Studijní opora pro studenty prezenčního a kombinovaného studia

Transkript

1 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 České Budějovice Zpracovatel: Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích Okružní 517/ 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

2 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 Kapitola 3: Geotermální energie Kapitola 4: Biomasa Kapitola 5: Fotovoltaika Kapitola 6: Energie větru Kapitola 7: Kogenerace Kapitola 8: Akumulace Kapitola 9: Zdroje tepelné energie ve vztahu k nízkoenergetické a pasivní výstavbě Kapitola 10: Teplovzdušné vytápění, řízené větrání Souhrn doporučené literatury

3 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

4 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 ovou 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 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

5 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 , současné znění z ) HLAVA XIX (ŽIVOTNÍ PROSTŘEDÍ), Článek 175, odkaz na čl 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

6 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 ( ) HLAVA XXI (ENERGETIKA), Článek 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: Účinnost od:

7 Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/31/EU O energetické náročnosti budov (odkaz na smlouvu o fungování EU, čl. 194) 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. Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/31/EU O energetické náročnosti budov (odkaz na smlouvu o fungování EU, čl. 194) 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

8 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) MVE do 10MW VE nad 10MW Biomasa Bioplyn Komun. odpad VtE FVE Celkem z OZE Spotřeba el Podíl OZE 4,90% 4,71% 5,19% 6,81% 8,30% 10,28% 8

9 Graf 1.1 Předpokládaný vývoj a podíl na spotřebě energie Obr. 1.1 Energie dopadající na zemský povrch za jeden rok (kwh/m 2 ) celý svět 9

10 Obr. 1.2 Energie dopadající na zemský povrch za jeden rok (kwh/m 2 ) - Evropa Obr. 1.3 Energie dopadající na zemský povrch za jeden rok (kwh/m 2 ) 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

11 (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/ 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: 11

12 Konečná spotřeba energie (TJ/rok) Další motivace pro uplatňování OZE: politická Tab. 1.3 Konečná spotřeba energie (1000 tun ropného ekvivalentu, 2008) Zdroj: EUROSTAT Konečná spotřeba energie 1000 tun ropného ekvivalentu/rok 1) TJ/rok 2) ČR Německo Rakousko EU (25 zemí) ) 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) Graf 1.2 Konečná spotřeba energie (TJ/rok) ČR Německo Rakousko ČR Německo Rakousko 12

13 Graf 1.3 Konečná spotřeba energie - členění podle odvětví; EU (25 zemí): (TJ/rok) 2% 12% 1% 27% EU Průmysl Doprava Domácnosti Zemědělství 25% Služby Ostatní odvětví 33% Tab. 1.4 Konečná spotřeba energie - členění podle odvětví 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 13

14 Energetická závislost (%) Energetická závislost (%) Energetická závislost (%) Graf 1.3 Energetická závislost Uhlí 70 69,9 63, ČR Německo Rakousko EU -40,3 ČR Německo Rakousko EU ,7 84,5 87,2 Zemní plyn ČR Německo Rakousko 0 ČR Německo Rakousko EU EU 100 Zemní plyn Rusko 20 0 EU EU Rusko: 80 (%) evropských zásob zemního plynu; kryje téměř 30 % ZP z celoevropské spotřeby EU snížení energetické (politické) závislosti 14

15 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 (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 ]. Dostupné z: smlouva_o_es_nice.pdf. Internetový portál EUR-Lex: Úřední věstník Evropské unie [online]. Místo: Úřad pro publikace Evropské unie, 2011 [cit ]. Dostupné z: 15

16 Internetový portál Tzb-info: Internetový portál pro TZB [online]. Místo: Topinfo s.r.o., Thákurova 531/4, Praha 6, 2001 [cit ]. Dostupné z: Internetový portál Tzb-info: Internetový portál pro TZB [online]. Místo: Topinfo s.r.o., Thákurova 531/4, Praha 6, 2001 [cit ]. Dostupné z: Internetový portál KEA: Krajská energetická agentura Jihočeského kraje [online]. Místo: České Budějovice, 2007 [cit ]. Dostupné z: Internetový portál CEP: Centrum pro ekonomiku a politiku [online]. Místo: Praha, 2005 [cit ]. Dostupné z: 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. 1) Viz výklad. 2) Viz výklad. 3) Viz výklad. Klíč k řešení otázek: 16

17 Kapitola 2: Terminologie Klíčové pojmy: energetická náročnost, dodaná energie, užitečná energie, systémová hranice, energonositel, výhřevnost, bilance, účinnost zdroje, pomocná energie Cíle kapitoly: - pochopení významu hodinové, měsíční a sezónní bilance, - porozumění základním pojmům (energetická náročnost, dodaná energie atd.), - znalost výpočtu účinnosti zdroje. Čas potřebný ke studiu kapitoly: 8 hodin Výklad: Energetická náročnost Roční spotřeba energie (GJ/rok, kwh/rok) Měrná roční spotřeba energie (kwh/rok,m 2 ) Dodaná energie Q DOD (GJ/rok) Energie dodaná do budovy (areálu) na její systémové hranici. Užitečná energie Q UŽ (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

18 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 m 3 ) 3 Q (GJ/rok) Pro ZP: H (MJ/m ) VZP (m /rok) Tab. 2.1 Výhřevnost paliva 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

19 Dřevo 14,6-16,3 MJ/kg Propan - kapalný 46,3 MJ/l Propan - plynný 93,6 MJ/m 3 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/m 3 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

20 Bilance - sezónní - měsíční - hodinová Tab. 2.2 Hodinové hodnocení Účinnost zdroje η ZDROJ (-) Schopnost zdroje přeměnit dodanou energii (energii z energonositele) na energii užitečnou. η ZDROJ Q Q UŽ DOD Q DOD Q UŽ Q ZTRÁTY Obr. 2.2 Účinnost zdroje 20

21 Tab. 2.3 Účinnost zdroje η ZDROJ (-) Zdroj tepelné energie do výkonu 0,5 (MW) η ZDROJ Starý η ZDROJ Nový Kotel na hnědé uhlí Kotel na černé uhlí Kotel na zemní plyn Kotel na propan Pomocná energie Q POM (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

22 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 Q DOD ZP = (m 3 /rok). Zdrojem tepla je starší kotel na ZP. Určete Q DOD, Q ZTR a Q UŽ (GJ/rok) Studijní materiály: Doporučené studijní zdroje: BAŠTA, J., BROŽ, K. et al. Topenářská příručka svazek vyd. Praha: Vydavatelství GAS, ISBN BERANOVSKÝ, J., TRUXA, J. Alternativní energie pro Váš dům. Brno: ERA, ISBN BROŽ, K., ŠOUREK, B. Alternativní zdroje energie. 1. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, ISBN 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. Úkoly k zamyšlení a diskuzi 1) Diskutujte o účinnosti jednotlivých zdrojů. 2) Zamyslete se nad podílem pomocné energie vzhledem k celkové dodávce energie. Klíč k řešení otázek: 1) Viz výklad. 2) Viz výklad. 3) Viz výklad. 22

23 Hloubka vrtu (m) Kapitola 3: Geotermální energie Klíčové pojmy: teplotní profil, CFD analýza Cíle kapitoly: - určení energetické výtěžnosti, - určení prosté doby návratnosti. Čas potřebný ke studiu kapitoly: 6 hodin Výklad: Graf 3.1 Teplotní profil 0 až 20 m Graf 3.2 Teplotní profil 0 až 2500 m Teplota t ( C) 23

24 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

25 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

26 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 l PLAST (W/m.K) 0,25 Pozn.: zóna 1 Vnější trubka do hloubky 800 (m) Průměr (mm) 380 Tloušťka (mm) 33 l PLAST (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 c = 4200 t 1 = 35,0 t 2 = 41,1 (l/s) (J/kg.K) ( C) ( C) 26

27 Hloubka vrtu (m) Graf 3.5 Závislost hloubky vrtu na teplotě Vnější trubka Vnitřní trubka Teplota t ( C) Příklad 1 - určení energetické výtěžnosti M = 6 c = 4200 t 1 = 35,0 t 2 = 41,1 (l/s) (J/kg.K) ( C) ( C) Q VRT = (kw) Cena geotermálního vrtu n = 70 mil. Kč Určení prosté doby návratnosti 27

28 Studijní materiály: Doporučené studijní zdroje: BAŠTA, J., BROŽ, K. et al. Topenářská příručka svazek vyd. Praha: Vydavatelství GAS, ISBN BERANOVSKÝ, J., TRUXA, J. Alternativní energie pro Váš dům. Brno: ERA, ISBN BROŽ, K., ŠOUREK, B. Alternativní zdroje energie. 1. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, ISBN X. Otázky a úkoly 1) Vypočítejte energetickou výtěžnost příklad 1. 2) Určete prostou dobu návratnosti příklad 1. Úkoly k zamyšlení a diskuzi 1) Diskutujte o možnosti CFD simulace vrtu. 2) Zamyslete se nad teplotním profilem (závislost teploty země na hloubce). 1) Viz výklad. 2) Viz výklad. Klíč k řešení otázek: 28

29 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.). Čas potřebný ke studiu kapitoly: 9 hodin Biomasa Výklad: 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 z biomasy získávat téměř výhradně termochemickou přeměnou (spalováním). Výhřevnost je dána množstvím tzv. hořlaviny (organická část bez vody a popelovin, směs hořlavých uhlovodíků - celulózy, hemicelulózy a ligninu). 29

30 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 Fytomasa - lisování olejů (produkce kapalných paliv, oleje) - esterifikace surových bio-olejů (výroba bionafty a přírodních maziv) - štípání, drcení, lisování, peletace, mletí (výroba pevných paliv) Biomasa rostlinného původu Tvorba organické hmoty FOTOSYNTÉZA (základ života na Zemi) 6CO2 6H2O sluneční energie ( stopové prvky z půdy) C6H12 O6 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 6CO 6H O sluneční energie ( stopové prvky z půdy) C H O 6O Glukóza 30

31 Ve skutečnosti se organická hmota skládá z různých cukrů, do kterých glukóza patří, olejů, celulóz, ligninu, škrobu, bílkovin a dalších složek. SPALOVÁNÍ (HNITÍ) C6H12 O6 6O2 6CO2 6H2O uvolněná energie popel Emise CO 2 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 CO 2 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

32 Charakteristika biopaliv - chemické složení - 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

33 Obr. 4.1 Konstrukce kotle spalujícího fytomasu Graf 4.1 Součinitel přebytku vzduchu 33

34 Příklad Kolik je na 1 (kg) spáleného dřeva zapotřebí (m 3 ) vzduchu. Teoretické množství V min pro dokonalé spálení 1 (kg) tuhých paliv 3 Vmin 0,241 H 0,50 (m / kg) Průtok spalovacího vzduchu 3 Vspal V min (m / kg) Tab. 4.2 Fytomasa a teploty Charakteristika biopaliv - chemické složení - vlhkost - výhřevnost - obsah popela 34

35 Při obsahu vody pod 38 (%) stébelniny odumírají. Stromy v době těžby obsahují (%) vody. Tomu odpovídá cca poloviční výhřevnost. Energie pro odpaření vody vázané tepla. Charakteristika biopaliv - chemické složení - 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

36 Graf 4.3 Výhřevnost dřeva v závislosti na obsahu vody (1. Výhřevnost dřeva (MJ/kg); 2. Výhřevnost dřevní sušiny (MJ/kg)) Charakteristika biopaliv - chemické složení - 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

37 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 ( 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 t DP SPAL = ( C) Kondenzát je agresivní 37

38 Příklad Výpočet týkající se velikosti zásobníku paliva. Tepelná ztráta objektu 10 (kw) vypočtená pro t e = -15 ( C). Určete, jak dlouho vydrží zásobník o objemu 1 (m 3 ) pro vytápění při venkovní teplotě t e = 0 ( C). Pro t e = -15 ( ) určete průtok spalovacího vzduchu. Studijní materiály: Doporučené studijní zdroje: BAŠTA, J., BROŽ, K. et al. Topenářská příručka svazek vyd. Praha: Vydavatelství GAS, ISBN BERANOVSKÝ, J., TRUXA, J. Alternativní energie pro Váš dům. Brno: ERA, ISBN BERANOVSKÝ, J., MURTINGER, K. Energie z biomasy. 1. vyd. Brno: ERA, ISBN BROŽ, K., ŠOUREK, B. Alternativní zdroje energie. 1. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, ISBN X. Otázky a úkoly 1) Vypočítejte kolik je na 1kg spáleného dřeva zapotřebí m 3 vzduchu. 2) Porovnejte charakteristiky jednotlivých biopaliv. 3) Vyjmenujte nejčastěji používaná biopaliva. Úkoly k zamyšlení a diskuzi 1) Diskutujte o technologii zpracování biomasy a její přípravě ke spalování. 2) Zamyslete se nad závislostí výhřevnosti biopaliva na obsahu vody. Klíč k řešení otázek: 1) Viz výklad. 2) Viz výklad. 3) Viz výklad. 38

39 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. Čas potřebný ke studiu kapitoly: 7 hodin 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 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 Výroba elektřiny využitím slunečního záření pro zdroj uvedený do provozu před 1. lednem 2006 včetně

40 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

41 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 Polykrystalický křemík Amorfní křemík Základem této technologie je fotovoltaický jev (produkce elektrického proudu v pevných polovodičích působením solární energie), objevený v roce 1839 Antoine-César Becquerelem ( ). První fotovoltaické články byly vyrobeny v USA v padesátých letech pro vesmírný výzkum. Cena prvních panelů se pohybovala přes 150 ($/W p ) 41

42 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/m 2 ), - teplota 25 ( C), - světelné spektrum musí mít parametry odpovídající slunečnímu záření po průchodu bezoblačnou atmosférou Země. 42

43 Jednotka Watt peak (Wp) Obr. 5.2 Solární modul 12 V (jmenovitý výkon 140 W) Obr. 5.3 Elektrické údaje solárního modulu 12 V Jednotka Watt peak (Wp) Aby bylo možno porovnávat parametry FV panelů, měří se panely při přesně daných podmínkách - při intenzitě osvětlení 1000 (W/m 2 ) 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/m 2 ). 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

44 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/m 2 ) 44

45 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 %, 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

46 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 % je nevyhovující Obr. 5.6 Polykrystalický křemík 46

47 Výroba polykrystalického křemíku o potřebné čistotě a) zonální tavení (několikanásobné přetavení tenké tyče) b) chemickou cestou - těkavá sloučenina (trichlorsilan HSiCl 3, chlorid křemičitý SiCl 4 ) - rozklad sloučeniny na křemíkovou podložku při teplotách nad 1100 C Výroba 2 HSiClmonokrystalického 2 HCl SiCl křemíku o potřebné čistotě 3 4 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

48 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

49 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 se 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

50 - Výkon fotovoltaického panelu o ploše 1 m 2 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: 19 1(eV) 1, (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

51 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

52 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 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 E 1 a E 2 elektroměry Obr Schéma fotovoltaického systému spojeného se sítí 52

53 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 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

54 Jednotlivé frekvenční měniče jsou zapojeny do transformátorové stanice. Obr Zapojení fotovoltaických panelů Obr Napojení fotovoltaických panelů na VV 54

55 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 G T = 1000 W/m 2, teplota okolí t a = 25 C. Vysoká povrchová teplota má vliv na snížení výkonu kolektorů. Respektovat snížení výkonu vlivem povrchové teploty, např. β Δt = - 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. ζ FM = 97,6 %. Tab. 5.3 Účinnost frekvenčních měničů Transformátor Ztráta v transformátoru Ztráty v transformátoru jsou dány součtem: - ztráty naprázdno P 0 vždy konstantní (např. P 0 = 1100 W) 55

56 - ztráty nakrátko, ta je definována, kde P k (W) ztráta nakrátko P kn (W) jmenovitá ztráta nakrátko (např. P kn = 9500 W) P P N (W) okamžitý výkon soustavy (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 ( 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

57 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 m 2 Graf 5.10 Hodinový průběh venkovní teploty pro první dva týdny měsíce července 57

58 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

59 P celk [kwh/rok] Roky Současný stav Zákon č.402/ novela zákona č. 180/ omezuje podporu pouze na zdroje do 30 (kw P ) a instalace na budovách. Cenové rozhodnutí ERÚ č.7/ stanovuje výkupní ceny z obnovitelných zdrojů ceny pro rok 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 Výroba elektřiny využitím slunečního záření pro zdroj uvedený do provozu od 1. ledna 2012 do 31. prosince 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

60 Tab. 5.5 Předpokládané roční zisky při instalaci fotovoltaické elektrárny o výkonu 30 (kw P ) Cena EE: 2,77 (Kč/kWh) 60

61 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/kW P ). Při instalaci fotovoltaické elektrárny o výkonu 30 (kw P ) jsou náklady N = = Kč. Graf 5.4 Finanční toky jednotlivých způsobů využití elektrické energie 61

62 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 (kw P ). 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, a se od 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. Studijní materiály: Doporučené studijní zdroje: BAŠTA, J., BROŽ, K. et al. Topenářská příručka svazek vyd. Praha: Vydavatelství GAS, ISBN BERANOVSKÝ, J., TRUXA, J. Alternativní energie pro Váš dům. Brno: ERA, ISBN BROŽ, K., ŠOUREK, B. Alternativní zdroje energie. 1. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, ISBN X. MATUŠKA, T. Solární zařízení v příkladech. Praha: Grada, ISBN Otázky a úkoly 1) Porovnejte fotovoltaické systémy grid-on a grid-off. 2) Porovnejte účinnosti nejběžnějších typů fotovoltaických článků. 3) Vyjmenujte typy fotovoltaických článků. Úkoly k zamyšlení a diskuzi 62

63 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. Klíč k řešení otázek: 63

64 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. Čas potřebný ke studiu kapitoly: 8 hodin 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

65 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

66 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

67 Obr. 6.8 Základová deska Obr. 6.9 Závěrečná montáž 67

68 výška h (m) Obr Vývoj velikosti větrných elektráren Výkonová rovnice Účinek větru w pd 2 Příkon 2 P p V c p 2 w 1 3 P S w cp w S cp 2 2 Graf 6.1 Vertikální profil rychlosti větru průměrná rychlost w (m/s) S rostoucí výškou stoupá průměrná rychlost větru 68

69 Příklad - výkon větrné elektrárny h 1 = 100 (m) h 1 = 120 (m) Určit výkony větrné elektrárny (kw/m 2 ). Účinnost větrné elektrárny Graf. 6.2 Histogram rychlosti větru Obr Natáčení lopatek (zvýšení účinnosti) Větrné podmínky v ČR Ústav fyziky atmosféry - AV ČR - Větrné mapy 69

70 Obr Průměrná rychlost větru v 10 m (z0 = 0,1 m), model VAS (mezivýsledek) Obr 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 Hlučnost větrné elektrárny 70

71 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 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

72 Studijní materiály: Doporučené studijní zdroje: BAŠTA, J., BROŽ, K. et al. Topenářská příručka svazek vyd. Praha: Vydavatelství GAS, ISBN BERANOVSKÝ, J., TRUXA, J. Alternativní energie pro Váš dům. Brno: ERA, ISBN BROŽ, K., ŠOUREK, B. Alternativní zdroje energie. 1. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, ISBN 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. Úkoly k zamyšlení a diskuzi 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. Klíč k řešení otázek: 72

73 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. Čas potřebný ke studiu kapitoly: 7 hodin 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

74 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

75 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

76 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 ZP TE ZP EE ZP Účinnost kogenerační jednotky Malé KJ TE EE ZP Obr. 7.2 Schéma malé KJ (teplotní spád 90/70 C) Velké KJ TE1 TE2 TE3 EE ZP Obr. 7.3 Schéma velké KJ Velké KJ TE1 Sekundární okruh 76

77 TE2 TE3 TE4 Technologický okruh Odvod spalin (dochlazení ze 120 C na 90 C) Ventilační vzduch TE1 TE2 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 (40 min až 70 max ) / 90 C. TE2 Technologický okruh 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 C. Účinnost kogenerační jednotky QUANTO D400 Příkon v palivu 950 kw EE Elektrická energie 400 kw TE1 Sekundární okruh 431 kw TE2 Technologický okruh 25 kw TE3 Odvod spalin 20 kw TE4 Ventilační vzduch 36 kw Určení účinnosti KJ 77

78 Příkon v palivu 950 kw EE Elektrická energie 400 kw TE1 Sekundární okruh 431 kw TE2 Technologický okruh 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) Q ZTR = 121 (kw) 78

79 (kwh) (kwh) KJ Mikro T30 Graf 7.2 Krytí tepelných ztrát KJ Vytápění Výroba tepla KJ Počet dní v roce o teplotě nižší než -2 ( C) d = Venkovní teplota t e ( C) KJ Mikro T7 Graf 7.3 Krytí tepelných ztrát KJ Vytápění Výroba tepla KJ Počet dní v roce o teplotě nižší než 4 ( C) d = Venkovní teplota t e ( C) Graf 7.4 Charakter provozu celého objektu 100 % vytíženost 79

80 (kwh) (kwh) (kwh) Vytápění TV VZT Bazén Bazénová hyg. voda Měsíc Graf 7.5 Charakter provozu celého objektu 30 % vytíženost Vytápění TV VZT Bazén Bazénová hyg. voda Měsíc Graf 7.6 Charakter provozu celého objektu 100 % vytíženost Bazénová hyg. voda Bazén VZT TV Vytápění CENTO T CENTO T120 MIKRO T Měsíc Graf 7.7 Charakter provozu celého objektu 30 % vytíženost 80

81 (kwh) Bazénová hyg. voda Bazén VZT TV Vytápění CENTO T CENTO T120 MIKRO T Měsíc Obr. 7.4 KJ (schéma zapojení) - řada MICRO Obr. 7.5 KJ (schéma zapojení) - řada CENTO 81

82 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

83 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

84 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

85 - Velký objem akumulační nádoby - Studie - Zapojení KJ (odpadní teplo, účinnost) Studijní materiály: Doporučené studijní zdroje: BAŠTA, J., BROŽ, K. et al. Topenářská příručka svazek vyd. Praha: Vydavatelství GAS, ISBN BROŽ, K., ŠOUREK, B. Alternativní zdroje energie. 1. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, ISBN X. KRBEK, J., OCHRANA, L., POLESNÝ, B. Zásobování teplem a kogenerace. 1. Vyd. Brno: PC-DIR Real, ISBN 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. Úkoly k zamyšlení a diskuzi 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. Klíč k řešení otázek: 85

86 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. Čas potřebný ke studiu kapitoly: 9 hodin Výklad: Akumulace tepelné energie Malá tepelná ztráta RD velký zdroj tepelné energie Akumulace tepelné energie, doba nabíjení akumulační nádoby příklad 1 V AN = 500 l Q ZDROJ = 10 kw t 1 = 55 C t 2 = 65 C teplotní spád otopné soustavy 55/45 C t = 0,58 h = 35 min Akumulace tepelné energie, doba nabíjení akumulační nádoby příklad 2 86

87 V AN = 500 l Q ZDROJ = 10 kw t 1 = 55 C t 2 = 85 C teplotní spád otopné soustavy 55/45 C SCHÉMA (TRV) t = 1,75 h = 105 min Akumulace tepelné energie, doba nabíjení akumulační nádoby příklad 3 V AN = 500 l Q ZDROJ = 5 kw t 1 = 55 C t 2 = 85 C teplotní spád otopné soustavy 55/45 C t = 3,5 h = 210 min Akumulace tepelné energie, doba vybíjení akumulační nádoby příklad 4 V AN = 500 l Q ZTR = 2,9 kw t 1 = 55 C t 2 = 85 C teplotní spád otopné soustavy 55/45 C t = 6,0 h 87

88 Obr. 8.1 Nabíjení a vybíjení akumulační nádoby současně Akumulační zásobník (stratifikace) - příprava TV Nabíjení - vybíjení Obr. 8.2 Schéma zásobníku TV 88

89 Tab. 8.1 Parametry zásobníku TV Parametry VARIANTA 1 objem (m 3 ) V A 0,3 vnitřní průměr potrubí (mm) d 1 0,042 vnější průměr potrubí (mm) d 2 0,047 průměr výměníku (v ose) d hx 0,435 rozteč šroubovice (mm) h šr 0,055 celková výška výměníku (mm) h hx 0,495 plocha výměníku (mm 2 ) S hx 2,02 délka potrubí výměníku (mm) l hx 13,7 rychlost potrubí výměníku (m/s) v hx 0,267 objemový průtok V 0, hmotnostní průtok (kg/s) m 0,365 teplotní spád (K) Δt 6 Obr. 8.3 Nabíjení AN 89

90 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) a1 a5 vym_out čas (min) 90

91 Graf 8.2 Závislost teploty vody na čase t ( C) 60 a a2 a3 a4 a čas (min) Graf 8.3 Závislost teploty vody na čase t ( C) 60 a a2 a3 a4 a 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) t 1 = 10 ( C); t 2 = 55 ( C) Do kontextu s potřebou pro vytápění. Roční ztráta tepelné energie n ZP = 1,5 (Kč/kWh); n EE = 2,3 (Kč/kWh) 91

92 Tab. 8.2 Parametry zásobníku TV Studijní materiály: Doporučené studijní zdroje: BAŠTA, J., BROŽ, K. et al. Topenářská příručka svazek vyd. Praha: Vydavatelství GAS, ISBN BERANOVSKÝ, J., TRUXA, J. Alternativní energie pro Váš dům. Brno: ERA, ISBN BROŽ, K., ŠOUREK, B. Alternativní zdroje energie. 1. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, ISBN X. KABELE, K. et al. Energetické a ekologické systémy budov I. 1. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, ISBN PAPEŽ, K. et al. Energetické a ekologické systémy budov II. 1. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, ISBN

93 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. Úkoly k zamyšlení a diskuzi 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. Klíč k řešení otázek: 93

94 Kapitola 9: Zdroje tepelné energie ve vztahu k nízkoenergetické a pasivní výstavbě 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. Čas potřebný ke studiu kapitoly: 9 hodin Výklad: Směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/31/EU O energetické náročnosti budov (odkaz na smlouvu o fungování EU, čl. 194) 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

95 Tab. 9.1 Parametry pasivní výstavby TNI (-30) Prostup tepla Jev, veličina Označení Jednotka Požadavek Způsob prokázání Poznámka 1a Součinitel prostupu tepla všech jednotlivých konstrukcí na systémové hranici U W/(m 2 K) Splnění požadavku na doporučené hodnoty podle ČSN :2011 Výpočet v souladu s ČSN b Střední hodnota součinitele prostupu tepla U em W/(m 2 K) U em < 0,22 Výpočet v souladu s ČSN Podle konkrétních podmínek se doporučuje U em < 0,15 0,18 Jev, veličina Označení Jednotka Požadavek Kvalita vzduchu a tepelná ztráta výměnou vzduchu Způsob prokázání Poznámka 2 Přívod čerstvého vzduchu do všech pobytových místností Zajištěn. Kontrola projektové dokumentace, slovní hodnocení. 3 Účinnost zpětného získávání tepla z odváděného vzduchu η % η > 75 Podle ověřených podkladů výrobce technického zařízení (rekuperátoru) V energ. bilančních výpočtech snížit o 10 proc. bodů 4 Neprůvzd. obálky budovy n 50 (1/h) n 50 < 0,6 Měření metodou tlakového spádu a výpočet n 50 v souladu s ČSN EN

96 Jev, veličina Označení Jednotka Požadavek Zajištění pohody prostředí v letním období Způsob prokázání Poznámka 5 Nejvyšší teplota vzduchu v pobytové místnosti θi C < 27 Výpočet podle ČSN Strojní chlazení se nepředpoklád á. Potřeba tepla na vytápění 6 Měrná potřeba tepla na vytápění E A kwh/(m 2 a) < 20 Výpočet podle ČSN EN ISO a dalších norem, upřesněni podle TNI Doporučená hodnota: < 15 Potřeba primární energie 7 Potřeba primární energie z neobnovitelných zdrojů na vytápění, přípravu TV a technické systémy budovy P EA kwh/(m 2 a) < 60 Výpočet podle TNI Dosažení uvedených hodnot podmínkou: Součinitelé prostupu tepla U (W/m 2,K) podle ČSN : 2007 a podle ČSN : 2011 a) Požadované hodnoty b) Doporučené hodnoty c) Doporučené hodnoty pro pasivní výstavbu 96

97 Tab. 9.2 Tepelná ztráta prostupem a větráním pro I = 0,5 1/h Konstrukce Součinitelé prostupu tepla U (W/m 2,K) - ČSN 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 Konstrukce Součinitelé prostupu tepla U (W/m 2,K) Požadované Doporučené Dop. pasiv Celková tepelná ztráta (kw) 11,9 8,5 5,5 Prostupem 8,4 4,9 2,0 Objem RD = 652 m 3 I = (0,5 1/h); vnitřní objem Větráním 3,5 3,5 3,5 Podíly tepelných ztrát Větráním Prostupem Větráním Prostupem Větráním Prostupem 97

98 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 Prostupem Větráním Prostupem 98

99 Tepelná ztráta (kw) Graf 9.1 Tepelná ztráta v závislosti na venkovní teplotě 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Venkovní teplota t e ( C) Tab. 9.5 Investiční náklady (Kč) Kotel Akumulace a další příslušenství Otopná soustava CELKEM Kotel na ZP Kotel na EE Přímotopy Kotel na biomasu TČ ALE!!! Přímotopy! bod 7 - Potřeba primární energie (ZÚ) P EA < 60 kwh/(m 2 a) Příklad 1 - návratnost zdroje (vytápění) S už = 160 (m 2 ); E A = 20 (kwh/m 2, rok) Určit návratnost zdroje tepelné energie pro vytápění 99

100 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 Kotel na EE Přímotopy Kotel na biomasu TČ 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

101 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

102 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 Parametry zplynovacích kotlů Atmos DC Tab Parametry kotlů na pelety Atmos D 102

103 Obr. 9.3 Kotle na pelety Atmos D Příklad 2 - řízené větrání a interiérový zdroj tepelné energie Obývací pokoj Q ztr = 800 W; 4 osoby; x ZZT = 80 %; t e = -12 C Určit odvod tepla řízeným větráním Řízené větrání a interiérový zdroj tepelné energie Q 0 Q Q Q Q Q ztr inf v zdroj 0 U A t 1300 i l B M t V c t Q i i i j zdroj 0 U A t t U A t t U A t t OS OS i e OK OK i e PDL PDL i PDL 1300 i l B M t t V c (t t ) Q zdroj i p vliv akumulace i e 103

104 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

105 Solární soustava Graf 9.4 Dimenzování kolektorů na letní období Studijní materiály: Doporučené studijní zdroje: BAŠTA, J. Velkoplošné sálavé vytápění. 1. vyd. Praha: Grada, ISBN BAŠTA, J., BROŽ, K. et al. Topenářská příručka svazek vyd. Praha: Vydavatelství GAS, ISBN BERANOVSKÝ, J., TRUXA, J. Alternativní energie pro Váš dům. Brno: ERA, ISBN BROTÁNKOVÁ, K., BROTÁNEK, A. Jak se žije v nízkoenergetických a pasivních domech. 1. vyd. Praha: Grada, ISBN BROŽ, K., ŠOUREK, B. Alternativní zdroje energie. 1. vyd. Praha: Vydavatelství ČVUT, ISBN X. TYWONIAK, J. et al. Nízkoenergetické domy vyd. Praha: Grada, ISBN

106 Otázky a úkoly 1) Vypočítejte návratnost zdroje tepelné energie pro vytápění (příklad 1). 2) Porovnejte požadované a doporučené součinitele prostupu tepla dle ČSN ) Vysvětlete princip řízeného větrání s rekuperací tepla. Úkoly k zamyšlení a diskuzi 1) Diskutujte o požadavcích na parametry pasivní výstavby dle TNI ) 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. Klíč k řešení otázek: 106

107 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. Čas potřebný ke studiu kapitoly: 10 hodin Výklad: Teplovzdušné vytápění 1. Zajišťuje hygienickou výměnu vzduchu 2. Kryje tepelné ztráty objektu Řízené větrání 1. Zajišťuje pouze hygienickou výměnu vzduchu Obr Řízené větrání (schéma) 107

108 Obr 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 (m 3 /h) na zaměstnance vykonávajícího práci zařazenou do tříd I nebo IIa b) 70 (m 3 /h) na zaměstnance vykonávajícího práci zařazenou do tříd IIb, IIIa nebo IIIb c) 90 (m 3 /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 m 3 /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

109 musí být zajištěno v době pobytu osob minimální množství vyměňovaného venkovního vzduchu 25 m 3 /h na osobu, nebo minimální intenzita větrání 0,5 1/h. Jako ukazatel kvality vnitřního prostředí slouží oxid uhličitý CO 2, jehož koncentrace ve vnitřním vzduchu nesmí překročit hodnotu ppm. Dimenzování zařízení (kw) ČSN Výpočet tepelných ztrát budov při ústředním vytápění zrušena ČSN EN Tepelné soustavy v budovách - Výpočet tepelného výkonu ČSN EN ISO 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 Energetická náročnost budov - Výpočet spotřeby energie na vytápění a chlazení ČSN Doporučuje uvažovat pro obytné budovy 0,5 1/h. 109

110 ČSN EN Tab 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 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 m 3 /h. ČSN EN 832 Doporučuje uvažovat pro obytné budovy minimální výměnu ve výši 0,5 1/h. ČSN EN ISO Tab Doporučená intenzita větrání Prostor Intenzita větrání (m 3 /h.m 2 ) obsazené místnosti 3 chodby a haly 2 třídy 5 kavárny, konferenční místnosti a posluchárny

111 ČSN EN 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 Stanovení průtoku venkovního vzduchu Poznámka: Intenzitu větrání nelze zaměňovat za intenzitu výměny vzduchu. Intenzita větrání Intenzita výměny vzduchu I = V E /O (1/h) I P = V P /O (1/h) V P (m 3 /h) je průtok vzduchu přiváděného do větraného prostoru; zahrnuje, kromě průtoku venkovního vzduchu V E, i průtok oběhového vzduchu V Ob (pokud je použit), tj. V P = V E + V Ob Obr Schéma větrání využívajícího oběhový vzduch 111

112 Příklad 1 - Základní bilance průtoku vzduchu pro odvedení škodliviny - člověk vydechuje 0,65 m 3 /h, obsah CO 2 = 4 % - v přiváděném vzduchu obsah c p CO 2 = 0,035 % - maximální obsah (C MAX ) CO 2 = 0,15 % (kriterium pohody) Mš 0,65.0,04 V 23m c c 0,0015 0,00035 MAX p 3 h V. c. d M. d V. c. d V. dc p š MAX m Graf Obsah CO 2 v atmosféře Vliv CO 2 na činnost člověka 3 % CO 2 tělo člověka nereaguje 5 % CO 2 závratě, ospalost, bolest hlavy 8 10 % CO 2 bezvědomí (nebezpečí úmrtí) 20 % CO 2 okamžité bezvědomí (smrt do 10 min) 112

113 Graf Vliv koncentrace CO 2 na zdraví (stanovení potřebné dávky čerstvého vzduchu na osobu) Teplovzdušné vytápění Přiváděný vytápěcí vzduch V P - Vzduch přiváděný do obytných místností o takovém množství a teplotě, aby pokryl tepelnou ztrátu objektu. Oběhový vzduch V OB (V c ) - Vzduch odváděný z obytných prostor do jednotky. Předpokládá se, že tento vzduch není znehodnocený a vrací se zpět do obytných prostor. Odpadní vzduch V O - 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 V E - 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

114 Řešené ilustrativní příklady: Q ZTR = 5,0 kw t P = 42,0 C t I = 20,0 C t E = -12 (-3) C n osob = 4 Přívod venkovního vzduchu, odvod znehodnoceného vzduchu Q M c t V c (t t ) OHŘ E P E Q V c (t t ) V c (t t ) OHŘ OHŘ E I E E P I Q... tp prac ov nírozdílteplot Obr Schéma větrání - Přívod venkovního vzduchu, odvod znehodnoceného vzduchu Výhody nejsou. Nevýhody: vysoké provozní náklady Přívod venkovního vzduchu, odvod znehodnoceného vzduchu, instalace ZZT (t ' - t ) E E = (t O - t E ) Q V c (t t ) OHŘ E P E Q... OHŘ(ZZT) 114

115 Obr 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 (t. M + t. M t. M ) n n n M i 1 Q V c (t t ) OHŘ E P SM Q... OHŘ(SM) Obr Schéma větrání vzduchu, oběhový vzduch - Přívod venkovního vzduchu, odvod znehodnoceného Výhody: maximální využití energie cirkulačního vzduchu (100 %) Nevýhody: znehodnocený odpadní vzduch je centrální VZT jednotkou distribuován do všech větraných místností 115

116 Přívod venkovního vzduchu, odvod znehodnoceného vzduchu Kombinace obou předchozích případů. Obr Schéma větrání vzduchu - Přívod venkovního vzduchu, odvod znehodnoceného Q... OHŘ(ZZT SM) Obr Schéma větrání - Schéma optimalizovaného systému teplovzdušného vytápění Obr Schéma větrání - Schéma optimalizovaného systému teplovzdušného vytápění 116

117 Zjednodušené dimenzování průtoku vzduchu Pro správné dimenzování teplovzdušného vytápění je třeba nejprve spočítat tepelné ztráty (po místnostech). Přiváděný vytápěcí vzduch V p Pro každou místnost lze stanovit množství přiváděného vytápěcího vzduchu ze vztahu QZTR(i) VP(i) c tp Teplota přiváděného vytápěcího vzduchu t p C se může pohybovat v rozmezí 40 až 45 C. Pak je možné určení množství přiváděného vytápěcího vzduchu: V P(i) QZTR(i) c t P Zjednodušené dimenzování průtoku vzduchu Odpadní vzduch V o Množství odpadního vzduchu je dáno: a) doporučenými hodnotami. Množství odsávaného vzduchu: WC 30 m 3 /h Koupelna 40 až 60 m 3 /h Kuchyně 40 až 60 m 3 /h Šatna 5 až 10 m 3 /h Zádveří 10 až 15 m 3 /h b) množstvím venkovního vzduchu V E Množství venkovního vzduchu je rovno množství odpadního vzduchu - rovnotlaký systém. Oběhový vzduch V OB 117

118 Množství oběhového vzduchu je dáno rozdílem množství přiváděného vytápěcího vzduchu a množství odpadního vzduchu. Přívod vytápěcího vzduchu Obr Uložení podlahového kanálu Režimy provozu Obr Vytápěcí a větrací režim s rekuperací Obr Cirkulační vytápěcí režim bez větrání 118