Pro správné dimenzování teplovzdušného vytápění je třeba nejprve spočítat tepelné ztráty (po
místnostech).
Přiváděný vytápěcí vzduch Vp
Pro každou místnost lze stanovit množství přiváděného vytápěcího vzduchu ze vztahu
QZTR(i)  VP(i)    c  tP
Teplota přiváděného vytápěcího vzduchu tp °C se může pohybovat v rozmezí 40 až 45 °C.
Pak je možné určení množství přiváděného vytápěcího vzduchu:
VP(i) 
QZTR(i)
  c  tP
Zjednodušené dimenzování průtoku vzduchu
Odpadní vzduch Vo
Množství odpadního vzduchu je dáno:
a) doporučenými hodnotami. Množství odsávaného vzduchu:
WC
30 m3/h
Koupelna
40 až 60 m3/h
Kuchyně
40 až 60 m3/h
Šatna
5 až 10 m3/h
Zádveří
10 až 15 m3/h
b) množstvím venkovního vzduchu VE
Množství venkovního vzduchu je rovno množství odpadního vzduchu - rovnotlaký
systém.
Oběhový vzduch VOB
117
Množství oběhového vzduchu je dáno rozdílem množství přiváděného vytápěcího vzduchu a
množství odpadního vzduchu.
Přívod vytápěcího vzduchu
Obr. 10.10 Uložení podlahového kanálu
Režimy provozu
Obr. 10.11 Vytápěcí a větrací režim s rekuperací
Obr. 10.12 Cirkulační vytápěcí režim – bez větrání
118
Obr. 10.13 Větrací režim přetlakový – letní větrání případně chlazení
Obr. 10.14 Větrací režim podtlakový – větrání sociální zařízení
119
Výhody
1. Kvalitní vnitřní mikroklima (filtrace venkovního vzduchu).
2. Větrání v letním období (popř. i vychlazování vnitřního prostoru).
3. Možnost rozvodu tepla z doplňkového zdroje (krbová kamna) po celém objektu.
4. Energetická provozní úspora (rekuperace tepla).
Nevýhody
1. Prostorová náročnost (velikost VZT jednotky, vedení potrubních rozvodů)
2. Mechanické součástky v jednotce (ventilátory a s tím i související hlučnost)
3. Investiční náročnost
4. V koupelnách doplňkové tepelné zdroje
5. Konstantní vnitřní teplota v celém teplovzdušně vytápěném objektu
6. Významná spotřeba pomocné energie (pro pohon ventilátorů)
Obr. 10.15 Teplovzdušné vytápění
Spotřeba pomocné energie (pro pohon ventilátorů)
Pasivní dům
120
eVYT < 20 kWh/m2.rok  EVYT = 7680 (kWh/rok)
Vstupní cenové parametry
Zdroj tepelné energie EE  nEE = 2,4 Kč/kWh (NT 22 hodin)
Zdroj tepelné energie ZP  nZP = 1,4 Kč/kWh,
nEE = 4,8 Kč/kWh (VT)
Spotřeba pomocné energie (pro pohon ventilátorů)
EVYT = 7680 kWh/rok
Zdroj tepelné energie EE  nEE = 2,4 Kč/kWh
NVYT = 18 432 Kč/rok
NVYT = 10 752 Kč/rok
Ventilátory pro přívod a odvod vzduchu
Ppřívod = 150 W, Podvod = 100 W
Doba chodu ventilátorů v otopném období 242 dní cca 12 hodin denně, t.j. EEE,VENT = (140 +
100) . 242 . 12 = 440 kWh/rok
Zdroj tepelné energie EE  nEE = 2,4 Kč/kWh
NVENT = 1 057 Kč/rok
NVENT = 2 114 Kč/rok
121
Řízené větrání s rekuperací tepla
Obr. 10.16 Řízené větrání s rekuperací tepla
GAS, 2001. ISBN 80-86176-83-5.
80-86517-59-4.
2003. ISBN 80-01-02802-X.
122
GEBAUER, G., RUBINOVÁ, O., HORKÁ, H. Vzduchotechnika. Brno: ERA, 2005. ISBN
80-7366-027-X.
CHYSKÝ, J., HEMZAL, K. et al. Větrání a klimatizace. 3. vyd. Brno: Bolit, 1993. ISBN 80901574-0-8.
PETRÁŠ, D. et al. Nízkoteplotní vytápění a obnovitelné zdroje energie. Bratislava: Jaga,
2008. ISBN 978-80-8076-069-4.
ŠTĚCHOVSKÝ, J. Vytápění pro střední školy se studijním oborem TZB nebo obdobným.
Praha: Sobotáles, 2005. ISBN 80-86817-11-3.
VRÁNA, J. et al. Technická zařízení budov v praxi. 1. vyd. Praha: Grada, 2007. ISBN 97880-247-1588-9.
Otázky a úkoly
1) Vypočítejte, kolik je potřeba přivádět čerstvého vzduchu na jednu osobu (příklad 1).
2) Porovnejte požadavky na množství větracího vzduchu uvedené v této kapitole.
3) Vyjmenujte platné normy, vyhlášky a zákony, které jsou uvedeny v této kapitole.
1) Diskutujte o jednotlivých systémech větrání, jejich výhodách a nevýhodách.
2) Zamyslete se nad tím, jak působí CO2 na člověka.
1) Viz výklad.
2) Viz výklad.
3) Viz výklad.
Souhrn doporučené literatury
Internetové zdroje:
123
[1]
Internetový portál Euroskop: Integrovaný informační systém [online]. Místo: Vláda
České
republiky,
©
2005
[cit.
2012-12-01].
Dostupné
z:
http://www.euroskop.cz/gallery/2/756-smlouva_o_es_nice.pdf.
[2]
Internetový portál EUR-Lex: Úřední věstník Evropské unie [online]. Místo: Úřad pro
publikace Evropské unie, © 2011 [cit. 2012-12-01]. Dostupné z: http://eurlex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=OJ:C:2010:083:0047:0200:CS:PDF.
[3]
Thákurova 531/4, 160 00 Praha 6, © 2001 [cit. 2012-12-01]. Dostupné z:
http://www.tzb-info.cz/pravni-predpisy/smernice-evropskeho-parlamentu-a-rady- 201031-eu-o-energeticke-narocnosti-budov-prepracovani.
[4]
Thákurova 531/4, 160 00 Praha 6, © 2001 [cit. 2012-12-01]. Dostupné z:
http://www.tzb-info.cz/pravni-predpisy/zakon-c-406-2000-sb-o-hospodareni-energii.
[5]
Internetový portál KEA: Krajská energetická agentura Jihočeského kraje [online].
Místo: České Budějovice, © 2007 [cit. 2012-12-01]. Dostupné z: http://www.keajc.cz/.
[6]
Internetový portál CEP: Centrum pro ekonomiku a politiku [online]. Místo: Praha, ©
2005 [cit. 2012-12-01]. Dostupné z: http://cepin.cz/cze/clanek.php?ID=1099.
Odborná literatura:
[7]
BAŠTA, J., BROŽ, K. et al. Topenářská příručka – svazek 2. 1. vyd. Praha:
Vydavatelství GAS, 2001. ISBN 80-86176-83-5.
[8]
BAŠTA, J. Velkoplošné sálavé vytápění. 1. vyd. Praha: Grada, 2010. ISBN 978-80247-3524-5.
[9]
BERANOVSKÝ, J., MURTINGER, K. Energie z biomasy. 1. vyd. Brno: ERA, 2006.
ISBN 80-7366-071-7.
[10]
BERANOVSKÝ, J., TRUXA, J. Alternativní energie pro Váš dům. Brno: ERA, 2003.
ISBN 80-86517-59-4.
[11]
BROTÁNKOVÁ, K., BROTÁNEK, A. Jak se žije v nízkoenergetických a pasivních
domech. 1. vyd. Praha: Grada, 2012. ISBN 978-80-247-3969-4.
[12]
BROŽ, K., ŠOUREK, B. Alternativní zdroje energie. 1. vyd. Praha: Vydavatelství
ČVUT, 2003. ISBN 80-01-02802-X.
124
[13]
GEBAUER, G., RUBINOVÁ, O., HORKÁ, H. Vzduchotechnika. Brno: ERA, 2005.
ISBN 80-7366-027-X.
[14]
CHYSKÝ, J., HEMZAL, K. et al. Větrání a klimatizace. 3. vyd. Brno: Bolit, 1993.
ISBN 80-901574-0-8.
[15]
KABELE, K. et al. Energetické a ekologické systémy budov I. 1. vyd. Praha:
Vydavatelství ČVUT, 2005. ISBN 80-01-03327-9.
[16]
KRBEK, J., OCHRANA, L., POLESNÝ, B. Zásobování teplem a kogenerace. 1. Vyd.
Brno: PC-DIR Real, 1999. ISBN 80-214-1347-6.
[17]
MATUŠKA, T. Solární zařízení v příkladech. Praha: Grada, 2013. ISBN 978-80-2473525-2.
[18]
PAPEŽ, K. et al. Energetické a ekologické systémy budov II. 1. vyd. Praha:
Vydavatelství ČVUT, 2007. ISBN 978-80-01-03622-8.
[19]
PETRÁŠ, D. et al. Nízkoteplotní vytápění a obnovitelné zdroje energie. Bratislava:
Jaga, 2008. ISBN 978-80-8076-069-4.
[20]
ŠTĚCHOVSKÝ, J. Vytápění pro střední školy se studijním oborem TZB nebo
obdobným. Praha: Sobotáles, 2005. ISBN 80-86817-11-3.
[21]
TYWONIAK, J. et al. Nízkoenergetické domy 3. 1. vyd. Praha: Grada, 2012. ISBN
978-80-247-3832-1.
[22]
VRÁNA, J. et al. Technická zařízení budov v praxi. 1. vyd. Praha: Grada, 2007. ISBN
978-80-247-1588-9.
125

stáhnout - Energetický region

Transkript

Podobné dokumenty

Akční plán ÚEK

VÁNOČNÍ DÁREK OZP

KATALOG 2016

Část I Termodynamika

SEVEn, o.p.s., 2005

Laserové technologie v praxi

Katolická poutní místa v Česku

Skaut Junák Sobíňov

GR-X5E

document [] - Vysoké učení technické v Brně