Ako najlepšie vybrať zdroj tepla na báze obnoviteľných zdrojov

Ilustračné foto
Zdroj: iStock

Ktoré zdroje tepla na báze obnoviteľnej energie možno použiť samostatne a pri ktorých je potrebná ich kombinácia s inými primárnymi zdrojmi? Základným cieľom energetickej politiky Európskej únie je ochrana životného prostredia, a to, okrem iného, prostredníctvom znižovania tvorby skleníkových plynov.

Tradičné zdroje tepla na fosílne palivá pomaly dosluhujú a postupne sa vymieňajú za moderné zdroje tepla na ušľachtilé palivá s lepším využitím energie obsiahnutej v plynnom a tuhom palive alebo za zdroje tepla s obnoviteľnou energiou, prípadne ich kombináciou.

Pri výrobe tepelnej energie sa preto v čoraz širšom meradle pristupuje k uplatneniu obnoviteľných zdrojov energie. Rozhodujúcim faktorom ovplyvňujúcim voľbu obnoviteľného zdroja energie ako zdroja tepla sú podstatne nižšie náklady na jeho prevádzku v porovnaní so zdrojmi tepla na tradičné plynné, tuhé či kvapalné palivá.

Naproti tomu investičné náklady na zriadenie obnoviteľného zdroja tepla prevyšujú investičné náklady pre tradičné zdroje tepla. Preto je dôležité pri voľbe obnoviteľného zdroja tepla zosúladiť prevádzku sústavy ako celku a vybrať typ zdroja obnoviteľnej energie, ktorý je pre konkrétny prípad najvhodnejší.

Z hľadiska riadenia výroby tepla je dôležité vedieť, či ide o jednozdrojové alebo o viaczdrojové zariadenie, keďže viaczdrojové zariadenia môžu pracovať s rovnakou alebo s rozdielnou primárnou energiou. Dôležitú úlohu pri zdrojoch tepla s rozdielnou primárnou

Vykurovanie a zásobovanie energiou Optimalizácia výberu zdroja tepla na báze obnoviteľných zdrojov Ktoré zdroje tepla na báze obnoviteľnej energie možno použiť samostatne a pri ktorých je potrebná ich kombinácia s inými primárnymi zdrojmi? energiou vykonáva riadiaci systém zdroja tepla, ktorého úlohou je v maximálnej miere využiť potenciál obnoviteľnej energie s minimá

Systémy s obnoviteľnými zdrojmi energie

Systém vykurovania sa skladá z troch komponentov: z výroby tepla, distribúcie tepla a odovzdania tepla. Ak má byť vykurovací systém energeticky efektívny, je potrebné si uvedomiť, ako úzko tieto komponenty spolu súvisia a zároveň sa navzájom pri prevádzke ovplyvňujú.

K zdroju tepla s nízkou výstupnou teplotou vykurovacej vody je potrebné priradiť nízkoteplotnú distribučnú a odovzdávaciu sústavu, aby sa neznehodnotila energetická efektívnosť sústavy ako celku. V opačnom prípade je potrebné nízkoteplotný zdroj kombinovať s iným zdrojom tepla schopným vyrobiť vyššiu teplotu vykurovacej vody.

Potom je potrebné jednoznačne charakterizovať prevádzku takéhoto kombinovaného zdroja tepla a zvoliť vhodný riadiaci systém. Pred výberom obnoviteľného zdroja energie je potrebné zvážiť, ktorý z dostupných obnoviteľných zdrojov energie je vhodný pre daný systém vykurovania.

Na voľbu konkrétneho typu obnoviteľného zdroja energie vplýva viacero faktorov:

  • dostupnosť obnoviteľnej energie
  • vonkajšie klimatické podmienky
  • fyzikálne parametre vykurovacej sústavy
  • veľkosť budovy a jej tepelnotechnické vlastnosti.

Najčastejšie využívanými obnoviteľnými energiami a obnoviteľnými zdrojmi energie sú:

  • energia zo slnka – solárne kolektory,
  • energia zo vzduchu, z vody a pôdy – tepelné čerpadlá,
  • energia z rastlín – zdroje tepla na biomasu.

Každá z týchto obnoviteľných energií je charakterizovaná podmienkami, ktoré vymedzujú ich aplikáciu v zmysle tzv. monovalentného zdroja tepla pre vykurovací systém. Na zabezpečenie požadovaných fyzikálnych parametrov vykurovacej sústavy je niekedy vhodnejšia buď ich vzájomná kombinácia, alebo ich kombinácia so zdrojom tepla na ušľachtilé palivá.

Monovalentné systémy
Systémy s výrobou tepelnej energie so zdrojom s jedným druhom primárnej energie sa nazývajú monovalentné systémy

Monovalentný systém – solárny kolektor

Využitie slnečnej energie ako obnoviteľnej energie v solárnych kolektoroch sa javí ako jedno z najjednoduchších a najlacnejších možností výroby tepla. Pritom výroba tepelnej energie solárnymi kolektormi patrí k najkomplikovanejším a najnestabilnejším spôsobom.

Je to tým, že slnečné žiarenie je premenlivé nielen počas celého obdobia využívania, ale už v priebehu jedného dňa. Solárnym kolektorom možno v zimnom období pripraviť vykurovaciu vodu s teplotou približne do 30 °C, v letnom období mimo tropických dní do 50 °C.

Vzhľadom na to, že norma požaduje teplotu teplej vody 60 °C, uvedené hodnoty nie sú postačujúce na prípravu teplej vody. Vykurovanie budovy zase prebieha v období, keď výstupná teplota vykurovacej vody z kolektora nie je dostatočná ani pre nízkoteplotné sálavé teplovodné vykurovanie.

Solárne kolektory tak nemožno uplatniť ako monovalentný systém (obr. 1). Vždy je potrebné doplniť ich o zdroj tepla s iným druhom energetickeho nosica.

Obr. 1 Zapojenie solárneho kolektora
Obr. 1 Zapojenie solárneho kolektora | Zdroj: Internet

Monovalentný systém – zdroj tepla na biomasu

Zdroje tepla na biomasu sa v súčasnosti stali veľmi vyhľadávanými zdrojmi. Špeciál tepla najmä pri budovách s nízkou potrebou tepla, akými sú rodinné domy. Biomasa ako palivo je na Slovensku relatívne dostupná vo forme drevnej štiepky, kusového dreva alebo peliet.

Výhodou tohto zdroja tepla na biomasu je, že dokáže vyrobiť vykurovaciu vodu s vyššou teplotou. Preto je vhodným zdrojom tepla aj pre staršie neobnovené budovy s pôvodnou vykurovacou sústavou s vyšším teplotným spádom, kde je potrebná výmena pôvodného zdroja tepla v dôsledku jeho opotrebovanosti.

Ich návrh je v podstate podobný ako návrh zdroja tepla na plynné palivo. Čo je dôležité si pri tomto zdroji uvedomiť, predovšetkým pri zdrojoch na kusové drevo alebo drevnú štiepku, je nízky komfort pri jeho prevádzke v porovnaní s ostatnými zdrojmi tepla. Tento diskomfort sa týka plnenia zdroja palivom a odstraňovania popola ako produktu vznikajúceho pri výrobe tepla.

Kvalitu spaľovania ovplyvňuje vlhkosť paliva, čo sprísňuje kritériá na uskladnenie paliva. Obtiažnejšie je pri tomto palive aj prispôsobenie výkonu zdroja tepla zníženej potrebe tepla, preto jeho efektívna prevádzka vyžaduje použitie akumulačného zásobníka. Zdroj tepla na biomasu je však možné uplatniť ako monovalentný systém (obr. 2) pre menšie, ale aj pre väčšie budovy.

Obr. 2 Monovalentný systém – zdroj tepla na biomasu
Obr. 2 Monovalentný systém – zdroj tepla
na biomasu | Zdroj: Internet

Monovalentný systém – tepelné čerpadlo

Tepelné čerpadlá sú zdroje tepla, ktoré využívajú energiu získanú zo vzduchu, z vody alebo z pôdy. Oproti solárnym kolektorom je výroba tepelnej energie stabilnejšia, tento návrh je preto jednoduchší. Zdroj primárnej energie má totiž stabilnejšie – menej premenlivé vstupné parametre.

Tepelné čerpadlá zem-voda a voda-voda možno navrhnúť pri sústavách s nízkou teplotou vykurovacej vody ako monovalentný systém (obr. 3), keďže teplota pôdy aj vody je v zime v podstate konštantná. Pri tepelných čerpadlách typu vzduch-voda má zdroj energetického nosiča (vonkajší vzduch) premenlivú hodnotu.

Pri nich je potrebné určiť bod bivalencie, keď sa do systému zaraďuje bivalentný zdroj energie (obr. 4). Na základe bivalentného bodu sa určuje, koľko tepelnej energie sa vyrobí tepelným čerpadlom a koľko bivalentným zdrojom tepla.

Obr. 3 Monovalentný systém – tepelné čerpadlo
Obr. 3 Monovalentný systém – tepelné
čerpadlo | Zdroj: Internet

Podľa DIN-EN 12 831 sa odporúča voliť bivalentný bod:

  • pri vonkajšej výpočtovej teplote bivalentného bodu –4 až –7 °C,
  • pri vonkajšej výpočtovej teplote –16 až –12 °C sa odporúča teplota bivalentného bodu –3 až –6 °C,
  • pri vonkajšej výpočtovej teplote –10 °C sa odporúča teplota bivalentného bodu –2 až –5 °C.

Ak sa nachádza zdroj tepla v Bratislave, kde je vonkajšia výpočtová teplota –11 °C, teplota bivalentného bodu je –5 °C. V tomto prípade pre rodinný dom s potrebným tepelným výkonom 10 kW pokryje tepelné čerpadlo vzduch-voda výkon 8 kW a zvyšné 2 kW je potrebné doplniť iným zdrojom energie.

Tepelné čerpadlá s malým výkonom (do 30 kW) sú vybavené elektrickou špirálou s chýbajúcim doplnkovým výkonom. Takéto tepelné čerpadlá sa teda navrhujú ako monovalentné systémy. Pri bytovom dome s potrebným tepelným výkonom 440 kW pokryje tepelné čerpadlo vzduch-voda výkon 355 kW a zvyšných 85 kW je potrebné doplniť iným bivalentným zdrojom energie.

Obr. 4 Určenie tepelného výkonu bivalentného zdroja energie
Obr. 4 Určenie tepelného výkonu bivalentného zdroja energie. | Zdroj: Ing. Mária Kurčová, PhD
Bivalentné systémy a optimalizácia ich prevádzky

Ak sa do systému vykurovania pridá zdroj tepla s ďalším iným druhom energetického nosiča, systém sa stáva bivalentným alebo viacvalentným.Obnoviteľné zdroje energie, ktoré zabezpečujú pokrytie vyšších potrieb tepelnej energie, možno prevádzkovať ako bivalentné alebo viacvalentné systémy. Pri týchto systémoch vzniká otázka, ako zabezpečiť optimálnu prevádzku zdroja tepla, ako aj celého vykurovacieho systému.

Bivalentný systém – solárny kolektor a plynový kotol

Veľmi často navrhovaná kombinácia bivalentného systému je zapojenie solárnych kolektorov v kombinácii s plynovým kotlom. Hlavným zdrojom energie je v tomto prípade solárny kolektor, ktorý môže slúžiť iba na prípravu teplej vody alebo aj ako podpora vykurovania.

Plynový kotol je špičkovým doplnkovým zdrojom tepla (obr. 5). Riadenie prevádzky prebieha prostredníctvom snímačov teplôt. Príprava teplej vody v zásobníkovom ohrievači sa uskutočňuje primárne zo solárneho kolektora zapínaním čerpadla Č1.

Čerpadlo Č1 je riadené signálom zo snímačov T1, T2 a T4. Ovládaním trojcestného prepínacieho ventilu TRV1 prebieha prednostne príprava teplej vody v zásobníkovom ohrievači, prípadne na základe snímača T3 sa uskutoční predohrev vody na vykurovanie v akumulačnom zásobníku ako podpora vykurovania.

Obr. 5 Bivalentný systém – solárny kolektor a plynový kotol ako zdroje tepla (obrázok: autorka), T1 až T9 – snímač teploty, TRV1 až TRV3 – trojcestný ventil so servopohonom, RVT – regulačný ventil s termostatom, Č1 až Č4 – čerpadlo
Obr. 5 Bivalentný systém – solárny kolektor a plynový kotol ako
zdroje tepla (obrázok: autorka), T1 až T9 – snímač teploty, TRV1
až TRV3 – trojcestný ventil so servopohonom, RVT – regulačný
ventil s termostatom, Č1 až Č4 – čerpadlo | Zdroj: Ing. Mária Kurčová, PhD

Dohrev teplej vody v zásobníkovom ohrievači je realizovaný pomocou čerpadla Č2 a zapínaním plynového kotla. Trojcestný prepínací ventil TRV2 riadi využitie teploty vody v akumulačnom zásobníku na podporu vykurovania (predohrev vody vstupujúcej do kotla) a je ovládaný snímačmi T5 a T6.

Trojcestný regulačný ventil TRV3 slúži na ekvitermickú reguláciu teploty vykurovacej vody a je riadený snímačmi T8 a T9. Regulačný ventil s termostatom RVT stráži maximálnu teplotu teplej vody v sanitárnej sústave.

Bivalentný systém – solárny kolektor a kotol na biomasu

V oblastiach s výskytom biomasy sa často používa kombinácia obnoviteľných zdrojov tepla – solárneho kolektoru a kotla na biomasu. Schéma zapojenia týchto dvoch zdrojov energie je na obr. 6. Solárny kolektor sa využíva ako hlavný zdroj tepla na prípravu teplej vody a kotol na biomasu sa využíva ako zdroj tepla na vykurovanie a taktiež ako doplnkový zdroj na dohrev teplej vody.

Príprava teplej vody solárnym kolektorom je riadená snímačmi T1, T2 a T3 zapínaním čerpadla Č1. V prípade nedosiahnutia požadovanej teploty v zásobníkovom ohrievači sa zapína čerpadlo Č2 a dohrev teplej vody sa uskutočňuje z akumulačného zásobníka vyhrievaného kotlom na biomasu.

Kotol na biomasu pracuje efektívnejšie, ak je čo najdlhšie v prevádzke a nie v cyklickom režime zap./vyp. Akumulačný zásobník v systéme slúži aj na predĺženie prevádzky kotla. Nabíjanie akumulačného zásobníka je pomocou čerpadla Č3 riadeného od špeciál snímačov teploty T4 a T5. Pre kotol na biomasu je potrebné použitie ochrany proti nízkoteplotnej korózii, čo zabezpečuje trojcestný ventil TRV1.

Obr. 6 Bivalentný systém – solárny kolektor a kotol na biomasu ako zdroje tepla (obrázok: autorka), T1 až T9 – snímač teploty, TRV1 a TRV1 – trojcestný ventil so servopohonom, RVT – regulačný ventil s termostatom, Č1 až Č5 – čerpadlo
Obr. 6 Bivalentný systém – solárny kolektor a kotol na biomasu ako
zdroje tepla (obrázok: autorka), T1 až T9 – snímač teploty, TRV1
a TRV1 – trojcestný ventil so servopohonom, RVT – regulačný
ventil s termostatom, Č1 až Č5 – čerpadlo |

Bivalentný systém – solárny kolektor a tepelné čerpadlo

Vzhľadom na nenáročné požiadavky na priestorové usporiadanie, ale aj na komfort obsluhy je vhodným obnoviteľným zdrojom energie tepelné čerpadlo, predovšetkým typ vzduch-voda. Schéma zapojenia v spolupráci so solárnym kolektorom je na obr. 7.

Hlavným zdrojom energie je slnečná energia, ktorú využíva solárny kolektor na ohrev vody v zásobníkovom ohrievači a následne na podporu vykurovania. Princíp funkcie je opísaný pri obr. 5. Tepelné čerpadlo slúži ako doplnkový zdroj energie na ohrev vody v zásobníkovom ohrievači aj na nabíjanie akumulačného zásobníka na vykurovanie.

Funkcia akumulačného zásobníka aj v tomto prípade spĺňa podobnú úlohu ako pri zdroji tepla na biomasu, t. j. predlžuje čas zapnutia a vypnutia tepelného čerpadla, aby pracovalo čo najefektívnejšie. Riadenie dobíjania zásobníkového ohrievača alebo akumulačného zásobníka teplej vody sa realizuje čerpadlom Č2 a trojcestným ventilom TRV2.

Obr. 7 Bivalentný systém – solárny kolektor a tepelné čerpadlo ako zdroje tepla (obrázok: autorka), T1 až T9 – snímač teploty, TRV1 až TRV3 – trojcestný ventil so servopohonom, RVT – regulačný ventil s termostatom, Č1 až Č4 – čerpadlo
Obr. 7 Bivalentný systém – solárny kolektor a tepelné čerpadlo
ako zdroje tepla (obrázok: autorka), T1 až T9 – snímač teploty,
TRV1 až TRV3 – trojcestný ventil so servopohonom, RVT –
regulačný ventil s termostatom, Č1 až Č4 – čerpadlo | Zdroj: Ing. Mária Kurčová, PhD

Viacvalentný zdroj tepla – solárny kolektor, tepelné čerpadlo a plynový kotol

V oblastiach s extrémne nízkou teplotou vonkajšieho vzduchu nestačí ako zdroj tepla len obnoviteľný zdroj energie. Tento špičkový zdroj tepla je potrebné doplniť o zdroj nezávislý od klimatických podmienok. Takýmto zdrojom tepla môže byť plynový kotol alebo elektrický kotol (obr. 8).

Úlohou riadenia je vyžitie slnečnej energie v maximálnej miere na ohrev vody v zásobníkovom ohrievači, ako aj na podporu vykurovania prostredníctvom akumulačného zásobníka. V poradí druhým zdrojom energie je tepelné čerpadlo. Dohrev teplej vody v zásobníkovom ohrievači je riešený zapínaním čerpadla Č2. Prepínaním trojcestného ventilu TRV2 je riadené dobíjanie z akumulačného zásobníka alebo priamo z plynového kotla.

Vykurovanie prebieha z akumulačného zásobníka ohrievaného prostredníctvom solárneho kolektoru ako hlavného zdroja energie a tepelného čerpadla ako druhého zdroja tepla. Špičkový zdroj tepla – plynový kotol, sa do okruhu vykurovania pripája ako posledný.

Obr. 8 Viacvalentný systém – solárny kolektor, tepelné čerpadlo a plynový kotol ako zdroje tepla (obrázok: autorka), T1 až T9 – snímač teploty, TRV1 až TRV3 – trojcestný ventil so servopohonom, RVT – regulačný ventil s termostatom, Č1 až Č5 – čerpadlo
Obr. 8 Viacvalentný systém – solárny kolektor, tepelné čerpadlo
a plynový kotol ako zdroje tepla (obrázok: autorka), T1 až T9 –
snímač teploty, TRV1 až TRV3 – trojcestný ventil so servopohonom,
RVT – regulačný ventil s termostatom, Č1 až Č5 – čerpadlo | Zdroj: Ing. Mária Kurčová, PhD

Na záver

Energetická politika Európskej únie diktuje na Slovensku trendy vo výrobe tepla. Projektanti a prevádzkovatelia zdrojov tepla čoraz viac uplatňujú zdroje tepla na báze obnoviteľnej energie. V rozsiahlejších budovách s rozličnými odbermi tepelnej energie je vhodná kombinácia obnoviteľných zdrojov s odlišnými zdrojmi.

Vlastnosti systému a vstupné faktory primárnej energie rozhodujú o poradí pripájania zdroja tepla na systém, aby bola výroba tepelnej energie čo najefektívnejšia. Práca bola podporená Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu SR prostredníctvom grantu VEGA 1/0303/21.

Ing. Mária Kurčová, PhD.,

Autorka pôsobí na Katedre TZB, Stavebná fakulta STU Bratislava

Článok bol publikovaný v časopise Správa budov 03/2021.

Literatúra:

  • 1. Kurčová, M. – Ehernwald, P.: Regulácia kotlov na biomasu. In: 17. medzinárodná konferencia Vykurovanie 2009. Tatranské Matliare, 2009, s. 369 – 372.
  • 2. Kurčová, M. – Ehrenwald, P.: Ako môže súčasná regulačná technika prispieť k optimalizácii vykurovania? In: 18. medzinárodná konferencia Vykurovanie 2010. Ľubovnianske kúpele, 2010, s. 401 – 404.
  • 3. Kurčová, M. – Ehrenwald, P.: Regulácia vykurovacích sústav s tepelným čerpadlom. In: 19. medzinárodná konferencia Vykurovanie 2011. Ľubovnianske kúpele, 2011, s. 437 – 441.
  • 4. STN EN 15 450 Vykurovacie systémy v budovách. Navrhovanie vykurovacích systémov s tepelnými čerpadlami (2007).
  • 5. Podklady pre projektantov fi riem Buderus, Viessmann, Brilon.