345674 3456.4 789:;< 38;<6 7>?@;5A3 %$(%&*%,!%$(%-# #)!! +#$!! 5$%3 3%!!%5$% 33% % %%!3 % ++ ++!+3%!5++! 9 /0%%! 3%5$% +$%,++!"! $(!#$% $!&63 )! & )%$#-&*%!)$!,!$ $)) 3&43$3% )& $%3% &'$! &/%$3 +!$+ $!&45$ )!&*%!"" +$( $#$!# $!"! $%+ ( %)

3456789 8 @A"B-"C0D )!"%505/.67 ),%!"#$% (%#"089(%.":;<>?(3$)5"$-,'./-*5 &'()&*+,-%./0(%#34(/

$&'()#!% * *+!#$!./,0,., ""' 3456789 "%-$!'!"%""'$(,!""!#$%&!#!&#$&$$!&!'"!&)!#! "&!* +&",, 34&5

3456789 %&'(#%)$)#*&+,# &)-%'&+&,./)0"&%'%)" &.+.).#,. &.)-(&'.#', /&)#+&'.+#3&)4%!"#$%

Jiří Horák 03 Obsah. Úvod.... Kombinovaná výroba energií..... Kogenerace a trigenerace..... Výhody kogenerace oroti oddělené výrobě....3. Kogenerační systémy a technologie... 4.4. Kogenerační jednotka... 5.5. Loatkový stroj... 5 3. Modelový říklad rodinného a bytového domu...6 3.. Počet toných dnů... 6 3.. Roční diagram trvání otřeb tela a elektřiny... 6 3... Sestavení diagramu trvání otřeb tela a elektřiny... 7 3.3. Sotřeba energií RD... 7 3.4. Sotřeba energií BD... 8 4. Komerční mikrokogenerační systémy...0 4.. Jednotky se salovacím motorem... 0 4... Komerční jednotky se salovacím motorem... 4.. Jednotky se Stirlingovým motorem... 4... Komerční jednotky se Stirlingovým motorem... 4.3. Jednotky se salovací turbínou... 3 4.3.. Komerční jednotky se salovací turbínou... 3 4.4. Jednotky s arním motorem... 4 4.4.. Komerční jednotky s arním motorem... 4 4.5. Jednotky s alivovým článkem... 5 4.5.. Komerční jednotky s alivovým článkem... 6 4.6. Výhody a nevýhody konkrétních kogeneračních jednotek... 6 5. Volba mikrokogeneračního systému ro modelový říklad...7 5.. Vazba mezi sotřebou a výrobou... 7 5.. Předoklady rovozu mikrokogenerační jednotky... 7 5.3. Výběr kogenerační jednotky... 8 5.3.. Rozbor ročního diagramu sotřeby... 8 5.3.. Volba kogenerační jednotky... 8 5.3.3. Posouzení vybrané kogenerační jednotky... 9 6. Návrh oběhu kogenerační jednotky...3 6.. Postu výočtu teelného oběhu kogenerační jednotky... 33 7. Výočet oběhu horkovzdušné turbíny...34 7.. Vzduchový turbokomresor... 35 7... Sání vzduchu na vstuu turbíny (bod 0)... 35 7... Sání vzduchu na vstuu do komresoru (bod )... 36 7..3. Izoentroický výstu komresoru (bod )... 36 7..4. Skutečný výstu z komresoru (bod 3)... 37

Jiří Horák 03 7.. Exanzní vzduchová turbína... 37 7... Vstu do turbíny (bod 4)...38 7... Izoentroický výstu z turbíny (bod 5)...38 7..3. Skutečný výstu z turbíny (bod 6)...39 7.3. Energetická bilance horkovzdušné turbíny... 39 8. Návrh oběžného kola komresoru a turbíny... 4 8.. Oběžné kolo komresoru... 4 8.. Oběžné kolo turbíny... 46 9. Výočet salovacího zařízení... 5 9.. Vlastnosti aliva... 5 9.. Množství salin a vzduchu... 53 9.3. Složení salin a jejich entalie... 53 9.4. Bilanční výočet salovacího zařízení... 54 9.4.. Stav salin na výstuu ze salovacího zařízení...55 9.4.. Ochlazování salin ve výměnících a jejich výkon...56 0. Účinnost oběhu kogenerační jednotky... 57. Výočet výměníku tela... 58.. Volba rozměrů a usořádání výměníku... 58.. Střední logaritmický telotní rozdíl... 59.3. Součinitel řestuu tela v trubkovém rostoru... 59.4. Součinitel řestuu tela v mezitrubkovém rostoru... 60.4.. Korekční faktory ro mezitrubkový rostoru...6.5. Velikost výměníku... 64.6. Tlakové ztráty výměníku... 64.6.. Tlakové ztráty v trubkovém rostoru...65.6.. Tlaková ztráta v mezitrubkovém rostoru...66.7. Výměník na telou vodu... 68.8. Rozměry a arametry výměníků... 70.9. Pevnostní kontrola trubek výměníků... 7. Příkon salinového ventilátoru... 7 3. Ekonomické osouzení nového systému... 73 3.. Stanovení ročních nákladů modelových říkladů... 73 3.. Posouzení investice do kogeneračního systému... 75 4. Závěr a technickoekonomické hodnocení... 83 5. Seznam oužité literatury a zdrojů... 85 6. Seznam oužitých zkratek a symbolů... 87 7. Seznam říloh... 88 8. Přílohy ráce... 89

Jiří Horák 03. Úvod Ve vývoji lidstva hrála energie vždy důležitou roli, zvláště v dnešní moderní době, kdy je role energie na naší lanetě důležitější něž kdykoliv řed tím, zvláště elektrické energie. Světová sotřeba energie se stále zvyšuje, tudíž je třeba se zamýšlet nad tím, zdali i v budoucnu bude možné okrýt otávku o energii. Je nezodovědné brát na lehkou váhu fakt, že nastane doba, kdy budou sotřebovány některé zdroje fosilních aliv, do kterých se na naší lanetě ukládala energie o miliony let a které lidstvo ravděodobně stihne sotřebovat za zlomek této doby. Samozřejmě nelze mluvit o sotřebě jako takové, rotože energie nezaniká ani nevzniká, ouze se řeměňuje na jiné formy. Toto vede ke snaze co možná nejefektivněji využívat zdrojů energie zvláště fosilních zdrojů, na kterých je lidstvo chtě nechtě závislé. Jedním ze zůsobů, jak šetřit zdroji energie je kombinovaná výroba elektřiny a tela. Tato technologie řináší určitou úsoru, než v říadech kdy jsou elektřina a telo vyráběny odděleně. Sojení výroby elektřiny a tela naomáhá fakt, že elektřina se dá oměrně jednoduše vyrábět z tela a také ři její výrobě vzniká určité množství odadního tela, které lze účelně dále využívat. S vývojem salovacích turbín, zvláště v období o. světové válce, jako leteckých motorů se rovněž naskytla možnost využití salovacích turbín v energetice a nejen tam, ale i v doravě a růmyslu. V druhé olovině 0. století se tedy začalo využívat salovacích turbín, jakožto loatkového stroje, ro výrobu elektřiny omocí generátorů. Vývoj turbín okračuje dále stejně rychle, jako robíhá vývoj materiálů. Jako v mnoha odvětvích tak i v energetice není největším roblémem technické řešení, ale síše roblém materiálů, které by vydržely extrémní teelné a mechanické namáhání, které se objevuje rávě ve salovacích turbínách. Jelikož vývoj od doby, kdy byly zrovozňovány rvní energetické salovací turbíny, značně okročil, lze oužít salovací turbínu ro čím dál širší horizont alikací. Jednou z těchto alikací jsou kogenerační jednotky schoné současně vyrábět elektřinu i užitné telo. Účelem ráce je navrhnout lynovou turbínu malého výkonu, aby byla schoná alesoň částečně okrývat sotřebu elektřiny a tela rodinného či bytového domu a využívat ři tom energie z biomasy. Energetické využívání biomasy je také jeden ze zůsobů, jak šetřit zdroje fosilních aliv a solu s kombinovanou výrobou elektřiny a tela se jeví jako slibná možnost zbavování se závislosti na fosilních alivech. - -

Jiří Horák 03. Kombinovaná výroba energií Kombinovanou výrobou energií rozumíme výrobu více druhů energie současně. V kontextu s energetikou se jedná ředevším o teelnou a elektrickou energii. Výroba obou druhů energií solu souvisí, rotože byly, jsou a dlouhou dobu ještě budou získávány z rimárních zdrojů energie a to ředevším fosilních aliv nebo také z obnovitelných zdrojů, tedy i z biomasy. Dalším faktem, který umožňuje sojit výrobu elektrické a teelné energie dohromady, je samotný mechanismus výroby elektrické energie, která se získává z teelné. Podle druhého zákona termodynamiky je zřejmé, že abychom získali z nějakého teelného cyklu mechanickou ráci, otažmo elektrickou energii, musíme teelnou energii řivést a hlavně taky část energie odvést. Tudíž ři výrobě elektrické energie vzniká také římo teelná energie. Pokud se tato vzniklá energie bude účelně využívat, můžeme hovořit a kombinované výrobě energií. Ovšem tato odvedená teelná energie musí mít ožadovanou kvalitu... Kogenerace a trigenerace Pojmem kogenerace je označována současná výroba tela a elektrické energie, řičemž obě tyto energie jsou účelně využívány. Dalším roduktem kombinované výroby může být i chlad. Chlad je v odstatě také teelná energie, ovšem o jiné kvalitě něž telo. Veličina, která vyjadřuje kvalitu teelné energie je telota. Pojmem trigenerace se tedy označuje současná výroba elektřiny, tela a chladu. Na Obr. je znázorněno schéma výroby energie z aliva. Obr. Schéma výroby energií omocí kogenerace a trigenerace... Výhody kogenerace oroti oddělené výrobě Hlavním důvodem, roč oužívat kogeneraci místo oddělené výroby je úsora rimárních zdrojů energie označovaná jako PES. Lze ji definovat jako oměr úsory sotřebovaných energií z rimárního energetického zdroje ro solečnou výrobu a oddělené výroby elektřiny a tela. [] Zavedeme-li referenční hodnoty účinnosti ro oddělenou výrobu teelné energie (η T 85 %), elektrické energie (η E 35%), účinnost kogenerace (η K 85%) a zavedeme-li telárenský modul e, můžeme oté definovat účinnosti využití rimárního energetického zdroje. [], [3] telárenský modul využitá elektrická energie e () využitá teeln á enegrie - -

Jiří Horák 03 účinnost oddělené výroby η D + e e + η η T E () účinnost kombinované výroby η K ηd (3) PES rocentuelní úsora energie PES η η D (4) K V závislosti na telárenském modulu, který vyjadřuje oměr elektrického a teelného výkonu, se účinnosti mění odle Obr.. Pro telárenský modul e 0 je účinnost oddělené výroby h D rovna referenční hodnotě účinnosti výroby tela (η T 85 %), tudíž se vyrábí ouze teelná energie. V oačném říadě, kdy e se účinnost blíží k hodnotě (η E 35 %), se vyrábí ouze elektřina. Úsora rimárního zdroje energie PES je také závislá na telárenském modulu. Pro modul e 0 je nulová úsora, rotože vyrobené telo je stejné jak ro kogeneraci, tak ro oddělenou výrobu. (h K h D 85 %). V oačném říadě, kde jde ouze o výrobu elektřiny e, se PES blíží k hodnotě odle vtahu (4) ro (h K 85 %, h D 35 %). Při uvažování jakékoliv úsory energie z rimárního zdroje PES je otom účinnost solečné výroby h K větší než účinnost oddělené výroby h D. 00% 90% 80% 70% 60% ηd ηk ro PES 0% PES ro ηk 85% 00% 90% 80% 70% 60% ηd, ηk 50% 50% PES 40% 40% 30% 30% 0% 0% 0% 0% 0% 0% 0,0,0,0 3,0 4,0 5,0 6,0 e Obr. Účinnost solečné η k a oddělené η d výroby teelné a elektrické energie. Podle [0] by měla být minimální hodnota PES 0 %. Takto vysokých hodnot účinností solečné výroby h K lze v raxi běžně dosáhnout. Znamená to tedy, že dochází k úsoře rimárních energetických zdrojů a kogenerace tedy řisívá k zvyšování celkového využití energie v orovnání s oddělenou výrobou tela a elektřiny. - 3 -

Jiří Horák 03 Úsory rimárních zdrojů mají za následek snížení zatížení životního rostředí. Ze stejného množství aliva za oužití kogenerace lze účelně vyrobit a sotřebovat větší množství energie než ři oddělené výrobě. Nebo-li naoak, ro stejné množství sotřebovaných energií je třeba menší množství aliva..3. Kogenerační systémy a technologie Existuje mnoho zůsobů, jak lze řeměnit energii aliva na elektrickou a teelnou energii, tudíž existuje i mnoho technologií řeměny. Tyto technologie lze dělit odle několika následujících hledisek. [] oloha výroby a zásobování (centralizované a decentralizované zásobování): zásobování telem a elektřinou může být realizováno omocí rozvodů, centralizovaná výroba. V takovém říadě se energie vyrábí v jednom zdroji, který zásobuje své okolí. Oakem centralizované výroby je decentralizovaná výroba jejíž odstata sočívá v tom, že se energie vyrábí římo tam, kde je jí zaotřebí, tedy u sotřebitele. Tudíž odadá otřeba budovat složité rozvody, které mají velké ztráty. očet transformací (římá a neřímá metoda): udává, kolik je zaotřebí energetických transformací mezi alivem a elektřinou. U římé metody je elektrická energie získávána bezrostředně reakcí aliva omocí alivového článku. Neřímá metoda v sobě zahrnuje transformaci aliva na teelnou energii, ze které je získána omocí teelného stroje mechanická ráce a nakonec omocí el. generátoru elektrická energie. racovní látka ro neřímou metodu transformace (otevřený a uzavřený oběh): oběhy, které racují s levnou a dostunou látkou, čímž je rakticky vzduch nebo směs vzduchu a salin, si mohou dovolit tuto látku vyouštět do okolí o té, co látka vykoná ráci v oběhu. Takové oběhy se nazývají otevřené oběhy. U dražších racovních látek nebo u látek, které je třeba uravovat, je jejich vyouštění do okolí neříustné. S těmito látkami, jako je nař. voda či hélium, racují uzavřené oběhy. salovací rostor ro neřímou metodu transformace (vnitřní a vnější): je to rostor, ve kterém dochází k uvolňování teelné energie a také místo, kde se ředává energie racovní látce. Pokud je salovací rostor součástí teelného stroje, jedná se o vnitřní salování. U strojů, kde dochází ke salování mimo teelný stroj, se energie ředává racovní látce omocí teelného výměníku. Toto salování lze označit jako neřímé salování. maximální dosažitelný elektrický výkon: mikro-kogenerace - do 50 kw E mini-kogenerace - do 500 kw E kogenerace malého výkonu - do MW E kogenerace středního výkonu - do 50 MW E kogenerace velkého výkonu - nad 50 MW E Tato ráce je omezena ouze na tzv. dolní kogenerační systém, který dává řednost výrobě el. energie a teelná energie je získávána z odadního tela teelného oběhu. Existuje také horní kogenerační systém, který nejrve využívá teelnou energii o vysokých arametrech ro různé technologické rocesy v růmyslu. Odadní telo z těchto rocesů je oté využíváno k výrobě el. energie. - 4 -

Jiří Horák 03.4. Kogenerační jednotka Předmět ráce, mikrokogenerační jednotka na bázi loatkového stroje, je tedy jednotka ro decentralizovanou výrobu elektřiny a tela využívající neřímou transformaci energie z aliva. Jednotka může racovat s otevřeným i uzavřeným oběhem racovního média. Očekává se vnější salování, neboť energie je získávána z biomasy, která se z technologických důvodů nehodí ro římé salování viz Obr. 3. Jednotka ro neřímou metodu transformace se skládá z teelného stroje a systémů výměníků ro řívod a odvod tela. V souladu se zadáním ráce bude jako teelný stroj sloužit loatkový stroj, jehož účelem bude transformovat teelnou energii na mechanickou ráci..5. Loatkový stroj Loatkový stroj je ojem, který v sobě obsahuje velmi širokou oblast strojů, která slouží k transformaci energie. Energie je transformována kontinuálně omocí tekutiny, stlačitelné či nestlačitelné, řičemž tato energie je řenášena z tekutiny na rotor nebo oačně, z rotoru na tekutinu. Rozhodujícím znakem je změna rychlosti tekutiny neboli změna kinetické energie tekutiny ři roudění kanály, které jsou tvořeny meziloatkovým rostorem. Loatkový stroj má vždy statorovou část, kde dochází k řeměně tlakové neboli teelné energie na kinetickou a rotorovou část, kde se kinetická energie racovního média mění na mechanickou energii otáčejícího se rotoru. Podle této oslounosti racuje exanzní turbína. Uvedené návaznosti latí i naoak, tedy že z mechanickou energii lze omocí loatkového stroje transformovat na tlakovou a teelnou energii, v tomto říadě se jedná o turbokomresor, turbočeradlo a ventilátor. Je tedy zřejmé, že se jedná o rotační stroj neboli turbostroj z lat. turbo, což znamená mít sin neboli otáčky. [6] Použití loatkového stroje ři kombinované výrobě elektrické energie a tela je narosto běžná věc. Parní a lynové turbíny nacházejí ulatnění ředevším v telárnách a ve velkých odnicích. V menších rovozech ale ostuně získávají ulatnění i jiné stroje, nař. salovací motory. Je to dáno vyšší účinnosti salovacích motorů v malých výkonech a také nižší ořizovací cenou. [6] Obr. 3 Schéma kogenerační jednotky s neřímým salováním v teelném stroji. - 5 -

Jiří Horák 03 3. Modelový říklad rodinného a bytového domu Pro definování otřeb na vytáění, ohřev TUV a sotřebu elektrické energie bude vytvořen energetický model na základě ročních sotřeb energií existujících objektů a meteorologických dat z lokality objektů. Potřeby tela velice dobře demonstruje roční diagram trvání otřeb tela, který rávě bude ředstavovat modelový říklad. 3.. Počet toných dnů Počet toných dnů lze v souladu s vyhláškou 5/00 Sb. zjednodušeně stanovit jako očet dnů, kdy růměrná venkovní telota v otoném období klesne od 3 C. Ze získaných růměrných denních telot za rok 0 (řestuný rok), [4] se tedy určí, kolik dní by se mělo vytáět a také jak moc v závislosti na venkovní telotě. 3.. Roční diagram trvání otřeb tela a elektřiny Diagram vyjadřuje kolik dní by měl být k disozici atřičný teelný či elektrický výkon kogenerační jednotky, aby bylo možno vyhovět otřebám sotřebitele. Tento výkon je však ouze růměrnou hodnotou. To znamená, že na otřebu tela je nahlíženo v rámci celého dne ři dané růměrné venkovní telotě jako na konstantní. Integrací diagramu na Obr. 4 odle času dostáváme množství energie (locha od křivkou), která je zaotřebí ro okrytí otřeb uživatele. Tato energie se dělí na tři základní části: vytáění - sotřebovaná energie je závislá na venkovní telotě a očtu toných dnů, v rámci dnů je roměnná, telá užitková voda - je otřeba celoročně a uvažuje se, že každý den je sotřebováno řibližně stejné množství energie ro výrobu TUV, tedy v rámci celého roku lze otřebu ovažovat za konstantní, elektrická energie - taktéž celoroční otřeba s ředokládaným stejným denním množstvím a konstantním růběhem. V souvislosti s trigenerací je také možno do otřeb energie zahrnou i chlazení, které racuje na rinciu absorbčního oběhu. [] Obr. 4 Roční diagram trvání otřeb tela a elektřiny. - 6 -

Jiří Horák 03 3... Sestavení diagramu trvání otřeb tela a elektřiny Postu se oírá o základní myšlenky: integrací křivky z diagramu odle času ( rok) dostaneme množství energie toný výkon je římo úměrný venkovní telotě ři telotě větší jak 3 C je toný výkon roven nule v souladu s vyhláškou 5/00 Sb. Známe-li tedy množství sotřebované energie za jeden rok, růběh růměrných venkovních telot a očet toných dnů, můžeme sestavit diagram trvání otřeb tela a elektřiny ro konkrétní hodnoty. 3.3. Sotřeba energií RD Pro otřeby ráce byl vybrán starý rodinný dvouatrový dům vystavěný z lných álených cihel (řízemí) a órobetonových tvárnic (. atro). Dům ostrádá jakoukoliv seciální teelnou izolaci. Významným zásahem do teelných vlastností byla výměna stávajících oken za lastové rámy s dvojsklem v roce 0. Vyhodnocení sotřeby energií v RD je oměrně komlikované a oírá se o odhady a statistické hodnoty. Pro otřeby ráce lze tento ostu okládat za dostačující. elektrická energie: nejjednodušší říad, rotože elektřina v RD není užívána ro otřeby vytáění a říravy TUV. Množství sotřebované energie lze tedy římo odečíst z faktury za elektřinu viz. Tab.. vytáění: v tomto říadě lze sotřebu tela za jeden rok odhadnout z množství sotřebovaného aliva, jeho výhřevnosti a účinnosti salovacího zařízení. Tyto hodnoty jsou uvedeny v Tab. solu s hodnotou ze zjišťování ENERGO 004 Českým statistickým úřadem. [3], [8], [6]. TUV: ři odhadu sotřeby TUV ve vybraném RD se nelze ořít o žárné konkrétní odklady. Množství sotřebované energie na říravu TUV bude tedy určeno z hodnot ENERGO 004, které udávají sotřebovanou energii ve venkovské lokalitě na jeden byt s růměrným očtem 3 osob na byt. [3]. Energie Palivo Sotřeba Výhřevnost Účinnost řeměny Množství energie Celkem [GJ] ENERGO 004 [GJ] Elektrická - - - - 4,4 MWh* 5,8 - uhelné brikety 300 kg MJ/kg 80%,84 GJ Vytáění 73,0 8,7 smrkové dřevo 3500 kg 4 MJ/kg 80% 5, GJ TUV - - - -,5 GJ,5 8,6 Tab. Sotřeba energií za jeden rok ro rodinný dům. V osledním slouci jsou uvedeny hodnoty vylývající z měření [3]. * kwh 3,6 GJ Pro hodnoty v Tab. a v souladu s odstavcem 3.. lze tedy sestavit roční diagram sotřeby tela ro rodinný dům viz. Obr. 5. - 7 -

Jiří Horák 03 8,0 6,0 4,0 P [kw],0 0,0 8,0 6,0 4,0,0 0,0 8,0 vytáění 73 GJ/rok TUV + vytáění 84,5 GJ/rok TUV,5 GJ/rok elektřina 5,8 GJ/rok (4,4 MWh) 6,0 4,0,0 0,0 0 0 40 60 80 00 0 40 60 80 00 0 40 60 80 300 30 340 360 n [dny] Obr. 5 Roční diagram sotřeby tela a elektřiny ro rodinný dům. Pro dané venkovní teloty uvedené v říloze č. tedy vylývá, že toné období má 3 dní. Data otřebná ro sestrojení ročního diagramu sotřeby rodinného domu jsou uvedena v říloze č. 3. 3.4. Sotřeba energií BD Bytový dům byl vystavěn v roce 974 anelovou technologií. Nachází se na konci řady sídliště s celkovým očtem 5 bytových jednotek. Dům má čtyři obytná atra a jedno technické odlaží v suterénu, které není účelově vytáěné. Střecha je lochá jednolášťová. Dům rodělal v roce 006 rekonstrukci. Došlo k výměně okenních a dveřních konstrukcí, zatelení svislých vnějších konstrukcí a výměně domovní ředávací stanice. Množství energií je stanoveno z ročního vyúčtování tela a elektřiny, které oskytl k nahlédnutí srávce objektu. Tab. Energie Množství Jednotka Přeočet na [GJ] Elektrická 39 MWh 4 Vytáění 430 GJ 430 TUV 70 GJ 70 Sotřeba energií za jeden rok ro bytový dům. MWh 3,6 GJ Jelikož energie ro vytáění a TUV je účtována souhrnně jako odebrané telo, množství energie ro TUV bylo stanoveno z měsíce červenec a sren, kdy se neředokládá sotřeba energie na vytáění. Množství energie ro TUV je ředokládáno o celý rok konstantní. Stejným zůsobem jsou tyto energie stanovovány i srávcem BD. Podle odstavce 3.. lze nyní ro dané množství energií sestrojit diagram sotřeby tela a elektřiny viz. Obr. 6. - 8 -

Jiří Horák 03 P [kw] 75 70 65 60 55 50 45 40 35 30 5 0 5 0 5 0 vytáění 430 GJ/rok TUV + vytáění 600 GJ/rok TUV 70 GJ/rok elektřina 4 GJ/rok (39 MWh) 0 0 40 60 80 00 0 40 60 80 00 0 40 60 80 300 30 340 360 n [dny] Obr. 6 Roční diagram sotřeby tela a elektřiny ro bytový dům. Pro dané venkovní teloty uvedené v říloze č. tedy vylývá, že toné období má 3 dní. Data otřebná ro sestrojení ročního diagramu sotřeby bytového domu jsou uvedena v říloze č... - 9 -

Jiří Horák 03 4. Komerční mikrokogenerační systémy Pro modelový říklad rodinného a bytového domu trh s kogeneračními jednotkami nabízí několik tyů mikrokogeneračních jednotek. Jedná se o jednotky elektrického výkonu do 50 kwe. Trh s jednotkami se rychle rozvíjí. Je to zůsobeno zvyšujícími se cenami energií, které nutí sotřebitele hledat úsornější a ekonomičtější metody hosodaření. Na existující otávku o úsorných a k životnímu rostředí šetrných zařízeních existuje i odovídající nabídka těchto zařízení ve formě mikrokogeneračních jednotek. [] 4.. Jednotky se salovacím motorem Jelikož výroba a rovoz salovacího motoru je dnes velmi dobře zvládnutá technologie a salovací motor je také rozšířen o celém světě, je díky své konstrukci a vlastnostem oužíván i v kogeneračních jednotkách. Salovací motor slouží jako osvědčený a solehlivý zdroj mechanické energie, která se v el. generátoru řeměňuje na elektrickou energii, a také jako zdroje teelné energie, která se získává omocí výměníků z energie výfukových lynů, chladícího okruhu motoru a z mazacího oleje motoru. Obr. 7 Schéma kogenerační jednotky se salovacím motorem.[4] Pro účely výroby jednotek se oužívají seciálně vyvinuté motory a nebo se také většinou uravují motory, které byly ůvodně zkonstruovány k jiným účelům, jako třeba ohon automobilů či jiných strojů. Úrava motoru sočívá hlavně v alivovém hosodářství, rotože mikrokogenerační jednotky se salovacím motorem salují hlavně lynná aliva a to ředevším zemní lyn. V říadě salování lynných aliv motory racují odle Ottova cyklu. Naroti tomu ři salování toných či jiných olejů racuje motor síše s Dieselovým cyklem. - 0 -

Jiří Horák 03 4... Komerční jednotky se salovacím motorem V tabulce níže jsou uvedeny základní arametry několika mikrokogeneračních jednotek různých výrobců. V České reublice má zastouení ouze firma TEDOM se svou řadou jednotek Micro T7 a T30. Ostatní výrobci jsou řevážně z Německa. Uvedené jednotky jsou těch nejmenších výkonů, jakých lze vůbec na trhu nalézt. Výrobce Viessmann Vaillant Vaillant TEDOM Intelli Jednotka Vitobloc 00 Ty EM-5 ecopower e3.0 Mini- BHKW ecopower.0 Mikro- KWK Micro T7 intelli Heimkraftwerk Palivo - zemní lyn zemní lyn zemní lyn zemní lyn Sotřeba - - -,85 m 3 /h - Servis 6000-6000 - - Hlučnost < 50 dba 46 dba 58 db < 50 db Motor Ottův cyklus Honda Zyl. Ottův cyklus, 4T, Ottův čtyřdobý cyklus - Ottův cyklus El. výkon 5,5 kw,3 až 3 kw kw 7 kw,5 kw Te. výkon 3,5 kw 4 až 8 kw,5 kw 7, kw 8,75 kw Účinnost 94% 90% 9% 9,7% 90% Rozměry VxŠxH 70x30x700 080x370x760 30x30x80 380x700x300 750x000x00 Hmotnost 350 kg - 00 kg 645 550 Cena? 8 00 EUR 7 400 EUR 500 000 Kč 5 500 EUR Poznámky - - včetně kondenzačního kotle 3 až 5 kw - - Tab. 3 Výběr kogeneračních jednotek se salovacím motorem. [7], [8], [9], [30] Cena jednotek se ohybuje kolem 400 000 Kč, součástí ceny může být i montáž oříadě další zařízení (akumulační nádrž atd.) 4.. Jednotky se Stirlingovým motorem Stirlingův motor je zařízení, které řeměňuje telo římo na ráci, řičemž teelná energie je získávána z telotního rozdílu dvou rostředí. Tento druh motoru se nerosadil v automobilovém růmyslu, tudíž jeho vývoji nebyla věnována řílišná ozornost jako salovacímu motoru. Hlavní myšlena sočívá v tom, že racovní médium, které racuje v uzavřeném oběhu, je omocí vhodné konstrukce měnících se rostor střídavě řeouštěno mezi telou a studenou stranou motoru. V těchto rostorách je médiu dodávána energie ve formě tela a médium má snahu exandovat a konat ráci, která se odvádí. Po exanzi je omocí změn racovních rostor médium ochlazováno a stlačeno. Takto ochlazené médium se řeustí oět do telé části motoru kde může oět exandovat. Pro zlešení energetické bilance je oužito regenerátoru, který v sobě akumuluje část teelné energie média roudícího z telé strany do studené a ři zětném roudění toto médium oět ohřívá. - -

Jiří Horák 03 Obr. 8 Stirlingův motor: - regenerátor, - studená strana, 3 - telá strana, 4, 5 - racovní ísty, 6 - klikový mechanismus Obdobně jako u salovacího motoru je elektřina získávána v generátoru, který ohání Stirlingův motor. Pomocí teelných výměníků je z motoru odváděno užitečné telo. Stirlingův motor má však oroti salovacímu motoru velikou výhodu v tom, že ke salovaní nedochází v racovních rostorách válců nýbrž v samostatné salovací komoře otimálně navržené ke salování aliva. 4... Komerční jednotky se Stirlingovým motorem V Tab. 4 je vidět výhoda samostatné salovací komory a to sice ta, že lze oměrně jednoduše salovat i evná aliva. Ve dvou jednotkách je jako aliva oužito dřevěných elet co by obnovitelného zdroje energie. Výrobce Stirling Energy Viessmann Sunmachine ÖkoFEN Cleanergy Jednotka Whisergen kwe Vitotwin 300- V Sunmachine Pellet PELLEMATIC SMART-e Holzellet- BHWK CleanGen Power-Stirling Cleanergy C9G Palivo zemní lyn, biometan zemní lyn dřevěné elety dřevěné elety zemní lyn Sotřeba,55 m 3 /h - 3 kg/h - - Servis - - - - 6000 hod Hlučnost < 46 db < 54 db 49 db - 67 db St. motor 4-válcový -válcový, dva - dvojčinný ísty - Stirling V- El. výkon kw kw,5 až 3 kw kw až 9 kw Te. výkon 7,5 až 4,5 kw 6 kw 4,5 až 0,5 kw 4 kw 8 až 5 kw Účinnost 9% 97% 90% 0% 95% Rozměry VxŠxH 838x563x49 900x480x480 950x60x760 050x0x5 000x450x700 Hmotnost 48 kg 0 kg 40 kg 430 kg 470 kg Cena 7 5 EUR 000 EUR 3 000 EUR 5 000 EUR - Poznámky - integrovaný cena ouze za kondenzační samostatnou kotel 6-0 jednotku kw - - Tab. 4 Výběr kogeneračních jednotek se Stirlingovým motorem. [3], [3] - -

Jiří Horák 03 4.3. Jednotky se salovací turbínou Získávání elektrické energie omocí mikroturbíny je stejné jako u ředchozích teelných motorů, omocí el. generátoru. Ovšem generátor je vybaven frekvenčním měničem, rotože mikroturbíny racují v desetitisících otáčkách za minutu. Frekvenční měnič je ro malé výkony v jednotkách kilowat ekonomicky i technologicky říustný. Teelná energie je oět získávána z výfukových salin omocí výměníku. Obr. 9 Mikroturbína Castone C30. [5] Mikroturbíny mají oroti salovacímu motoru menší účinnost a tedy i menší oměr elektřiny ku telu. Proto je nutné oužít regeneraci, která omáhá zvýšit účinnost výroby elektřiny. Výhodou salovacích turbín je ovšem to, že mají odobně jako Stirlingův motor samostatnou salovací komoru, ale lyny vzniklé v této komoře musí rojít loatkováním turbíny. Další nesornou výhodou je fakt, že turbíny mají ouze jednu ohyblivou rotační součást. Díky tomuto dosahují větší životnosti a menších vibrací oroti salovacím motorům. Mezi velkou nevýhodu atří ředevším nutnost komrese lynného aliva, aby bylo možno je doravit do řetlakové salovací komory. 4.3.. Komerční jednotky se salovací turbínou Mikrokogenerační jednotky se salovací turbínou nemají řílišné zastouení na trhu tak jako salovací motory na Stirlingův motor. Výrobou jednotek se zabývá nař. firma Castone (USA), která nabízí jednotky od 30 kw elektrického výkonu nejen ro výrobu elektřiny a tela ale i chladu. Výrobce Castone MTT Micro Turbine Technology BV Jednotka C30 LP MTT's micro CHP system Palivo zemní lyn, LPG - Sotřeba 50 kw - Servis - 000 až 6000 hod/rok Hlučnost 65 db - Turbína rad. turbína i komresor - El. výkon 8 kw 3 kw - 3 -

Jiří Horák 03 Te. výkon 68 kw 8 kw Účinnost 83% 6,5% (*) Rozměry VxŠxH 600x54x760 - Hmotnost 555 až 78 kg - Cena 5 400 EUR 5 500 EUR Poznámky (*) elektrická účinnost Tab. 5 Výběr kogeneračních jednotek s mikroturbínou. [5], [33], [7] 4.4. Jednotky s arním motorem Parní stroj jako takový je starý a roracovaný stroj, který rodělává dlouhý vývoj a inovaci už od doby svého vzniku. Doba jeho masivního oužívání již ominula, ale stále nachází ulatnění v různých odvětvích. Parní motory nacházejí využití tam, kde už arní turbíny nedosahují otřebných účinností, tedy v oblasti těch nejmenších výkonů, řádově kilowatů. Parní motor může být ve dvou odobách. Klasická konstrukce, jak je všeobecně známa s klikovým úlným mechanismem a nebo lineární arní motor s jedním dvojčinným volným ístem viz. Obr. 0. Obr. 0 Lineární arní motor Lion-PowerBlocks: - lineární motor, - arní otrubí, 3 - ravý válec, 4 - vyvíječ áry, 5 - hořák, 6 - el. vodiče, 7 - volný íst, 8 - teelný výměník, 9 - indukční cívka, 0 - levý válec. [6] Mezi výhody arní jednotky atří oět možnost salování různých druhů aliv díky externí salovací komoře. Životnost se dá také ředokládat dobrá vzhledem k tomu, že íst je uložen volně s stroj ostrádá klikový mechanismus. 4.4.. Komerční jednotky s arním motorem Výrobce Lion Powerblock Jednotka Bison - Powerblock Holzellets Palivo dřevěné elety Sotřeba - Servis - Hlučnost 48 až 54 db Motor lineární arní motor El. výkon 0,3 až kw Te. výkon 3 až 6 kw - 4 -

Jiří Horák 03 Účinnost 9% Rozměry VxŠxH 600x54x760 Hmotnost 59 kg Cena 00 EUR Poznámky - Tab. 6 Kogenerační jednotky s arním motorem. [6] 4.5. Jednotky s alivovým článkem Kombinovaná výroba el. energie a tela omocí alivového článku je rinciielně odlišná od ředchozích řešení kogeneračních jednotek. Podstatou není hoření ale chemická reakce. El. energie je získávána římou řeměnou viz. Obr., lze tedy dosáhnout vyšší elektrické účinnosti. Síťová elektřina je získávána z elektrického měniče, který řevádí stejnosměrný roud na střídavý, rotože alivový článek na své katodě a anodě generuje stejnosměrný roud, který je výsledkem chemické reakce aliva a okysličovadla. Prostor mezi katodou a anodou vylňuje elektrolyt, který může být jak kaalný tak i evný. Obr. Schéma výroby elektřiny a tela omocí alivového článku ze zemního lynu. Obr. Schéma alivového článku a reakce robíhající na katodě a anodě. Aby byly jednotky s alivovým článkem v dnešní době alesoň částečně komerčně oužitelné, není možné oužít jako aliva čistého vodíku a kyslíku. V komerčních jednotkách se oužívá zemního lynu jako aliva neboli zdroje vodíku a vzduchu jako okysličovadla viz. Obr.. Vodík se získává ze zemního lynu reformingem, což je rozklad metanu na vodík a oxid uhličitý řehřátou árou. [7] - 5 -

Jiří Horák 03 4.5.. Komerční jednotky s alivovým článkem Výrobce Vaillant BlueGEN Baxi Innotech Jednotka Mikro-KWK mit BlueGEN MG.0 GAMMA.0 Brennstoffzelle Palivo zemní lyn zemní lyn zemní lyn Sotřeba 3,7 kw 3,5 kw 3 kg/h Servis - - - Hlučnost - < 45 db 49 db Pal. článek SOFC SOFC nízkotelotní PEM El. výkon kw 0,5 až,5 kw 0,3 až kw Te. výkon kw 0,3 až kw až,7 kw Účinnost 80 až 85% až 85% 85% Rozměry VxŠxH 600x60x980 970x660x600 600x600x600 Hmotnost - 00 kg 00 kg Cena - 9 000 EUR - Poznámky SOFC (Solid SOFC (Solid Oxide integrované omocné Oxide Fuel Cell) Fuel Cell) řitáění 3,5 až 5 kw Tab. 7 Komerční jednotky s alivovým článkem. [7] 4.6. Výhody a nevýhody konkrétních kogeneračních jednotek V Tab. 8 jsou srovnány důležité vlastnosti uvedených tyů kogeneračních jednotek. Tyto vlastnosti jsou dány konkrétním rinciem řeměny energie v jednotce. Vlastnosti Pobyhlivé části Salovací motor íst, ventily, klikový mechanismus Stirlingův motor klikový mechanismus, min dva ísty Salování vnitřní externí Salovací mikroturbína ouze rotor externí / vnitřní Parní motor ouze jeden íst externí Pal. článek žádné externí (reforming) Telárenský modul 0,4 0, < 0, < 0, > 0,5 Možnost integrovaný integrovaný integrovaný externí kotel externí řitáění kotel kotel kotel Vibrace vibrace klik. vibrace klik. vratný ohyb bez vibrací mechanismu mechanismu ístu bez vibrací Hluk < 50 db < 50 db < 65 db < 60 db < 45 db Otáčky stovky stovky tísíce římočarý ohyb - Paivo evné, evné, lynné, kaalné, lynné kaalné kaalné lynné lynné lynné Tab. 8 Celkové zhodnocení uvedených komerčních kogeneračních jednotek. - 6 -

Jiří Horák 03 5. Volba mikrokogeneračního systému ro modelový říklad Vzájemný vztah mezi sotřebou a výrobou elektrické energie je všeobecně znám. Protože skladování či akumulace elektrické energie je stále nevýhodné, otýká se jakákoliv řenosová soustava s roblémem regulace. S touto roblematikou se otýkají veškeré řenosové soustavy o celém světě. Co se týče teelné energie, situace je o něco říznivější, rotože akumulace teelné energie je běžnou záležitostí. Kogenerační jednotky se s těmito roblémy musí taktéž vyořádat. 5.. Vazba mezi sotřebou a výrobou Nejvhodnější říad oužití kogenerační jednotky je ten, že vyrobí souhrnně řesně takové množství energií, které se také sotřebuje bezezbytku či řebytku. Ve skutečnosti je tento stav rakticky nedosažitelný. Proto je zaotřebí výkon kogenerační jednotky regulovat sojitě či nesojitě. Protože kogenerační jednotka vyrábí aralelně dva druhy energie, regulace se tím komlikuje. Jedním z důležitých rvků systému, který naomáhá regulaci, je akumulace, kterou lze alikovat jak na teelnou tak i elektrickou energii: akumulaci elektrické energie - lze vyloučit, rotože skladování elektřiny je v dnešní době málo účinné. Pokud ale je mikrokogenerační jednotka řiojena do rozvodné sítě, rozdíl mezi výrobou a sotřebou se bere ze sítě nebo naoak vrací zět. akumulace teelné energie - je to v raxi běžná záležitost, ať už v domácnostech či velkých telárenských systémech. Realizovat ji lze omocí dobře teelně izolovaných zásobníků s vodou v časovém intervalu desítek hodin. Aby kogenerační jednotka dosahovala své maximální účinnosti, musí racovat ve stanoveném režimu a vyrobené energie musí být sotřebovány římo nebo akumulovány. Při ohledu na roční diagram sotřeby je jasné, že oměr elektrické a teelné energie, neboli telárenský modul, se v růběhu roku zásadně mění. Bohužel telárenský modul kogenerační jednotky je ři jejím standardním rovozu stále stejný. Jednou z možností jak lze otimalizovat rovoz kogeneračních jednotek je oužití elektrického ohřevu vody nebo komresorového chlazení ro zvýšení sotřeby elektrické energie. Pro zvýšení teelné energie lze oužít absorbčního chladícího okruhu, trigenerace viz. kaitola.. [] 5.. Předoklady rovozu mikrokogenerační jednotky Předoklady byly vyvozeny z obecně latných zásad rovozu jednotek. [] a) jednotka je naojena na rozvodnou síť, nejedná se o ostrovní systém, a se sítí by měla soluracovat jakožto jeden z možných zůsobů regulace b) jednotka souhrnně za zúčtovací období ( rok) by měla vyrobit takové množství el. energie jakou domácnost či bytový dům sotřebuje c) rozdíl elektrického výkonu je komenzován ze sítě d) jednotka sleduje teelný výkon, tedy ohřev TUV nebo TUV + vytáění, obecně lze říci, že mimo otoné období by byl nadbytek nebo nedostatek teelné energie, okud by jednotka sledovala el. sotřebu. e) ři nedostatku teelné energie je oužito řitáění - 7 -

Jiří Horák 03 f) jednotka by měla být navržena tak, aby v říadě otřeby fungovala jako záložní zdroj a byla schona okrýt aktuální otřeby domu za jakékoliv situace 5.3. Výběr kogenerační jednotky 5.3.. Rozbor ročního diagramu sotřeby Na základě sotřeby energií, Tab., lze vyočítat růměrný elektrický výkon za jeden rok P el.d P P [ J] [ s] 9 E el 4 0 4458,9 W 4,6 kw BD τ 366 4 3600 el.d [ J] [ s] 9 E el 5,8 0 500,9 W 0,5 kw RD τ 366 4 3600 el.d (5) a růměrný výkon ro ohřev telé užitkové vody P TUVD. P P [ J] [ s] 9 E TUV 70 0 5375,9 W 5,4 kw BD τ 366 4 3600 TUVD [ J] [ s] 9 E TUV,5 0 363,7 W 0,4 kw RB τ 366 4 3600 TUVD (6) 5.3.. Volba kogenerační jednotky V souladu s ředoklady v kaitole 5. byly vybrány jednotky od firmy TEDOM ro bytový dům a od firmy Viessmann ro rodinný dům, jejichž arametry jsou uvedeny v Tab. 9. současně s arametry nově navržených kogeneračních jednotek v rámci ráce označených jako PBS 7 ro bytový a PBS ro rodinný dům. Návrh jednotek PBS je roveden v kaitolách 6 až. Teelný a elektrický výkon jednotek musí být větší než jsou růměrné výkony na ohřev TUV a ro výrobu elektřiny. Je to z toho důvodu, aby jednotky byly schony vůbec vyrobit ožadované množství energie. Výrobce TEDOM a.s. Viessmann - - Jednotka Micro T7 Vitotwin 300-W PBS 7 kw PBS kw Palivo zemní lyn zemní lyn dřevo dřevo El. výkon 7 kw kw 7 kw kw Teelný výkon 7, kw 6 kw,9 kw 4,6 kw Tab. 9 Účinnost 9,7 % 97 % 65,4 % 64,7 % Hmotnost 645 kg 0 kg - - Cena 500 000 Kč 000 EUR - - jednotka + jednotka + jednotka + Zařízení jednotka kondenzační kotel sal. zařízení sal. zařízení Životnost 50 tis. hodin 50 tis. hodin - - Provoz 0 Kč/hod? - - Parametry vybraných kogenerační jednotek a nově navržených jednotek na biomasu na bázi loatkového stroje viz. Tab. 3,4,0. - 8 -

Jiří Horák 03 Pro otřeby řitáění v bytovém domě je uvažován lynový kondenzační kotel s výkonem 0 až 00 kw o účinnosti 95 % a odhadovanou cenou 50 tis. Kč. 5.3.3. Posouzení vybrané kogenerační jednotky Na diagram je stále nahlíženo v rámci celého roku. Při rozboru bude jako nejmenší časový úsek uvažován jeden den, tudíž rozbor se nebude zabývat změnou sotřeby během jednoho dne. V souladu s ředokladem d), že jednotka bude sledovat ředevším teelný výkon lze určit, kolik tela vyrobí za tu dobu, kterou bude schona okrývat sotřebu tela domu samostatně. Tato doba ředstavuje období, kdy výkon sotřeby tela neřesáhne maximální teelný výkon jednotky. Provoz kogenerační jednotky je tedy rozdělen na letní období, kdy jednotka samostatně okrývá sotřebu tela označené indexem L, a na zimní období, kdy jednotka nestačí dodávat telo označené indexem Z viz. Obr. 4. Bod, který rozděluje tato dvě období je určen z ročního diagramu sotřeby a tabulky v říloze č. a č.3 lineární interolací. Následující vztahy jsou uvedeny ro říad bytového domu a jednotky TEDOM Micro T7. Ostatní varianty jsou zracovány v Tab. 0. Pro známý teelný výkon jednotky jsou z tabulky v říloze č. a 3 interolovány hodnoty celkového vyrobeného tela E QZ ro obě období t Z. 7, kw 479, GJ 6, dnů E τ Z QZ 479, GJ 6, dnů (7) Množství tela E QL letního období se zjistí z celkového množství otřebného tela E Q. Analogicky taktéž očet dnů t L. E QL E QLj E Q E QZ 600 479, 0,9 τ L 366 τz 366 6, 03,8 dnů GJ (8) Jednotka ři lném zatížení dosahuje telárenského modulu Pel.J 7 e 0,4 [ ] (9) P 7, Q J Lze tedy stanovit, kolik elektrické energie E el.l jednotka vyrobila za dobu t L 03,8 dnů, kdy stačila okrývat sotřebu tela jak ro ohřev TUV tak i ro vytáění v méně chladných dnech odle ředokladu d). E e E 0,4 0,9 49, GJ (0) el.l QL Zbytek elektrické energie se tedy musí vyrobit v růběhu dnů t Z kdy jednotka může jet neustále na lný výkon odle ředokladu b). Tento zbytek lze stanovit z rozdílu celkového množství otřebné elektrické energie E el. a energie vyrobené v době, kdy jednotka okrývala sotřebu samostatně E el.l. E E E 4,0 49, 9,8 GJ () el.z el el L Celkové množství vyrobené el. energie jednotkou E el.j. E E + E 9,8 + 49, 4 GJ () el.j el.z el L - 9 -

Jiří Horák 03 Na vyrobení množství elektrické energie E el.z má jednotka zbytek dní, kdy nestačí dodávat teelnou energii, tedy t Z 6, dnů. Lze tedy stanovit růměrný elektrický výkon P el.z za toto období t Z. Pokud by růměrný el. výkon byl větší než nominální výkon jednotky, jednotka za celý rok vyrobí méně energie než je sotřeba. P [ J] [ s] 9 E el.z 9,8 0 6550,6 W 6,6 kw (3) τ 6, 4 3600 el.z Z Podobným zůsobem lze určit i růměrný elektrický výkon P el.l za letní období t L, kdy jednotka stačí dodávat teelnou energii. P [ J] [ s] 9 E el.l 49, 0 794,0 W,8 kw (4) τ 03,8 4 3600 el.l L Množství vyrobené elektrické energie jednotkou v zimním období E el.z odovídá dané množství vyrobeného tela E QZJ. E 9 E el.z 9,8 0 5,6 GJ (5) e 0,4 QZJ Celkové množství tela vyrobeného jednotkou E QJ. E E + E 5,6 + 0,9 346,5 GJ (6) Qj QZj QLj Množství tela dodaného cizím zdrojem E QZc. E E E 600 346,5 53,5 GJ (7) Qc Q Qj Z vyočtených výkonů vylývá, že jednotka je schona lnit ředoklady rovozu s rocentuálním denním využitím z L a z Z oroti nominálnímu el. výkonu ro jednotlivá období. ς ς Z L P P P P el.z el.j el.l el.j 6,6 0,943 94 % 7,8 0,40 40 7 % Výsledky osouzení jsou uvedeny v následující tabulce. Tyto údaje slouží k ekonomickému osouzení kogeneračních jednotek v kaitole 4. U varianty bytového domu s nově navrženou kogenerační jednotkou na biomasu PBS 7 došlo k tomu, že jednotka odle ředokladů rovozu nebude schona vyrobit celoročně otřebné množství el. energie. Část elektrické energie se tedy bude muset nakuovat ze sítě. (8) - 30 -

Jiří Horák 03 Veličina RD Varianta BD Jednotka Pois 300-V PBS T7 PBS 7 t Z 5,5 69,4 6, 34,4 [dny] očet dnů zimního období t L 3,5 96,6 03,8 3,6 [dny] očet dnů letního období E QZ 63,4 70, 479, 434,4 [GJ] sotřeba tela za zimní období E QL, 4,3 0,9 65,6 [GJ] sotřeba tela za letní období E Q 84,5 600 [GJ] sotřeba tela za celý rok (viz. model) E Qj 95 73,5 346,5 49,4 [GJ] množství tela vyrobeného jednotkou E Qc 89,5 53,5 80,6 [GJ] množství tela z cizího zdroje e 0,7 0, 0,4 0,3 [-] telárenský modul jednotky E el.z,3,7 9,8 8,3 [GJ] vyrobená el. energie za zimní období E el.l 3,5 3, 49, 53,0 [GJ] vyrobená el. energie za letní období E el 5,8 4 [GJ] sotřeba el. energie za celý rok (viz. model) E el.j 5,8 5,8 4 34,3 [GJ] množství el. energie vyrobené jednotkou E el.c 0 0 0 6,7 [GJ] množství nakuované energie P el.z 0,93 0,87 6,55 7,00 [kw] růměrný el. výkon jednotky v Z období P el.l 0,9 0,8,79,65 [kw] růměrný el. výkon jednotky v L období z Z 93 87 94 00 [%] časové využití jednotky v letním období z L 9 8 40 38 [%] časové využití jednotky v zimním období Tab. 0 Výsledky osouzení kogeneračních komerčních i navržených jednotek ro bytový i rodinný dům. BD - bytový dům, RD - rodinný dům - 3 -

Jiří Horák 03 6. Návrh oběhu kogenerační jednotky Cílem je navrhnout co možná nejjednodušší oběh s důrazem na co nejmenší očet komonent skutečného zařízení. Důležitá je komaktnost a rozměry kogenerační jednotky. Je to v souladu s ožadavkem, že kogenerační jednotka má sloužit ro rovoz v rodinných a bytových domech. To znamená, že je třeba zajistit bezečnost rovozu, jeho nenáročnost na údržbu a co možná nejmenší velikost zařízení. Navržena budou zařízení ro rodinný i bytový dům o elektrickém výkonu odovídajícím zvoleným jednotkám TEDOM Micro T-7 a Viessmann Vitotwin 300-V, tedy 7 kw a kw. Po konzultacích v První brněnské strojírně Velká Bítěš, a.s. byl navržen oběh systému zobrazený na Obr. 3. Obr. 3 Návrh teelného oběhu kogenerační jednotky. K - komresor, T - turbína, SZ - salovací zařízení, SV - salinový ventlátor, AC - střídavý roud, DC - stejnosměrný roud, I. - výměník saliny/vzduch, II. - salinový výměník, TUV+UT - telá voda ro otřeby vytáění a TUV Salovací zařízení bude navrženo ro salování kusového dřeva (biomasy) klasickým odhořívacím zůsobem. Toto zařízení je jednoduché, komaktní a bezečné. Lze ředokládat, že bude racovat s velkým řebytkem vzduchu. Zařízení rinciielně bude fungovat stejně jako salovací komora lynové turbíny ovšem v odtlakovém režimu. Za loatkový stroj je zvolena lynová turbína racující odle Braytonova otevřeného oběhu. Použitím otevřeného oběhu souvisí s volbou média, což může být rakticky ouze vzduch. PBS Velká Bíteš, a.s. má s výrobou těchto turbíny bohaté zkušenosti. Pracovním médiem turbíny je tedy vzduch. Ostatní média byla vyloučena, rotože jejich oužití sebou řináší jisté roblémy s těsněním zařízení a také s dolňováním uniknuvšího média do atmosféry. Navíc vzduch je všudyřítomný, netoxický a bezečný a jeho úniky z oběhu nezůsobují, mimo snížení účinnosti, žádné jiné komlikace. Použití regenerace tela je v říadě otevřeného oběhu namístě. Jelikož z otevřeného oběhu se telo odvádí solečně s médiem, je vhodné tuto energii oužít znovu. Jednou z dalších výhod volby vzduchu jako média oběhu turbíny je ta, že se dá médium oužít jako ředehřátý vzduch ro salovací zařízení. Tento horký vzduch hořením reaguje s alivem a vznikají saliny, které jsou zdrojem tela vstuujícího do Braytonova oběhu turbíny. Touto cestou je zajištěna regenerace tela v teelném oběhu jednotky. - 3 -

Jiří Horák 03 Výměník saliny/vzduch je místem v oběhu, kde dochází jak k ředávání tela salin do oběhu turbíny, tak současně i k regeneraci tela. Výměník je volen jako trubkový se salinami roudícími v trubkovém rostoru s ohledem na čištění výměníku. Telovodní výměník je stejné koncece jako výměník saliny/vzduch s tím rozdílem, že v mezitrubkovém rostoru roudí voda. Salinový ventilátor je v oběhu umístěn z toho důvodu, že salovací zařízení se ředokládá jako odtlakové. Jelikož výměníky mají určitou tlakovou ztrátu, salinový ventilátor má za úkol tyto tlakové ztráty výměníku komenzovat. 6.. Postu výočtu teelného oběhu kogenerační jednotky Pro výočet a návrh teelného oběhu a růtočných částí systému bylo oužito rogramového rostředí MATLAB. Výočet obsahuje několik interačních cyklů. Schéma ostuu je naznačeno na Obr. 4. Obr. 4 Schéma ostuu výočtu kogeneračního systému s horkovzdušnou turbínou. Vztahy a hodnoty arametrů uvedené v dalších kaitolách jsou výsledkem oslední interace. Odhadované ředběžné hodnoty nejsou uváděny. Detailní výočet je roveden ouze ro jednotku PBS o elektrickém výkonu kw. Pro jednotku PBS 7 o výkonu 7 kw jsou uváděny některé důležité volené a vyočtené arametry ouze tabulkově. Koncece výkonnější jednotky je analogická s méně výkonnou jednotkou. - 33 -

Jiří Horák 03 7. Výočet oběhu horkovzdušné turbíny Procesy, odehrávající se uvnitř turbíny, jsou osány Braytonovým oběhem viz. Obr 5. V tomto oběhu jsou zahrnuty tlakové ztráty d a celkové účinnosti reálného komresoru a turbíny. Měrná teelná kaacita vzduchu není ovažována za konstantní, ale je závislá na telotě vzduchu viz. [34]. Stavové veličiny jako entroie a entalie vzduchu jsou určovány odle řílohy č. 4 a ro různé tlakové hladiny omocí orovnávací izobary viz. [4] a říloha č. 6. Samotný Braytonův oběh se skládá z komrese -3 (v ideálním říadě izoentroické -), následného řívodu tela 3-4 (v ideálním říadě za konstantního tlaku) a exanze 4-6, která je oět v ideálním říadě ovažována ze izoentroickou 4-5. Jelikož je oběh otevřený, odvod tela se děje rostřednictvím racovního média, které odchází mimo turbínu viz. Obr. 5.. Obr. 5 T - s diagram Braytonova oběhu lynové turbíny Při návrhu oběhu je třeba stanovit některé důležité arametry. Volba těchto arametrů je založena na zkušenostech z vývoje a rovozu reálných zařízení a také na materiálových možnostech. Zvolené arametry jsou uvedeny v Tab. a jejich hodnoty jsou stanoveny na základě dooručení PBS Velká Bíteš. Celkové účinnosti komresoru h K a turbíny h T jsou ři rvním řihlížení interačního výočtu odhadnuty a následně ověřeny viz. kaitola 8. Poměrná tlaková ztráta výměníku x je také nejrve odhadnuta a oté ověřena výočtem v kaitole.6.. Parametry v Tab. jsou tedy již konečné hodnoty. - 34 -

Jiří Horák 03 Komresní oměr P k Telota řed turbínou t 4 Poměrná tlaková ztráta sání x 0 Poměrná tlaková ztráta výměníku x Poměrná tlaková ztráta výstuu x Celková účinnost komresoru h K Celková účinnost turbíny h T [-] [ C] [%] [%] [%] [%] [%] 3 750 3 4 4 70 79 3 750 3 4 4 75 8 Tab. Volené základní arametry lynové turbíny. Celkové účinnosti a celková tlaková ztráta výměníku jsou ověřeny výočtem. Tučně vyznačené hodnoty charakterizují jednotku o výkonu kw. 7.. Vzduchový turbokomresor Atmosférický vzduch nasávaný komresorem je stlačován a roudí dále do výměníku, kde se ohřívá. Komresor řitom sotřebovává ráci a K, kterou odebírá exanzní turbíně. T-s diagram navrhovaného komresoru je na Obr. 6. Obr. 6 T-s diagram komresoru. 7... Sání vzduchu na vstuu turbíny (bod 0) Stav vzduchu na vstuu je uvažován ři standardních odmínkách viz Tab.. Atmosférický tlak atm telota vzduchu t 0 vlhkost vzduchu x - 35 - Plynová konstanta vzduchu r vz Plynová konstanta vodní áry r HO [Pa] [K] [kg/kg sv ] [J/kg K] [J/kg K] 035 88,5 0,00634 87,0 46,5 Tab. Standardní odmínky na sání turbíny. Podmínky jsou stejné ro obě výkonové varianty jednotky.

Jiří Horák 03 Plynová konstanta vlhkého vzduchu se určí z oměrného zastouení vodní áry v suchém vzduchu. r vz x 0,00634 J rsv + rho 87 + 46,5 88, (9) + x + x + 0,00634 + 0,0634 kg K Entroie na sání se určí odle řílohy č.4. kj s 0 entroie( t atm ; x) entroie( 035; 0,00634) 6,6876 (0) kg K 7... Sání vzduchu na vstuu do komresoru (bod ) Tlak vzduchu na vstuu do komresoru je menší o ztráty v sání oroti atmosférickému vzduchu. ( ξ ) 035 ( 0,03) 9885 Pa atm 0 () Telota vzduchu na vstuu do komresoru. t 0 t 88,5 K () Entroie vzduchu na vstuu do komresoru je určena omocí orovnávací izobary viz. říloha č. 6. s atm 035 kj s 0 + rvz ln 6,6876 + 88, ln 6,696 (3) 9885 kg K Entalie vzduchu na vstuu do komresoru. kj i entalie( t; x) entalie( 88,5; 0,00634) 89,9 (4) kg 7..3. Izoentroický výstu komresoru (bod ) Entroie vzduchu v bodě je stejná jako v bodě (izoentroický děj). kj s s 6,696 (5) kg K Tlak vzduchu na výstuu z komresoru je dán komresním oměrem P k. Π 9885 3 94856 Pa (6) 3 k Telota na výstuu z komresoru je vyočítána omocí inverzní funkce viz. říloha č.4. t inventroie(s + rvz ln ; x) atm (7) 94856 inventroie(6,696 + 88, ln ; 0,00634) 393,88 K 035 Entalie na izoentroickém výstuu z komresoru. kj i entalie( t ; x) entalie( 393,88; 0,00634) 397,0 (8) kg - 36 -

Jiří Horák 03 7..4. Skutečný výstu z komresoru (bod 3) Entalie na výstuu z komresoru lze stanovit z celkové účinnosti komresoru h K. i ( i i ) ( 397,0 89,9) kj i + 89,9 + 44,9 (9) η 0,7 kg 3 K Telota na výstuu z komresoru je vyočítána omocí inverzní funkce viz, říloha č.4. inventalie(i ; x) inventalie(44,9; 0,00634) 438,8 K (30) t 3 3 Entroie na výstuu z komresoru. s 3 entroie entroie ( t ; x) 3 r vz ( 44,9; 0,00634) ln 3 atm 88, ln 94856 6,807 035 Izoentroická a skutečná měrná ráce komresoru: a K iz i i 397,0 89,9 07, K a i3 i 44,9 89,9 53,0 kj kg kj kg kj kg K (3) (3) 7.. Exanzní vzduchová turbína Poté, co se stlačený vzduch ohřeje ve výměníku saliny/vzduch na ožadovanou telotu, vstuuje do exanzní radiálně-axiální turbíny a koná ráci a T. Část této ráce slouží ro ohon komresoru a část ro ohon elektrického generátoru. Obr. 7 T-s diagram návrhové exanze. - 37 -