Pitná voda jako zdroj energie?

Při ztuhnutí jednoho krychlového metru vody se uvolní přibližně 0,33 GJ tepelné energie. Další teplo, přibližně 0,03 až 0,06 GJ/m³, lze získat při ochlazení vody z teploty ve vodovodu na teplotu 0 °C. Uvažujeme-li cenu vodného a stočného ve výši 30 až 40 Kč/m³, je cena takto získané energie 80 až 120 Kč/GJ.

Úvod
Při teplotách pod bodem mrazu je v systémech nuceného větrání s rekuperací tepla nutno řešit problém zamrzání výměníku tepla. Teplota vzduchu vstupujícího do výměníku musí mít alespoň hodnotu blízkou 0 °C. Problém se řeší tím, že se rekuperace tepla v mrazivém období vyřadí, námraza se řízeně odstraňuje, nebo se vstupní vzduch před vstupem do výměníku tepla předehřívá. V řadě moderních projektů nízkoenergetických staveb se k předehřevu vstupního vzduchu používá takzvaný zemní registr nebo kolektor.
Zemní kolektor je trubka nebo soustava trubek umístěná nejčastěji v podloží stavby nebo v zemině v nejbližším okolí stavby, kterou vzduch před vstupem do výměníku tepla prochází. Vzduch se v zemním kolektoru ohřívá, jeho absolutní vlhkost však zůstává konstantní, relativní vlhkost proto klesá.

Obrázek 1: Četnost výskytu teplot vnějšího vzduchu a závislost
vlhkosti vnějšího vzduchu na teplotě

Vzduch předehřátý v zemním kolektoru je v mrazivém období velmi suchý. To je na jednu stranu velmi příznivé pro ochranu stavebních konstrukcí. Rovněž tepelně izolační materiály mají při nízké vlhkosti nižší tepelnou vodivost. Nejsou-li však v interiéru stavby vnitřní zdroje vlhkosti, může v zimním období působením suchého vzduchu ze zemního kolektoru klesnout vlhkost vnitřního vzduchu pod hygienicky vhodnou úroveň, viz obrázek 1. Deficit vlhkosti je významnější při větších intenzitách větrání. Nižší vlhkost vnitřního vzduchu v zimním období vede zároveň k uvolňování sorpční vlhkosti vázané ve stavebních materiálech, což má negativní dopad na energetickou bilanci stavby [2]. Z hygienického i z energetického hlediska je stabilní vlhkost vnitřního vzduchu výhodná.

Vlhčení vzduchu
V zimním období při teplotách pod 0 °C je tedy vhodné vstupní vzduch zvlhčovat. Částečně se tak děje přirozeně - dýcháním, odpařováním vlhkosti rostlinami, z provozu domácích spotřebičů (např. praní, vaření, žehlení), odpařováním vlhkosti vzlínající z podloží stavby a podobně. Vlhkost v interiéru lze zvýšit i snížením intenzity větrání na nejnižší přijatelnou hodnotu (u pasivních staveb se připouští četnost výměny vzduchu 0,3/h). Zbývající potřebnou vlhkost je možno dodat buď odpařováním vlhkosti v interiéru v místě potřeby, případně před vstupem větracího vzduchu do interiéru - adiabatickým vlhčením větracího vzduchu. Z hygienického hlediska je nejvhodnější vzduch o relativní vlhkosti kolem 50 % [4].
Při adiabatickém vlhčení je do vstupního větracího vzduchu rozprašována voda, přitom se v zimním období může zvýšit jak vlhkost tak teplota vzduchu. Mechanickou energii potřebnou k rozprašování vody lze získat využitím tlaku vody ve vodovodním řadu. Je však třeba vhodným způsobem regulovat množství rozprášené vody tak, aby veškerá rozprášená voda buď zmrzla, nebo se vypařila.

Slabé stránky
Je-li průtok vstřikované vody velký, voda nevymrzne. Energetický zisk sice zůstane přibližně stejný, prudce se však zvyšuje spotřeba vody, a v důsledku toho i cena takto získané energie. Optimální je regulovat množství vstřikované vody tak, aby teplota vzduchu za vlhčícím zařízením měla hodnotu těsně kolem bodu mrazu.

Výpočty
V obecném případě adiabatického vlhčení vzduchu, je-li teplota vzduchu i vody vyšší než 0 °C, je výpočet energetické bilance vlhčení poněkud komplikovanější. Pro její vyhodnocení je třeba nejdříve určit výslednou teplotu a vlhkost vzduchu, případně ještě teplotu zbylé nevypařené vody. V závislosti na množství vypařené vody a teplotě vstupního vzduchu a vstupní vody se teplo odebírá buď ochlazením vody nebo ochlazením vzduchu, případně obojího. Tato varianta není uvažována, protože energetická bilance je obvykle negativní, případně je množství takto získané energie malé ve srovnání s množstvím spotřebované vody. Cena takto získané energie by byla neúměrně vysoká.
Jiná situace nastane, je-li teplota vzduchu nižší než 0 °C. Výpočet se významně zjednoduší. Veškeré teplo potřebné k ohřevu a vlhčení vzduchu se odebere vodě při jejím ochlazení a následné fázové změně. Předpokládáme-li, že vzduch se při vlhčení vlhkostí zcela nasytí, vyplývá z toho i výpočet množství vypařené vody a množství vyprodukovaného ledu.

Vstupní data
Při výpočtu energetických zisků při adiabatickém vlhčení vzduchu jsou uvažovány následující hodnoty: průtok větracího vzduchu 100 m³/h, teplota vstupní vody 0 °C, teplota vzduchu před vlhčením rovna teplotě vnějšího vzduchu a teplota výstupního vzduchu 0 °C. Předpokládá se, že se vzduch v průběhu vlhčení vlhkostí zcela nasytí. Zanedbává se energetický zisk případným ohřevem větracího vzduchu při ochlazování vlhčící vody na teplotu 0 °C.
Pro srovnání jsou uvedeny teoretické zisky při prostém ohřevu vzduchu v zemním kolektoru za obdobných podmínek. Předpokládá se, že teplota vzduchu vstupujícího do zemního kolektoru je rovna teplotě vnějšího vzduchu a teplota vzduchu vystupujícího ze zemního kolektoru je konstantní v průběhu celého otopného období a má hodnotu 0 °C. Zanedbává se postupný pokles teploty zeminy v okolí zemního kolektoru v průběhu zimního období.
Pro výpočet potřeby energie na ohřev a vlhčení větracího vzduchu se předpokládá teplota v interiéru 20 °C a relativní vlhkost 50 %.
Porovnání je provedeno s využitím klimatických dat získaných z referenčního klimatického roku pro lokalitu Praha, data jsou dostupná na Internetu [3]. Četnost teplot vnějšího vzduchu a odpovídající vlhkost vnějšího vzduchu jsou uvedeny v grafu na obrázku 1.

Výsledky
Závislost zisku energie na teplotě je ukázána na obrázku 2. Při extrémních teplotách se energetický zisk při adiabatickém vlhčení vzduchu blíží jedné polovině celkové potřeby energie na ohřev a vlhčení. Ve srovnání s prostým ohřevem vzduchu v zemním kolektoru roste energetický zisk při adiabatickém vlhčení rychleji. Při nízkých teplotách totiž roste podíl latentního tepla na energetickém zisku.

Obrázek 2: Závislost potřeby energie na ohřev a vlhčení vzduchu a energetických
zisků při předehřevu větracího vzduchu na teplotě vnějšího vzduchu

Pro vyhodnocení časové závislosti energetických zisků je vhodnější znázornění, které uvažuje četnost výskytu teplot, viz obrázek 3. Na časové ose je vynesena doba, po kterou je potřeba respektive zisk vyšší než hodnota uvedená na svislé ose. Podíl energie získané při adiabatické vlhčení na celkové potřebě energie při nízkých teplotách narůstá, protože roste množství latentního tepla při vlhčení vzduchu.

Obrázek 3: Doba trvání potřeby energie a energetických zisků

Pro lepší porovnání je na obrázku 4 uvedeno srovnání zbývající potřeby energie na ohřev a vlhčení vzduchu. V případě adiabatického vlhčení vzduchu je zbývající potřeba konstantní. Naproti tomu při prostém ohřevu vzduchu zbývající potřeba energie s klesající teplotou roste.

Obrázek 4: Doba trvání zbývající potřeby energie

Pro klimatická data uvedená na obrázku 1 a teplotu vstupní vody 0 °C je celkové množství spotřebované vody 4,6 m³ za celé období, kdy teplota vnějšího vzduchu je nižší než 0 °C. Z toho se přibližně 0,3 m³ vypaří a 4,3 m³ zmrzne. Celkový energetický zisk za dané období je 1,42 GJ oproti 0,64 GJ při ohřevu v zemním kolektoru. Cena takto získané energie je 97 Kč/GJ při ceně vody 30 Kč/m³. Při teplotě vstupní vody 16 °C klesne produkce ledu na 3,5 m³ a cena energie na 80 Kč/GJ.

Závěr
Vlhčení vzduchu v interiéru stavby je spojeno s dodatečnou spotřebou energie, vlhčení větracího vzduchu před vstupem do interiéru může být z hlediska energetické bilance stavby spojeno s energetickým ziskem. Nespornou výhodou ohřevu vzduchu zároveň s vlhčením je, že dosažitelný energetický zisk je největší právě v období, kdy jsou vnější teploty nejnižší.
Z hlediska finančních nákladů nastane nejhorší varianta v případě, že teplota vstupní vody je 0 °C, v tom případě je spotřeba vody největší a veškerý energetický zisk připadá na fázovou změnu vody v led (sníh). V případě, že teplota vstupní vody je větší, získá se dodatečná energie ochlazením vody.
Vedlejší efekt adiabatického vlhčení je produkce ledu nebo sněhu. Otázkou zůstává, zda takto vyprodukovaný led lze vhodným způsobem využít. Mohl by se například použít jako dodatečná tepelná izolace nebo skladovat a využít k chlazení v létě.
Předehřev vzduchu spojený s vlhčením umožňuje dosáhnout při stejné teplotě výstupního vzduchu výrazně vyšších energetických zisků než prostý předehřev vzduchu v zemním kolektoru. Další výhodou je, že energetický zisk se významně zvyšuje v období zimní energetické špičky při teplotách vnějšího vzduchu hluboko pod bodem mrazu. Tato výhoda vynikne při srovnání s tepelným čerpadlem, které právě v období zimní energetické špičky má sníženou účinnost, přestože v celkové roční bilanci vychází tepelné čerpadlo obvykle lépe (neuvažujeme-li zároveň využití rekuperačního výměníku tepla) [1].

Literatura
[1] BECHNÍK Bronislav. Předehřev a vlhčení vzduchu na hladině vody, in: IV. odborná konference doktorského studia, Brno: VUT, 2002, ISBN 80-214-2067-7
[2] BECHNÍK Bronislav. Vztah vlhkostní a energetické bilance stavby. TZB-info [online]. 26. 3. 2004 [cit. 26062004].
[3] EnergyPlus, Building Energy Simulation Software [online]. © 1996-2003. Last Updated: 09/17/2003 [cit. 10/02/2003].
[4] JOKL, Miloslav. Zdravé obytné a pracovní prostředí. Praha: Academia, 2002. 265 stran. ISBN 80-200-0928-0