Hodnocení energetické náročnosti z pohledu primární energie - souvislosti s KVET

Transkript

1 1/54 Hodnocení energetické náročnosti z pohledu primární energie - souvislosti s KVET Tomáš Matuška Ústav techniky prostředí, Fakulta strojní ČVUT v Praze

2 Hodnocení energetické náročnosti budov 2/54 potřeby energie budovy vytápění chlazení příprava teplé vody větrání úprava vlhkosti osvětlení pomocná energie

3 Bilance dodané energie (vytápění) 3/54 potřeba tepla provozní účinnost technických systémů dodaná energie účinnost sdílení regulace setrvačnost účinnost rozvodů tepelné ztráty účinnost zdroje provozní energonositelé (plyn, dálkové teplo, elektřina,...)

4 Bilance primární energie 4/54

5 Termíny 5/54 dodaná energie (delivered energy) energie, vyjádřená po energonositelích, dodaná do technického zařízení budovy přes systémovou hranici, k zajištění předpokládaného užívání (vytápění, chlazení, větrání, příprava teplé vody, osvětlení, spotřebiče apod.) nebo k výrobě elektřiny vypočtená spotřeba energie + pomocná energie po energonositelích v ČR se obnovitelná energie vyrobená v místě započítává do dodané energie příklad - tepelné čerpadlo: součástí dodané energie je i energie okolního prostředí

6 Termíny 6/54 vydaná energie (exported energy) energie, vyjádřená po energonositelích, dodaná soustavami technického zařízení budovy přes systémovou hranici a užívaná vně systémové hranice výroba elektřiny z kogenerace v budově výroba elektřiny z OZE na budově, např. fotovoltaika výroba tepla předaného do nadřazené sítě, např. přebytky ze solární soustavy

7 Termíny 7/54 primární energie (primary energy) energie, která nebyla předmětem žádného konverzního nebo transformačního procesu primární energie zahrnuje energii z neobnovitelných zdrojů a obnovitelnou energii - berou-li se v úvahu obě, pak se používá název celková primární energie energie užitá k výrobě energie dodané do budovy hodnocení primární energie umožňuje jednoduché sčítání různých druhů energií, např. tepelné a elektrické vypočítá z dodaného a vydaného množství energie energonositele užitím faktorů primární energie (konverzní faktory přeměny)

8 Hodnocení energetické náročnosti budov 8/54 potřeba uživatelů dodaná energie do budovy bilance primární energie

9 Hodnocení energetické náročnosti budov 9/54 paliva konverze na energonositele technické systémy účinnosti požadavky

10 Primární energie 10/54 neobnovitelná fosilní paliva jaderná energie obnovitelná sluneční záření větrná energie energie prostředí biomasa... co je primární energie v případě OZE? původem vše sluneční energie...

11 Primární energie 11/54 při hodnocení energetické náročnosti se jedná logicky o bilancování a hodnocení primární neobnovitelné energie vliv na životní prostředí emise CO 2 použití obnovitelných zdrojů energie snižuje potřebu neobnovitelné primární energie

12 Faktory primární energie 12/54 celkový faktor primární energie konverzní faktory představují všechny náklady na dodávku do místo užití (výroba mimo systémovou hranici budovy, doprava, těžba). proto konverzní faktor primární energie vždy překračuje hodnotu 1 faktor neobnovitelné primární energie konverzní faktory představují navýšení energie dodávané na místo použití, ale z primární energie jsou vyloučené složky obnovitelné energie to může vést ke konverznímu faktoru nižšímu než jedna pro obnovitelné zdroje energie i OZE mohou mít potřebu primární neobnovitelné energie, např. výroba pelet, těžba biomasy, apod.

13 Výpočet potřeby primární energie 13/54 faktor neobnovitelné primární energie pro daný energonositel, neobnovitelná primární energie dělená dodanou energií neobnovitelná energie je ta, která se požaduje pro dodávku jedné jednotky dodané energie při započítání neobnovitelné energie potřebné na těžbu, zpracování, uskladnění, dopravu, výrobu, transformaci, šíření, rozvedení a jakékoliv další operace nutné k dodávce do budovy, ve které se dodaná energie využije primární energie obsahuje ztráty celého energetického řetězce včetně takových, které jsou umístěné mimo systémové hranice budovy tyto ztráty (a možné zisky) se zahrnují do faktoru primární energie

14 Faktory primární energie (EN 15603) 14/54 musí zahrnovat energii na těžbu primárního energonositele; energii na dopravu energonositele od místa výroby po místo využití; energii na zpracování, uskladnění, výrobu, šíření, rozvedení a na všechny jiné úkony potřebné na dodávku do budovy, ve které se dodaná energie spotřebuje mohou zahrnovat energii na výstavbu transformačních jednotek; energii na výstavbu dopravních systémů; energii na vyčistění a odstranění odpadů.

15 Faktory neobnovitelné prim. energie F 15/54 Zdroj F [kwh/kwh] Zemní plyn, černé uhlí, hnědé uhlí 1,1 Propan-butan, LPG, topný olej 1,2 Elektrická energie 3,0 Dřevo, ostatní biomasa 0,1 Dřevěné peletky 0,2 Energie okolní prostředí (elektřina, teplo) 0 Elektřina dodávka mimo budovu -3,0 Teplo dodávka mimo budovu -1,0 Soustava zásobování teplem s podílem OZE < 50 % 1,0 Soustava zásobování teplem s podílem OZE mezi 50 % a 80 % 0,3 Soustava zásobování teplem s podílem OZE > 80 % 0,1 vyhláška 78/2013 Sb.

16 Výpočet potřeby primární energie 16/54 faktor neobnovitelné primární energie potřeba spolehlivých statistik (GEMIS v ČR), pravidelně aktualizovaných (3 až 5 let) nejednotný přístup v Evropě lokální odlišnosti podle energetického mixu každý stát má svou metodu, může si rozhodnout jak započte OZE jadernou energii síťové ztráty na straně primárního paliva síťové ztráty na straně energonositele

17 Faktory pro elektrickou energii v Evropě 17/54 FR DE NL PL ES SE UK % RE F E F [kwh/kwh] 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0, RE [%]

18 Faktory pro elektrickou energii v Evropě 18/54 většina EU států používá faktor F E = 2.6 s rostoucím podílem OZE v mixu evropských zemí v roce 2020: předpoklad F E = 2,0 dopady? nízké hodnoty F E budou stimulovat přechod od spalování fosilních paliv na vytápění elektřinou nízké hodnoty F E nebudou stimulovat přechod na efektivní spotřebiče nízké hodnoty F E nebudou stimulovat přechod na lokální OZE

19 Faktory primární energie 19/54 ČSN EN s cílem ovlivnit energetické chování obyvatel, se mohou použít politické faktory primární energie na podporu nebo penalizaci některých energonositelů příklad problém se zimními špičkami elektrických přímotopů, nápor na elektrickou rozvodnou síť problém s letními špičkami elektrických chladicích zařízení, nápor na elektrickou rozvodnou síť faktor primární energie pro elektrickou energii (bez ohledu na účinnost výroby a energetický mix) se potom zvolí vysoký

20 Faktor využití primární energie PER 20/54 souhrnné kritérium náročnost zařízení / soustavy na primární energii poměr mezi energií dodanou pro krytí potřeb energie Q a potřebou primární energie PE PER = Q PE η = F η je provozní účinnost celé soustavy, vztažená k energetickému obsahu paliv

21 Faktor využití primární energie 21/54

22 Příklady PER pro různé zdroje tepla 22/54 Zdroj tepla / energonositel F η PER [ - ] [ - ] [ - ] Elektrický kotel / elektřina 3,00 1,00 0,33 Tepelné čerpadlo A/W / elektřina 3,00 2,90 0,97 Tepelné čerpadlo B/W / elektřina 3,00 3,70 1,23 Plynový kotel běžný / zemní plyn 1,10 0,75 0,68 Plynový kotel kondenzační / zemní plyn 1,10 0,93 0,85 Kotel na pelety / dřevní pelety 0,20 0,80 4,00 Solární tepelná soustava / sluneční energie 0,00 1,00

23 Bilance primární energie pro budovu 23/54 E dod E exp nadřazená síť PE = i E dod F dod,i E exp F exp,i F dod,i se nemusí rovnat F exp,i

24 Bilance primární energie pro budovu 24/ x 3.0 Bilance síťové EE 3000 kwh/rok Bilance PE 9000 kwh/rok potřeba domu EE: 3000 kwh/rok

25 Bilance primární energie pro budovu 25/54 produkce 1000 kwh/rok 2000 x x 0 Bilance síťové EE 2000 kwh/rok Bilance PE 6000 kwh/rok potřeba domu EE: 3000 kwh/rok

26 Bilance primární energie pro budovu 26/ x -3.0 produkce 2000 kwh/rok 2000 x x 0 Bilance síťové EE 2000 kwh/rok Bilance PE 3000 kwh/rok potřeba domu EE: 3000 kwh/rok

27 Bilance primární energie pro budovu 27/ x -3.0 produkce 4000 kwh/rok 2000 x x 0 Bilance síťové EE 2000 kwh/rok Bilance PE kwh/rok potřeba domu EE: 3000 kwh/rok

28 Bilance primární energie pro budovu 28/ x -3.0 produkce 4000 kwh/rok 0 x x 0 Bilance síťové EE 0 kwh/rok Bilance PE kwh/rok potřeba domu EE: 3000 kwh/rok

29 Příklad pro RD 29/54 rodinný dům v pasivním standardu vytápěná plocha 150 m 2 potřeba tepla vytápění potřeba tepla teplá voda celková dodaná energie pomocná energie (elektřina) 3000 kwh/rok 3000 kwh/rok 6600 kwh/rok 300 kwh/rok

30 Varianty 30/54 elektrokotel plynový kondenzační kotel tepelné čerpadlo kotel na pelety elektrokotel + solární soustava pro ohřev vody plynový kondenzační kotel + solární soustava pro ohřev vody

31 Bilance primární energie pro budovu 31/54 Zdroj tepla / energonositel F η [ - ] [ - ] Elektrický kotel / elektřina 3,00 1,00 Tepelné čerpadlo / elektřina 3,00 2,90 Plynový kotel kondenzační / zemní plyn 1,10 0,93 Kotel na pelety / dřevní pelety 0,20 0,80 Solární tepelná soustava 5 m ,00 kwh/rok

32 Bilance primární energie pro RD 32/54

33 Pasivní domy (ČSN ) 33/54 PHPP: měrná potřeba primární energie 120 kwh/m 2.a včetně potřeby uživatelské elektřiny (běžně < 60 kwh/m 2.a)

34 Téměř nulové domy (ČSN ) 34/54 Závaznost kriteria Požadovaná hodnota Doporučená hodnota Požadovaná hodnota podle zvolené úrovně hodnocení Průměrný součinitel prostupu tepla U em [W/(m 2 K)] Měrná potřeba tepla na vytápění [kwh/(m 2 a)] Měrná primární energie [kwh/(m 2 a)] Úroveň A Úroveň B Obytné budovy Neobytné budovy Nulový 0 0 Rodinné domy 0,25 Rodinné domy 20 Blízký Bytové domy 0,35 Bytové domy nulovému Nulový ,35 Blízký nulovému úroveň A: vytápění, teplá voda, pomocná energie, uživatelská energie úroveň B: vytápění, teplá voda, pomocná energie

35 Bilance primární energie pro RD 35/54 60 kwh/m 2.rok

36 Bilance primární energie pro RD 36/54 0 kwh/m 2.rok 69 m 2 FV 29 m 2 FV 35 m 2 FV 30 kwh/m 2.rok 9 m 2 FV 26 m 2 FV 21 m 2 FV 49 m 2 FV 21 m 2 FV F E,exp = -3.0 FV produkce 100 kwh/m 2

37 Koncepce nulového domu x podpora FV? 37/54 E dod E exp nadřazená síť PE = i ( E ) dod Eexp Fi od 2014: zastavení podpory FV systémů

38 Faktory primární energie pro CZT 38/54 teplárna zdroj tepla hodnocená budova energonositel dálkové teplo jaký je konverzní faktor faktor primární energie? pro energonositel na vstupu do budovy EN

39 Faktory primární energie pro CZT 39/54 teplárna (KVET) el. síť palivo kogenerace Q KVET E KVET elektřina palivo výtopna (VYT) kotel Q VYT teplo odběr (CZT) předávací stanice (PS)

40 Faktory primární energie pro CZT 40/54 výkon [MW] PK Q VYT příklad: 3 kogenerační jednotky 1 špičkový plynový kotel s modulací KJ3 KJ2 KJ1 Q KVET čas [h]

41 Výpočet na základě měření 41/54 teplárna (KVET) el. síť P KVET kogenerace Q KVET E KVET E KVET P VYT výtopna (VYT) kotel Q VYT ΣQ p,j Q p,j konverzní faktory paliva F P,i konverzní faktor elektřiny F E

42 Výpočet na základě měření 42/54 známy za uvažované období vstupy paliv do výtopen a zdrojů KVET faktory primární energie palivových vstupů výroba elektřiny v KVET faktor primární energie pro elektřinu v síti spotřeba tepla v CZT (měřeno na PS) P i F P,i E KVET F E ΣQ p,j faktor primární energie pro energonositel - teplo F Q = i P i F P, i j E Q p, j KVET F E

43 Příklad 1 - zadání 43/54 Dejvická teplárenská provozuje zdroje tepla sestávající z kogeneračního zdroje výtopenského zdroje palivem pro oba zdroje je zemní plyn během roku byly naměřeny hodnoty spotřeba tepla na primární straně objektových PS roční spotřeba plynu kogenerace roční spotřeba plynu kotle celková výroba elektřiny do sítě spotřeba elektřiny zdroje 350 GWh/rok 1050 GWh/rok 50 GWh/rok 350 GWh/rok 3 GWh/rok

44 Příklad 1 - výpočet 44/54 konverzní faktory zemní plyn F P = 1,1 elektřina F E = 3,0 (vyhláška 78/2013 Sb) stanovte potřebné hodnoty pro výpočet celková čistá dodávka tepla do PS celková spotřeba plynu čistá výroba elektřiny ΣQ P,i = 350 GWh/rok ΣP i = 1100 GWh/rok E KVET = 347 GWh/rok

45 Příklad 1 - výpočet 45/54 faktor primární energie zdroje tepla F Q = , ,0 350 = 0,48 centralizované zásobování teplem z kogeneračního zdroje tepla je energeticky výhodnější než využití prostého spalování fosilních paliv

46 Příklad 1 - výpočet 46/54 faktor primární energie zdroje tepla v případě kogenerace na spalování biomasy (špičkové kotle na zemní plyn) pro biomasu uvažujme F P = 0,1 F Q = , , ,0 = = - 2,5 0 centralizované zásobování teplem z kogeneračního zdroje tepla využívajícího spalování biomasy je energeticky výhodnější než lokální využití spalování biomasy

47 Výpočet na základě parametrů zařízení 47/54 teplárna (KVET) el. síť P KVET kogenerace Q KVET E KVET σ, β, η KVET E KVET ΣQ p,j P VYT výtopna (VYT) kotel Q VYT η VYT η CZT Q p,j konverzní faktory paliva F P,i konverzní faktor elektřiny F E

48 Kogenerační zařízení 48/54 parametry celková účinnost kogeneračního zdroje závisí na zařízení η KVET = Q KVET + E P KVET KVET teplárenský modul závisí na zařízení σ = E Q KVET KVET roční teplárenský součinitel závisí na dimenzování β = Q Q KVET CZT = Q Q KVET KVET + Q VYT

49 Výtopna kotle - CZT 49/54 parametry celková účinnost výtopny - kotlů závisí na zařízení účinnost rozvodu CZT závisí na izolační třídě η η VYT CZT = = Q P Q VYT VYT Q p CZT = j Q Q CZT p,j

50 Příprava výpočtu 50/54 výtopna (doplňkový zdroj) Q CZT = j Q η CZT p,j kogenerace Q VYT = 1 β ) ( Q CZT Q = β KVET Q CZT E = σ KVET Q KVET Q P VYT = η VYT VYT P KVET = Q + E η KVET KVET KVET

51 51/54 Výpočet bilance VYT P,VYT KVET P,KVET KVET E p Q P F P F E F Q F + = + E CZT P,VYT VYT CZT P,KVET KVET CZT Q ) (1 ) (1 F F F F η β σ η η β η η β σ + + =

52 Příklad 2 - zadání 52/54 Dejvická teplárenská provozuje zdroje tepla sestávající z kogeneračního zdroje plynový motor výtopenského zdroje plynové kotle palivem pro oba zdroje je zemní plyn zdroj zásobuje sídliště 100 domů max. tepelný výkon sídliště 500 kw základní výkon sídliště 50 kw doba využití max. výkonu 1400 hodin účinnost rozvodu tepelné sítě CZT 90 %

53 Příklad 2 - zadání 53/54 parametry zdroje účinnost kotlů 87 % tepelný výkon kogenerace 50 kw elektrický výkon kogenerace 40 kw příkon kogenerace 115 kw doba provozu kogeneračního režimu 6000 hodin podle potřeby výkonů faktory primární energie zemní plyn F = 1,1 elektřina F E = 3,0 (vyhláška 78/2013 Sb)

54 Příklad 2 - výpočet 54/54 shromáždění údajů účinnost KVET teplárenský modul roční teplárenský součinitel účinnost kotlů účinnost tepelné sítě η KVET = ( ) / 115 = 0,78 σ = 40 / 50 = 0,80 β = ( ) / ( ) = 0,43 η VYT = 0,87 η CZT = 0,90 F Q (1+ σ ) β = η η CZT KVET F P,KVET (1 β ) + η η CZT VYT F P,VYT σ β F η CZT E F (1+ 0,80) 0,43 1,1 + 0,90 0,78 (1 0,43) 1,1 0,90 0,87 0,80 0,43 3,0 0,90 Q = = 0,87