TZB pro FBI »

RYCHLÝ NÁHLED DO PROBLEMATIKY KAPITOLY

Nejdůležitější v této kapitole je seznámení se s potřebou nalézání nových zdrojů energie.

Cíle kapitoly

• 1. Zvládnete principy nových směrů ve vytápění a ohřevu teplé vody.
• 2. Pochopíte nutnost ochrany ovzduší a potřebu šetřit s fosilními zdroji energie.
• 3. Naučíte se novým pojmům.

ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU

Jde o velmi zajímavou kapitolu a k jejímu prostudování počítejte s cca 60 minutami.

KLÍČOVÁ SLOVA KAPITOLY

Fosilní paliva, sluneční energie, biomasa, kogenerace, tepelná čerpadla, rekuperace.

Poptávka po zdrojích energie neustále roste a stávající ložiska fosilních paliv nejsou neomezená. Proto roste snaha najít nové zdroje energie pro lidskou spotřebu v obnovitelných zdrojích energie. Ekologický přínos obnovitelných zdrojů spočívá v tom, že 1 ( kWh ) získaná přeměnou sluneční energie umožní uspořit minimálně 5 ( g ) prachu, 27 ( g ) SO₂, 4.2 ( g ) NO_x a 2 ( kWh ) termoemisí. Největší ekonomický přínos ale spočívá především v úspoře mechanické, elektrické, tepelné a plynné energie.

Obrázek 11 -1: Světová potřeba energie

V současné době se zaměřujeme především na tyto obnovitelné zdroje energie:

• solární energie
• tepelná čerpadla
• biomasa
• kogenerace
• větrná energie
• malé vodní elektrárny
• hysolární energie

Obrázek 11 – 2: Spotřeba energie v jedné rodině

11.1 Využívání sluneční energie

Obrázek 11.1 – 1: Možnosti využití obnovitelných zdrojů energie

Zářením Slunce je Zemi a její atmosféře dodáván kontinuální příkon 1,2.10¹⁷ wattu ( = 120 miliónů gigawattů ). Sluneční energie přiváděná na Zemi je tak zhruba 11 000 krát větší, než je světová potřeba energie celého lidstva. Z obrázku 11 – 2 je vidět, že spotřeba pro vytápění a teplou vodu tvoří 60% z celkové potřeby energie pro průměrnou rodinu. Toto procento hovoří za mnohé.

Základním problémem kvalitního využití solární energie je značně kolísající množství solárního záření. Aby byly solární energetické systémy schopny energii nepřetržitě dodávat, musí být vybaveny buď odpovídajícími zásobníky nebo přídavnými systémy ( Back-up-System ).

Přímé záření : jedná se o záření neměnící svůj směr při dopadu na Zem za jasné bezmračné oblohy.

Difuzní záření : záření, vzniklé rozptylem původně přímého záření v mracích a na částečkách v atmosféře. Na Zem dopadá všemi směry.

Globální záření : souhrn přímého a difuzního záření.

Solární konstanta : 1 360 ( W.m^-2 )( proud energie mimo zemskou atmosféru, přibližně ve výši satelitů )

Intenzita záření v poledne : oblačná obloha 40 – 200 ( W.m^-2

) jasná obloha 600 – 1 000 ( W.m^-2 ).

Obrázek 11.1 – 3: Podíl difuzního záření na globálním záření v  ( kWh.m^-2.d^-1 )

Pro maximální využití sluneční energie je tedy nezbytné orientovat solární zařízení ke Slunci. Maximálních zisků lze dosáhnout pohyblivostí solárních zařízení. Největšího zisku energie se dosahuje v letním období při sklonu cca 30⁰, zatímco pro dobré a relativně rovnoměrné zisky energie v přechodných obdobích je příznivější sklon od 50⁰ do 60⁰. Pro celoroční využití je akceptovatelný sklon mezi 30⁰ až 60⁰.

Obrázek 11.1 – 4: Příklad délek stínu vrženého o výšce 15 m

Využití solární energie:

• pasivní – cílem je navrhnou objekt v souladu s tepelně technickými požadavky na budovu ( návrh vhodných oken, volba stavebního materiálu, akumulace tepla uvnitř objektu apod. ).
• aktivní
  • solární kolektory : přeměňuje sluneční záření na teplo a převádí do teplonosného média ( např. voda, vzduch ), aby mohlo být převedeno k místu spotřeby.
  • tepelný zásobník – jeho úkolem je vyrovnávání přirozeného kolísání dodávek solární energie. Liší se např. podle fyzikálních vlastností ( beztlaký, tlakový zásobník apod.), druhu použitého média ( vodní, štěrkový ), konstrukčního materiálu ( plastový, ocelový ), účelu použití ( zásobník teplé vody, vyrovnávací zásobník ). Životnost a tepelná odolnost zásobníků musí být minimálně 20 let.
  • solární články – přeměňují záření, resp. světlo na elektrický proud. Využívají při tom fotoelektrický efekt, při němž je vývin tepla spíše nežádoucí.

11.1.1 Solární kolektory

Podle druhu teplonosné látky v kolektorovém okruhu rozeznáváme systém kapalinový nebo vzduchový. Teplonosná látka se pohybuje v kolektorovém okruhu a přenáší teplo. Touto látkou bývá nemrznoucí směs nebo vzduch.

Podle způsobu dopravy nemrznoucí směsi se rozlišují soustavy s přirozeným nebo nuceným oběhem teplonosné látky. Většinou se používají soustavy s nuceným oběhem, kde pohyb teplonosné látky je zajišťován čerpadlem.

Podle zapojení kolektorového kruhu dělíme okruhy na uzavřené anebo otevřené. Jde o proudění teplonosné látky do výměníku tepla v akumulační nádrži. Obvyklejší je uzavřený způsob.

Podle možností propojení s dalším zdrojem tepla může být soustava monovalentní nebo bivalentní. Podobně jako u tepelných čerpadel se jedná o samostatné fungování nebo o propojení s dalším zdrojem tepla. Běžný je v praxi provoz při propojení s kotlem.

Obrázek 11.1.1 – 1: Hlavní části solární soustavy pro přípravu teplé vody

Optimální využití jsou pro solární zařízení tehdy, když se časově shodují nabídka sluneční energie a poptávka uživatele. Solární soustavy se uplatňují například:

• ohřev vody v bazénech, zejména nekrytých
• ohřev teplé vody v letním a přechodném období
• vytápění
• temperování výrobních a skladových hal
• výroba procesního tepla pro průmyslové využití ( vaření, sušení – seno a potraviny, destilace – odsolování mořské vody )

Tabulka 11.1.1 – 1: Charakteristiky solárních zařízení

Obrázek 11.1.1 – 2: Schéma zapojení solárního zařízení pro ohřev bazénové vody

Obrázek 11.1.1. – 3: Trubicový kolektor, firma Regulus spol. s r.o.

11.1.2 Tepelný zásobník

Přebírá nadbytečnou nabídku energie z kolektoru a uchovává ji pro periody chudé na záření.

Tabulka 11.1.2 – 1: Směrné hodnoty pro dimenzování solárních tepelných zásobníků

Obrázek 11.1.2 – 1: Schéma zapojení se solárním zásobníkem

Bezpečnost provozu solárního zásobníku spočívá v zajištění opatření omezujících nárůst teploty nad 95 ⁰C.

11.1.3 Solární články

Solární článek je polovodičový velkoplošný prvek s alespoň jedním NP přechodem ( v principu jde o polovodičovou diodu ). Na rozhraní materiálů P a N vzniká přechodová vrstva P-N, v níž existuje elektrické pole vysoké intenzity. Toto pole pak uvádí do pohybu volné nosiče náboje vznikající absorpcí světla. Vzniklý elektrický proud odvádějí z článku elektrody. V ozářeném solárním článku jsou fotony generovány elektricky nabité částice ( pár elektron – díra ). Některé elektrony a díry jsou poté separovány vnitřním elektrickým polem PN přechodu. Rozdělení náboje má za následek napěťový rozdíl mezi „předním“ (-) a „zadním“ (+) kontaktem solárního článku. Zátěží ( elektrospotřebičem ) připojenou mezi oba kontakty potom protéká stejnosměrný elektrický proud, který je přímo úměrný ploše solárních článků a intenzitě dopadajícího slunečního záření.

Energetická účinnost přeměny slunečního záření na elektrickou energii je u současných hromadně vyráběných solárních článků 14 – 16 %.

Na trhu jsou nejrozšířenější solární články zhotovené z krystalického křemíku ve formě monokrystalu nebo multikrystalu ( zastoupení 88% ) s účinností do 16%.

Obrázek 11.1.3 – 1: Princip činnosti solárního článku

Obrázek 11.1.3 – 2: Ukázka využití fotovoltaických článkům, firma Solartec s.r.o.

11.2 Kogenerační jednotky

Kombinované výrobě energií Ξ kogenerace je společná postupná nebo současná produkce konečných forem energií přeměněných z primární formy v transformačních řetězcích a připravených k využití u spotřebitele. Nejčastějšími formami koncových energií využívaných ve spotřebě je tepelná a elektrická energie.

Kogenerační systém : zajišťuje výrobu a dopravu tepelné a elektrické energie v požadovaných parametrech spotřeby.

Obrázek 11.2 – 1: Kombinovaná výroba užitných energetických forem

Výhody : kombinovaná výroba elektrické a tepelné energie výrazným způsobem přispívá ke zvýšení účinnosti využívání primárních zdrojů oproti samostatné výrobě elektrické a tepelné energie, a to jak v centralizovaných systémech ( dálkové ) tak v decentralizovaných ( lokální ) systémech.

11.2.1 Kogenerační systémy

Horní kogenerační systém : primárně dochází k získání tepelné energie v energetickém zařízení. Teplo o vysoké hodnotě je využito pro technologické procesy ( ocelárny, sklárny apod.) a poté zaváděno do energetického zařízení, kde se získává mechanická energie, která se přeměňuje v elektrických generátorech na elektrickou energii.

Dolní kogenerační systémy : primární je výroba elektrické energie. Užitečná tepelná energie se získává z odváděného tepla.

V praxi nacházejí větší uplatnění dolní kogenerační systémy.

Obrázek 11.2.1 - : Schéma kogenerace

11.2.2 Kogenerační technologie

V kogeneračních jednotkách dolních kogeneračních systémů dochází k plynulé přeměně primární energie obsažené v palivu a přivedené práce na elektrickou energii.

Obrázek 11.2.2 – 1: Transformace primární energie v kogeneračních jednotkách

Z fyzikálního hlediska podle počtu transformací dělíme kogenerační technologie :

• nepřímý způsob – přeměna energií se provádí prostřednictvím více energetických transformací.
• přímý způsob – přeměna energie paliva se provádí přímo na elektrickou energii.

Obrázek 11.2.2 – 2: Schéma nepřímého způsobu transformace primární energie

Obrázek 11.2.2 – 3: Schéma přímého způsobu transformace primární energie

11.2.3 Zařízení kogenerační jednotky

• zařízení pro úpravu primárního zdroje energie
• primární jednotky
• zařízení pro výrobu a úpravu elektrické energie
• zařízení pro rekuperaci tepelné energie

Obrázek 11.2.2 – 4: Modulové uspořádání kogeneračních jednotek se spalovacím motorem

Obrázek 11.2.2 – 5: Schéma kogenerační jednotky s plynovou spalovací turbínou

11.3 Tepelná čerpadla

Poprvé funkci tepelného čerpadla popsal v minulém století anglický fyzik lord Kelvin. Jde o chladící zařízení jež je primárně určeno k produkci tepla ( princip „obrácené chladničky“). Tepelné čerpadlo odebírá zdroji tepla ( vzduch, podzemní voda, povrchová voda ) jeho ochlazováním teplo, které slouží k odpařování chladícího prostředku v okruhu tepelného čerpadla. Toto teplo se pak pomocí vysoce hodnotné energie ve formě mechanické práce nebo vysokoteplotního tepla přemění resp. „přečerpá“ na vyšší a tím využitelnou teplotní úroveň.

Obrázek 11.3 – 1: Funkční schéma tepelného čerpadla

Popis funkce:

Vlevo u odparníku při -2 ⁰C ( teplota odpařování ) vře po snížení tlaku expanzním ventilem na 2,5 baru uvolněný dosud kapalný prostředek Frigen, tím ochlazuje zdroj tepla např. z +6 ⁰C na +2 ⁰C a odebírá přitom teplo, tzv. výparné teplo. Následně je v plynné podobě kompresorem odsáván a stlačen na 11 barů. Přitom dochází ke zvýšení teploty, v tomto případě na +85 ⁰C. Tímto vysokým tlakem chladící prostředek v kondenzátoru zkapalní, přičemž předá topné vodě teplo získané v odparníku stejně jako teplo získané prací při stlačování. Topná voda se tak ohřeje např. z +38 ⁰C na +45 ⁰C.

Výkonnostní číslo tepelného čerpadla : poměr mezi momentálně přivedenou energií pohonu a užitným tepelným výkonem.

Topný faktor : poměr mezi využitelnou energií odebranou za delší dobu a energií vynaloženou na pohon.

Důležité!

Tyto pojmy si nezaměňujte.

11.3.1 Konstrukční díly tepelného čerpadla

• Kompresor
  • pístový
  • spirálový
  • rotační
  • šroubový
• Kondenzátor
  • koaxiální
  • hadovitý
• Sběrná nádoba – tlaková nádoba v provedení naležato nebo nastojato.
• Filtrační sušička
• Expanzní ventil
• Odparník
• Armatury
  • uzavírací ventil
  • zpětný ventil
  • manometr
• Příslušenství

11.3.2 Přehled systémů tepelných čerpadel

• Kompresorová tepelná čerpadla : nejužívanější typ. Hnací mechanická energie pro pohon kompresoru může být dodávána spalovacím nebo elektrickým motorem.
• Absorpční tepelná čerpadla : tohoto typu se využívá zřídka, neboť mají nízkou účinnost. Hnací tepelná energie může být dodávána parou, horkou vodou nebo spalováním paliva.
• Hybridní tepelná čerpadla : většinou se jedná o zakázkovou výrobu

Obrázek 11.3.2 – 1: Kompresorové tepelné čerpadlo

11.3.3 Typy čerpadla a jejich použití

• vzduch / voda : univerzální typ, využívá se především pro vytápění
• vzduch / vzduch : doplňkový zdroj tepla, teplovzdušné vytápění, klimatizace
• voda / voda : využití odpadního tepla, geotermální energie, teplovodní vytápění
• nemrznoucí kapalina / voda : univerzální typ pro teplovodní vytápění, zdrojem tepla je nejčastěji vrt
• voda / vzduch : teplovzdušné vytápěcí systémy

Obrázek 11.3.3 – 1: Tepelné čerpadlo, firma Buderus
 vzduch/voda | země/voda

11.4 Biomasa

Pod pojmem biomasa rozumíme substance biologického původu, jako jsou například rostliny pěstované v půdě nebo ve vodě, chov živočichů, produkce organického původu, organické odpady. Biomasa je získávána buď záměrně jako výsledek výrobní činnosti, nebo jde o využití odpadů ze zemědělské, potravinářské a lesní výroby, z komunálního odpadu a v neposlední řadě i z údržby krajiny a péče o ni.

Výhody:

• obnovitelnost
• ekologický druh paliva
• malé množství popela vzniklého spalováním
• možnost využití popela jako hnojiva
• likvidace odpadů, např. komunální
• zdroje biomasy nejsou lokálně vymezeny
• pokud je místním zdrojem, snižuje náklady na dopravu
• může se pěstovat v půdě, kterou nelze využít pro potravinářskou výrobu

Nevýhody :

• nižší výhřevnost ve srovnání s jinými druhy paliv
• větší objem paliva → sklady velkých rozměrů
• konkurence jiných možností využití biomasy ( krmivo )
• rozšiřování produkčních ploch při záměrném pěstování
• nutnost sušení
• složitější manipulace s palivem

11.4.1 Biomasa pro energetické účely

Energetickou biomasu dělíme na:

• fytomasa s vysokým obsahem lignocelulózy
• fytomasa olejnatých plodin
• fytomasa s vysokým obsahem škrobu a cukru
• organické odpady a vedlejší produkty živočišného původu
• směsi různých organických odpadů

Biomasa záměrně pěstovaná :
rostliny – cukrová řepa, obilí, brambory,cukrová třina, olejniny

energetické dřeviny – vrby, topoly, olše, akáty

Odpadní bioasa :
Rostlinné zbytky ze zemědělské prvovýroby a údržby krajiny.

Odpady z živočišné výroby.

Organické odpady z potravinářských a průmyslových výrob.

Méně známé energetické plodiny :

„ Sloní tráva “: původem z tropů. Po aklimatizaci v Evropě sice produkce sušiny poklesla na zhruba 30 – 40 ( t ), ale i tak se jedná o jednoznačně nejperspektivnější rostlinu. Sklizeň se provádí bezproblémově technickými prostředky určenými pro sklizeň silážní kukuřice a může probíhat i v zimě.

Jednoleté rostliny – čirok cukrový, sůdánská tráva, konopí seté.

Vytrvalé rostliny : planě rostoucí křídlatka, šťovík krmný.

11.4.2 Způsob využití biomasy

Pro energetické účely je důležitý obsah sušiny v biomase. Přibližnou hranici mezi mokrými a suchými procesy tvoří hodnota sušiny 50%.

Způsoby získávání energie z biomasy :

Obrázek 11.4.2 – 1: Zdroje energeticky využitelné biomasy v ČR

• termochemická přeměna biomasy

  – suché procesy pro energetické využití

  - spalování

  - pyrolýza

  - zplyňování

• biochemická přeměna biomasy

  – mokré procesy pro energetické využití

  - alkoholové kvašení

  - metanové kvašení

• získávání odpadního tepla při zpracování biomasy

11.4.3 Zařízení na spalování

Obrázek 11.4.3 – 1: Kotel na biomasu – spalování pelet, firma Atmos

Obrázek 11.4.3 – 2: Schéma kotle na zplyňování dřeva, firma Viessmann

Obrázek 11.4.3 – 3: Krb na biomasu, firma ECON KRBY

Obrázek 11.4.3 – 4: Kamna na spalování biomasy, firma Viadrus

Obrázek 11.4.3 – 5: Teplovodní sporák na spalování biomasy, firma CTM tepelná technika s.r.o.

11.5 Rekuperace

Základním principem výstavby budov s nízkou energetickou náročností je nízká měrná potřeba tepla na vytápění. Dle ČSN 73 05 40: se za nízkoenergetický dům považuje objekt s měrnou potřebou tepla nepřesahující 50 ( kWh.m^-2.a ). U pasivních domů je hodnota ještě přísnější, měrná potřeba tepla nepřesahuje 15 ( kWh.m^-2.a ). Je zde též kladen velmi přísný požadavek na celkovou neprůvzdušnost budovy ( hodnota n₅₀ = 0,6 ( h^-1 )). V praxi to znamená instalaci nuceného větrání se zpětným využíváním tepla v odpadním vzduchu tzv. rekuperaci.

Rozlišují se dva základní typy:

1. nucené větrání s centrálním přívodem i odvodem vzduchu

   Výustky čerstvého ohřátého vzduchu se umístí do jednotlivých místností. V centrálním prostoru se odpadní vzduch shromažďuje a ve vzduchotechnickém zařízení předává teplo čerstvě přiváděnému vzduchu, čímž dochází k jeho předehřevu a náklady na jeho ohřátí pro obytné místnosti se tak snižují.

2. Decentralizované jednotky s přívodem vzduchu i odvodem vzduchu

   Jedná se o méně častý způsob. Jde o systém, kdy každá pobytová místnost je vybaveny vlastní malou větrací jednotkou umožňující přesné dávkování a ohřev vzduchu, včetně zpětného získávání tepla.

Obrázek 11.5 – 1 : Budova s centrálním odvodem odpadního vzduchu, protipožárními a zpětnými klapkami. Větrací jednotka s rekuperací tepla v každém bytě a přívody venkovního čerstvého vzduchu decentrálně pro každý byt.

Obrázek 11.5 – 2: Větrací systém s rekuperací firma PZP KOMPLET a.s.

Shrnutí kapitoly

Prošli jste velmi zajímavou kapitolu, která se dotýká každého z nás. Všichni musíme někde bydlet a všichni musíme při chladném počasí své domovy vytápět. A vy jste právě získali přehled o netradičních zdrojích energie a o jejich využití.