Kombinovaný zdroj tepla a stanovení jeho výkonu
Následující článek slouží jako popis kombinovaného zdroje tepla - v tomto případě funkčního propojení kogenerační jednotky a tepelného čerpadla, který umožňuje v topném systému zpětné využití tepla odpadní vody. Článek je doplněním I. dílu článku Ekonomické úspory - Energie budoucnosti (I).
Kombinovaným zdrojem tepla (KZT) v dále uváděném významu je nutno rozumět funkční propojení kogenerační jednotky (dále jen KJ) a tepelného čerpadla (dále jen TC) za účelem minimalizace spotřeby primární energie, s přímým důsledkem nižších provozních nákladů oproti klasickým zdrojům tepla jako je plynový kotel.
Nejvýznamnějším znakem je snížení nutného celkového provozního výkonu až na 1/2 původního tepelného výkonu klasické plynové kotelny při plném zatížení. Tohoto snížení primárního výkonu je docíleno funkčním propojením KJ a TC, umožňující návrat odpadního tepla a zejména TUV zpět do energetického systému (popřípadě využití tepelných zisků TC z okolního prostředí).
Pro zajištění požadovaného tepelného výkonu kombinace KJ a TC využívající tepelných zisků obou strojů vycházíme z rovnice:
| Pc= PKJ + PTC | [kW] |
kde
PKJ - celkový výkon KJ, a dále přibližně platí:
| PKJ = PeKJ + PtKJ = PeKJ + 2 PeKJ = 3 PeKJ | [kW] |
PeKJ - elektrický výkon KJ
PtKJ - tepelný výkon KJ a jeho velikost má přibližně hodnotu:
PtKJ = 2 PeKJ
PTC - celkový tepelný výkon TC
| PTC = kt . PeTC | [kW] |
PeTC - elektrický výkon TC
kt - topný faktor, který vyjadřuje tepelný zisk TC jako kt násobek jeho příkonu, běžná hodnota topného faktoru při teplotním rozdílu vstupní a výstupní teploty Δt = 45°C má hodnotu kt = 2,5 ÷ 3,0 při teplotě odpadní vody cca 20 ÷ 25°C (odpadní vody z koupelen a kuchyně) a výstupní teplotě kondenzátoru 45°C bude rozdíl teplot Δt = 20°C a při tak malém rozdílu teplot je možno uvažovat až s dvojnásobným top. faktorem oproti běžnému způsobu provozu TC, tedy s max. topným faktorem kt = 6 ÷ 7, s dostatečnou rezervou dále uvažujeme s hodnotou topného faktoru kt = 3,0 takže platí:
| PTC = 3 PeTC | [kW] |
V případě, že celý příkon TC - PeTC bude pokryt el. výkonem KJ - PeKJ t.j. PeTC = PeKJ, potom pro optimální velikost KJ danou PeKJ vzhledem k celkovému požadovanému výkonu kotelny Pc:
| Pc = PKJ + PTC = 3 PeKJ + 3 PeTC = 6 PeKJ | [kW] |
Uvažujme tepelný výkon plynové kotelny 100 [kW]. Elektrický výkon KJ nebo TC [kW] získáme z předchozí rovnice:
| PeKJ = Pc / 6 = 100 / 6 = 16,7 | [kW] |
Je-li zdrojem tepla kombinace KJ a TC, bude možno provozovat pouze jednotky o elektrickém výkonu Pe = 16,7 [kW]. Celkový požadovaný výkon kotelny 100 kW využívající kombinovaného zdroje je dán pouze příkonen KJ, tj.:
| PKJ = (PtKJ + PeKJ) = 3 PeKJ = 3 .16,7 = 50 | [kW] |
Jinými slovy: při společném provozování kogenerační jednotky - KJ a tepelného čerpadla - TC (kombinovaný zdroj) tak, že elektrický výkon KJ je využit na pohon TC (každý stroj o výkonu 16,7 [kW]), potom pro zajištění požadovaného tepelného výkonu plynové kotelny 100 kW, bude tento výkon zajištěn pouze celkovým příkonem kombinovaného zdroje, tj. příkonem KJ, tedy PKJ = 50 kW. Při využití TČ na absorpčním principu, které využívá ke svému pohonu tepla z KJ, získáme kombinovaný zdroj s elektrickým výkonem kogenerační jednotky Pe = 16,7 kW a s celkovým tepelným výkonem Ptc = 83,3 kW při stejném příkonu KJ, tj. PKJ = 50 kW.
Z uvedeného je zřejmé, že tato úvaha platí při maximálním využití odpadního tepla TC v uvažovaném uzavřeném energetickém systému při minimalizaci jmenovitých elektrických příkonů kombinovaného zdroje. Využívání kombinovaného zdroje je předmětem čs. patentu č. 288097, který popisuje energetický nízkoteplotní systém vytápění - NTSV. Podstatnou vlastností tohoto systému je - minimalizace elektrických příkonů při maximálním využití odpadního tepla s přímým důsledkem ekonomické úspory energií (tzn., že investiční náklady na energetické úspory jsou v ekonomicky reálném čase zaplaceny těmito provozními úsporami energií).
Nízkoteplotní systém vytápění obsahuje (mimo jiné) řídící jednotku zajišťující optimálního využití TC s ohledem na útlum energetických špiček v uvažovaném energetickém nízkoteplotním systému vytápění budov. K tomu slouží na straně zdroje tepla - vysokoteplotní akumulátor a na straně odpadu TUV - tepelně izolované kanalizační sběrné jímky jako akumulátor nízkopotencionálního tepla.
Výsledným a logickým efektem takto komplexně provozovaného energetického systému je zajištění nejvyšší ekonomické úspory energií.