Kombinovaný zdroj tepla a stanovení jeho výkonu

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

P_KJ - celkový výkon KJ, a dále přibližně platí:

PKJ = PeKJ + PtKJ = PeKJ + 2 PeKJ = 3 PeKJ

[kW]

P_eKJ - elektrický výkon KJ

P_tKJ - tepelný výkon KJ a jeho velikost má přibližně hodnotu:

P_tKJ = 2 P_eKJ

P_TC - celkový tepelný výkon TC

PTC = kt . PeTC

[kW]

P_eTC - elektrický výkon TC

k_t - topný faktor, který vyjadřuje tepelný zisk TC jako k_t násobek jeho příkonu, běžná hodnota topného faktoru při teplotním rozdílu vstupní a výstupní teploty Δt = 45°C má hodnotu k_t = 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 k_t = 6 ÷ 7, s dostatečnou rezervou dále uvažujeme s hodnotou topného faktoru k_t = 3,0 takže platí:

PTC = 3 PeTC

[kW]

V případě, že celý příkon TC - P_eTC bude pokryt el. výkonem KJ - P_eKJ t.j. P_eTC = P_eKJ, potom pro optimální velikost KJ danou P_eKJ vzhledem k celkovému požadovanému výkonu kotelny P_c:

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 P_e = 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 P_KJ = 50 kW. Při využití TČ na absorpčním principu, které využívá ke svému pohonu tepla z KJ, získáme kombinovaný zdroj s elektrickým výkonem kogenerační jednotky P_e = 16,7 kW a s celkovým tepelným výkonem P_tc = 83,3 kW při stejném příkonu KJ, tj. P_KJ = 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.