Vícenásobný zdroj ve školicím a rekreačním středisku Herbertov
Doc. Brož inicioval a svým přičiněním vytvořil za svůj život nespočet významných realizací. K jedné z mnoha určitě patří energetické zásobování výukového střediska ČVUT v jihočeském Herbertově. Následující článek, na jehož přípravě se na sklonku svého života i sám podílel, popisuje jak význam tohoto střediska pro výzkum v oblasti alternativních zdrojů, tak přímo jeho energetické zásobování.
Vícenásobný energetický zdroj ve školicím a rekreačním středisku strojní fakulty ČVUT v Horním Mlýně - Herbertově je příkladem starší realizace několika navzájem provázaných obnovitelných zdrojů energie (solární tepelné kolektory, tepelná čerpadla, malá vodní elektrárna), které za dobu svého provozu již několikrát překročily návratnost vložených investic. Herbertov se nachází v Jižních Čechách, cca 3 km výhodně od Vyššího Brodu (po proudu Vltavy). Soustava obnovitelných zdrojů je v provozu od roku 1982. V roce 2004 prošlo celé zařízení zatím poslední komplexní rekonstrukcí, včetně návrhu a realizace nového řídicího a monitorovacího systému. Celé zařízení je majetkem strojní fakulty ČVUT a kromě běžného provozu střediska (kapacita 90 lidí) je využíváno při zkoumání využitelnosti alternativních zdrojů Ústavem techniky prostředí fakulty strojní ČVUT. Středisko ČVUT je zásobováno teplem zcela unikátně bez produkce jakýchkoli emisí. Zdrojem tepelné energie jsou tepelná čerpadla a solární kolektory, zdrojem elektrické energie pak vodní turbína. Objekty školicího střediska jsou nejenom soběstačné, co do spotřeby tepla na vytápění a přípravu teplé vody, ale přebytek vyrobené elektrické energie je dodáván do veřejné sítě. Původně navržený zdroj uvažoval pro budovy střediska s tepelnou ztrátou 140 kW (při venkovní teplotě -18 °C) pouze elektrické akumulační vytápění (vodní akumulátor 64 m3, elektrokotle 396 kW) s roční potřebou tepla 700 MWh [1].
Základním zdrojem tepla jsou dvě tepelná čerpadla - nové dvoukompresorové tepelné čerpadlo o tepelném výkonu 60 kW (instalace v rámci rekonstrukce 2004), zapojené do kaskády se starším tepelným čerpadlem o výkonu 45 kW (instalace v roce 1995). Tepelná čerpadla odebírají teplo z říční vody proudící náhonem k vodní elektrárně. Primární okruh je tvořen velkoplošným trubkovým výměníkem ukotveným na dně náhonu. Výměník je v současné době tvořen 1600 m potrubí HDPE, zapojeným do šestnácti větví, kruhovitě stočených. Teplonosnou látkou v primárním okruhu tepelných čerpadel je směs vody a propylenglykolu. Tepelná čerpadla dodávají teplo do otopné soustavy (otopná tělesa, podlahové vytápění) a pro přípravu teplé vody. Průměrný topný faktor tepelných čerpadel se pohybuje okolo 3,4. Bivalentním zdrojem tepla pro vytápění jsou dva elektrokotle o výkonu 2 x 25 kW. Tepelná čerpadla a elektrokotle jsou umístěny ve strojovně. Dodatkovým zdrojem pro přípravu TV jsou elektrická topná tělesa 3 x 3 kW.
Obr. 1 Tepelný výměník umístěný v náhonu
Hlavním zdrojem tepla pro přípravu teplé vody jsou mírně koncentrující (2,1:1) solární kolektory Winstonova typu o celkové ploše cca 100 m2. Kolektory jsou původní konstrukce s parabolickými koncentrátory s hliníkovým zrcadlem [2]. Kolektory jsou instalovány ve dvou řadách na nosných konstrukcích se sklonem 40° a orientací na jih (nenatáčivé) na pozemku před střediskem. Maximální okamžitý výkon kolektorů je cca 50 kW s roční dodávkou tepla 36 až 40 MWh. Realizace kolektorového pole je původní z roku 1982. Příprava teplé vody je přednostní, zbytkové teplo je využito v primárním okruhu tepelných čerpadel.
Obr. 2 Pole solárních kolektorů před budovami střediska
Obr. 3 Schéma zapojení vícenásobného zdroje ve středisku Herbertov
Legenda: 1 - solární kolektory, 2 - tepelná čerpadla, 3 - výměník TČ v náhonu, 4 - elektrokotle, 5, 6 - výměníky tepla, 7 - zásobníkové ohřívače TV
Malá vodní elektrárna prošla v roce 1993 rekonstrukcí, kdy byla vyměněna původní vodní turbína o výkonu 45 kW (podléhala restitučním nárokům) a byla vyprojektována a dodána nová Kaplanova turbína s vertikálním generátorem o jmenovitém výkonu 120 kW (průtok 4 m3/s, spád 2,8 m). Turbína je instalována v areálu střediska v samostatné strojovně. Od roku 1994 je v trvalém provozu s průměrnou roční výrobou elektrické energie 750 až 850 MWh.
V rámci poslední rekonstrukce v roce 2004 byl realizován řídicí systém pro regulaci strojovny a pro snímání, monitorování a archivaci dat, která jsou dále využívána pro vědecké a výukové účely. Monitorovány a vyhodnocovány jsou spotřeba tepla na vytápění a přípravu teplé vody, tepelné výkony a množství tepla dodané tepelnými čerpadly a solárními kolektory, topný faktor čerpadel, dopadlé sluneční záření a účinnost solárních kolektorů, celková výroba a spotřeba elektrické energie ve středisku [3].
Z výsledků monitorování vyplývají velmi dobré provozní charakteristiky vícenásobného zdroje. V roce 2005 byla celková roční výroba elektrické energie vodní elektrárnou 810 MWh, zatímco roční spotřeba elektrické energie střediskem díky využití alternativních zdrojů pouze 295 MWh. Přebytek elektrické energie byl prodán do veřejné sítě. Středisko v Herbertově se tak řadí mezi ojedinělé bezemisní energeticky a ekonomicky plusové instalace v Evropě.
Literatura:
[1] Brož, K.: Vícenásobný energetický zdroj ČVUT - FS v Herbertově, 16 let provozu. In: Sborník Obnovitelné zdroje energie. Praha: ČENES - Česká energetická společnost, 1998, s. 143-147.
[2] Brož, K., Haškovec, L.: Optimalizovaný vývoj Winstonova kolektoru slunečního záření. In: Zdravotní technika a vzduchotechnika č. 2, roč. 1981, str. 89 - 103. Nakladatelství ČSAV, Praha.
[3] Monitorovací systém centra alternativních zdrojů energie. On-line monitoring přístupný z http://pck338-48.feld.cvut.cz/herbertov/vizualizace.php