Návrh zdroja tepla na spaľovanie biomasy

Diplomová práca odmenená Cenou SSTP riešila návrh zdroja tepla pre Obecný úrad a Kultúrny dom v obci Podzámčok, okres Zvolen. Diplomová práca sa zaoberala návrhom kotolne na spaľovanie biomasy pre budovu Obecného úradu a Kultúrneho domu v obci Podzámčok, okr. Zvolen. Teplo sa vyrába pre potreby samotného objektu obecného úradu a kultúrneho domu a zároveň sa distribuuje do objektov penziónu a administratívnej budovy priľahlej agrofarmy.

Nielen na Slovensku je v súčasnosti zreteľný trend prechodu z fosílnych palív na obnoviteľné zdroje energie. Tento krok, ktorý by mal odrážať zodpovednosť investorov, je zakotvený aj v legislatíve Európskej únie a jej záväzku k postupnému prechodu k budovám s takmer nulovou spotrebou energie. Príkladom by mali ísť najmä verejné budovy, budovy štátnej a verejnej samosprávy. Bezpečné, udržateľné a environmentálnejšie hospodárenie so surovinami možno okrem znižovania energetickej náročnosti budov dosiahnuť aj využívaním dostupných obnoviteľných zdrojov energie. Jednou z možností je využívanie biomasy ako paliva, a to vo forme drevných peliet či drevenej štiepky atď. Toto využívanie by však malo mať kaskádovú hierarchiu, čo znamená postupné využívanie prvotnej suroviny s cieľom čo najviac predĺžiť jej životný cyklus a vyťažiť z neho maximum [1]. Z tohto predpokladu sa vychádzalo aj pri návrhu danej kotolne na drevnú štiepku, ktorá by sa získavala jednak nákupom od lokálnych dodávateľov, jednak z vlastných zdrojov z údržby zelene a čistenia porastov v obecných lesoch či výkupom drevných zvyškov od lokálnych drevospracujúcich podnikov.

Budova Obecného úradu a Kultúrneho domu Podzámčok

Predmetný objekt Obecného úradu a Kultúrneho domu (OcÚ) Podzámčok sa nachádza v centre obce, 10 km južne od Zvolena (obr. 1). Obecný úrad a kultúrny dom sú stavebne prepojené do jedného objektu. Pôvodná budova bola dokončená v roku 1957, v roku 2010 sa začala rekonštrukcia, pri ktorej sa odstránila časť strechy a časť obvodovej steny pôvodnej budovy, pričom priestory sa rozšírili prístavbou a nadstavbou. Rekonštrukcia sa týkala aj vnútorného vybavenia, rozvodov zdravotechniky a zásobovania objektu teplom a teplou vodou. Ostatné budovy zásobované z riešenej kotolne sa nachádzajú v tesnom susedstve OcÚ, takže ich vzájomné energetické prepojenie neprináša nadmerné straty v distribučnej sieti a pomáha efektívnejšiemu využitiu zdrojov tepla.

Obr. 1 Situovanie Obecného úradu a Kultúrneho domu v Podzámčoku

Energetická bilancia objektu

Navrhnuté zdroje tepla pokrývajú vypočítanú potrebu tepla na vykurovanie troch objektov – OcÚ, penziónu s celoročným využitím a administratívnej budovy v areáli agrofarmy (obr. 2). Teplá voda sa vzhľadom na charakter využívania prevádzky OcÚ a administratívnej budovy pripravuje lokálne elektrickými zásobníkovými ohrievačmi. V nepriamoohrevných zásobníkových ohrievačoch situovaných v kotolni sa pripravuje len teplá voda pre potreby ubytovacieho zariadenia.

Obr. 2 Ročná potreba tepla na vykurovanie objektov, prípravu teplej vody a prípravu tepla pre vzduchotechniku

Zdroje tepla

Pri uvažovanej prednostnej príprave teplej vody je minimálna prípojná hodnota kotolne 229 kW. Navrhnuté boli dva kotly na pelety a drevnú štiepku HERZ firematic s výkonom 149 kW. Hoci by na pokrytie potreby tepla stačili aj kotly s menším výkonom (napr. 2 × 130 kW), z hľadiska zabezpečenia komfortu pripojených užívateľov pri technickej poruche jedného z kotlov sa zvolilo takého riešenie. Rovnaký výkon kotlov je vhodnejší aj z hľadiska prevádzky a údržby zariadení. Keďže si každý kotol na biomasu vyžaduje vlastný systém dodávky paliva, zvolil sa z hľadiska investičných nákladov a priestorových požiadaviek minimálny počet dva kusy kotlových zariadení.

Palivové hospodárstvo

Ako s primárnym zdrojom tepla sa pri návrhu kotolne a skladových priestorov počítalo s drevnou štiepkou od dodávateľa v kombinácii s vlastnými obecnými zdrojmi drevného odpadu spracovaného mobilným štiepkovačom. Výhrevnosť drevnej štiepky závisí priamo od jej vlhkosti a platí, že čím je vlhkosť vyššia, tým má palivo menšiu výhrevnosť. Pri drevnej štiepke od špecializovaného dodávateľa sa počítalo s vlhkosťou 20 %, zatiaľ čo pri štiepke z vlastných zdrojov s nižšou kvalitou sa počítalo s vlhkosťou až 40 %. Ročná potreba paliva v kotolni je 164 až 232 t v závislosti od vlhkosti paliva, čo predstavuje 860 až 1 029 m3. Vzhľadom na dispozičné možnosti kotolne sa dajú vytvoriť dva sklady paliva s užitočným objemom 84 m3. Sklad paliva bude teda potrebné naplniť 11- až 13-krát ročne podľa kvality paliva a aktuálnej spotreby. Nemenej dôležitým faktorom pri kotolniach na biomasu je nakladanie s popolom. Pri zvolených parametroch zdroja tepla a kvality drevnej štiepky sa horením vyprodukuje 980 až 1 040 l popola, pričom integrovaná nádoba v kotloch má objem 2 x 75 l. To znamená, že viackrát do roka sa musí zabezpečiť údržba a vyprázdnenie zberných nádob a transport popola na skládku.

Plniaci systém paliva

Na dopravu paliva zo skladového priestoru do kotlov sa zvolil systém s pružinovým miešadlom a závitovými dopravníkmi. Toto riešenie je vhodné pre drevnú štiepku, no v prípade výhodného zdroja drevných peliet tu možno bez zmeny konštrukcie dopravovať aj tie [2]. V prípade navrhovanej kotolne ide o rekonštrukciu, čo výrazne determinuje návrh systému plnenia. Kotolňa aj sklad paliva sa nachádzajú na jednej výškovej úrovni, čím vznikla potreba vybudovania zvislého systému plnenia skladu palivom (obr. 3). Sklad paliva sa nachádza na severovýchodnom čele objektu, pričom je priečkou s výškou 1 m rozdelený na dva samostatné úseky pre dve pružinové miešadlá. Pod miešadlami je vytvorená drevená konštrukcia v sklone 11°. Pružinové miešadlo dodáva palivo do závitového dopravníka, ktorý vedie takisto pod uhlom 11° do spádovej šachty.

Obr. 3 Dispozícia kotolne: 1 – kotol Herz Firematic 149, 2 – závitový dopravník, 4 – pružinové miešadlo, 5 – akumulačná nádoba HERZ PS 1500 l, 6 – expanzná nádoba REFLEX N 300/6, 7 – dymovod, 8 – keramický komín, 9 – združený rozdeľovač a zberač, 10 – rozdeľovač a zberač pre čerpadlové skupiny, 11 – systém zvislého plnenia skladu, 12 – prívod vzduchu, 13 – odvod vzduchu

Ekonomické a ekologické zhodnotenie návrhu

Ekonomické zhodnotenie vychádza z predpokladaných investičných nákladov do zriadenia na spaľovanie drevnej štiepky a investícií do špecifických zariadení potrebných pri tomto type kotolne.
Celkové odhadované investičné náklady na zriadenie navrhovanej kotolne sú 112 297 €. Táto cena predstavuje len hrubé náklady na kotly a špeciálne technológie súvisiace s dopravou a skladovaním drevnej štiepky, nezahŕňa stavebné úpravy, montáž ani dopravu zariadení. Prevádzkové náklady zahŕňajú len náklady na palivo, nezohľadňujú ostatné výdavky na chod kotolne ako údržbu, opravy, pravidelné revízie atď. Celkové náklady na drevnú štiepku sú 16 202 €. Keďže sa počíta aj s dodávkou štiepky z vlastných zdrojov, táto suma by mala byť v skutočnosti nižšia. Percentuálne sa však tento podiel nedá vyjadriť, preto sa počíta s ekonomicky nepriaznivejšou alternatívou nákupu celého objemu potrebnej drevnej štiepky od externých dodávateľov.

Na porovnanie sa vypracoval variant zásobovania teplom pomocou teplovodných elektrokotlov. Odhadované investičné náklady boli v tomto prípade 33 729 € a ročné prevádzkové náklady boli podľa platnej tarify dodávateľa (Stredoslovenská energetika) 37 445 €. Z porovnania riešenia kotolne na biomasu a kotolne s elektrokotlami a akumulačným spôsobom vykurovania v tab. 1 vyplýva, že kotolňa na biomasu je síce investične náročnejšia, ale jej hrubá návratnosť je už približne štyri roky. Pri tomto porovnaní sa navyše nezohľadnil vlastný zdroj drevnej štiepky, ktorý by energetickú bilanciu návrhu ešte vylepšil. Na druhej strane, nie je zohľadnená ani mechanická náročnosť zariadení pri spaľovaní štiepky, čo by sa mohlo odraziť na nákladoch na údržbu.

Prednosťou návrhu je okrem ekonomického hľadiska aj voľba zdroja tepla na obnoviteľné palivo, vďaka čomu sa znižuje spotreba fosílnych palív. Kotolňa na biomasu je prevádzkovo náročnejšia, treba zabezpečovať chod zariadení, dopĺňanie skladu, no zároveň tento návrh podporuje zamestnanosť v obci a pomáha jej vyriešiť problém s vývozom a likvidáciou drevného odpadu z údržby zelene.

Ekologické zhodnotenie

Ekologický vplyv návrhu sa dá vyjadriť pomocou produkcie emisií oxidu uhličitého (CO₂) do ovzdušia. Množstvo emisií sa prepočítalo podľa faktorov pre emisie uvedených vo vyhláške č. 364/2012 Z. z. Faktor emisií CO₂ je pri drevnej štiepke 0,02 kg/kWh a pri elektrickej energii 0,293 kg/kWh [3]. V grafickom porovnaní na obr. 4 je viditeľný markantný rozdiel v množstve vyprodukovaného CO₂ za rok užívania kotolne. Produkcia oxidu uhličitého do ovzdušia je pri spaľovaní drevnej štiepky takmer 15-krát nižšia než pri využívaní kotlov na elektrickú energiu.

Obr. 4 Porovnanie množstva emisií CO₂

Záver

Pri návrhu zdrojov tepla verejných budov sú dôležitým faktorom požiadavky na energetickú náročnosť a vplyv na životné prostredie. Preto hoci je počiatočná investícia do zriadenia kotolne na biomasu vyššia než pri iných druhoch paliva, vďaka prijateľnejšej cene paliva je toto riešenie ekonomicky odôvodniteľné. Na atraktivite mu pridáva aj využívanie vlastných zdrojov drevnej štiepky, čiže aj čiastočné vyriešenie problémov s drevným odpadom v obci, rovnako ako vytvorenie nových pracovných miest pre obyvateľov.

Obrázky: autorka

Diplomová práca bola vypracovaná pod vedením doc. Ing. Otílie Lulkovičovej, PhD., ktorej patrí vďaka za odborné pripomienky a pedagogický prístup pri spracovaní návrhu zdroja tepla na biomasu pre obecný úrad a kultúrny dom.

Literatúra

1. ZAMKOVSKÝ, J. – PROKOVÁ, A. a kolektív: Účelné a efektívne využívanie biomasy. Pozičný dokument. Priatelia Zeme-CEPA, 2011, s. 41.
2. Technické podklady HERZ.
3. Vyhláška Ministerstva dopravy, výstavby a regionálneho rozvoja Slovenskej republiky č. 364/2012 Z. z., ktorou sa vykonáva zákon č. 555/2005 Z.z. o energetickej hospodárnosti budov a o zmene a doplnení niektorých zákonov v znení neskorších predpisov.

Ing. Lucia Kudiváni
Autorka pôsobí ako doktorandka na Katedre TZB SvF STU v Bratislave.