České vysoké učení technické v Praze Stavební fakulta Studentská vědecká odborná činnost Akademický rok 2009/2010
Doplnění stávající horkovodní výměníkové stanice kogenerační jednotkou v panelovém domě P1.13
Jméno a příjmení, ročník a obor :
bc. Lubomír Martiník, 1. ročník magisterské, Prostředí staveb
Konzultant :
doc. Ing. Jaroslav Kuba, CSc.
Katedra :
Prostředí staveb a tzb
Obsah Anotace............................................................................................................................ - 3 Annotation ....................................................................................................................... - 3 Co je Kogenerace? ........................................................................................................ - 4 Základní typy kogeneračních a trigeneračních jednotek ......................................... - 4 Výhody a nevýhody kogenerace ................................................................................. - 4 Princip kogenerace ........................................................................................................ - 5 Princip trigenerace ......................................................................................................... - 5 Podpora obnovitelných zdrojů...................................................................................... - 5 Ekologický přínos ........................................................................................................... - 6 Potřeba elektrické energie ve veřejné síti .................................................................. - 6 Potřeba tepla pro ohřev teplé vody v panelovém domě .......................................... - 6 Základní podmínky úspěšné instalace kogenerační jednotky ................................ - 7 Co všechno je potřeba pro realizaci elektrické přípojky? ........................................ - 7 Řízení a regulace ........................................................................................................... - 7 Vlastní projekt – aplikace na panelový dům P1.13................................................... - 8 Stavební část .................................................................................................................. - 8 Původní stav............................................................................................................... - 8 Navrhované úpravy ................................................................................................... - 9 Zdroje tepla ..................................................................................................................... - 9 Původní stav............................................................................................................... - 9 Navrhované úpravy ................................................................................................. - 10 Návrh kogenerační jednotky....................................................................................... - 10 Vstupní parametry a výpočet potřeb energií ....................................................... - 11 Jednotlivé součásti systému.................................................................................. - 12 Ekonomické hodnocení systému............................................................................... - 12 Globální význam využití kogeneračních jednotek v panelových domech........... - 13 Závěr .............................................................................................................................. - 14 Poděkování ................................................................................................................... - 14 Použité materiály.......................................................................................................... - 14 -
-2-
Anotace Je pravdou, že kogenerace u nás ještě nezaujímá takovou pozici jakou si zaslouží. V naší zemi jsou těmito jednotkami vybavovány spíše větší zemědělské komplexy a větší objekty s nedostatečnou kapacitou elektrické sítě. V jiných zemích EU je vývoj již mnohem dále a kogenerační jednotky se s úspěchem osazují i do obytných souborů a mikrokogenerační jednotky dokonce do rodinných domů. Dnes jsou využívány i trigenerační jednotky pro administrativní budovy a nákupní centra. Jejich nespornou výhodou je především lepší rozložení elektrického výkonu běhěm dne i roku a tím i velká podpora ze strany energetických koncernů a výkupců energie. Kogenerační jednotky jsou na vzestupu i přesto, že fotovoltaika právě stagnuje.
Annotation It is true that the CHP does not hold still with us such a position deserves. In our country, these units are equipped with rather more complex and larger agricultural buildings with inadequate electricity supply capacity. In other EU countries are already much further development of a cogeneration unit is successfully fitted into residential units, micro-files and even into houses. Today they are used as three-generation units for office buildings and shopping centers. Their advantage is above all a better distribution of electric power during the day and year, and by and large support from the energy conglomerates and výkupců energy. CHP units are on the rise despite the fact that photovoltaics was stagnating.
-3-
Co je Kogenerace? Princip kogenerace je založen na co nejefektivnějším využívání zdrojů. Kogenerace je společná výroba elektřiny a tepla. Umožňuje zvýšení účinnosti využití energie paliv. Principiálně platí, že výroba vyšší formy energie, tedy elektřiny, je vždy doprovázena vznikem tepla. Využitím tohoto tepla lze dosáhnout zlepšení využití paliva a z toho vyplývajících přínosů ekonomických i ekologických. Díky kombinované výrobě tepla a elektřiny v jednom zařízení lze dosáhnout vysoké efektivity a využít až přes 90 % energetického obsahu paliva [8].
Základní typy kogeneračních a trigeneračních jednotek Mikrokogenerační jednotka se stirlingovým motorem Plynová pístová kogenerační jednotka Plynová kogenerační turbína Parní kogenerační turbína Trigenerační jednotky
Veškeré větší jednotky se již dnes vyrábějí ve verzi jak s asynchronními tak i synchronními generátory.
Obr.1 – stirlingův motor od fy. Viessmann
Výhody a nevýhody kogenerace Výhody využití kogenerační jednotky: • • • • • •
při vlastní spotřebě tepla a elektrické energie se vyhneme přenosovým ztrátám využíváním odpadního tepla při výrobě elektrické energie dochází až ke 40% úspoře paliva ve srovnání s tradičními technologiemi vysoká efektivita využití paliva na 80% až 95%. Z toho připadá 30 až 35% na elektrickou energii 65 - 70% na teplo [3] kogenerační jednotky produkují nízké emise škodlivin ve srovnání s uhlím přebytky vyrobené elektrické energie výrobce může prodávat do veřejné rozvodné sítě na základě smluvního vztahu s distribuční společností (majitelem rozvodné sítě elektřiny) a tím může výrazně ovlivnit návratnost vložených finančních prostředků
Nevýhody využití kogenerační jednotky: • • •
poměrně vysoké investiční náklady na pořízení a servis návratnost vložených finančních prostředků je závislá na využití vyrobeného tepla a elektrické energie nutnost zajistit ochranu proti hluku
-4-
Princip kogenerace Principiálně jde vlastně o přeplňovaný motor, přizpůsobený k provozu na zemní plyn, bioplyn nebo LPG, který je přes hřídel spojený se synchronním nebo asynchronním generátorem, ve kterém probíhá výroba elektrické energie [1]. Stroj je většinou optimalizován na ideální otáčky z hlediska spotřeby, emisí, hluku atd. Jako sekundární výstup se užívá teplo odebírané z chladícího okruhu, olejového hospodářství a na výfuku. Například pístové plynové kogenerační jednotky mají běžně teplotní spád 90/70°C.
Princip trigenerace Trigenerace je rozvinutím klasické kogenerační jednotky o možnost absorpčního chlazení. Tohoto principu dnes využívá např. solární chlazení. Základním principem sorpčních cyklů je nahrazení komprese par chladiva tepelným procesem. Nastává absorpce v roztoku, zvýšení tlaku a desorpce par z roztoku. Nejčastěji se používá voda a čpavek. Výhodou je především to, že při společné výrobě tepla a chladu se spotřebuje mnohem méně energie, než je třeba u kompresorového chlazení.
Obr.2 – princip trigenerační jednotky
Podpora obnovitelných zdrojů
Obr. 3 – Podíl jednotlivých OZE na podpoře – Czech RE Agency
Dle podílu jednotlivých OZE na podpoře je jasné, že v poslední době byla podpora fotovoltaiky na vzestupu, zatímco kogenerace stagnovala [5]. Přitom fotovoltaika mnohem méně odpovídá potřebám elektrické rozvodné sítě. Avšak dle novely zákona č. 180/2005 Sb. bude snížena výkupní cena energie z fotovoltaiky a tím se zhorší návratnost do tohoto systému [9]. Dle mého názoru je výhodné podporovat kogenerační výrobu elektřiny i z toho důvodu, že kogenerace dokáže vyplnit právě ony mezery v pokrytí fotovoltaikou a tím pomoci i dalšímu vývoji tímto směrem.
-5-
Ekologický přínos Ekologický přínos je dán hlavně snížením množství primárního paliva při rovnocenném uspokojení energetických potřeb. Kogenerace se však v poslední době velmi rozšířila i na využívání obnovitelných paliv – bioplynů, skládkových plynů či plynů ze zemědělských bioplynových stanic. V Evropě se dokonce začíná rozvíjet tzv. energetické zemědělství, které plánovaně pěstuje zemědělské plodiny vhodné pro výrobu bioplynu, který je použit pro kogenerační výrobu. Tento typ zemědělství by mohl pomoci i u nás. Navíc celkové emise na 1 MW jsou menší než emise stávajících tepelných elektráren na 1 MW výkonu [1].
Potřeba elektrické energie ve veřejné síti Během dne a roku se potřeba elektrické energie ve veřejné síti neustále mění. Kogenerační jednotka dokáže na tuto potřebu relativně pružně reagovat.
Obr. 4 - Denní měrný profil spotřeby elektřiny v ČR – FEI Ostrava [10]
V noci je potřeba energie menší než ve dne. Špičky potom vznikají v ranních a podvečerních hodinách. Co se týká elektrické potřeby domácností, graf přibližně kopíruje horní část grafu (špičkovou a pološpičkovou část).
Potřeba tepla pro ohřev teplé vody v panelovém domě Potřeba teplé vody je u bytových domů po celý rok vcelku rovnoměrná, avšak během dne se potřeba prudce mění. Viz. Následující graf.
Obr. 5 - Roční a denní měrný profil spotřeby teplé vody pro bytové domy (procentní rozložení) v ČR [5]
-6-
Základní podmínky úspěšné instalace kogenerační jednotky • • • • • •
plné využití vyrobeného tepla, a to i v letních měsících. vlastní spotřeba vyrobené elektrické energie nebo její dodávka do veřejné sítě. zpracování důkladné ekonomické rozvahy, která vychází ze zjištění reálných způsobů vytápění pro daný objekt, spotřeby elektrické energie, investičních a provozních nákladů, návratnosti vložených finančních prostředků kogenerační jednotka musí splňovat emisní limity Vyhlášky 117 MŽP ČR ze dne 12. 5. 1997, bod 1.1.6. platné pro kogenerační jednotky s plynovými spalovacími motory v případě prodeje elektrické energie (tepla) je nutné zažádat Energetický regulační úřad o udělení licence na výrobu prodej elektrické energie (tepla). Uzavřít smlouvu o odběru elektrické energie s distribuční společností např. SME, a.s. (JME, a.s., STE, a.s., JČE, a.s., atd.).
Co všechno je potřeba pro realizaci elektrické přípojky? 1. 2. 3. 4. 5. 6.
Prvotní informace o podmínkách připojení kogenerační jednotky k rozvodné síti vypracování projektové dokumentace, odsouhlasení projektové dokumentace rozvodnými energetickými závody a případě Inspektorátem práce montážní práce dle projektu, provedení elektrorevize vyhrazených technických zařízení, realizace žádosti o připojení k elektrické síti nebo odpojení od elektrické sítě pokud bude jednotka provozována v ostrovním provozu
Řízení a regulace Pokud se kogenerační jednotka podílí výraznějším způsobem na dodávce elektrické energie do sítě při pokrývání špičkových zatížení elektrizačního systému dané lokality, je řízena podle požadavku dispečinku rozvodné soustavy. Pokud se kogenerační jednotka používá jako zdroj tepla pro topení a ohřev vody, musí být vybavena sekundárním okruhem, který zajišťuje vývod tepla do topného systému. Pokud není možné odvést plný tepelný výkon kogenerační jednotky, je vhodné doplnit systém chladící jednotkou pro nouzové chlazení.
-7-
Vlastní projekt – aplikace na panelový dům P1.13 Stavební část Původní stav Pro svůj návrh jsem zvolil stávající objekt v Ostravě poblíž ČEZ arény. Jde o dvojici bodových panelových domů v konstrukční soustavě P1.13, které jsou ve správě městského obvodu Ostrava – Jih. Tyto objekty jsou v nevyhovujícím stavu z hlediska tepelně – izolačních vlastností. Na jednom z objektů jsou vyměněna okna a na druhém objektu jsou vyměněna okna jen ve společných prostorách a objekt je kontaktně zateplen 70 mm polystyrenu a minerálního vlny. Třída energetické náročnosti budovy je E – nehospodárná. Energetický štítek obálky budovy je E – nehospodárná.
Obr. 6 – fotografie objektu pro revitalizaci Dvojice objektů bodový P1.13
1 2 Horkovodní výměníková stanice
Obr. 7 – fotomapa širších souvislostí
-8-
Objekty mají 12. nadzemních podlaží, suterén a na střeše strojovnu výtahu a prádelnu. V každém podlaží jsou 4 byty 3+1 a jeden byt 1+1. Objekt má relativně malé parkovací plochy, v okolí budovy je horkovodní výměníková stanice, dva větší objekty občanské vybavenosti a nízká obytná zástavba rodinných domů.
Navrhované úpravy Pro zlepšení tepelně – izolačních vlastností dojde k zateplení obvodového pláště 200mm polystyrenem multitherm neo do 12m výšky a nad 12m minerální vlnou. Dále budou vyměněna všechna zbývající okna, částečně zazděny a zaskleny lodžie. Dále bude zateplen strop nad suterénem a v suterénu budou provedeny stavební úpravy, které jsou nutné pro osazení sestavy kogeneračních jednotek a nutného příslušenství. Barevné řešení fasády bude dořešeno s investorem. Každý z panelových domů má tedy 60 bytových jednotek a společné prostory v suterénu, na střeše a na chodbách. Třída energetické náročnosti budovy je C1– vyhovující. Energetický štítek obálky budovy je B – úsporná
Obr. 8 - Vizualizace stavebních úprav (zazdění a zasklení lodžií a kontaktní zateplení)
Zdroje tepla Původní stav Ve stávajícím objektu je vytápění a ohřev teplé vody řešen dodávkou dálkového tepla z blízké výměníkové horkovodní stanice. Dodávku tepla zajišťuje společnost Dalkia.
-9-
Navrhované úpravy Stávající výměníková stanice bude zachována pro potřeby vytápění objektu. V suterénu objektu 1 bude po úpravách osazena sestava tří kogeneračních jednotek na zemní plyn s asynchronním generátorem 2x TEDOM T7 a 1x TEDOM T30.
Návrh kogenerační jednotky Kogenerační jednotku jsem se rozhodl využít na ohřev teplé vody ve výše zmíněném panelovém domě právě z důvodu podobnosti křivek potřeby elektrické energie v ČR a potřeby teplé vody v bytových domech. Aby kogenerační jednotka co nejlépe pokryla potřebu tepla a zároveň co nejlépe kopírovala potřebu elektrické energie ve veřejné síti, rozhodl jsem se sestavit do systému tři jednotky. Dvě mikrokogenerační jednotky TEDOM T7 a jednu T30. Předběžný odhad pokrytí potřeby tepla pro ohřev vody v objektu je na následujícím grafu. Denní graf potřeby TV - 120 bytů, 327 osob 140 120 100 potřebný výkon [kW]
80
1xT30
60
Potřeba tepla
40 20
1xT7
1xT30
2xT7
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Čas [h]
Obr. 9 – podíly kogeneračních jednotek na pokrytí potřeby tepla pro ohřev TV
Kogenerační jednotka TEDOM T7 – 7kW elektrický výkon, 18 kW tepelný výkon, spotřeba plynu 2,85m3/h Kogenerační jednotka TEDOM T30 – 30kW elektrický výkon, 62 kW tepelný výkon, spotřeba plynu 10,2m3/h
Tímto rozložením výkonu mezi tři jednotky dosáhnu možnosti plynulé regulace dle potřeb objektu, popř. rozvodné sítě. Navíc se jednotky mohou střídat a prodlužuje se tím interval servisních prohlídek. V zimním období by jednotky pracovaly na svoji maximální účinnost v případě že bude rozvodná síť schopná přijímat, čímž ušetříme nejen na vytápění, ale i na prodeji elektrické energie do rozvodné sítě.
- 10 -
Vstupní parametry a výpočet potřeb energií Ve dvojici panelových domů o celkem 120-ti bytech bydlí 327 osob. Díky demograficky barvitému obyvatelstvu v tomto objektu se dá uvažovat s dobrým kopírováním křivky potřeby vody. Při uvažované potřebě teplé vody 82 litrů teplé vody na osobu a uvažovaném koeficientu současnosti osob 0,9 vychází celková potřeba tepla pro ohřev teplé vody 1265,49 kWh/den. Na základě diagramu rozložení potřeby teplé vody v bytových domech byl vytvořen matematický model v excelu. Na základě tohoto modelu jsem navrhl optimální rozdělení výkonu jednotek při jejich plném výkonu a zanesl do diagramu. Co se týká přesné regulace, je možné jednotku zaregulovat přesně řídícími jednotkami. Při tomto rozvržení má jednotka výkon 1294 kWh/den. Denní graf potřeby TV a pokrytí sestavou KJ - 120 bytů, 327 osob 140 120 100 potřebný výkon 80 [kWh] 60
Potřeba TV Výkon sestavy KJ
40 20 0 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
Čas [h]
Obr. 10 - diagram výroby tepla v závislosti na potřebě Denní graf výroby elektřiny ze sestavy KJ 50 45 40 35 30 potřebný výkon 25 [kW] 20
Elektrický výkon
15 10 5 0 1
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
Čas [h]
Obr. 11 - diagram výroby elektrické energie
Tato křivka výkonu přibližně reflektuje na aktuální potřebu objektu i sítě. Při tomto zatížení vyrobí kogenerační jednotky 584 kWh elektrické energie za den.
- 11 -
Jednotlivé součásti systému
Mikrokogenerační jednotky TEDOM jsou zajímavé právě díky své dlouhé životnosti a dlouhému intervalu servisních prohlídek, které jsou relativně nákladné a tím prodlužují ekonomickou návratnost investice do tohoto systému [6].
Regulace umožňující přesné nastavení otáček a zatížené stroje, diagnostiku motoru a dálkové řízení celého systému kogeneračních jednotek. Dálkové řízení může být prováděno přes počítač, sms zprávy nebo může být tato jednotka ovládaná z dispečinku dané rozvodné sítě [6]. V suterénu dále bude nutné vyřešit vzduchotechniku a odvod zplodin do komína, ohřev teplé vody v zásobnících vyrovnávajících nedokonalosti v diagramu potřeby teplé vody.
Ekonomické hodnocení systému Ve stávajícím stavu spotřebuje objekt 903 GJ tepla za rok [4] pro ohřev teplé vody. Tento údaj vypovídá o tom, že průměrná spotřeba teplé vody v objektu je necelých 50 litrů teplé vody na osobu denně. Ve svých dalších kalkulacích budu počítat se spotřebou 82 litrů před i po rekonstrukci [2], aby byly výsledky průkazné. Při spotřebě 82 l/os*den je celková cena tepla z horkovodní výměníkové stanice 738 306,5 Kč/rok. Při spotřebě zemního plynu kogeneračních jednotek dosáhneme při tarifu pro maloodběratele nad 63 000m3 ceny 803 098,3 Kč/rok za zemní plyn. Nutno si však uvědomit, že při tomto zatížení vyrobí sestava kogeneračních jednotek celkem 213 160 kWh/rok, což nám při vysokém tarifu uspoří na elektrické energii 927 246 Kč/rok. Celková úspora je tedy 832 454,2 Kč/rok. Životnost tohoto systému dle technického oddělení TEDOM je zhruba 20 let. Co se servisu týká, 1 litr oleje do těchto jednotek stojí 880 Kč, ročně 20 – 30 tisíc Kč servis. Investiční náklady a náklady na servis se odhadují zhruba na 4 600 000 Kč dle technického poradce firmy TEDOM a v této ceně je také 3 roky bezplatný servis [6]. Na rekonstrukci panelového domu můžeme čerpat dotaci z programu Nový panel a to jak na stavební úpravy, tak na úpravy zdroje teplé vody a obnovitelné zdroje energie (dle přílohy 2, část C) [7], které nám mohou pozitivně ovlivnit celkovou návratnost vložené investice. Celková ekonomická návratnost, nezapočítávající nepředvídatelné vlivy a dotace je tedy 5,5 roku. Tato návratnost se velmi zhorší, pokud budeme energii dodávat do sítě.
- 12 -
Globální význam využití kogeneračních jednotek v panelových domech Uvědomme si, že panelové domy tvoří značnou část našeho bytového fondu. Tato zástavba je roztroušena v různých částech měst a většinou jejich blízké okolí tvoří opět obytná zóna. Výhodou tohoto umístění je to, že jak panelové domy, tak ostatní obytné a rodinné domy mají téměř stejnou charakteristiku potřeby tepla i elektřiny. Pokud bychom tedy na chvíli předpokládali, že doplnění panelového domu o účinnou kogenerační jednotku by se stalo běžnou procedurou, pak docílíme efektu roztroušených malých elektráren uprostřed obytné zástavby s naprostým minimem přenosových ztrát.
Obr. 12 - Ukázka rozmístění zdrojů - červeně jsou označeny panelové domy v zástavbě
Kogenerační systémy lze s výhodou použít u všech typů panelových domů, u některých, které už mají částečně řešenou vzduchotechniku (např. B-70), lze se zvýšením efektu využít i jednotek trigeneračních. Při využití kogeneračních jednotek můžeme použít dálkové řízení systémů z centrálního dispečinku rozvodných sítí a tím docílit přesné výroby energie v místě a čase potřeby a to vše s rychlým náběhem. S notnou mírou nadsázky by se dalo říci, že v případě masového rozšíření, by se mohla většina tepelných elektráren odstavit z provozu a malé rozdíly v pokrytí by řešily elektrárny vodní a přečerpávací, hlavní část potřeby pak jaderné elektrárny. Co se ekologie týká, kogenerační výroba elektrické energie má velký potenciál, protože kromě spalování plynu nabízí i spalování ekologických paliv a v budoucnu je naděje upínána k vodíkovému pohonu. V tomto případě by se energetika centrální jak ji známe konvertovala na energetiku lokální a ekologicky únosnou. Tím by se z jednoho neduhu měst, jakým jsou právě panelové domy stala pro město výhoda.
- 13 -
Závěr Kogenerační a trigenerační jednotky se používají masově a jejich stabilita a efektivita je prokázána. Je tedy na čase uvažovat kam dál se tyto jednotky mohou vyvíjet a specializovat. Speciální aplikace pro panelové domy mohou být novou cestou pro vývojáře kogeneračních a trigeneračních jednotek jak z hlediska účinnosti a poměru výkonu jednotlivých výstupů, tak z hlediska ochrany proti hluku a hromadné údržby v obytných celcích.
Poděkování Panu Doc. Ing. Jaroslavu Kubovi CSc., za odborné vedení Panu Ing. Zdeňku Jaroňovi a Ing. Pavlu Oravcovi za odbornou konzultaci
Použité materiály Literatura [1] Malé kogenerační jednotky v komunální a průmyslové energetice, Polesný B.,Brno, PC-DIR Real, s.r.o 1999 [2] ČSN 73 0540 [3] Topenářská příručka 3, kolektiv autorů pod vedením Vladimíra Valenty, ČSTZ, Praha 2007 [4] Údaje získané z majetkové správy městského obvodu Ostrava-Jih
Internet [5] www.tzb-info.cz [6] www.tedom.cz [7] www.sfrb.cz [8] www.wikipedie.cz [9] www.cez.cz [10] FEI – katedra obecné elektrotechniky
Použitý software Školní licence: Office 2003 Ztráty 2009 Teplo 2009 Energie 2009 Archicad 12
- 14 -
