Zdroje energie a tepla

Transkript

1 ZDROJE ENERGIE A TEPLA - II 173 Zdroje energie a tepla Energonositel Zdroj tepla Distribuce tepla Sdílení tepla do prostoru Paliva Uhlí Zemní plyn Bioplyn Biomasa Energie prostředí Solární energie Geotermální energie Energie vody, země, vzduchu Elektřina Topidla Kotle Kogenerační jednotky Fototermické kolektory Fotovoltaické kolektory Tepelná čerpadla Přímá distribuce zdrojem Teplovodní otopná soustava Horkovodní otopná soustava Parní otopná soustava Teplovzdušné vytápění Otopná tělesa Desková Článková Trubková Konvektory Sálavé panely Otopné plochy Podlahové vytápění Stropní vytápění Stěnové vytápění Přímé sdílení Kamna Krby Plynová topidla Elektrická topidla Zářiče Vzduch 174 1

2 Kotel Zdroj tepla, kde teplo vyráběné spalováním nebo elektrickým ohřevem je odváděno k dalšímu využití teplonosnou látkou vodou, párou nebo vzduchem. Kotel na spalování paliv Přívod teplonosné látky do soustavy Odvod spalin Výměník tepla Přívod paliva Přívod spalovacího vzduchu Spalovací komora Hořák Vratná teplonosná látka ze soustavy Rovnice dokonalého spalování metanu CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O + teplo 175 Kotel Zdroj tepla, kde teplo vyráběné spalováním nebo elektrickým ohřevem je odváděno k dalšímu využití teplonosnou látkou vodou, párou nebo vzduchem. Elektrokotel Přívod teplonosné látky do soustavy Přívod elektrické energie Elektroohřev Vratná teplonosná látky ze soustavy 176 2

3 Kotle na spalování paliv Rozdělení kotlů podle paliva Skupenství paliva Původ paliva Fosilní Biopaliva Tuhá Uhlí, koks, brikety Dřevo, peletky Kapalná Zemní plyn Bioplyn Plynná Topný olej Bionafta 125TBA1 - prof. 177Karel Kabele Kotle na spalování paliv Rozdělení podle tlaku ve spalovací komoře kotle atmosférické kotle podtlakové kotle přetlakové ( ) Přirozený přívod vzduchu Přívod vzduchu zajištěn podtlakem - 125TBA1 - prof. 178Karel Kabele minimální výškou komína nebo ventilátorem Přívod vzduchu zajištěn ventilátorem 3

4 Kotle na spalování paliv Rozdělení podle přívodu spalovacího vzduchu Otevřené kategorie B plynového spotřebiče Uzavřené kategorie C plynového spotřebiče Přívod vzduchu z prostoru kotelny Přívod vzduchu přímo z vnějšího prostředím 125TBA1 - prof. 179Karel Kabele Kotle na spalování paliv Rozdělení teplovodních kotlů podle teploty otopné vody Standardní Nízkoteplotní Kondenzační θ 2 = 60 C až 70 C Θ 2 = 30 C až 70 C θ 2 = 30 C až 55 C θ 1 < 115 C θ 1 < 115 C θ 1 < 115 C V kotli by nemělo docházet ke kondenzaci spalin = cca 91 % V kotli může dojít ke kondenzaci spalin, odolný materiál 125TBA1 = cca - prof Karel % Kabele Odvod kondenzátu V kotli dochází k řízené kondenzaci spalin = až 108 % 4

5 Tepelný výkon a příkon kotle Tepelný výkon ϕ O (W) vyjadřuje teplo, dodané do teplonosné látky mezi jejím vstupem a výstupem do kotle. jmenovitý tepelný výkon kotle ϕ N (W). maximální trvalý výkon stanovený výrobcem pro určitý druh paliva, nejmenší tepelný výkon ϕ N, min (W). - nejmenší trvalý výkon stanovený výrobcem pro určitý druh paliva. Např. u plynových kotlů závisí na typu hořáku a regulace, která může být plynulá u atmosférického hořáku (ϕ N, min = cca 30 % až 100 % ϕ N ), plynulá u přetlakového hořáku (ϕ N, min = cca 20 % až 100 % ϕ N ), dvoustupňová (ϕ N, min = 100 %, 50 % ϕ N ) Tepelný příkon φ D (W). vyjadřuje energii obsaženou v palivu přiváděném do kotle: φ D = Q i / m pal kde Q i [J/kg] je výhřevnost paliva m pal [kg/s] je množství paliva spáleného v kotli za jednotku času 182 Tepelný výkon a příkon kotle Tepelný výkon ϕ O (W) vyjadřuje teplo, dodané do teplonosné látky mezi jejím vstupem a výstupem do kotle. jmenovitý tepelný výkon kotle ϕ N (W). maximální trvalý výkon stanovený výrobcem pro určitý druh paliva, nejmenší tepelný výkon ϕ N, min (W). - nejmenší trvalý výkon stanovený výrobcem pro určitý druh paliva. Např. u plynových kotlů závisí na typu hořáku a regulace, která může být plynulá u atmosférického hořáku (ϕ N, min = cca 30 % až 100 % ϕ N ), plynulá u přetlakového hořáku (ϕ N, min = cca 20 % až 100 % ϕ N ), dvoustupňová (ϕ N, min = 100 %, 50 % ϕ N ) Tepelný příkon φ D (W). vyjadřuje energii obsaženou v palivu přiváděném do kotle: φ D φ D = Q i / m pal kde Q i [J/kg] je výhřevnost paliva (nebo spalné teplo) m pal [kg/s] je množství paliva spáleného v kotli za jednotku času ϕ N 183 5

6 Jmenovitá účinnost kotle Podíl výkonu a příkonu kotle za standardních podmínek O D D A ϕ S (W) kotlová ztráta (sáláním a prouděním vzduchu v okolí kotle, projevuje se zvýšením teploty v kotelně.), ϕ F (W) ztráta nedopalem (v kotli neproběhne vždy dokonalé spálení všeho paliva, zbytky ve strusce a popelu vzniklých při spalování pevných paliv, nespálený CH 4 ve spalinách) ϕ A (W) komínová ztráta (nevyužité teplo ve spalinách odváděných do venkovního prostředí). D S 184 ϕ S F ϕ F ϕ A = 90 % až 108 % Účinnost > 100 %?????? Rovnice dokonalého spalování metanu CH 4 + 2O 2 CO 2 + 2H 2 O + teplo Spalné teplo a výhřevnost paliva Q S = Q i + r. m H2 O m H2O r hmotnost vody ve spalinách na jednotku spáleného paliva [kg/kg] skupenské teplo vypařování vody 2500 ~ 2453 [J/kg] Zemní plyn výhřevnost Q i = 35 [MJ/m 3 ] spalné teplo Q s = 38,6 [MJ/m 3 ] 185 6

7 Kotelna samostatná budova, stavební objekt, zvláštní přístavek či místnost nebo vyhrazený prostor, ve kterém je umístěn jeden nebo více kotlů se zařízením nezbytným k jeho bezpečnému provozu (ČSN Kotelny se zařízeními na plynná paliva) 125TBA1 - prof. Karel 187 Kabele Kotelna je samostatná budova, stavební objekt, zvláštní přístavek či místnost nebo vyhrazený prostor, ve kterém je umístěn jeden nebo více kotlů se zařízením nezbytným k jeho bezpečnému provozu (ČSN Kotelny se zařízeními na plynná paliva) 125TBA1 - prof. Karel 188 Kabele 7

8 Rozdělení plynových kotelen kotelna III. kategorie s instalovaným výkonem jednoho kotle nad 50 kw nebo s více kotli menšími se součtovým výkonem nad 100 kw do 500 kw) se umisťuje ve skříňovém objektu, skříni nebo samostatné místnosti; kotelna II. kategorie s instalovaným výkonem od 500 kw do 3,5 MW) se umisťuje v budově v samostatné místnosti k tomu určené, přednostně v nejvyšším podlaží, výjimečně v budově se shromažďovacím prostorem se zvláštními bezpečnostními opatřeními; kotelna I. kategorie s instalovaným výkonem nad 3,5 MW) se umisťuje v samostatné budově nebo v budově v samostatném požárním úseku 189 Funkce kotelny Přívod vzduchu Spalování Větrání Odvod tepelné zátěže Odvod spalin atmosférický tlakový turbo kotle Odvod vzduchu Větrání Odvod tepelné zátěže 125TBA1 - prof. Karel 190 Kabele 8

9 Přívod paliva Funkce kotelny pevná, kapalná, plynná (ZP x propan) Distribuce tepla vytápění příprava teplé vody VZT technologie 125TBA1 - prof. 191Karel Kabele Pojistné a zabezpečovací zařízení Objemové změny Tlak Teplota Regulace výkonu Požadavky na stavební konstrukce Funkce kotelny Prostupy, podpory, základy Provoz 125TBA1 - prof. 192Karel Kabele 9

10 Schéma zapojení kotelny Příklad funkčního schématu kotelny bez zakreslených armatur. 193 Dispoziční řešení kotelny

11 Příklady užívaných kotlů Plynový stacionární kotel s přetlakovým hořákem Plynový závěsný kotel s nepřímo ohřívaným zásobníkem teplé vody 195 Příklady užívaných kotlů Kotel na spalování dřeva Kotel na spalování dřeva a peletek

12 Příklady užívaných kotlů kotel na peletky + zásobník peletek+ dopravník 197 Doprava peletek

13 Zdroje energie a tepla Energonositel Zdroj tepla Distribuce tepla Sdílení tepla do prostoru Paliva Uhlí Zemní plyn Bioplyn Biomasa Energie prostředí Solární energie Geotermální energie Energie vody, země, vzduchu Elektřina Topidla Kotle Kogenerační jednotky Fototermické kolektory Fotovoltaické kolektory Tepelná čerpadla Přímá distribuce zdrojem Teplovodní otopná soustava Horkovodní otopná soustava Parní otopná soustava Teplovzdušné vytápění Otopná tělesa Desková Článková Trubková Konvektory Sálavé panely Otopné plochy Podlahové vytápění Stropní vytápění Stěnové vytápění Přímé sdílení Kamna Krby Plynová topidla Elektrická topidla Zářiče Vzduch 199 Kogenerace Plynový spalovací motor s elektrickým generátorem topným zdrojem je chlazení motoru výkon např. 42 kw tepla + 25 kw elektřiny X hluk X nesoučasnost odběru tepla a elektřiny problém s prodejem el.energie Nutný odběr tepla po celý rok

14 6 SOLÁRNÍ ENERGIE 201 Zdroje energie a tepla Energonositel Zdroj tepla Distribuce tepla Sdílení tepla do prostoru Paliva Uhlí Zemní plyn Bioplyn Biomasa Energie prostředí Solární energie Geotermální energie Energie vody, země, vzduchu Elektřina Topidla Kotle Kogenerační jednotky Fototermické kolektory Fotovoltaické kolektory Tepelná čerpadla Přímá distribuce zdrojem Teplovodní otopná soustava Horkovodní otopná soustava Parní otopná soustava Teplovzdušné vytápění Otopná tělesa Desková Článková Trubková Konvektory Sálavé panely Otopné plochy Podlahové vytápění Stropní vytápění Stěnové vytápění Přímé sdílení Kamna Krby Plynová topidla Elektrická topidla Zářiče Vzduch

15 Energie slunečního záření Slunce - pohyb po obloze difúzní a přímé záření solární konstanta 1360 W/m 2 zaclonění mraky skutečně dopadající energie max 1000 W/m 2 Globální sluneční záření dopadající na území ČR [MJ. m -2.rok] 203 Pasivní systémy Solární energie solární okno skleník (zimní zahrada) akumulační stěna TROMBE

16 Využití solární energie Aktivní solární systémy vodní, vzdušné kolektory fotovoltaické články 205 Zapojení solárního kolektoru pro přípravu teplé vody TV C TRB Č Č PV 3xZV SV

17 TEPLO PROSTŘEDÍ 207 Tepelná energie z prostředí Geotermální energie Teplotní spád 25 C 30 C / km hloubky

18 Tepelná energie z prostředí Geotermální energie GE Vysokoteplotní GE (nad 150 C) potřebujete podrobnější technicko-ekonomické posouzení, Voda je obvykle vysoce mineralizována, přímá produkce el. energie pomocí parních turbín, kogenerace Středněteplotní GE( C) Nepřímá produkce el. energie, horká voda nebo pára přenese energii na další medium, které pohání turbíny Nízkoteplotní GE (pod 100 C) Použitelné téměř všude, nutné respektovat lokální podmínky Výměníky, tepelná čerpadla Využití energie vody, půdy, vzduchu Nízkopotenciální zdroj - teplota v rozmezí cca -20 až +30 C Nutno zvýšit teplotní úroveň -> tepelné čerpadlo

19 1 Tepelné čerpadlo Energie na pohon kompresoru Tepelný stroj, umožňující využití nízkopotenciálního tepla okolí pro energetické systémy budov. Teplo odebírané Výparník-kompresorkondenzátor-redukční ventil prostředí Kompresor Kompresorové x absorpční Topný faktor (COP) 2 Výparník Kondenzátor 3 Podíl výkonu a příkonu >1 opt 3 Závislý na pracovních Redukční ventil podmínkách Chladivo Freony!!! Limit maximální výstupní teploty C 211 Teplo dodávané do budovy Zdroje nízkopotenciálního tepla pro tepelné čerpadlo Vzduch Venkovní vzduch C Proměnná teplota ovlivňuje topný faktor Instalace venkovní jednotky s ventilátorem

20 Zdroje nízkopotenciálního tepla pro tepelné čerpadlo Voda Studniční Dvě studny Další čerpadlo Povrchová výměník nebo čerpání? 213 Zdroje nízkopotenciálního tepla pro tepelné čerpadlo Země ozemní kolektor o 1,0-1,8 m hluboko, o W/m 2, o rozteč 0,6-1 m, o délka 100 m Vrty ( W/m), čtyři trubky DN hloubka m

21 Použití TČ Příprava teplé vody, ohřev bazénu Optimální pracovní podmínky Systémy vzduch-voda, chlazení sklepa Samostatné zařízení nebo kombinace s TČ pro vytápění? 215 Použití TČ Teplovodní vytápění Nízkoteplotní zdroj nízkoteplotní soustava, podlahové vytápění, desková tělesa, konvektory? Bivalentní nebo monovaletní zdroj? (elektrokotel, pevná paliva, solární kolektory) Konstantní pracovní podmínky X požadavky na proměnný výkon otopné soustavy akumulace tepla, hydraulické řešení

22 Náklady na vytápění RD 7 kw Literatura, informace Skripta EEB1 (Kabele a kol.) Vytápění rodinných a bytových domů (Petráš a kol.) Zdroje tepla domovní kotelny (Lulkovičová a kol.) Teplovodní a elektrické podlahové vytápění (Petráš,Koudelková,Kabele) Sešity projektanta (Společnost pro techniku prostředí) Vytápění, větrání, klimatizace budov (Cihelka a kol.) Časopis Vytápění,větrání instalace Časopis Topenářství Časopis Energy and Buildings

23 Zkouška Zkouška probíhá písemnou a ústní formou s přihlédnutím k výsledku práce na cvičení. Před zahájením písemné části zkoušky musí mít student zapsán zápočet v KOSu. Písemná část zkoušky má 10 otázek; z toho 5 ze zdravotní techniky (vodovod,kanalizace,plynovod) a 5 z vytápění. Pokud student neuspěje u jedné z částí písemné zkoušky, musí opakovat celou zkoušku Délka písemné zkoušky je cca 60 minut. Výsledná klasifikace je na základě výsledku z písemné části, hodnocení ze cvičení a doplňující otázky při ústní části zkoušky