Konference Vytápění 2021 – vodík ve vytápění, použití materiálů PCM, předávací stanice

SEKCE F – EKONOMIE, EKOLOGIE A PROVOZ OTOPNÝCH SOUSTAV

Odborný garant: doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.

Není tajemstvím, že již začaly vznikat domy zhotovované formou 3D technologií – „tisku“. Několik 3D budov bylo realizováno kombinací prefabrikace a 3D tisku na místě. Aktuálně jsou již pokusně zhotovovány různé formy rodinných domů. Mezi aktuálně nejpokročilejší stavby patří budova menšího bytového domu v Německu. Ukazuje se, že metodou 3D lze zhotovit základní stavební konstrukci domu. Otázkou je, který způsob je nejvhodnější pro instalace technických zařízení.

„Systémy TZB mohou být vedeny po povrchu nebo zabudovány do konstrukcí. Povrchové vedení představuje řešení, které umožňuje lépe řešit opravy nebo změny. Je dostupné v esteticky přijatelném provedení pro rozvody elektro a vytápění. Vzhledem k současným evropským zvyklostem je ale tento systém spíše méně používaným řešením pro určité industriální nebo retro řešení interiérů.“ Uvedl doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. „Zabudované nebo skryté systémy představují pravděpodobnější způsob řešení rozvodů. Nabízí se tak možnost využití před stěnové instalace v případě rozvodů zejména kanalizace a vodovodu. Využití prostoru mezi stěnami vnitřních příček pro instalaci rozvodů je možné jen částečně. V řadě případů vzhledem k technickému provedení stěn není prakticky možné, v případě systémového řešení s vkládanou ocelovou výztuží, to již možné je.“

Vzhledem k rychlosti výstavby, snížené potřebě pracovníků, možnosti relativně jednoduše přeprogramovat tvar domu, jeho vnitřní uspořádání, využít územně dostupné materiály atp. se předpokládá rychlý rozvoj.

„3D tisk budov vytváří zajímavou alternativu ke stávajícím technologiím. Z výše uvedeného vyplývá, že řešení rozvodů technických systémů je možné provádět způsoby, které jsou již známé a používané i u jiných druhů staveb. Zároveň se ale nabízí další možnosti směrem k prefabrikovaným nebo integrovaným řešením systémů.“

Obr. Příklad stěny a řešení elektrorozvodů. Povrch stěny dokumentuje typickou „vrstvenou“ strukturu, která bude následně opatřena finální omítkou.

Bytové předávací stanice tepla pro vytápění a přípravu teplé vody jsou již delší dobu známé a používané, ale přesto se objevují případy podcenění projektu ve spojení s chybami při instalaci, upozornil prof. Ing. Ján Takács, PhD. společně s Ing. Martinou Mudrou v přednášce Skúsenosti z projektovania a prevádzky bytových odovzdávacích staníc tepla. „Pri projektovaní a samotnom návrhu BOST by sme mali rešpektovať nasledovné zásady:

• nutnosť konštantnej teploty na zdroji tepla (domovej OST alebo teplovodnej kotolne) minimálne 65 °C do systému (pri domových kotolniach je potrebná aj akumulácia tepla);
• rozvod tepla v objekte je potrebné dimenzovať s uvažovaním súčasnosti odberov;
• rozvodné potrubia riadne izolovať, aby sme minimalizovali tepelné straty transportom;
• pre veľké rozľahlé byty s viac ako 4 až 5 odbermi nestačí jeden prietokový ohrev – sú potrebné dva, alebo akumulácia TV do tlakového zásobníkového ohrievača;
• BOST umiestniť čo najbližšie k zvislým rozvodom a primárne potrubie izolovať, pretože inak dochádza k nežiadúcemu prehriatiu chodby prípadne samotného interiéru bytu;
• pokiaľ je to možné, je potrebné použiť BOST s reguláciou teploty teplonosnej látky pre vykurovaciu sústavu – hlavne pre väčšie byty;
• pre BOST umiestnené v byte je potrebné vytvoriť primeraný manipulačný priestor kvôli kontrole a údržbe, pričom musíme zabezpečiť dostatočné vetranie kvôli prehriatiu priestoru v ktorom sa BOST nachádza.“

V návrhu je nutné zohlednit tlakové i teplotní poměry ve stoupačkách ke stanicím na jednotlivých podlažích, způsob napojení otopných těles na stanici v bytě aj. Bez znalostí se nelze spolehnout na to, že moderní regulační armatury a čerpadla vše vyřeší samy.

Ekonomické a ekologické aspekty provozu peletových kotlů rozhodují o jejich využití. Zájem roste a podporuje jej tuzemská výroba pelet i vysoký podíl energie z obnovitelných zdrojů, uvedl Ing. Zdeněk Lyčka. „Pokud to shrneme, na výrobu 1 kg dřevní pelety o výhřevnosti 4,8 kWh/kg a její distribuci k zákazníkovi, je zapotřebí řádově 0,6 kWh energie, ze které jen 0,15 kWh představuje energie získaná z neobnovitelných zdrojů energie.“ Na pohon dopravníku a ventilátoru při spalování pelet kotlem o výkonu 10 kW je potřeba výkon přibližně 50 W, což při hodinové spotřebě 2,3 kg pelet představuje 0,02 kWh elektrické energie na spálení jednoho kilogramu. Automaticky pracující peletové kotle mají zásadně sníženou produkci emisí a neprávem jsou z neznalosti řazeny i po bok zdrojů s ručním přikládáním, včetně kotlů zplyňovacích. „V současnosti je peletovými kotli u nás vytápěno více jak 40 tisíc domácností… Dle optimistických předpokladů má být do konce roku 2030 u nás provozováno 150 tisíc malých peletových zdrojů tepla.“

I okrajové podmínky mají vliv na návrh a následný provoz kvantitativní regulace u dvoutrubkových otopných soustav, dokumentovali Ing. Jakub Spurný a doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. Simulaci pro dokumentaci vlivu provedli na referenční soustavě obsahující tři OT (otopná tělesa) s požadovaným tepelným výkonem 1 000 W při návrhovém teplotním rozdílu 75/60 °C a vnitřní návrhové/požadované výpočtové teplotě 20 °C. Každé OT je umístěno v samostatné vytápěné místnosti a je uvažováno jako obecné deskové OT.

Obr. Schéma referenční soustavy

„V simulačním modelu bylo hydraulické vyvážení OS (otopné soustavy) v návrhovém stavu varianty V1 nastaveno dle klasického postupu výpočtu, tj. bez ochlazování OV (otopné vody) v potrubní trase s konstantním teplotním spádem pro všechna OT, tak aby symbolizovalo běžný způsob navrhování OS. Následné varianty V2 až V9, pak byly uvažovány s ochlazováním OV, tak aby ukázaly na možné nedostatky, které jsou tradičním návrhem způsobeny.“ Výsledky jednoznačně prokázaly, že zjednodušený výpočet a zanedbání tepelných ztrát z potrubí vede k nedostatečnému vytápění místností.

Přečtěte si také Topíme a svítíme palivovým článkem, část 2. – vodík a metanol Přečíst článek

O využití vodíku (H₂) ve vytápění plynovými kotli hovořili Ing. Pavel Kvasnička Ph.D. a doc. Ing. Michal Kabrhel Ph.D. Historicky nejde o zcela novou záležitost, neboť dříve hojně používaný svítiplyn vodík ve velké míře obsahoval. Z hlediska instalovaných plynových spotřebičů existuje možnost vodík přimíchávat v malém podílu v řádu jednotek procent již dnes. Další zvyšování podílu lze očekávat zprvu v menších, místně omezených sítích, neboť vyžaduje v měření spotřeby plynu zohlednit jiný energetický obsah, ověřit technické a materiálové provedení rozvodů plynu a ověřit i vhodnost napojených spotřebičů, případně zajistit jejich úpravu, výměnu. Tento proces již jako testovací začal. Masový přechod na směs vodíku a zemního plynu vyžaduje delší časové období začínající v podstatě nějakým zákazem uvádět na trh plynové spotřebiče, které změně nevyhoví. Využití čistého vodíku se v dohledné době předpokládá spíše mimo veřejné sítě. Brzdou je, že dosud neexistuje dostatečná nabídka vodíku vyráběného s využitím obnovitelných zdrojů energie a nutnost adaptovat současnou legislativu týkající se plynných paliv.

Ze zkušeností s provozem přibližně 20 000 instalovaných tepelných čerpadel, podle přednášky Ing. Petra Michala, vyplývají tyto údaje o sezónním topném faktoru SPF (měřeném), viz tabulka.

Tab. Hodnoty SPF [-] dle typů TČ, otopné soustavy a včetně přípravy teplé vody

„Z tabulky vyplývá, že frekvenčně řízené stroje vzduch/voda s podlahovým vytápěním se hodnotou SPF sice přiblížily strojům země/voda ON/OFF s otopnými tělesy, ale při stejném otopném systému je systém země/voda ON/OFF stále úspornější zhruba o 16 až 31 %. Mezi TČ země/voda ON/OFF a frekvenčními země/voda při stejném otopném systému už tak velké rozdíly v úspoře nejsou, řekněme 5 až 10 %…

Obecně se u TČ vzduch/voda uvažuje s životností kompresoru v horizontu 15 let. Naopak u TČ země/voda máme ověřenou životnost kompresoru okolo 20 let úplně běžně. Vše toto jsou hodnoty obvyklé pro stroje s ON/OFF kompresory… V dnešní éře frekvenčních měničů (dále jen FM) ještě nemáme dostatečně dlouhou historii na konečné zhodnocení, zda výrazně menší počet startů kompresoru s FM bude stát za delší životností než u modelů s ON/OFF kompresory. Protože menší počet startů u frekvenčně řízeného stroje je vykoupen mnohem delší dobou jeho chodu a zároveň je nezbytná zvýšená pozornost ohledně dobrého mazání takového kompresoru… S životností frekvenčně řízeného kompresoru je velmi úzce spojena i životnost samotného měniče.“

Problémem jsou znalosti servisních techniků. Zkoušky nutné k získaní osvědčení pro práci s chladivy, s tepelnými čerpadly, nejdou dostatečně do hloubky a někdy ani technik necítí potřebu se dovzdělat. „Typickou chybou začátečníků a někdy bohužel i dlouhodobě tvrdohlavých tzv. ‚ledničkářů‘ bývá nezaregulování TEV (termostaticky pracujícího expanzního ventilu) na správné přehřátí (rozdíl teploty nasávaných par a vypařovací teploty chladiva) po jeho výměně v domnění, že „Ventil je přece seřízen z výroby a není ho potřeba seřizovat na místě! Dalším příkladem špatného servisu budiž případ, kdy chlaďař vyhodnocuje okruh chladiva jen s pomocí vypařovacího a kondenzačního tlaku chladiva bez vazby na okolní teploty a prohlásí okruh za bezvadný.“

Je zřejmé, že u frekvenčně řízených tepelných čerpadel jde o ještě složitější problematiku než u TČ s konstantními otáčkami.

Využití materiálů s vysokou tepelnou kapacitou omezuje přehřívání interiérů a zlepšuje tepelný komfort, a to i v objektech bez aktivních systémů chlazení. Použití materiálů PCM je zvláště vhodné v objektech z lehkých stavebních hmot. Jedná se o materiály, které mění skupenství z pevné na kapalnou fázi při teplotách v okolí požadovaných teplot v místnostech, přičemž změny skupenství se neprojevují na mechanických vlastnostech daného materiálu. Na tuto problematiku se zaměřili Ing. Martin Kny, Ph.D. a Ing. Alžběta Dederová Kohoutková Ph.D. Během měření ve zkušební kabině 4,2×3,1 m se světlou výškou 2,85 m bylo ověřeno, že daný PCM materiál (80 kazet s PCM vložených do perforovaných ocelových lamel, cena kazety cca 380 Kč bez DPH, celková tepelná kapacita PCM cca 3 500 Wh) uplatněný ve formě lamel zavěšených pod stropem začal významněji působit před dosažením povrchové teploty 24 °C, kdy se růst teploty zpomalil a přestával působit při povrchové teplotě cca 26 °C po uplynutí cca 12 hodin od počátku tepelné zátěže. „Ve zkušební kabině došlo při použití podhledu s integrovaným PCM ke snížení teploty až o 4 °C. Při návrhu interiérového prvku s PCM je třeba dodržet několik zásad:

• zajistit volné proudění vzduchu okolo prvku s PCM,
• použít prvky s velkou teplosměnnou plochou,
• zvolit vhodnou teplotu tání použitého PCM,
• použít vhodnou geometrii prvku s PCM tak, aby prvek nebyl příliš kompaktní a došlo tak během pracovní doby k aktivaci veškerého množství PCM,
• vhodně navrhnout množství použitého PCM. Použití většího množství PCM nemusí mít na průběh teplot během pracovní doby vliv a pouze zvyšuje investiční náklady,
• bezpodmínečně nutné je zajistit vychlazení prvku s PCM během nočního období. Bez vychlazení se prvek stává pouze drahým interiérovým doplňkem.“

Bez výpočetní techniky se dnes neobejdeme. Prakticky všechna spotřebovaná elektrická energie se mění na teplo, a to je možné využít. Ing. David Staněk a doc. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D. se zaměřili na provoz datového centra. Pro vybraný komplex tří obytných budov včetně několika nebytových prostor s potřebou 411 MWh/rok na vytápění a 382 MWh/rok na přípravu teplé vody byl vypracován koncept využití odpadního tepla datového centra. Účinnost odvodu tepla z přímo chlazených komponent je 90 až 95 %, při čemž z technologie je možné odvádět vodu o teplotě až 65 °C. Bylo simulováno několik variant velikostí datového centra vzhledem k obytné budově a porovnávány investiční a provozní náklady bez i s využitím odpadního tepla. Z ekologického hlediska i při vhodném dimenzování má využití odpadního tepla smysl. Bohužel většímu uplatnění brání nedostatek technologií chlazení prvků v datových centrem vodou.

Přečtěte si také Konference Vytápění 2021, den druhý – biomasa a spalinové cesty, vytápění hal a sportovišť, kontroly vytápění Přečíst článek

Na efektivní ochranu proti vodnímu kameni po celý životní cyklus vodovodní instalace se zaměřil Ing. Zdeněk Kratochvíl. Obvykle se využívají tzv. iontoměničová zařízení vyžadující regeneraci roztokem soli NaCl. Jinou variantu představuje technologie BIOCAT, která nepracuje se změnou v pitné vodě přítomných vápenatých a hořečnatých uhličitanů na rozpustný uhličitan sodný, ale na principu přímé tvorby malých krystalků vápenatých a hořečnatých uhličitanů. Ty jsou pak v potřebných intervalech vyplachovány. Odpadá spotřeba NaCl i nutnost vyměnit iontoměničový materiál po jeho vyčerpání.

I průmyslový objekt může mít jako zdroj tepla tepelná čerpadla země-voda, ukázal Ing. Lukáš Živner, PhD. „Na základe vstupných parametrov je navrhnutý ako zdroj tepla kaskáda 6 ks tepelných čerpadiel zem/voda F1345-60 s celkovým výkonom 360 kW, z toho jedno TČ je primárne určené na prípravu teplej vody a tepelné čerpadlá podporujú vykurovací výkon pre VZT na zvýšenie teploty pre kancelárske priestory. Kaskáda je navrhnutá pre pokrytie 380 kW tepelného výkonu, v ktorom je započítaný výkon pre prípravu TV aj VZT.“

Obr. Pohľad na vývojovú halu v meste Nitra (SR)

Obr. Uloženie rúrky na filigránove panely pred samotnou betonážou

„Môžeme konštatovať, že na základe meraní (1. 1. 2021 až 1. 2. 2021) systém vykazuje veľmi priaznivú odozvu, nakoľko pre pokrytie tepelných strát sa pohybuje prívodná teplota v priemere 27,4 °C, čo má zásadný vplyv na efektívnosť prevádzky tepelných čerpadiel. Nakoľko rok 2021 je pre prevádzku pilotný, tak rôzne nastavenia systému sa ešte dolaďujú a vyhodnocujú a je tu stále priestor na zefektívnenie systému.

Elektrokotol tvoril podiel na úrovni 409 kWh, čo predstavuje veľmi nízku hodnotu oproti predpokladom z návrhu. V prevádzke bol len pri termickej dezinfekcii zásobníka teplej vody, inak tepelné čerpadlá pracovali po celý čas monovalentne. Na základe týchto údajov sa stanovil výsledný sezónny výkonový faktor (SPF) s hodnotou 4,08.“

Obr. Vyhodnotenie navrhnutého zdroja tepla počas merania za obdobie 11/2020–05/2021

Systém BKT, temperování betonových konstrukcí, stojí zcela jistě před svým masovějším rozšíření v České republice, protože poptávka po projektech, jejichž společným jmenovatelem je nízká energetická náročnost, každým rokem stoupá. Do nosných stropních betonových konstrukcí, obvykle 25 cm silných, se k ocelové výztuži vkládá potrubí, které má za úkol odebírat nebo předávat betonovému masivu teplo. V případě uložení potrubí do oblasti pod výztuž, tzv oBKT (blíže povrchu stopu) se zvyšuje výkon systému jak při chlazení, tak vytápění. Aktuálně je podle společnosti Rehau takto realizována rekonstrukce stávajícího objektu a dostavba knihovny FSV UK Praha v pražských Jinonicích.

Návrh předávací stanice ovlivní ekonomie provozu, uvedl Bc. Zdeněk Herman. „Zde bych se zastavil u doporučení Euroheat & Power [1], která odráží moderní trendy evropského teplárenství. V doporučení jsou maximální teploty pro vytápění 70, resp. 60 °C s teplotními spády 70/30 °C či 60/40 °C. Pro vzduchotechniku dokonce 55–60/30 °C. Dochlazení je pak stanoveno na hodnotu +3 K oproti zpátečce sekundární strany. U některých tepláren se objevuje i teplota +2 K… Pokud Vás to překvapuje, tak věřte, že navýšení otopné plochy bude převážně kompenzováno úsporou na potrubní části soustavy, armaturách a strojních zařízeních. Čerpací práce bude více než o polovinu nižší a tím se značně sníží náklady na provoz… Pokud je definován primární teplotní spád pro zimu 130/70 °C a pro léto 80/50 °C chápán jako návrhový teplotní spád, je to realitě zcela neodpovídající. Bohužel každá běžná realizační firma tyto parametry předá výrobci či dodavateli jednotlivých komponent a jejich návrháři bezezbytku splní zadání.

Je zřejmé, že modernizace soustav zásobování teplem by s výše uvedenými poznatky měly počítat, a to nejen s ohledem na ekologické parametry, ale i peněženky spotřebitelů tepla.