Fakulta elektrotechnická

ˇ ´ vysoke ´ uc ˇen´ı technicke ´ v Praze Cesk e ´ Fakulta elektrotechnicka

´ PRACE ´ DIPLOMOVA Vyuˇ zit´ı vˇ etru k temperaci rekreaˇ cn´ıch objekt˚ u

Praha, 2015

Autor: Pavel Fencl

Prohl´ aˇ sen´ı Prohlaˇsuji, ˇze jsem svou diplomovou práci vypracoval samostatnˇe a pouˇzil jsem pouze podklady (literaturu, projekty, SW atd.) uvedené v pˇriloˇzeném seznamu.

V Praze dne podpis

i

Podˇ ekov´ an´ı Rád bych podˇekoval vedouc´ımu za spolupráci a objektivn´ı kritiku bˇehem tvorby. Dále chci podˇekovat mé rodinˇe za podporu v pr˚ ubˇehu celého studia.

ii

Abstrakt Má diplomová práce se zab´ yvá temperac´ı rekreaˇcn´ıch objekt˚ u. Skládá se z nˇekolika ˇca´st´ı. Prvn´ı kapitola uvád´ı ˇcitatele do problému, kter´ ym je temperace rekreaˇcn´ıho objektu. Druhá kapitola popisuje vlastnosti referenˇcn´ıho objektu a jeho okol´ı. V tˇret´ı kapitole provád´ım návrh tˇr´ı variant, které budu hodnotit. Ve ˇctvrté kapitole ˇreˇs´ım vyhodnocen´ı vˇsech variant a anal´ yzu v´ ysledk˚ u. Posledn´ı kapitola uzav´ırá celou práci v´ ysledn´ ym doporuˇcen´ım k realizaci ˇci nerealizaci projektu.

Kl´ıˇ ckov´ a slova Vˇetrná elektrárna, temperace, v´ıtr, ekonomické vyhodnocen´ı, pˇr´ımotop, tepelné ˇcerpadlo

Abstract My thesis deals with temperation of holliday cottage. It is composed from several parts. First chapter introduces reader into problem which is temperation of holliday cottage. Second chapter describes properties of refferal object and it‘s surroundings. In third chapter I prepared three variants which I will evaluate. In fourth chapter I make evaluation and analysis of results. Last chapter closes whole thesis with final recommendation to realize or not to realize the project.

Keywords Wind turbine, temperation, wind, economic evaluation, heaters, heat pump

iii

iv

v

Obsah Seznam obr´ azk˚ u

viii

Seznam tabulek

ix

´ 1 Uvod

1

2 Situaˇ cn´ı popis

3

2.1

Státn´ı legislativa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3

2.2

Um´ıstˇen´ı vˇetrné elektrárny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4

2.3

Temperace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.3.1

Eletrick´ y proud . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

2.3.2

Plyn . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.3.3

Dˇrevˇené pelety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

2.3.4

Solárn´ı energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.3.5

Vˇetrná energie

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

2.3.6

Offgrid systémy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

Popis rekreaˇcn´ıho objektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.4.1

Zkouman´ y objekt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

8

2.4.2

Konstrukce objektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.4.3

Kˇrivka trván´ı teplot v oblasti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.4.4

Tepelná ztráta objektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12

2.4.5

Tepelná kapacita objektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

14

2.4.6

Povˇetrnostn´ı podm´ınky v oblasti . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

2.4.7

Distribuˇcn´ı rozdˇelen´ı vˇetru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

17

2.4

3 Anal´ yza syst´ emu temperace vˇ etrem

20

3.1

Cena uˇsetˇrené energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

3.2

Varianta A - Air Breeze 160W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

vi

3.3

3.4

3.2.1

Roˇcn´ı vyrobená energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

3.2.2

Roˇcn´ı u ´spora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3.2.3

Investiˇcn´ı náklady . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

25

Varianta B - Savoniova turb´ına . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.3.1

Technická realizace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

26

3.3.2

Zapojen´ı turb´ıny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

3.3.3

Roˇcn´ı u ´spora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

29

3.3.4


30

Varianta C - HY Pegasus 3,0 kW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

3.4.1

Roˇcn´ı vyrobená energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

3.4.2

Roˇcn´ı u ´spora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

3.4.3


34

4 Zhodnocen´ı temperace vˇ etrem 4.1

4.2

4.3

4.4

36

Varianta A - Air Breeze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

37

4.1.1

Citlivostn´ı anal´ yza . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

38

4.1.2

Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

39

Varianta B - Savoniova turb´ına . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

40

4.2.1


40

4.2.2

Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

Varianta C - HyE 3000 W . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

42

4.3.1


43

4.3.2

Shrnut´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

44

Porovnán´ı . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

5 Z´ avˇ er

50

A Technick´ e n´ akresy objektu

I

vii

Seznam obr´ azk˚ u 2.1

Lokace referenˇcn´ıho objektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

2.2

Kˇrivka trván´ı teplot pro (2.9), (2.8) a (2.11) . . . . . . . . . . . . . . . .

11

2.3

16

2.4

Pr˚ ubˇeh vnitˇrn´ı teploty v ˇcase pˇri nefunkˇcn´ım otopném systému. . . . . . ˇ e republiky 2012 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vˇetrná mapa Cesk´

2.5

Weibullovo rozdˇelen´ı pro A = 3,95 m/s a k = 2 . . . . . . . . . . . . . .

18

2.6

Intenzita vˇetru v pr˚ ubˇehu roku . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

19

3.1

Varianta A - Vzhled elektrárny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

3.2

Varianta A - Schéma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

24

3.3

Varianta B - Schéma turb´ıny [22, Strana 4] . . . . . . . . . . . . . . . . .

27

3.4

Varianta B - Nab´ıjec´ı charakteristika baterie [22, Strana 18]. . . . . . . .

29

3.5

Varianta C - Vzhled elektrárny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

3.6

Varianta C - Vyrobená energie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

33

4.1

Varianta A - NPV podle investiˇcn´ıch náklad˚ u a rychlosti vˇetru . . . . . .

38

4.3

Varianta B - NPV podle investiˇcn´ıch náklad˚ u a rychlosti vˇetru . . . . . .

41

4.4

Varianta B - RCF podle investiˇcn´ıch náklad˚ u. . . . . . . . . . . . . . . .

41

4.6

Varianta C - NPV podle investiˇcn´ıch náklad˚ u a rychlosti vˇetru . . . . . .

43

4.2

Varianta A - RCF podle ceny energie, r˚ ustu cen a diskontu . . . . . . . .

47

4.5

Varianta B - RCF podle ceny energie, r˚ ustu cen a diskontu . . . . . . . .

48

4.7

Varianta C - RCF podle ceny energie, r˚ ustu cen a diskontu . . . . . . . .

49

viii

17

Seznam tabulek 2.1

Rozmˇery referenˇcn´ıho objektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

10

2.2

Kvalitativn´ı parametry objektu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

13

2.3

Tepelnˇe-kapacitn´ı parametry budovy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

15

3.1

Varianta A - Parametry elektrárny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22

3.2

Varianta C - Parametry elektrárny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

32

4.1

Varianta C - Ekonomické parametry

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

43

4.2

Porovnán´ı variant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

45

4.3

Minimáln´ı rychlost vˇetru pro rentabilitu variant . . . . . . . . . . . . . .

46

ix

Kapitola 1 ´ Uvod ˇ e Republiky jsou znám´ı svou oblibou v chalupáˇrstv´ı a chataˇrstv´ı. Mnoho Obyvatelé Cesk´ lid´ı vlastn´ı chalupy a chaty v oblastech vzdálen´ ych od civilizace. Tráv´ı zde volné v´ıkendy a dovolené. Tyto objekty neb´ yvaj´ı dlouhodobˇe ob´ yvané a je nutno se o nˇe pˇres zimu starat. Budova bez adekvátn´ı péˇce v zimn´ım obdob´ı strádá. Majitelé ˇcasto ˇreˇs´ı otázku, jak se o objekt starat, aby mohl b´ yt vyuˇz´ıván i v zimn´ım obdob´ı. Je velmi nepˇr´ıjemné vyrazit na v´ ylet do zasnˇeˇzeného podh˚ uˇr´ı a neˇz se staˇc´ı chalupa vytopit, ˇclovˇek je na cestˇe domu. Pokud objekt nen´ı v zimˇe vyuˇz´ıván, m˚ uˇze se nábytek pˇrikr´ yt, uklidit ˇci odvést a pˇri zajiˇstˇeném vˇetrán´ı ponechat d˚ um svému osudu. Takov´ y systém je sice levn´ y, ale vyˇzaduje pomˇernˇe velké mnoˇzstv´ı práce pˇri zazimován´ı a odzimován´ı. V zazimovaném objektu nepˇricház´ı v´ ylet v zimˇe v u ´vahu, ˇci je provázen dlouho zatápkou. Dalˇs´ı moˇznost´ı je objekt udrˇzovat vytopen´ y konstatnˇe na niˇzˇs´ı teplotu, pˇri které je objekt neobyvateln´ y, avˇsak takzvanˇe nevymrzne1 . V pˇr´ıpadˇe zimn´ı návˇstˇevy se lze objekt vytopit na pˇr´ıjemnou teplotu rychle a odpadaj´ı nutné práce pˇri zazimován´ı. Je vˇsak nutno dbát na náklady spojené s vytápˇen´ım objektu, byt’ na niˇzˇs´ı teplotu. Zp˚ usob vytápˇen´ı mus´ı b´ yt navrhnut efektivnˇe, aby majitel uˇsetˇril na nákladech za vytápˇen´ı. V souˇcasné dobˇe existuje nˇekolik moˇznost´ı, jak objekt temperovat, a mnoho v´ yrobc˚ u, jeˇz realizaci provádˇej´ı. Jednotlivé typy jsou závislé na dostupnosti zdroje energie a velikosti investiˇcn´ıch náklad˚ u. Situaci m˚ uˇze zkomplikovat absence pˇr´ıpojky plynu, elektˇriny apod. Mnoho technologi´ı je závisl´ ych na dostupnosti elektrické energie a zdroj elektrického proudu b´ yvá podm´ınkou pro realizaci vˇetˇsiny z nich. Systém˚ u, jeˇz by byly schopny temperovat objekt bez elektˇriny a vysok´ ych investiˇcn´ıch 1

Teplota v objektu neklesne natolik, aby docházelo k poˇskozován´ı. Typicky pod bod mrznut´ı vody.

1

´ KAPITOLA 1. UVOD

2

náklad˚ u je velmi málo. V takov´ ychto situac´ıch pˇricház´ı ke slovu hlavnˇe obnovitelné zdroje energie (energie vˇetru, vody, slunce atd). Jsou dostupné témˇeˇr kdekoliv a velikost (intenzita) zdroje se mˇen´ı sp´ıˇse v lokáln´ım mˇeˇr´ıtku. R˚ uzné geografické oblasti disponuj´ı r˚ uznou intenzitou daného zdroje. Sluneˇcn´ı energie je v souˇcasné dobˇe obecnˇe nejvyuˇz´ıvanˇejˇs´ı. Donedávna byla dotována státem a je z obnoviteln´ ych zdroj˚ u nejpˇr´ıznivˇejˇs´ı. Pro pouˇzit´ı k temperaci objekt˚ u bez elektˇriny vˇsak svou povahou nemus´ı b´ yt u ´plnˇe vhodná. V´ ykon hlavnˇe v zimn´ıch mˇes´ıc´ıch klesá. ˇ a Republika svou geografickou Energie vˇetrná se k temperaci u nás nevyˇz´ıvá. Cesk´ polohou nedisponuje pˇr´ızniv´ ymi povˇetrnostn´ımi podm´ınkami. Problémem jsou pomˇernˇe vysoké poˇrizovac´ı náklady a n´ızké pr˚ umˇerné rychlosti vˇetru na u ´zem´ı. Vˇetrná turb´ına mus´ı v extrémn´ıch pˇr´ıpadech odolávat pomˇernˇe velk´ ym silám a spolehlivost jej´ı konstrukce se odráˇz´ı na jej´ı cenˇe. Obnovitelné zdroje nejsou konkurenceschopné pˇri souˇcasn´ ych cenách elektrické energie. Vˇetˇsina zaˇr´ızen´ı pro v´ yrobu energie z obnoviteln´ ych zdroj˚ u má typicky vysoké inˇ a Republika a ostatn´ı zemˇe spoleˇcnˇe c´ıl´ı na zv´ vestiˇcn´ı náklady. Cesk´ yˇsen´ı pod´ılu spotˇreby z obnoviteln´ ych zdroj˚ u a sn´ıˇzen´ı emis´ı CO2 . To obecnˇe vede k dlouhodob´ ym plán˚ um podpory obnoviteln´ ych zdroj˚ u a t´ım zvyˇsován´ı jejich ekonomické rentability. V rámci moj´ı práce jsem se rozhodl zkoumat moˇznosti efektivn´ıho vyuˇzit´ı vˇetru pro temperaci rekreaˇcn´ıho objektu. Mou motivac´ı je moˇzné hodnotnˇejˇs´ı vyuˇzit´ı energie oproti prodeji do s´ıtˇe.

Kapitola 2 Situaˇ cn´ı popis V následuj´ıc´ı kapitole budu zkoumat zadan´ y problém. Za u ´ˇcelem vyhodcen´ı si zvol´ım konkrétn´ı stavbu a budu informace urˇcovat pro n´ı. V´ ysledkem jsou základn´ı podklady pro návrh a následné vyhodnocen´ı.

2.1

St´ atn´ı legislativa

ˇ a Republika vyˇsˇs´ı odpovˇednost za svou energeSe vstupem do Evropské Unie pˇrijala Cesk´ tickou politiku. Rada Evropského parlamentu stanovila indikativn´ı c´ıle do budouc´ıch let ˇ e Republice byl v roce 2005 a podporuje vˇsechny státy v dosaˇzen´ı urˇcen´ ych c´ıl˚ u. V Cesk´ pˇrijat Energetick´ y zákon (Zákon ˇc. 180/2005 Sb.), kter´ y vymezuje d´ılˇc´ı c´ıle národn´ıho hospodáˇrstv´ı, nástroje k jejich dosaˇzen´ı a zp˚ usoby jejich kontroly. Pro evropsk´ y pr˚ umˇer byl stanoven pod´ıl obnoviteln´ ych zdroj˚ u energie na hrubé koneˇcné spotˇrebˇe energie 20 % ˇ a republika definovala a do roku 2020, 24 % do roku 2030 a 25 % do roku 2050. Cesk´ pˇrijala své c´ıle v národn´ım akˇcn´ım plánu [1]. Energetick´ y zákon a jeho pozdˇejˇs´ı novely upravuj´ı moˇznosti, jak´ ymi dan´ ych c´ıl˚ u dosáhnout. Základn´ım nástrojem je podpora rozvoje v´ yroben elektrické energie z obnoviteln´ ych zdroj˚ u. Pˇrednostnˇe je kladen d˚ uraz na v´ yrobu elektˇriny. Dalˇs´ımi podporovan´ ymi oblastmi jsou druhotné zdroje a kombinovaná v´ yroba elektˇriny a tepla. Základn´ımi nástroji pro podporu rozvoje jsou: • Jistota návratnosti • Systém v´ ykupn´ıch cen

3

ˇ Í POPIS KAPITOLA 2. SITUACN

4

• Zelen´ y bonus Donedávna dotace na zvyˇsován´ı energetické efektivity rodinn´ ych dom˚ u ˇreˇsil program ”Nová zelená u ´sporám”. Jeho c´ılem bylo motivovat obyvatele k postupnému sniˇzován´ı energetické nároˇcnosti budov (novostaveb i stávaj´ıc´ıch) a sniˇzován´ı emis´ı CO2 . Aby docházelo k v´ ymˇenˇe kotl˚ u na tuhá paliva za ekologicky ˇsetrnˇejˇs´ı varianty, bylo podporováno mnoho typ˚ u alternativn´ıch zdroj˚ u tepla. Podpora se pˇredevˇs´ım t´ ykala kotl˚ u na biomasu, tepeln´ ych ˇcerpadel a solárn´ıch systém˚ u. V´ıtr, jako zdroj tepelné energie ˇ a Republika nedisponuje dostateˇcn´ nen´ı v souˇcasnosti souˇca´st´ı podpory. Cesk´ ym vˇetrn´ ym potenciálem pro rozˇs´ıˇrené vyuˇzit´ı jako zdroje energie. Z hlediska zkoumaného problému nebudu podporu státu uvaˇzovat. Podle posledn´ıch mnou dostupn´ ych informac´ı nebude pro vˇetrnou energii podpora v roce 2016 vypsána. Podporu státu má smysl uvaˇzovat v teoretické u ´rovni bˇehem diskuze ˇreˇsen´ı.

2.2

Um´ıstˇ en´ı vˇ etrn´ e elektr´ arny

Vˇsechny stavby s vˇetˇs´ı rozlohou nebo specifickou konstrukc´ı mus´ı proj´ıt schvalovac´ım ´ ˇr´ızen´ım na oblastn´ım stavebn´ım u ´ˇradˇe. Uzemn´ ım plánem jsou urˇceny základn´ı rysy budouc´ı v´ ystavby v oblasti. U vˇetrn´ ych turb´ın se jedná pˇredevˇs´ım o v´ yˇsku konstrukc´ı jeˇz je plánem stanovena. Kaˇzdá stavba by mˇela odpov´ıdat plánovanému dojmu z nové zástavby. Pˇresná pravidla a podm´ınky budou odliˇsné pro satelitn´ı mˇesto a pro v´ ystavbu na venkovˇe. Kromˇe estetického hlediska a vlivu na krajinu [7] je stˇeˇzejn´ım parametrem budované turb´ıny hluˇcnost. Ochrana lidského zdrav´ı pˇred hlukem je zakotvena v zákonˇe o ochranˇe veˇrejného zdrav´ı (ˇc. 258/2000 Sb.). Konkrétn´ı hodnoty hladin hluku jsou stanoveny naˇr´ızen´ım vlády (ˇc. 148/2006 Sb.). Pˇres den je limit 50 dB a v noci je limit 40 dB [3]. Navrhované vˇetrné turb´ıny mus´ı tyto normy hluku splˇ novat. Menˇs´ı vˇetrné turb´ıny obecnˇe nemaj´ı s tˇemito limity problémy a hlasitost pˇri provozu typicky nepˇrekraˇcuje samotnou hluˇcnost okol´ı p˚ usoben´ım vˇetru. Budu pˇredpokládat, ˇze z pohledu realizace budou m´ıt menˇs´ı vˇetrné elektrárny menˇs´ı problémy s umist’en´ım. Samostatnˇe stoj´ıc´ı elektrárna vˇetˇs´ıch rozmˇer˚ u by nemusela b´ yt povolena. D˚ uvodem m˚ uˇze b´ yt napˇr´ıklad problém s um´ıstˇen´ım v hustˇejˇs´ı zástavbˇe. Tuto problematiku je nutno zkoumat v souvislosti s kaˇzdou realizac´ı samostatnˇe.


2.3

5

Temperace

Základem je vymezen´ı pojmu temperace. Ta nemá obecnˇe pˇrijatou pˇresnou definici. Temperace objekt˚ u je pojem spjat´ y pˇredevˇs´ım s vlastnictv´ım a provozován´ım objekt˚ u s obˇcasn´ ym vyuˇzit´ım. Technicky ji lze popsat jako celoroˇcn´ı udrˇzován´ı teploty nad urˇcitou mezn´ı hodnotou. Tato teplota je pak pˇr´ıliˇs n´ızká pro pobyt, avˇsak d˚ um pˇri n´ı tolik netrp´ı. V zimn´ı obdob´ı nˇekteré prvky (napˇr´ıklad topen´ı s vodn´ım médiem) vyˇzaduj´ı nutnost zazimován´ı. Základn´ım problém je pˇrirozen´ y nár˚ ust vlhkosti pˇri niˇzˇs´ıch teplotách a následná kondenzace vody v objektu. Vnitˇrn´ı vybaven´ı i stavba samotná m˚ uˇze b´ yt vlhkost´ı poˇskozována. Teplotu kritickou Tk (2.1) zvol´ım rovnu 0◦ C. Pˇri poklesu vnitˇrn´ı teploty pod kritickou hodnotu docház´ı k zamrzán´ı vody v objektu. Otopn´ y systém by tak mˇel v rámci temperace udrˇzet teplotu vyˇsˇs´ı neˇz kritickou i pˇri n´ızk´ ych venkovn´ıch teplotách. Tk = 0◦ C

(2.1)

Ve své práci zvol´ım teplotu temperace rovnu 5◦ C. Vˇeˇr´ım, ˇze tato hodnota je pomˇernˇe intuitivn´ı. Rozd´ıl mezi teplotou temperace a teplotou kritickou by mˇel poskytnout dostateˇcnou tepelnou kapacitu pro tepelnou akumulaci na noˇcn´ı proud. Tt = 5◦ C

(2.2)

Objekt je efektivnˇe temperován pokud se vnitˇrn´ı teplota pohybuje mezi teplotou kritickou a teplotou temperace Tt > Tv > Tk

(2.3)

Teplota kritická a teplota temperace jsou nezávislé na zp˚ usobu temperace.

2.3.1

Eletrick´ y proud

Temperace elektrick´ ym proudem je nejjednoduˇsˇs´ı a pravdˇepodobnˇe nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ı variantou. Z technického hlediska umoˇzn ˇuje jednoduchou a snadnou regulaci v´ ykonu. Základn´ı podm´ınkou vˇsech variant je dostateˇcná pˇr´ıpojka elektrického proudu, coˇz nemus´ı b´ yt pro rekreaˇcn´ı a odlehlé objekty splnˇeno. Nejrozˇs´ıˇrenˇejˇs´ımi moˇznostmi jsou: • Pˇr´ımotop • Elektrokotel


6

• Tepelné ˇcerpadlo Efektivita vˇsech elektrick´ ych typ˚ u vytápˇen´ı je urˇcena topn´ ym faktorem. Ten urˇcuje mnoˇzstv´ı vyprodukované tepelné energie na jednotku energie elektrické. Hodnota vyjadˇruje pomˇer z´ıskaného tepla k pouˇzité elektrické energii [5]. |∆Q| [−] (2.4) ∆W Pˇr´ımotopy jsou nejlevnˇejˇs´ı a nejsnaˇzˇs´ı variantou temperace. Hlavn´ı nev´ yhodou této vaCOP =

rianty jsou pomˇernˇe vyˇsˇs´ı variabiln´ı náklady na vytápˇen´ı (vzhledem k vytápˇen´ı tuh´ ymi palivy). D˚ uleˇzité je dbát na celkov´ y v´ ykon a rozloˇzen´ı pˇr´ımotop˚ u. Elektrokotel je realizován samostatnˇe nebo v kombinaci s jin´ ym druhem paliva. Temperován´ı prob´ıhá pouze elektˇrinou. Sekundárn´ı druh paliva je vyuˇz´ıván bˇehem pobytu obyvatel v objektu s typicky levnˇejˇs´ımi topn´ ymi náklady. Elektrokotel m˚ uˇze b´ yt vyuˇz´ıván v objektech s centráln´ım otopn´ ym systémem (napˇr´ıklad samospádové topen´ı s vodn´ım médiem). Topn´ y faktor pˇr´ımotopu a elektrokotle je roven pˇribliˇznˇe jedné (COP ≈ 1). Tepelná ˇcerpadla jsou modern´ım zp˚ usobem vytápˇen´ı. Existuje nˇekolik principeln´ıch ˇreˇsen´ı, které se oznaˇcuj´ı podle ochlazovaného a ohˇr´ıvaného média. Jednotlivé principy se liˇs´ı efektivitou, v´ ykonem a pˇredevˇs´ım cenou. Dle poˇzadovaného v´ ykonu je nutno zvolit efektivn´ı a dostupn´ y typ. Topn´ y faktor se pohybuje pˇribliˇznˇe v rozmez´ı 2 < COP < 10. Niˇzˇs´ı topné faktory odpov´ıdaj´ı jednoduch´ ym a levn´ ym realizac´ım.

2.3.2

Plyn

Efektivn´ı a jednoduchou variantou je vyuˇzit´ı plynu pro temperaci (napˇr. zemn´ı plyn). Bˇeˇznˇe jsou k dostán´ı plynové kotle nebo kotle na tuhá paliva s pˇr´ıdavn´ ym plynov´ ym hoˇrákem. Systém je automaticky ˇr´ızen ˇr´ıd´ıc´ı jednotkou. Variabiln´ı náklady jsou niˇzˇs´ı ve srovnán´ı s temperaci pˇr´ımotopy. Vyuˇzit´ı tohoto zp˚ usobu je spjato s vyˇsˇs´ımi investiˇcn´ımi náklady neˇz realizace pˇr´ımotop˚ u. Podm´ınkou je pˇr´ıpojka plynu nebo zásobn´ık na plyn.

2.3.3

Dˇ revˇ en´ e pelety

Automatické kotle na pelety mohou temperovat objekt bez zásahu uˇzivatele. Doba temperace z jednoho naplnˇen´ı peletami je pˇr´ımo závislá na velikosti zásobn´ıku, v´ yhˇrevnosti pelet a u ´ˇcinosti spalován´ı kotle. Tento zp˚ usob nab´ız´ı jedny z nejniˇzˇs´ıch variabiln´ıch náklad˚ u


7

na temperaci. Nev´ yhodou je, oproti ostatn´ım variantám, nutnost pravideln´ ych návˇstˇev za u ´ˇcelem doplnˇen´ı zásobn´ıku peletami.

2.3.4

Sol´ arn´ı energie

Solárn´ı energie je v souˇcasnosti pouˇzitelnou moˇznost´ı pro celoroˇcn´ı pˇr´ıpravu teplé vody a v´ yrobu tepla. V minulosti nav´ıc byl tento typ masivnˇe podporován. Energii sluneˇcn´ıho záˇren´ı lze na uˇziteˇcnou energii pˇremˇenit dvˇema základn´ımi zp˚ usoby • Sluneˇcn´ı kolektory : Zachycené sluneˇcn´ı záˇren´ı pˇredá svou energii ohˇr´ıvanému médiu. Hlavn´ı v´ yhodou je jednoduch´ y a levn´ y princip. • Fotovoltaické panely : Energie zachyceného sluneˇcn´ıho záˇren´ı je pˇr´ımo pˇremˇenˇena na elektrickou energii. Ta pak m˚ uˇze b´ yt pˇremˇenˇena na energii tepelnou nebo vyuˇzita k pohonu jin´ ych zaˇr´ızen´ı produkuj´ıc´ıch teplo. Zisky ze sluneˇcn´ıch kolektor˚ u a fotovoltaick´ ych panel˚ u pˇr´ımo koreluj´ı s venkovn´ı teplotou a roˇcn´ım obdob´ım. Mnou zkoumané obdob´ı pˇredstavuje pro pˇremˇenu energie ze slunce velmi nev´ yhodn´ y ˇcasov´ y u ´sek. Vyuˇzit´ı solárn´ı energie primárnˇe k temperaci pravdˇepodobnˇe nenajde rozsáhlé vyuˇzit´ı.

2.3.5

Vˇ etrn´ a energie

V´ıtr se v souˇcasnosti nevyuˇz´ıvá jako zdroj vytápˇen´ı. Spoleˇcn´ ym problémem sluneˇcn´ı a vˇetrné energie je nerovnomˇernost jejich v´ ykonu a n´ızká hustota energie. Vˇetrná energie m˚ uˇze b´ yt pˇremˇenˇena na elektˇrinu a ta uloˇzena do akumulaˇcn´ıho systému. Základn´ım problémem tohoto pˇr´ıstupu vˇsak je samotná akumulace energie. Systémy jsou vˇetˇsinou pˇrizp˚ usobeny na stálé ˇci krátkodobé intenzivin´ı nab´ıjen´ı. Akumulaˇcn´ı systém mus´ı b´ yt pˇrizp˚ usoben nerovnomˇernosti ve v´ ykonu vˇetrné elektrárny V souˇcasnosti je taková akumulace moˇzná, avˇsak po nav´ yˇsen´ı investiˇcn´ıch náklad˚ u [16]. V testovac´ım provozu je uvaˇzován systém v´ yroby elektrické energie vˇetru a jeho následná akumulace ˇci napájen´ı tepelného ˇcerpadla [24]. Vˇetrná energie je pro tento provoz sp´ıˇse dodateˇcn´ ym zdrojem energie. Vytápˇen´ı zaloˇzené jen a pouze na vˇetrné energii realizováno nen´ı.


2.3.6

8

Offgrid syst´ emy

Offgrid systém je zaˇr´ızen´ı, jeˇz ke své ˇcinnosti nevyˇzaduje pˇripojen´ı k elektrické s´ıti a souˇcasnˇe je zcela autonomn´ı [23]. O tˇechto systémech mluv´ıme pˇredevˇs´ım v souvislosti s lokalitami, kde nen´ı elektrické pˇripojen´ı k dispozici, ˇci by bylo ekonomicky nev´ yhodné pˇripojen´ı realizovat. Z hlediska vytápˇen´ı jsou plnˇe autonomn´ımi pouze systémy zaloˇzené hlavnˇe na obnoviteln´ ych zdroj´ıch. Vˇetˇsina systém˚ u ke svému chodu vyˇzaduje elektrickou energii. Ta potom vˇetˇsinou pocház´ı z bateri´ı ˇci obnoviteln´ ych zdroj˚ u (energie vˇetru, vody, slunce). Tyto autonomn´ı systémy se obecnˇe skládaj´ı ze zdroje elektrické energie, akumulátoru, ˇr´ıd´ıc´ı jednotky a zdroje tepla. Autonomn´ı realizace maj´ı vyˇsˇs´ı investiˇcn´ı náklady, které znatelnˇe rostou se zvyˇsuj´ıc´ımi se nároky na spolehlivost systému. Fináln´ı ˇreˇsen´ı je pak navrˇzené pˇr´ımo pro dan´ y objekt. V práci se zab´ yvám primárnˇe vˇetrnou energi´ı ve vztahu k temperaci. Z pˇredchoz´ıho popisu vypl´ yvá, ˇze vˇetrná energie by pravdˇepodobnˇe fungovala jako elektrárna pro primárn´ı zdroj vytápˇen´ı. V pˇr´ıpadˇe vynikaj´ıc´ıch povˇetrnostn´ıch podm´ınek by bylo moˇzno teoreticky ˇreˇsit autonomitu systému. V mém pˇr´ıpadˇe vˇsak tyto podm´ınky nenastanou.

2.4

Popis rekreaˇ cn´ıho objektu

Pro objektivn´ı návrh systému temperace je vhodné vztahovat v´ ypoˇcty na reáln´ y objekt. Návrh pro skuteˇcn´ y objekt dále m˚ uˇze nab´ıdnout snadné porovnán´ı s funguj´ıc´ım (referenˇcn´ım) modelem temperace. Také lze lépe zkoumat dalˇs´ı problémy a specifika s problematikou spojená. Pro ohodnocen´ı mnoˇzstv´ı u ´spory potˇrebuji znát tepelnou ztrátu objektu. Pro pˇresnˇejˇs´ı pˇredstavu o hodnotˇe uspoˇrené energie je d˚ uleˇzité znát tepelnou kapacitu budovy. Základn´ımi informacemi pro urˇcen´ı tˇechto hodnot obsahuje technick´ y popis kontrukce budovy.

2.4.1

Zkouman´ y objekt

Jako referenˇcn´ı objekt jsem zvolil rekreaˇcn´ı chalupu v obci Zbilidy na Jihlavsku. Obec ˇ se nacház´ı v Ceskomoravsk´ e vrchovinˇe v nadmoˇrské v´ yˇsce pˇribliˇznˇe 650 m. n. m. V oblasti objektu dosahuje rychlost vˇetru pˇribliˇznˇe celorepublikového pr˚ umˇeru. D´ıky známosti


9

s majitelem nemovitosti mám k dispozici potˇrebné dokumenty a mohu snáze urˇcit a porovnat zjiˇstˇené u ´daje se skuteˇcnost´ı.

Obr´ azek 2.1: Lokace referenˇcn´ıho objektu

Stavba byla zkolaudována kolem roku 1927. Objekt je pˇribliˇznˇe z 30ti procent podsklepen´ y. Základem podlah je 5 cm perlitového betonu a 5 cm klasického betonu. Pod touto vrstvou je pˇr´ıprava na vzduˇsné vytápˇen´ı. Vnˇejˇs´ı zdi jsou vystavˇeny z p´ıskovcov´ ych blok˚ u. Vˇsechny vnitˇrn´ı pˇr´ıˇcky jsou z pálen´ ych cihel. Vyj´ımkou je nosná zed’ uprostˇred objektu, jeˇz je taktéˇz vystavˇena z p´ıskovcov´ ych blok˚ u. Stropy jsou klenuté z pálen´ ych cihel, polystyrenové izolaˇcn´ı vrstvy a vrstvy 10 cm betonu. Podkrov´ı je nevytápˇené a stˇrecha je izolována skelnou vatou. V souˇcasnosti je stavba pouˇz´ıvána jako chalupa a v dobˇe nepˇr´ıtomnosti obyvatel je temperována pˇr´ımotopy. Otopn´ y systém je bˇeˇznˇe napuˇstˇen vodou. V zimn´ım obdob´ı vˇsak b´ yvá voda vypuˇstˇena a systém je zazimován.

2.4.2

Konstrukce objektu

Energetické vlastnosti objektu urˇcuje pˇredevˇs´ım vnitˇrn´ı uspoˇra´dán´ı a materiály, z nichˇz je objekt vystavˇen. Základem je velikost vytápˇeného prostoru. Tu mohu stanovit z technick´ ych plán˚ u A. Spoˇctené rozmˇery se nalézaj´ı v tabulce 2.1. Z tˇechto základn´ıch informac´ı vyjdu pˇri urˇcen´ı tepelné kapacity a tepelné ztráty.


10

Délka budovy ˇıˇrka budovy S´ V´ yˇska stropu ˇıˇrka - zed’ S S´

ll

m

18,5

lw

m

7,3

lh

m

3,0

wS

m

0,6

wJ

m

0,35

ˇıˇrka - zed’ J S´ ˇıˇrka - zed’ Z S´ ˇıˇrka - zed’ V S´

wZ

m

0,67

wV

m

0,67

Podlahová plocha

Sp

m2

104,8

Zastavˇená plocha

Sz

m2

135,3

Podlaha nad sklepem

Ss

m2

24,3

Vnitˇrn´ı objem

Vi

m3

314,5

Ve

3

406

Vnˇejˇs´ı objem

m

Tabulka 2.1: Rozmˇery referenˇcn´ıho objektu

2.4.3

Kˇ rivka trv´ an´ı teplot v oblasti

Pro urˇcen´ı tepelné ztráty potˇrebuji znát teplotn´ı podm´ınky v oblasti. Nejv´ıce vypov´ıdaj´ıc´ı informaci poskytuj´ı mˇeˇren´ı v meteorologick´ ych stanic´ıch v obci a okol´ı. Pˇr´ıstup k pˇresn´ ym informac´ım nemám. Ménˇe pˇresné, avˇsak dostaˇcuj´ıc´ı informace mohu z´ıskat v´ ypoˇctem. Tvar kˇrivky trván´ı teplot je urˇcen rovnic´ı [15, Strana 72] ϑ = (1 − v)0,985v

−0,626

, ϑ ∈< 0; 1 >, v ∈< 0; 1 >

(2.5)

kde ϑ je bezrozmˇernou promˇennou urˇcuj´ıc´ı pomˇern´ y rozd´ıl teplot. Vycház´ı z rovnice ϑ=

tmax − te tmax − tmin

(2.6)

Z rovnice m˚ uˇzeme vyjádˇrit te a t´ım dostaneme v´ yslednou teplotu pro vstupn´ı parametr ϑ te = tmax − ϑ(tmax − tmin )

(2.7)

Teploty tmax a tmin jsou stanoveny pro dáne otopné obdob´ı. Teplota tmin pˇredstavuje minimáln´ı teplotu bˇehem otopného obdob´ı. Nejedná se o teplotu extrémn´ı, ale ploˇsnˇe namˇeˇrenou. Pokud venkovn´ı teplota klesne pod tmax celistvˇe na urˇcitou dobu (typicky dva dny) zaˇc´ıná otopná sezona. Teploty jsou vztaˇzeny k oblasti a jejich hodnota m˚ uˇze b´ yt jeˇstˇe sn´ıˇzena pro vyˇsˇs´ı nadmoˇrské v´ yˇsky [4]. tmax = 13◦ C

(2.8)


11

Obr´ azek 2.2: Kˇrivka trván´ı teplot pro (2.9), (2.8) a (2.11)

tmin = −18◦ C

(2.9)

Parametr v v rovnici (2.5) pˇredstavuje ˇcasov´ y rozmˇer kˇrivky. Transformaci do rozmˇeru dn˚ u (hodin) lze provést vztahem: τ (2.10) d Kde d je délka otopného obdob´ı a τ je doba trván´ı ve stejném rozmˇeru jako d. Délka v=

otopného obdob´ı je urˇcena teplotou tmax , pro (2.8) je jej´ı velikost: d = 257 dn˚ u

(2.11)

Rozˇs´ıˇren´ım rovnice (2.5) o rozmˇery z rovnic (2.7) a (2.10) dostanu v´ ysledn´ y tvar, kter´ y vyjadˇruje teoretickou závislot teploty na délce trván´ı. V´ ysledná kˇrivka je zobrazena na grafu obr. 2.2. Standardnˇe jsou tepelné ztráty vztaˇzeny k vnitˇrn´ı teplotˇe objektu pohybuj´ıc´ı se kolem 20◦ C. Doba topného obdob´ı je pro temperaci kratˇs´ı d´ıky niˇzˇs´ı uvaˇzované vnitˇrn´ı teplotˇe (2.3). Podle kˇrivky trván´ı teplot je teplota niˇzˇs´ı ˇci rovna teplotˇe temperace (2.3) po dobu d5 = 167 dn˚ u Nyn´ı mám potˇrebné podklady pro urˇcen´ı tepelné ztráty objektu.

(2.12)


2.4.4

12

Tepeln´ a ztr´ ata objektu

Pro lepˇs´ı pˇredstavu o hodnotˇe uspoˇrené energie potˇrebuji znát tepelnou ztrátu objektu. Tepelná ztráta vycház´ı ze vzorce QC = QHT + QV + QS + QO

(2.13)

Kde QC je celková tepelná ztráta, QHT ztráta prostupem tepla, QV ztráta v´ ymˇenou vzduchu, QS solárn´ı zisky a QO ostatn´ı vnitˇrn´ı zisky. Vˇsechny ztráty a zisky jsou urˇcovány ke stejnému temperaˇcn´ımu obdob´ı. Hlavn´ım zdrojem ztráty jsou ztráty prostupem tepla. Obecnˇe lze tepelné ztráty objektu prostupem tepla (energii unikaj´ıc´ı z objektu) vyjádˇrit vzorcem [25, Strana 25] HT = LD + LS + HU

(2.14)

Kde HT je ztráta prostupem tepla, LD je tepelná propustnost pláˇstˇem budovy, LS ztráta pˇres zeminu a HU mˇerná ztráta prostupem pˇres nevytápˇené prostory. V´ ysledná tepelná ztráta obsahuje jeˇstˇe dalˇs´ı menˇs´ı bilanˇcn´ı toky [25, Kapitola 3]. • Vnitˇrn´ı tepelné zisky z jin´ ych zdroj˚ u neˇz otopné soustavy (napˇr. pˇri pˇr´ıpravˇe pokrm˚ u). Ve v´ ypoˇctech budu pˇredpokládat, ˇze tyto zisky jsou rovny nule. C´ılem je temperace v dobˇe, kdy nen´ı obydl´ı ob´ yváno. • Tepelné ztráty vznikaj´ı unikaj´ıc´ım tepl´ ym vzduchem a jeho náhradou za vzduch studen´ y. Vˇetrán´ı je v zimnˇe minimáln´ı, proto budu uvaˇzovat pouze pasivn´ı prodyˇsnost. • Pasivn´ı solárn´ı zisky jsou zp˚ usobeny pˇredevˇs´ım pr˚ unikem sluneˇcn´ıch paprsk˚ u pˇres prosklené plochy objektu. Jejich vliv je minimáln´ı a pro zjednoduˇsen´ı je zanedbám. ˇ V´ ypoˇcet jednotliv´ ych ztrát/zisk˚ u urˇcuj´ı CSN normy a jejich v´ ypoˇcet je komplexn´ı teoretickou procedurou. Pro potˇreby mé práce nen´ı nutno znát pˇresnou hodnotu tepelné ztráty. Proto jsem vybral jeden z dostupn´ ych kalkulátor˚ u [21]. Rozmˇery budovy se nalézaj´ı v tabulce 2.1. D˚ uleˇzitou roli hraj´ı kvalitativn´ı vlastnosti objektu a jeho uspoˇrádán´ı. S ohledem na vlastnosti objektu 2.4.2 je moˇzno odhadnout fyzikáln´ı vlastnosti obálky ohraniˇcuj´ıc´ı vytápˇen´ y prostor. V tabulce 2.2 jsou podle normy 1 urˇceny honoty prostupu tepla Ui [W m−2 K −1 ] urˇcuj´ıc´ı velikost ztrátového v´ ykonu jednotkovou plochou pˇri jednotkovém rozd´ılu vnˇejˇs´ı a vnitˇrn´ı 1ˇ

CSN 73 0540-2:2007


13

teploty a bezrozmˇern´ y ˇcinitel teplotn´ı redukce bk , kter´ y urˇcuje redukovanou ztrátu prostupem pˇres nevytápˇené prostory HU 2 . Z hlediska temperace budu povaˇzovat temperovan´ y prostor za ˇca´steˇcnˇe vytápˇen´ y. Teplotn´ı spád nen´ı tak velk´ y a prostup tepla pˇres nevytápˇené prostory bude prob´ıhat zpomalenˇe. S

Ui

bk

Podlaha na terénu

80,6

3,1

0,4

Podlaha nad sklepem

24,3

3,1

0,29

Strop

104,8 0,51 0,29

Zed’ J

50,9

1,3

0,9

Zed’ Z

17,1

1,5

1

Zed’ S

50,9

1,3

1

Zed’ V

21,9

2,6

0,2

Okna

14,3

2,35 0,82

Dveˇre

6,3

4,7

0,49

Tabulka 2.2: Kvalitativn´ı parametry objektu

Ztrátov´ y v´ ykon na jednotkov´ y rozd´ıl vnitˇrn´ı a vnˇejˇs´ı teploty mi vyˇsel PZ ∼ = 350 WK −1

(2.15)

Teplo ztracené za celé temperaˇcn´ı obdob´ı mohu urˇcit z doby trván´ı venkovn´ı teploty (obr. 2.2). S ohledem na temperaci je energie ztrácena pouze v pˇr´ıpadˇe, kdy venkovn´ı teplota klesne pod teplotu temperace 5 ◦ C (2.3). Z v´ ysledk˚ u kapitoly 2.4.3 vycház´ı doba temperaˇcn´ı sezóny d5 rovna pˇribliˇznˇe 167 dn˚ u (2.12). Ztrátová energie vycház´ı z plochy pod kˇrivkou trván´ı teplot, kterou mohu zapsat integrálem Z d5 Q= P (τ )dτ

(2.16)

0

Kde P (τ ) je ztrátov´ y v´ ykon pro danou venkovn´ı teplotu. Rozepsán´ım rovnice z´ıskám fináln´ı tvar

Z

d5

PZ · (tt − t(τ ))dτ

QZC =

(2.17)

0

Kˇrivka trván´ı teplot vyjádˇrená funkc´ı t(τ ) je dle kapitoly 2.4.3 pro integraci nároˇcná. V´ ypoˇcet si zjednoduˇs´ım sumac´ı obéln´ık˚ u pod kˇrivkou. Budu poˇc´ıtat s ˇs´ıˇrkou jednu hodinu 2

[19]


14

a v´ yˇskou rovnou ztrátovému v´ ykonu uprostˇred intervalu. Touto metodou z´ıskám velikost plochy pod kˇrivkou. Jelikoˇz kˇrivka trván´ı teplot nemá ˇzádné rychle se mˇen´ıc´ı pasáˇze, bude se v´ ysledek pouze drobnˇe liˇsit od reálné hodnoty z´ıskané integrac´ı. Takto spoˇc´ıtám tepelnou ztrátu podle následuj´ıc´ıho vztahu d5 X

QZ =

PZ · (tt − t(i)) · T

(2.18)

i=0

kde t(i) je teplota v ˇcase i zjiˇstˇená z kˇrivky trván´ı teplot a T je perioda. Pro referenˇcn´ı objekt mi vyˇsla tepelná ztráta podle vztahu (2.18) rovna . QZ = 9,3 M W h

(2.19)

Tepelná ztráta je d˚ uleˇzitá pro konfrontaci s velikost´ı u ´spory. Pˇri u ´spoˇre bl´ıˇz´ıc´ı se samotné spotˇrebˇe energie je nutno pˇristoupit k ohodnocen´ı energie peˇclivˇeji.

2.4.5

Tepeln´ a kapacita objektu

Tepelná kapacita je dalˇs´ı d˚ uleˇzitou charakteristickou vlastnost´ı objektu. Urˇc´ım ji jako sumu tepeln´ ych kapacit vˇsech vnˇejˇs´ıch i vnitˇrn´ıch stˇen, podlah a strop˚ u. Tepelná kapacita vzduchu a vybaven´ı je zanedbatelná vzhledem k mnohonásobnˇe vyˇsˇs´ı tepelné kapacitˇe zdiva [17]. Tepelnou kapacitu zdiva spoˇc´ıtám jako C =c·δ

(2.20)

kde c je mˇerná tepelná kapacita materiálu zdiva v Jkg −1 K −1 , δ je hustota zdiva v m3 kg −1 . Celkové teplo akumulované v˚ uˇci souˇcasné venkovn´ı teplotˇe spoˇc´ıtám ze vztahu QK = (te − tint )

n X

Ci · Vi

(2.21)

i=1

kde te je velkovn´ı teplota v Kelvinech, tint je vnitˇrn´ı teplota v kelvinech, Ci je objemová tepelná kapacita i-tého zdiva s rozmˇerem Jm−3 K −1 a Vi je objem i-tého zdiva v m3 . Referenˇcn´ı objekt, podle projektové dokumentace a parametr˚ u v kapitole 2.4.1, má hodnoty uvedné v tabulce (tabulka 2.3) [2]. Na základˇe tˇechto hodnot mohu vypoˇc´ıtat pˇribliˇznou hodnotu tepelné kapacity.


15 Materiál

V

C

ρ

Vnˇejˇs´ı stˇeny

P´ıskovec

91,5 720 1800

Vnitˇrn´ı stˇeny

Cihly

19,9 877 1237

Podlaha

Beton

21

645 1150

Beton + Cihly

21

830 1220

Strop

Tabulka 2.3: Tepelnˇe-kapacitn´ı parametry budovy

V´ ysledná hustota a tepelná kapacita je váˇzen´ ym pr˚ umˇerem materiál˚ u z nichˇz je okrajová plocha otopné zóny vystavˇena. V´ ysledná kapacita referenˇcn´ıho objektu dle vztahu (2.21) pro rozd´ıl mezi teplotou temperace a teplotou kritickou rovna . QK = 0,9 GJ = 0,25 M W ht

(2.22)

pro te odpov´ıdaj´ıc´ı teplotˇe kritické 0 ◦ C (2.1) a ti odpov´ıdaj´ıc´ı teplotˇe temperaˇcn´ı 5 ◦ C (2.3). Pr˚ ubˇeh vnitˇrn´ı teploty pˇri chladnut´ı objektu je velmi sloˇzit´ y termodynamick´ y proces v jehoˇz pr˚ ubˇehu nen´ı teplota uvnitˇr objektu rovnomˇerná. Pro zkoumán´ı spolehlivosti systému mne zaj´ımá ˇcasová konstanta vychladnut´ı. Doba bˇehem n´ıˇz vnitˇrn´ı teplota klesne na teplotu kritickou 0 ◦ C (2.1). Relaxaˇcn´ı konstanta je urˇcena rovnic´ı dt ∆T = dτ τ0 kde τ0 je relaxaˇcn´ı konstanta, τ je ˇcas bez vytápˇen´ı, chové teploty v Ks−1 .

(2.23) dt je rychlost poklesu vnitˇrn´ı povrdτ

Jelikoˇz jiˇz znám tepelnou ztrátu objektu, tepelnou kapacitu objektu a budu pˇredpokládat velmi krátké ˇcasové u ´seky, mohu po mal´ ych kroc´ıch v´ yslednou charakteristiku vypoˇc´ıtat.


16

Obr´ azek 2.3: Pr˚ ubˇeh vnitˇrn´ı teploty v ˇcase pˇri nefunkˇcn´ım otopném systému.

Z grafu obr. 2.3 mohu urˇcit, ˇze pˇri minimáln´ı teplotˇe te = −18◦ C (2.9) teplota v objektu poklesne na kritickou teplotu pˇribliˇznˇe za . Tkrit = 35 hodin

(2.24)

Mohu proto pˇredpokládat, ˇze pro vytápˇen´ı je dostaˇcuj´ıc´ı vytápˇen´ı na noˇcn´ı proud. Kapacita je dostateˇcná, aby nebylo tˇreba objekt vytápˇet pˇres den. Tento v´ ysledek potvrzuje, ˇze zvolenou teplotu temperace nen´ı tˇreba pˇrehodnotit.

2.4.6

Povˇ etrnostn´ı podm´ınky v oblasti

Pr˚ umˇerná rychlost vˇetru je zásadn´ı pro zhodnocen´ı realizované vˇetrné elektrárny. Optimáln´ı by bylo mˇeˇrit rychlost vˇetru pˇr´ımo v m´ıstˇe, kde se bude vˇetrná elektrárna nacházet. To je vˇsak ˇcasovˇe i finanˇcnˇe nároˇcné na následné zhodnocen´ı. ´ ˇ dlouhodobˇe vyuˇz´ıvá tˇri základn´ı modely pro v´ Ustav fyziky atmosféry AV CR ypoˇcet ˇ a zobrazen´ı pr˚ umˇern´ ych rychlost´ı vˇetru na u ´zem´ı Ceské republiky. Kaˇzd´ y model nab´ız´ı trochu jin´ y pohled na povˇetrnostn´ı podm´ınky na základˇe namˇeˇren´ ych dat. Graficky vyobrazené podm´ınky na urˇcitém u ´zem´ı se naz´ yvaj´ı Vˇetrné mapy. V´ ysledná mapa je pak syntézou bˇeˇznˇe uˇz´ıvan´ ych model˚ u [11, D´ıl I]


17

ˇ e republiky 2012 Obr´ azek 2.4: Vˇetrná mapa Cesk´

Pˇredpokládám pouˇzit´ı menˇs´ıch elektráren. Pro ty lze povaˇzovat rychlost v 10 m nad povrchem za objektivn´ı vzhledem k technické realizaci. Oodeˇc´ıst reálnou hodnotu z vˇetrné mapy by bylo sp´ıˇse tipován´ım. Rozhodl jsem se kontaktovat Oddˇelen´ı meteorologie Akademie Vˇed. Mgr. David Hanslian. Dle vˇetrn´ ych model˚ u urˇcil, ˇze rychlost vˇetru ve v´ yˇsce 10 metr˚ u (nad zkouman´ ym objektem) bude maximálnˇe rovna celorepublikovému pr˚ umˇeru. V dalˇs´ıch v´ ypoˇctech budu pˇredpokládat pr˚ umˇernou rychlost vˇetru vp = 3,5 ms−1

2.4.7

(2.25)

Distribuˇ cn´ı rozdˇ elen´ı vˇ etru

Pro u ´plnost si urˇc´ım distribuˇcn´ı rozdˇelen´ı vˇetru. Tato informace je vhodná pro pˇresnˇejˇs´ı urˇcen´ı a pˇredstavu o energii vyrábˇené elektrárnou. Znalost náhodnosti a nestálosti vˇetru je nutno m´ıt na pamˇeti pˇri zkoumán´ı vztah˚ u mezi elektrárnou a temperovan´ ym objektem. Okamˇzitou rychlost vˇetru lze pro jeho náhodnou povahu

3

popsat jako náhodnou

veliˇcinu. Vˇetˇsinou je rychlost vˇetru aproximována Rayleighov´ ym rozdˇelen´ım [12, D´ıl II]. To je speciáln´ım pˇr´ıpadem Weibullova rozdˇelen´ı k−1

f (x, k, A) =

k·x Ak

−

·e

x !k A ,x > 0

(2.26)

kde x[−] náhodnˇe promˇenná rychlost vˇetru, k[−] tvarov´ y parametr roloˇzen´ı a A[ms−1 ] urˇcuje rozmˇer rozdˇelen´ı. 3

Obecnˇe to u ´plnˇe neplat´ı, protoˇze rychlost vˇetru se nikdy skokovˇe nemˇen´ı bˇehem okamˇziku


18

Obr´ azek 2.5: Weibullovo rozdˇelen´ı pro A = 3,95 m/s a k = 2

Rayleighovo rozdˇelen´ı je specifické parametrem k rovn´ ym hodnotˇe 2 [13]. Parametr A lze aproximovat podle vztahu A≈

vp 0,886

(2.27)

Pro odeˇctenou hodnotu vp má distribuˇcn´ı funkce tvar −

f (x) = 0,128 · x · e

x !2 3,95 , x > 0

(2.28)

Z hlediska temperace je vhodné zkoumat korelaci rychlosti vˇetru s roˇcn´ım obdob´ım, potaˇzmo venkovn´ı teplotou. Diagram (obr. 2.6) [24] naznaˇcuje, ˇze vˇetˇs´ı intenzity vˇetru se projevuj´ı v zimn´ıch mˇes´ıc´ıch a v´ıce v noˇcn´ıch hodinách. Samozˇrejmˇe by bylo mylné na tomto faktu systémy navrhovat, ale je moˇzno ˇr´ıci, ˇze systém, navrˇzen´ y pro rovnomˇernou intenzitu bˇehem celého roku je defensivn´ı variantou a pro reáln´ y systém budou platit pˇr´ıznivˇejˇs´ı podm´ınky.


Obr´ azek 2.6: Intenzita vˇetru v pr˚ ubˇehu roku

19

Kapitola 3 Anal´ yza syst´ emu temperace vˇ etrem Zkouman´ y objekt se nacház´ı ve stávaj´ıc´ı zástavbˇe. Z toho plynou omezen´ı na technické parametry turb´ıny. Turb´ına vˇetˇs´ıch rozmˇer˚ uu ´mˇernˇe zvyˇsuje zvukovou i estetickou zátˇeˇz. Nen´ı moˇzno postavit stoˇza´r s elektrárnou uprostˇred zástavby. Na trhu jsou k dostán´ı elektrárny velikosti mikro. D´ıky malé velikosti do 2 m pr˚ umˇeru a n´ızké hmotnosti mohou b´ yt um´ıstˇeny na stˇrechu objektu. Bˇeˇznˇe se v´ ykon takov´ ych turb´ın pohybuje do 500W. V dobˇe vyˇsˇs´ıch teplot a vˇetˇs´ı rychlosti vˇetru by mohlo docházet k neefektivn´ımu vyuˇz´ıt´ı energie, protoˇze vnitˇrn´ı prostor objektu by byl ohˇr´ıván nad teplotu temperace. Energie by tak nebyla vyuˇzita efektivnˇe. Za efektivnˇe vyuˇzitou energii budu uvaˇzovat energii vyuˇzitou k vytápˇen´ı v dobˇe, kdy je teplota niˇzˇs´ı neˇz teplota temperace nebo vyuˇzita alternativnˇe, avˇsak efektivnˇe. Pˇredevˇs´ım na zaˇcátku a konci temperaˇcn´ıho obdob´ı je tˇreba zkoumat efektivn´ı uˇzit´ı energie. V zásadˇe se jedná o uskladnˇen´ı energie pˇres den na vyuˇzit´ı v noˇcn´ıch hodinách, kdy teplota poklesne. Alternativami jsou vyuˇzit´ı energie pro jin´ y uˇzitek, pˇr´ıkladem m˚ uˇze b´ yt nab´ıjen´ı bateri´ı ˇci prodej elektrické energie do s´ıtˇe. Mimo temperaˇcn´ı obdob´ı pˇredpokládám, ˇze elektrárna bude v provozu a vyrábˇet energii. Tuto energii je tˇreba také efektivnˇe vyuˇz´ıt, protoˇze v opaˇcném pˇr´ıpadˇe (neodpojen´ı a nevyuˇzit´ı) by ohˇr´ıván´ı otopného systému zp˚ usobovalo pouze pot´ıˇze a hodnotu energie bych mohl povaˇzovat dokonce za negativn´ı.

20

´ ´ ˇ KAPITOLA 3. ANALYZA SYSTEMU TEMPERACE VETREM

3.1

21

Cena uˇ setˇ ren´ e energie

Pokus´ım se pˇribliˇznˇe urˇcit cenu elektrické energie. Vyjdu ze souˇcasn´ ych sazeb pro rok 2015 uvádˇen´ ych v cen´ıku EON, jeˇz do objektu elektrickou energii dodává. Bˇehem zkoumán´ı tepelné kapacity objektu jsem urˇcil, ˇze pro temperaci postaˇcuje temperace v dobˇe noˇcn´ıho proudu. Cenu uspoˇrené energie proto urˇc´ım rovnu cenˇe elektˇriny v noˇcn´ım tarifu. V objektu je instalován jistiˇc o jmenovité hodnotˇe 3x32A. Spoleˇcnost EON dodává do objektu energii v tarifu D25d. Dle aktuáln´ıho cen´ıku se cena v n´ızkém tarifu pohybuje mezi 1,9 - 2 Kˇc/kWh [9] v závislosti na zvoleném produktu. Dle faktury za dodávku energie v objektu je se tato cena bl´ıˇz´ı k 2 korunám. Nadále tedy budu pouˇz´ıvat tuto cenu pro ohodnocen´ı u ´spory Kˇ c (3.1) kW h V pˇr´ıpadˇe, ˇze je elektrické energie vyrábˇeno vˇetˇs´ı mnoˇzstv´ı neˇz je moˇzno jakkoliv cQ = 2

skladovat k pozdˇejˇs´ımu ekonomickému vyuˇzit´ı, je nutno energii prodávat do s´ıtˇe. Pro tento pˇr´ıpad stanov´ım cenu takto prodávané energie jako Kˇ c (3.2) kW h Jelikoˇz se tato cena mˇen´ı, pˇredpokládám jistou chybu v jej´ım ocenˇen´ı. Vlivem této cE = 1

chyby se budu zab´ yvat v citlivostn´ı anal´ yze.

3.2

Varianta A - Air Breeze 160W

Prvn´ı návrh se op´ırá o vyuˇzit´ı malé elektrárny. Pro u ´ˇcely vyhodnocen´ı jsem zvolil Air Breeze, která je k dostán´ı i na ˇceském trhu. V´ yhodou této elektrárny je jej´ı velikost mikro. Elektrárna má plochu rotoru pouze 1, 07 m2 . Takto malá elektrárna by mohla b´ yt um´ıstˇena na stˇrechu objektu. Elektrárna disponuje minimáln´ımi rozmˇery, coˇz usnadˇ nuje efektivn´ı vyuˇzit´ı energie. Základn´ımi parametry jsou v´ ykon pˇri jmenovité rychlosti vˇetru P , vyrobená energie pˇri pr˚ umˇerné rychlosti vˇetru Evyr , plocha rotoru turb´ıny S, rychlost rozbˇehu vr a rychlost dobˇehu vd (rychlost pˇri které zv´ yˇsen´ı rychlosti nezp˚ usob´ı zv´ yˇsen´ı v´ ykonu na v´ ystupu, respektive konstrukˇcnˇe maximáln´ı u ńosnou rychlost). V´ yrobce sám ˇzivotnost neuvád´ı.

´ ´ ˇ KAPITOLA 3. ANALYZA SYSTEMU TEMPERACE VETREM P

Evyr

W

kW h

160 pˇri 12,5 m/s

456 pˇri 5,4 m/s

vr −1

ms

2,68

vd

S

−1

2

ms

48

22 TZˇ

m

roky

1,08

20

Tabulka 3.1: Varianta A - Parametry elektrárny

Jelikoˇz se jedná o malou bez´ udrˇzbovou elektrárnu, budu pˇredpokládat 20 let ˇzivotnosti. Elektrárna bude provozována v ménˇe nároˇcn´ ych podm´ınkách.1

Obr´ azek 3.1: Varianta A - Vzhled elektrárny

3.2.1

Roˇ cn´ı vyroben´ a energie

Základn´ı u ´daje z´ıskané pro elektrárnu jsou uvedeny v tabulce obr. 3.2. Vyjdu z roˇcn´ı vyrobené energie Evyr (v = 5, 4m/s) = 458 kW h

(3.3)

Vyrobená energie je uvedena pro oblast s jin´ ymi povˇetrnostn´ımi podm´ınkami. Nejsprávnˇejˇs´ı urˇcen´ı by bylo experimentáln´ım mˇeˇren´ım provozem. To vˇsak nen´ı ˇcasovˇe ani nákladovˇe dosaˇzitelné. Pokus´ım se proto mnoˇzstv´ı energie pˇribliˇznˇe pˇrepoˇc´ıtat na rychlost vˇetru ve zkoumané oblasti. V´ ysledek budu v˚ uˇci této chybˇe konfrontovat v citlivostn´ı anal´ yze. 1

Niˇzˇs´ı pr˚ umˇern´ a rychlost vˇetru


23

Pˇri pˇrepoˇctu vyjdu z rovnice pro v´ ypoˇcet vyrobené elektrické energie vˇetrnou elektrárnou. pro snaˇzˇs´ı v´ ypoˇcet pouˇziji diskrétn´ı (sumaˇcn´ı) formu. Ev =

n X

. (t(vi ) · P (vi )) = 1, 66M W h

(3.4)

i=1

Kde t(vi ) je doba trván´ı i-té rychlosti a P (vi ) je v´ ykon vˇetru pro i-tou rychlost v ploˇse turb´ıny. 1 P = ρ · S · v3 (3.5) 2 Doba trván´ı vycház´ı z distribuˇcn´ı funkce rychlost´ı vˇetru pro povˇetrnostn´ı podm´ınky udané v´ yrobcem. Takto spoˇctu mnoˇzstv´ı energie vˇetru v ploˇse turb´ıny. Tuto energii dám do vztahu se zadan´ ym mnoˇzstv´ım a z´ıskám pˇribliˇznou u ´ˇcinnost. η=

En . = 0, 27 Ev

(3.6)

´ cinnost v sobˇe zahrnuje u Uˇ ´ˇcinnost turb´ıny, ztráty v generátoru a dalˇs´ı. V´ ypoˇcet nen´ı pˇresn´ y, jelikoˇz nejsou známy pˇresné podm´ınky. Sama sumaˇcn´ı metoda zanáˇs´ı do v´ ypoˇctu chybu 2 , která je vˇsak minimalizována volbou vyˇsˇs´ıho poˇctu hodnot. Se známou velikost´ı u ´ˇcinnosti mohu spoˇc´ıtat energii vyrobenou ve zkoumané oblasti. Pouˇziji stejné parametry s jin´ ym rozloˇzen´ı vˇetru a z rovnic (3.18) a (3.6) spoˇctu mnoˇzstv´ı vyrobené energie. E = 122 kW h

(3.7)

Lineárnˇe rozdˇel´ım energie na vyrobenou bˇehem temperaˇcn´ıho Et a bˇehem zbytku roku En .Temperaˇcn´ı obdob´ı je dlouhé 167 dn˚ u (2.12) a zbytek roku má délku 198 dn˚ u. S pr˚ umˇernou teplotou se v´ ykon elektrárny v pr˚ ubˇehu roku mˇen´ı. V zimn´ıch obdob´ıch je v´ ykon vyˇsˇs´ı. Tento fakt zanedbám a ve v´ ypoˇctu pro zjednoduˇsen´ı nezohledn´ım. V´ ysledná mnoˇzstv´ı vyrobené energie jsou rovna

2

Et = 56 kW h

(3.8a)

En = 66 kW h

(3.8b)

Rozdˇelen´ı vˇetru je transformov´ ano nelineárnˇe na v´ ykon


3.2.2

24

Roˇ cn´ı u ´ spora

Nyn´ı, kdyˇz znám mnoˇzstv´ı vyrobené energie, mohu zkoumat jej´ı vyuˇzit´ı v pr˚ ubˇehu roku. Z efektivity vyuˇzit´ı vypl´ yvá i velikost u ´spory. Vzhledem k malému v´ ykonu se vˇetˇsina vyrobené energie m˚ uˇze pˇr´ımo pˇremˇenit na teplo. Jednoduch´ ym pˇr´ıkladem je pˇremˇena pomoc´ı topného tˇelesa. Pro mal´ y zdroj nen´ı dodávka energie do s´ıtˇe vhodnou alternativou. K pˇripojen´ı je nutno synchronizovat parametry vyrábˇené energie s parametry s´ıtˇe. To si vyˇza´dá dodateˇcná zaˇr´ızen´ı a dalˇs´ı investiˇcn´ı náklady. Dodávka energie do s´ıtˇe nebude rentabiln´ı. Pokus´ım se navrhnout jednoduch´ y zp˚ usob na vyuˇzit´ı této energie. Energii mohu skladovat jako energii chemickou v bateri´ıch. Nejvˇetˇs´ı baterie vˇsak maj´ı kapacitu pˇribliˇznˇe 2 kWh a jsou pomˇernˇe drahé. Chtˇel-li bych v nich skladovat energii musel bych m´ıt dostateˇcnou kapacitu alespoˇ n na mˇes´ıc. Dalˇs´ım pˇredpokladem je zp˚ usob, jak´ ym alespoˇ n jednou mˇes´ıˇcnˇe energii vyuˇz´ıt a baterie vyb´ıt. Otázkou vyb´ıjen´ı se zab´ yvat nechci, proto je nebudu uvaˇzovat. Energii je moˇzno skladovat ve formˇe tepelné energie. Samozˇrejmˇe tato forma má své nedostatky. V porovnán´ı s bateriemi je toto ˇreˇsen´ı levnˇejˇs´ı a disponuje vyˇsˇs´ı kapacitou. Nev´ yhodou jsou vyˇsˇs´ı ztráty pˇri skladován´ı. Budu uvaˇzovat 120 litrov´ y zásobn´ık na vodu. Dobˇre m˚ uˇze poslouˇzit napˇr´ıklad bojler. Budu pˇredpokládat, ˇze ho lze snadno upravit tak, aby mˇel sekundárn´ı topné tˇeleso napojené na elektrárnu. V systému bude jednoduch´ y termostat, pokud je vnitˇrn´ı teplota vyˇsˇs´ı neˇz 5◦ C(2.3), ohˇr´ıvána bude voda v bojleru.

Obr´ azek 3.2: Varianta A - Schéma


25

Tepelná kapacita vody je rovna cW h = 1, 163W · h · K −1 · kg −1

(3.9)

Elektrárna dodá bˇehem jednoho mˇes´ıce pˇribliˇznˇe 10,3 kWh. Zv´ yˇsen´ı teploty v nádrˇzi zjist´ım ze vztahu Em = 73◦ C (3.10) m · cW h Vzestup teploty je velmi pozvoln´ y, avˇsak ˇcást energie se ztrat´ı. Jelikoˇz teplota ne∆T =

stoupá pˇr´ıliˇs rychle a objekt je vyuˇz´ıván ˇcastˇeji. Budu energii povaˇzovat za efektivnˇe vyuˇzitou. Nyn´ı kdyˇz znám mnoˇzstv´ı uˇsetˇrené energie, mohu spoˇc´ıtat roˇcn´ı u ´sporu energie. V´ yslednou roˇcn´ı u ´sporu mohu popsat v´ ypoˇctem CF = E · cQ = 122 · 2 = 244Kˇ c

(3.11)

S touto v´ yˇs´ı u ´spory budu poˇc´ıtat pˇri ekonomickém vyhodnocen´ı.

3.2.3

Investiˇ cn´ı n´ aklady

Pro ekonomické ohodnocen´ı je nutno znát náklady spojené s realizac´ı. Základem je vˇetrná elektrárna. V ˇceské republice ji lze objednat napˇr´ıklad na internetov´ ych stránkách Energy ForEver [10] za 18 480Kˇc. V zahraniˇc´ı ji lze sehnat napˇr´ıklad za 1,134 liber, coˇz je ˇ v pˇrepoˇctu skoro 44 000Kˇc 3 . Pro v´ ypoˇcty budu pˇredpokládat objednán´ı v CR. Instalaci systému vˇcetnˇe ˇr´ıd´ıc´ıho prvku pro ohˇr´ıván´ı v nádrˇzi odhadnu na 3 000 Kˇc. Konkrétnˇe se jedná o kabeláˇz, primitivn´ı ˇr´ıd´ıc´ı jednotku, dodateˇcné topné tˇeleso k nádrˇzi a v otopném systému. Celkové investiˇcn´ı v´ ydaje vycház´ı rovny N = NE + Ninst = 21 480 Kˇ c 3

Podle kurzovn´ıho l´ıstku Komerˇcn´ı banky k 19.11.2015 pˇribliˇznˇe 38,6 Kˇc / 1 GBP

(3.12)


3.3

26

Varianta B - Savoniova turb´ına

Dalˇs´ı zaj´ımavou moˇznost´ı na trhu jsou turb´ıny s vertikáln´ı osou rotace. Na trhu jsou k prodeji pod oznaˇcen´ım VAWT 4 . Zaˇcnu tedy volbou turb´ıny, kterou bzch mohl zkoumat. Po krátkém pr˚ uzkumu jsem zjistil, ˇze turb´ıny jsou k dostán´ı, avˇsak v´ ybˇer ve v´ ykonostn´ım pásmu, které mˇe zaj´ımá je ˇ ıny prodává turb´ınu minimáln´ı (do 500W). V´ yrobce HiVawt Technology corporation z C´ o v´ ykonu 300W [14], která je k dostán´ı i u nás. Jej´ı cena je v´ıce neˇz 60 000 Kˇc [8], coˇz je v porovnán´ı s horizontáln´ı turb´ınou pˇredchoz´ı varianty nerealizovatelné. Ze zahraniˇc´ı lze elektrárnu sehnat m´ırnˇe levnˇeji, avˇsak stále pˇres 50 000 Kˇc. Zahraniˇcn´ı obchodn´ıci nab´ız´ı mnoho levnˇejˇs´ıch variant. Dokumentace k nim vˇsak nen´ı dostateˇcná k objektivn´ımu ohodnocen´ı ekonomické efektivity. Jelikoˇz se nechci vzdát snahy o ohodnocen´ı vertikáln´ı turb´ıny, budu se inspirovat kn´ıˇzkou od nˇemeckého autora Heinze Schulze o stavbˇe savoniov´ ych turb´ın [22]. Savoniova turb´ına funguje na odporovém principu. Jej´ı stavba je tak jednoduˇsˇs´ı a realizovatelná ruˇcnˇe. Pokus´ım se odhadnout základn´ı parametry a vyhodnotit ruˇcnˇe stavˇenou turb´ınu.

3.3.1

Technick´ a realizace

Hodnocenou turb´ınou je dvoustupˇ nová vertikáln´ı turb´ına. Hlavn´ımi souˇca´stmi turb´ıny jsou skl´ıˇzené desky a lopatky rotoru. Pro tento u ´ˇcel jsou vhodné bˇeˇzné 200 litrové sudy. V´ ysledná turb´ına má pak v´ yˇsku 2,5 m a ˇs´ıˇrku 1,25 m. Z tˇechto rozmˇer˚ u vycház´ı velikost turb´ıny rovna S = 2, 5 · 1, 25 = 3, 125m2

(3.13)

Jelikoˇz se pˇredpokládá stavba z levn´ ych materiál˚ u, váha pravdˇepodobnˇe bude vyˇsˇs´ı. Ideáln´ı a doporuˇcené um´ıstˇen´ı elektrárny je dvoubodové um´ıstˇen´ı do dˇrevˇeného rámu. Teoreticky by ˇslo elektrárnu um´ıstit i na stˇrechu objektu, avˇsak takováto turb´ına p˚ usob´ı trochu tˇeˇzkopádnˇe. Mohla by v takovém pˇr´ıpadˇe m´ıt problémy s povolen´ım o um´ıstˇen´ı. Pˇredpokladem obou um´ıstˇen´ı je správné vyváˇzen´ı turb´ıny. D˚ uleˇzitou vlastnost´ı turb´ıny je ˇzivotnost. Autor neuvád´ı pˇredpokládanou dobu ˇzivotnosti, mus´ım proto ˇzivotnost odhadnout. Pˇredpokládám, ˇze ruˇcnˇe stavˇená turb´ına nem˚ uˇze ˇ dosahovat robustnosti pr˚ umyslovˇe vyrábˇené turb´ıny. Zivotnost tak bude menˇs´ı neˇz u ostatn´ıch 4

Vertical axis wind turbine


27

Obr´ azek 3.3: Varianta B - Schéma turb´ıny [22, Strana 4]

ˇ elektráren. Zivotnost odhadnu na 15 let. Provoz turb´ıny vˇsak nen´ı plnˇe bez´ udrˇz-bov´ y. To vycház´ı pˇredevˇs´ım z nedokonalost´ı v pr˚ ubˇehu v´ yroby. Tzˇ = 15let

3.3.2

(3.14)

Zapojen´ı turb´ıny

D˚ uleˇzitou roli z hlediska vyuˇzit´ı vˇetrné energie hraje pˇremˇena na tepelnou energii. Vertikáln´ı turb´ına nab´ız´ı ˇsirˇs´ı moˇznosti realizace. Hˇr´ıdel turb´ıny m˚ uˇze b´ yt svedena dovnitˇr objektu

5

a vyuˇzita pro pohon dalˇs´ıch zaˇr´ızen´ı.

Základn´ı moˇznost´ı je pˇripojen´ı generátoru a následnˇe ˇreˇsen´ı pˇrecház´ı do tvaru u ´lohy ˇreˇsené pro variantu A. Pˇredpokládám, ˇze elektrárna bude m´ıt podobn´ y v´ ykon jako Air Breeze ve variantˇe A a nebudu se touto moˇznost´ı zab´ yvat. Jednalo by se o podobné ˇreˇsen´ı 5

Nutnou podm´ınkou je um´ıstˇen´ı na stˇreˇse


28

s jin´ ymi ˇc´ısly. Zaj´ımavou moˇznost´ı je pˇr´ımá pˇremˇena mechanické energie na tepelnou. K tomuto u ´ˇcelu m˚ uˇze poslouˇzit vodn´ı brzda

6

integrovaná do obˇehu otopné soustavy. Jedná se

o velmi jednoduch´ y a historicky ovˇeˇren´ y systém. V´ ykon turb´ıny je vyuˇz´ıván maximálnˇe. Toto ˇreˇsen´ı je u ´ˇcinné v zimn´ım obdob´ı. Problém nastává v letn´ıch mˇes´ıc´ıch. Mechanická (tepelná) energie nem˚ uˇze b´ yt pˇresmˇerována tak snadno jako energie elektrická. Energie turb´ıny by musela b´ yt mechanicky pˇresmˇerována k jinému u ´ˇcelu. Pˇr´ıkladem m˚ uˇze b´ yt odpojen´ı brzdy a pˇripojen´ı generátoru a pˇresmˇerován´ı energie do bojleru. Dalˇs´ım ˇreˇsen´ım by mohlo b´ yt pˇripojen´ı hˇr´ıdele k hˇr´ıdeli kompresoru tepelného ˇcerpadla. Moˇznosti tohoto ˇreˇsen´ı mohou pˇrinést zaj´ımavé v´ ysledky. V´ ykon turb´ıny m˚ uˇze b´ yt znásoben topn´ ym faktorem tepelného ˇcerpadla 7 . Samozˇrejmˇe pˇripojen´ı turb´ıny pˇr´ımo na kompresor pˇrináˇs´ı dalˇs´ı svépomocné práce. Vzhledem k stavbˇe samotné turb´ıny pˇredpokládám nároky na pracnost (technickou zruˇcnost) za splnˇené. Budu se proto zab´ yvat bl´ıˇze touto moˇznost´ı. Základem je tepelné ˇcerpadlo splˇ nuj´ıc´ı specifické parametry. Nejd˚ uleˇzitˇejˇs´ı je v´ ykon a otáˇcky. Z grafu (obr. 3.4) mohu dopoˇc´ıst maximáln´ı v´ ykon turb´ıny pˇribliˇznˇe 300 W. Jelikoˇz nejvˇetˇs´ı vyuˇzit´ı je pro vˇetˇs´ı tepelná ˇcerpadla, ˇcerpadlo o pˇr´ıkonu do 300 W je obt´ıˇzné sehnat. Odpov´ıdaj´ıc´ı ˇcerpadlo proto bude nutno zkonstruovat ruˇcnˇe. Pro menˇs´ı v´ ykon by to nemˇel b´ yt problém. Pro u ´ˇcely v´ ypoˇctu si zvol´ım teoretick´ y ”topn´ y faktor”. Samozˇrejmˇe reálná hodnota bude záviset na fináln´ı realizaci. Topn´ y faktor je závisl´ y na konkrétn´ım pracovn´ım bodˇe (otáˇcky, teplota média, teplota okol´ı). Pro u ´ˇcely v´ ypoˇctu se se spokoj´ım s konstantn´ı hodnotou. COP = 3

(3.15)

V souvislosti se stavbou ˇcerpadla je nutno ˇreˇsit otáˇcky. Z grafu (obr. 3.4) mohu odeˇc´ıst, ˇze otáˇcky se pohybuj´ı v rozmez´ı 60/min aˇz 250/min. Kontruované ˇcerpadlo mus´ı pˇr´ımo ˇci pˇres pˇrevody b´ yt schopno pracovat s takov´ ym rozsahem otáˇcek. Konkrétn´ım návrhem ˇcerpadla se podrobnˇe zab´ yvat nebudu. V prvé ˇradˇe je nutno zjistit, jestli systém m˚ uˇze b´ yt z ekonomického pohledu teoreticky realizován. 6 7

Vrtule jeˇz bude rozt´ apˇet vodu a t´ım j´ı ohˇr´ıvat. Technicky se nejedn´ a o topn´ y faktor vzhledem k absenci elektrické energie


3.3.3

29


V pˇr´ıpadˇe této varianty mám dvˇe moˇznosti jak mnoˇzstv´ı vyrobené energie urˇcit. Prvn´ı moˇznost´ı je urˇcen´ı pˇribliˇzné u ´ˇcinnosti elektrárny. Na základˇe u ´ˇcinnosti jiˇz spoˇc´ıtat energii um´ım. Druhou variantou je graf na obrázku (obr. 3.4), kter´ y pˇredstavuje namˇeˇrené nab´ıjec´ı proudy pˇri nab´ıjen´ı 10V baterie. Napájec´ı proud se mˇen´ı v závislosti na rychlosti vˇetru. Rychlosti vˇetru tak um´ım dle grafu pˇriˇradit okamˇzit´ y nab´ıjec´ı v´ ykon.

Obr´ azek 3.4: Varianta B - Nab´ıjec´ı charakteristika baterie [22, Strana 18].

Z grafu odeˇctu hodnotu proudu a nab´ıjec´ı v´ ykon spoˇc´ıtám jako PN = U · I

(3.16)

Jelikoˇz nab´ıjec´ı v´ ykon obsahuje ztráty v generátoru a pˇri nab´ıjen´ı, mohu tyto ztráty zanedbat. Tyto ztráty budu pˇredpokládat o velikosti 5%. V´ ysledn´ y v´ ykon pak pˇrevedu na tepeln´ y vynásoben´ım topn´ ym faktorem. Chyby zp˚ usobené odhadem tˇechto hodnot se pokus´ım postihnout v pozdˇejˇs´ı anal´ yze. P =

PN · COP 1 − ng

(3.17)


30

Pro v´ ypoˇcet energie pouˇziji vztah (3.18), s t´ım rozd´ılem, ˇze v´ ykonem nebude v´ ykon vˇetru, ale nab´ıjec´ı v´ ykon. E=

n X

. (t(vi ) · P (vi )) = 334kW h

(3.18)

i=1

Pro u ´plnost opˇet rozdˇel´ım energii mezi temperaˇcn´ı a netemperaˇcn´ı obdob´ı. Pro variantu A vyrobila turb´ına pˇribliˇznˇe 120 kWh za rok. Mnoˇzstv´ı vyrobeného tepla je témˇeˇr tˇrikrát vyˇsˇs´ı. Bˇehem temperaˇcn´ıho obdob´ı je moˇzno energii vyuˇz´ıt efektivnˇe. V pˇr´ıpadˇe, ˇze vnitˇrn´ı teplota stoupne nad teplotu temperace, energie m˚ uˇze b´ yt vyuˇzita k dalˇs´ımu ohˇrevu objektu. Takto se zv´ yˇs´ı teplota a t´ım i ztrátová energie. Tento vzestup vˇsak bude minimáln´ı a energii lze v tomto mnoˇzstv´ı stále uvaˇzovat za efektivnˇe vyuˇzitou. Mimo temperaˇcn´ı obdob´ı je situace obt´ıˇznˇejˇs´ı. Tepelnou energii je nutno efektivnˇe vyuˇz´ıt. Zp˚ usoby vyuˇzit´ı jsou velmi limitované. Jelikoˇz v´ ykon je o dost vyˇsˇs´ı, vyuˇzit´ı vodn´ı nádrˇze nen´ı tak efektivn´ı. D˚ uvodem je vyˇsˇs´ı produkce energie a niˇzˇs´ı v´ ystupn´ı ˇ sen´ım by byla volba vˇetˇs´ı nádrˇze. Problémem by vˇsak teplota tepelného ˇcerpadla. Reˇ z˚ ustávalo jak vyuˇz´ıt velké mnoˇzstv´ı teplé vody. Dalˇs´ımi moˇznost´ı m˚ uˇze b´ yt vyuˇzit´ı ˇcerpadla jako chlazen´ı v letn´ıch mˇes´ıc´ıch, pˇr´ıpadnˇe pˇripojen´ı generátoru na dob´ıjen´ı bateri´ı apod. V kaˇzdém pˇr´ıpadˇe nen´ı jasn´ y zp˚ usob, jak energii efektivnˇe vyuˇz´ıt. Jelikoˇz vˇsak minimálnˇe ˇca´st energie vyuˇz´ıt lze, ohodnot´ım v netemperaˇcn´ım obdob´ı energii cenou dodávané do s´ıtˇe.

Et = 153 kW h

(3.19a)

En = 181 kW h

(3.19b)

V´ yslednou roˇcn´ı u ´sporu spoˇc´ıtám CF = Et · cQ + En · cE = 153 · 2 + 181 · 1 = 487Kˇ c

3.3.4

(3.20)


V pˇr´ıpadˇe ruˇcn´ı v´ yroby turb´ıny nelze náklady pˇresnˇe odhadnout. Jelikoˇz je elektrárna stavˇena z dostupn´ ych materiál˚ u, m˚ uˇze se cena liˇsit. Mezi základn´ı stavebn´ı prvky patˇr´ı sudy, desky, hˇr´ıdel, loˇziska a generátor. Cenu vˇsech prvk˚ u odhadnu na 10 000Kˇc. Dalˇs´ım prvkem je tepelné ˇcerpadlo. Vzhledem ke specifick´ ym poˇzadavk˚ um pˇredpokládám svépomoc´ı postavené ˇcerpadlo. Z tohoto d˚ uvodu nemohu cenu urˇcit pˇresnˇe. Jeho cenu


31

dhadnu opˇet na 10 000 Kˇc. N = 20 000 Kˇ c

(3.21)

Tato suma pˇredstavuje pˇribliˇznou ˇca´stku, za kterou by bylo moˇzno variantu realizovat. Investiˇcn´ı náklady nemohou b´ yt pˇresnˇe urˇceny. Budu proto zkoumat pˇri jak´ ych nákladech by byla realizace rentabiln´ı.

3.4

Varianta C - HY Pegasus 3,0 kW

Prvn´ı varianty byly navrˇzeny s ohledem na minimalizaci negativn´ıch vliv˚ u na okol´ı. Dalˇs´ı varianta je zaloˇzena na maximalizaci u ´spory. Z toho d˚ uvodu se pokus´ım zvolit elektrárnu o dostateˇcné velikosti, aby za temperaˇcn´ı obdob´ı podobné mnoˇzstv´ı energie jaké se z objektu ztrat´ı. Roˇcn´ı tepelná ztráta objektu je pribliˇznˇe 9,3 MWh (2.19). Budu pˇredpokládat zdroj tepla o konstatn´ım v´ ykonu. Urˇc´ım jeho stˇredn´ı v´ ykon pro v´ yrobu potˇrebného mnoˇzstv´ı energie bˇehem celého temperaˇcn´ıho obdob´ı 167 dn˚ u (2.12). QZ 9 300 000 . = 2320 W (3.22) = d5 4008 Zdroj o konstatn´ım v´ ykonu PK vyrob´ı za temperaˇcn´ı obdob´ı potˇrebné mnoˇzstv´ı enerPK =

gie. Pro zkoumanou variantu zvol´ım turb´ınu s nejniˇzˇs´ım vyˇsˇs´ım jmenovit´ ym v´ ykonem 3 000 W 8 . Vybral jsem turb´ınu od ˇc´ınského v´ yrobce HYE Wind energy power. o velikosti 3 000 W vyráb´ı v´ yrobce typ HY-3000 [26]. Z aplikaˇcn´ıho hlediska je instalace elektrárny nároˇcnˇejˇs´ı. Listy rotoru turb´ıny maj´ı pr˚ umˇer 3 m a váha celého mechanismu je necel´ ych 50 kg. Vzhledem k parametr˚ um elektrárny

9

budu uvaˇzovat montáˇz elektrárny na samostatn´ y stoˇzár. V pˇr´ıpadˇe mnou

zkoumaného objektu by v´ ystavba v zastavˇené oblasti nebyla pravdˇepodobnˇe povolena. Zaj´ımá mˇe vˇsak potencionáln´ı uˇzitek z vˇetˇs´ı elektrárny. Stoˇzár by mohl b´ yt um´ıstˇen na té ˇca´sti pozemku, která je v´ıce vzdálen od ostatn´ı zástavby z bezpeˇcnostn´ıch, hlukov´ ych, ale i v´ ykonov´ ych aspekt˚ u. Um´ıstˇen´ı rotoru v´ yˇse má kladn´ y vliv na povˇetrnostn´ı podm´ınky v jeho ose. Bohuˇzel vyˇc´ıslen´ı tohoto vlivu bez mˇeˇren´ı nen´ı moˇzné a tak budu v ose rotoru uvaˇzovat stejnou pr˚ umˇernou rychlost vˇetru jako v ostatn´ıch pˇr´ıpadech. 8

Jelikoˇz jmenovit´ y v´ ykon je dosaˇzen pˇri rychlosti 12 m/s, reálné v´ ykony v mnou zkoumaném pro mno-

hem niˇzˇs´ı 9 V´ aha, vibrace a samotn´ y fakt, ˇze rotor je velk´ y jako jednopodlaˇzn´ı d˚ um


32

Obr´ azek 3.5: Varianta C - Vzhled elektrárny

P

Evyr

vr

vd

S

TZˇ

W

kW h

ms−1

ms−1

m2

roky

3000 pˇri 12 m/s

3360 pˇri 3,5 m/s

2,5

50

7,07

15

Tabulka 3.2: Varianta C - Parametry elektrárny

3.4.1

Roˇ cn´ı vyroben´ a energie

Zvolil jsem typ turb´ıny a tak se mohu pokusit vyˇc´ıslit roˇcn´ı vyrobenou energii. Pro menˇs´ı Air Breeze bylo nutno vyrobenou energii sloˇzitˇe pˇrepoˇc´ıtávat. V pˇr´ıpadˇe elektrárny Pegasus mi situaci znaˇcnˇe usnadnil sám v´ yrobce. Z grafu (obr. 3.6) mohu pˇribliˇznˇe odeˇc´ıst mnoˇzstv´ı vyrobené energie za rok10 pro pr˚ umˇernou rychlost 3,5 m/s. 10

Odeˇcten´ a hodnota je pro jeden mˇes´ıc je 280 kWh


33

Obr´ azek 3.6: Varianta C - Vyrobená energie

E = 3 480 kW h

(3.23)

Budu pˇredpokládat efektivn´ı vyuˇzit´ı energie v temperaˇcn´ım obdob´ı. Proto rozpoˇc´ıtám rovnomˇernˇe energii mezi temperaˇcn´ı a netemperaˇcn´ı obdob´ı. Et = 1 592 kW h

(3.24a)

En = 1 887 kW h

(3.24b)

Se znalost´ı vyrobené energie mohu pokraˇcovat k vyˇc´ıslen´ı roˇcn´ı u ´spory.

3.4.2


Vyrobené energie je mnohonásobnˇe v´ıce neˇz v pˇredchoz´ıch variantách. Energii nav´ıc je nutno uloˇzit ˇci prodat do s´ıtˇe. Nejprve se budu pokouˇset navrhnout jiné zp˚ usoby vyuˇzit´ı. Prodej do s´ıtˇe je záloˇzn´ım ˇreˇsen´ım pro vyuˇzit´ı energie. Prvn´ı moˇznost´ı je skladovat energii v bateri´ıch. Autobaterie bˇeˇznˇe k dostán´ı disponuj´ı kapacitou do 2kWh

11

. Vˇetrná elektrárna vyrob´ı bˇehem jednoho dne pr˚ umˇernˇe pˇribliˇznˇe

10 kWh. Budu-li cht´ıt m´ıt dostateˇcnou kapacitu v rámci jednoho dne, kapacita 5-10 kWh by mˇela b´ yt dostateˇcná pro nadv´ yrobu energie. Pˇri pˇripojen´ı do s´ıtˇe je baterie souˇcást´ı ˇr´ıd´ıc´ıho mechanismu. Baterie slouˇz´ı k vyrovnán´ı v´ ykyv˚ u ve v´ yrobˇe elektrárny. 11

60 VA pˇri 12 v odpov´ıd´ a pˇribliˇznˇe 0,7 kWh


34

Pˇri realizaci ukládán´ı energie v bateri´ıch je energie pˇremˇen ˇována na teplo a pˇrebyteˇcná energie je nejprve ukládána do baterie. V pˇr´ıpadˇe, ˇze tato kapacita nen´ı dostateˇcná, uloˇz´ı se tato energie v podobˇe tepla v objektu. M´ırnˇe se zv´ yˇs´ı tepelná ztráta, ale hodnota vyuˇzit´ı je mnohem vyˇsˇs´ı neˇz pˇri prodeji. Pˇrebytky energie budou nastávat pouze v kraj´ıch temperaˇcn´ıho obdob´ı. Mnoˇzstv´ı energie vyuˇzité na pˇredehˇra´t´ı12 v minimáln´ım pomˇeru k celku. Budu proto pˇredpokládat, ˇze vˇsechna energie byla efektivnˇe vyuˇzita

13

.

Jin´ ym ˇreˇsen´ım by bylo ohˇr´ıván´ı objektu nad teplotu temperace. Nadvyrobené teplo zp˚ usob´ı zv´ yˇsen´ı teploty v objektu a t´ım zv´ yˇsen´ı okamˇzité tepelné ztráty. Toto zv´ yˇsen´ı je vˇsak minimáln´ı a energii tak lze povaˇzovat za pˇribliˇznˇe efektivnˇe vyuˇzitou. Zb´ yvá ˇreˇsit otázku vyuˇzit´ı energie mimo temperaˇcn´ı obdob´ı. Jelikoˇz pˇrebyteˇcné energie je velké mnoˇzstv´ı, neznám jednoduch´ y zp˚ usob jej´ıho efektivn´ıho vyuˇzit´ı. Budu pˇredpokládat, ˇze veˇskerá vyrobená energie bude prodána do s´ıtˇe. Z tohoto d˚ uvodu bude tˇreba baterie pouˇz´ıt. Energii vyrobenou v temperaˇcn´ım obdob´ı pak ocen´ım cenou uˇsetˇreného tepla. Energii mimo temperaˇcn´ı obdob´ı ocen´ım cenou energie dodané do s´ıtˇe. CF = Et · cQ + En · cE = 1592 · 2 + 1887 · 1 = 5 072Kˇ c

(3.25)

Nyn´ı znám v´ yˇsi roˇcn´ı u ´spory, kterou mohu vyuˇz´ıt k v´ ypoˇctu ekonomického uˇzitku. Pˇri návrhu varianty bylo m´ ym c´ılem vybrat elektrárnu, jeˇz vyrob´ı vˇetˇsinu potˇrebné energie. Porovnán´ım Et a QZ zjiˇst’uji, ˇze i elektrárna o vyˇsˇs´ım v´ ykonu vyrob´ı pouze zlomek potˇrebné energie. Volba vˇetˇs´ı elektrárny by tento problém nejenˇze nevyˇreˇsila, ale u ´mˇernˇe by stouply náklady i aplikaˇcn´ı obt´ıˇze.

3.4.3


Mám pˇribliˇznou pˇredstavu o u ´spoˇre z vˇetrné elektrárny. Pro ekonomické vyhodnocen´ı potˇrebuji znát i velikost investiˇcn´ıch náklad˚ u náklad˚ u. Turb´ınu lze v ˇceské republice sehnat v e-shopu za cenu 91 230Kˇc [27]. v zahraniˇc´ı je turb´ına k dostán´ı napˇr´ıklad na stránkách za cenu 2 495 dolar˚ u [6], vˇcetnˇe dopravy do ˇceské republiky 3 384 dolar˚ u. V pˇrepoˇctu na Kˇc se jedná o ˇcástku 85 615Kˇc 14 . Budu proto poˇc´ıtat s ˇcástkou ze zahraniˇc´ı. 12

Ohˇr´ at´ı nad teplotu temperace Pˇredpoklad je zaloˇzen na u ´ˇcinnosti baterie rovnu jedné. 14 Podle kurzovn´ıho l´ıstku Komerˇcn´ı banky k 19.11.2015 pˇribliˇznˇe 25,3 Kˇc / 1 USD 13


35

Dalˇs´ımi základn´ımi prvky, jeˇz je potˇreba realizovat je stoˇzár pro elektrárnu, vyrovnávac´ı baterie, ˇr´ıd´ıc´ı jednotka a zbylé pˇr´ısluˇsenstv´ı (napˇr´ıklad kabeláˇz). Cenu stoˇzáru odhadnu na 10 000 Kˇc. Jedná se o bˇeˇznou cenu stoˇza´r˚ u pro pouliˇcn´ı sv´ıtidla. Baterie budu uvaˇzovat 130Ah 12V za cenu 4 254 Kˇc [20]. Zapojen´ım tˇr´ı bateri´ı pralelnˇe z´ıskám ˇ ıd´ıc´ı jednotku odhadnu kapacitu pˇribliˇznˇe 4,5 kWh. Cena bateri´ı tak bude 12 762 Kˇc. R´ na cenu 5 000Kˇc a pˇr´ısluˇsenstv´ı na dalˇs´ıch 2 000Kˇc. Celkovˇe seˇcten´ım vˇsech d´ılˇc´ıch náklad˚ u z´ıskám celkovou velikost investiˇcn´ıch náklad˚ u.

. N = NE + Nst + Nbat + Ncpu + Nost = 85615 + 10000 + 12762 + 5000 + 2000 = 115 000 Kˇ c (3.26) Takto vysoké náklady pˇredstavuj´ı maximáln´ı ˇca´stku, kterou má v˚ ubec smysl potencionálnˇe do takového projektu investovat. V opaˇcném pˇr´ıpadˇe by jiˇz byly ne´ umˇernˇe vysoké a v´ ysledné zaˇr´ızen´ı by bylo pˇrehnanˇe naddimenzované.

Kapitola 4 Zhodnocen´ı temperace vˇ etrem V pˇredchoz´ı kapitole jsem ˇreˇsil návrh jednotliv´ ych variant. Snaˇzil jsem se nalézt moˇzná ˇreˇsen´ı a diskutovat jejich realizovatelnost. V´ ysledkem jsou tˇri varianty, pro které znám vˇsechny parametry potˇrebné pro vyhodnocen´ı. V této kapitole budu zkoumat ekonomick´ y uˇzitek a vliv, kter´ y na nˇej maj´ı základn´ı parametry. Pro vyhodnocen´ı je d˚ uleˇzitá volba hodnot´ıc´ı metody. Jelikoˇz je doba ˇzivotnosti vyˇsˇs´ı, je vhodné zvolit metodu, která zohledn´ı ˇcasov´ y v´ yvoj u ´spory. Zvol´ım si metodu ˇcisté souˇcasné hodnoty. Ta vycház´ı ze souˇctu diskontovan´ ych tok˚ u za celou dobu ˇzivotnosti.

NP V =

TZ X CFj (1 + i)j j=0

(4.1)

Kde CFj pˇredstavuje u ´sporu v j-tém roce. Neznámá i pˇredstavuje diskont, neboli oˇcekávan´ y v´ ynos investice. Jeho hodnotu zvol´ım jako pˇribliˇzné maximum nerizikové moˇznosti zisku z cenn´ ych pap´ır˚ u i = 0, 03

(4.2)

Rád bych pˇri vyhodnocen´ı zohlednil i r˚ ust cen energie (inflaci). R˚ ust oznaˇc´ım promˇenou r a pˇri urˇcen´ı hodnoty vyjdu z inflaˇcn´ıho plánu ˇceské národn´ı banky [18]. r = 0, 02

(4.3)

Rozˇs´ıˇren´ım rovnice (4.1) o inflaci mi pˇrejde vzorec do tvaru TZ X CFj · (1 + r)j NP V = (1 + i)j j=0

(4.4)

ˇ a souˇcasná hodnota mi dává pˇredstavu o návratnosti projektu. Pro v´ Cist´ yraznˇe kladn´ y v´ ysledek je projekt rentabiln´ı, pro záporn´ y nerentabiln´ı a v okol´ı nuly je tˇreba bl´ıˇze 36

ˇ KAPITOLA 4. ZHODNOCENÍ TEMPERACE VETREM

37

zkoumat jednotlivé parametry. Tato metoda vˇsak nen´ı vhodná pro porovnán´ı variant s r˚ uznou dobou ˇzivotnosti. Proto nemohu urˇcit, která varianta je lepˇs´ı, mohu pouze zjistit, které varianty jsou vhodné k realizaci a které nikoliv. Dalˇs´ım hodnot´ıc´ım kritériem zvol´ım RCF 1 . Z ˇcisté souˇcasné hodnoty mohu z´ıskat pˇredstavu o rentabilitˇe kaˇzdé varianty. Z hlediska porovnán´ı vˇsech variant vˇsak nen´ı vhodná. D˚ uvodem jsou r˚ uzné investiˇcn´ı náklady a r˚ uzné doby ˇzivotnosti. Roˇcn´ı ekvivalentn´ı tok druh´ y problém ˇreˇs´ı a kritérium mohu pouˇz´ıt k v´ yslednému porovnán´ı variant mezi sebou. Roˇcn´ı ekvivalentn´ı tok z´ıskám z rovnice RCF = aT · N P V

(4.5)

kde aT je anuita za dobu porovnán´ı a N P V mohu dosadit z rovnice (4.4). Anuitu mohu vyjádˇrit vzorcem aT =

q −1 − 1 q −T − 1

(4.6)

q je rovno v mém pˇr´ıpadˇe rozd´ılu mezi diskontem a inflac´ı. V´ ysledná hodnota je tedy rovna 1,01. Podm´ınkou je nekoneˇcné opakován´ı a konstantn´ı diskont.

4.1

Varianta A - Air Breeze

V kapitole 3.2 jsem urˇcil základn´ı parametry pro ekonomické vyhodnocen´ı. Investiˇcn´ı náklady mi vyˇsly pˇribliˇznˇe 21 480 Kˇc (3.26), v´ yˇse roˇcn´ı u ´spory 244 Kˇc (3.11) a ˇzivotnost jsem urˇcil na 20 let. Elektrárna je prodávána jako bez´ udrˇzbová. Pro zjednoduˇsen´ı proto náklady na u ´drˇzbu zanedbám. Dosazen´ım do rovnice (4.4) z´ıskám ˇcistou souˇcasnou hodnotu . N P V = −16,900Kˇ c

(4.7)

Dosazen´ım do rovnice (4.5) z´ıskám roˇcn´ı ekvivalentn´ı penˇeˇzn´ı tok . RCF = −940Kˇ c

(4.8)

Porovnán´ım ˇcisté souˇcasné hodnoty a investiˇcn´ıch náklad˚ u zjiˇst’uji, ˇze u ´spora pokr´ yvá pouze ˇctvrtinu investiˇcn´ıch investiˇcn´ıch náklad˚ u. Jelikoˇz je v´ ysledek takto ostˇre záporn´ y, 1

Roˇcn´ı ekvivalentn´ı penˇeˇzn´ı tok


38

nedoporuˇcuji variantu na základˇe volen´ ych parametr˚ u k realizaci. Tento závˇer potvrzuje roˇcn´ı ekvivalentn´ı penˇeˇzn´ı tok. Se zapoˇc´ıtán´ım u ´spory 244 Kˇc je ztráta rovna 936 Kˇc roˇcnˇe.

4.1.1

Citlivostn´ı anal´ yza

Pˇri urˇcen´ı nˇekter´ ych parametr˚ u pˇredpokládám nepˇresnosti. Zaj´ımá mˇe proto, jaké maj´ı jednotlivé parametry vliv na v´ ysledek. Pokud má nˇekter´ y parametr ˇci skupina velk´ y vliv na v´ ysledky, m˚ uˇze b´ yt vhodné v´ ysledek pˇrezkoumat ˇci doporuˇcit pˇresnˇejˇs´ı urˇcen´ı dotˇcen´ ych ukazatel˚ u. ´ Nejvˇetˇs´ı vliv na v´ ysledek maj´ı investiˇcn´ı náklady a u ´spora. Uspora je pˇr´ımo závislá na uˇsetˇrené energii, tedy povˇetrnostn´ım podm´ınkám v oblasti. Oba parametry se pokus´ım vynést do spoleˇcného grafu.

Obr´ azek 4.1: Varianta A - NPV podle investiˇcn´ıch náklad˚ u a rychlosti vˇetru

ˇ a znaˇcka na obrázku obr. 4.1 ukazuje souˇcasnou velikost parametr˚ Cern´ u. Z grafu mohu vyˇc´ıst, ˇze varianta A by mohla b´ yt dále zkoumána v pˇr´ıpadˇe poklesu náklad˚ u ˇci v oblasti s vyˇsˇs´ı rychlost´ı vˇetru. Pˇri poklesu investiˇcn´ıch náklad˚ u na 4 000 Kˇc ˇci vzestupu


39

rychlosti vˇetru na 5,9 m/s by ˇcistá souˇcasná hodnota stoupla na nulu. Pˇredpokládám, ˇze investiˇcn´ı náklady maj´ı potencionáln´ı minimum v cenˇe elektrárny. Potˇrebná rychlost ˇ e republice a tou zkoumaná oblast nen´ı. vˇetru je dosaˇzitelná pouze v málo m´ıstech v Cesk´ Snaha o pˇresnˇejˇs´ı urˇcen´ı obou parametr˚ u nebude m´ıt vliv na závˇer. V´ ypoˇcet u ´spory zahrnuje nˇekteré dalˇs´ı parametry, které je nutno ovˇeˇrit. Konkrétnˇe budu zkoumat vliv inflace, diskontu a ceny uˇsetˇrené energie. Cena energie m˚ uˇze m´ıt vˇetˇs´ı vliv v situaci, kdy nelze objekt temperovat pouze noˇcn´ım proudem 2 . Obrázek obr. 4.2 ukazuje v´ ysledné vztahy mezi jednotliv´ ymi parametry a roˇcn´ım ekvivalentn´ım tokem. Z graf˚ u je vidˇet, ˇze ˇzádn´ y z parametr˚ u nemá zásadn´ı vliv na v´ ysledek. ˇ adn´ Z´ y z parametr˚ u nemá dostaten´ y vliv, aby se projekt stal rentabiln´ım a to ani v ˇsirˇs´ım rozsahu hodnot. Varianta A nen´ı bez zmˇeny jednoho z hlavn´ıch parametr˚ u rentabiln´ı. Anal´ yza ukázala, ˇze projekt je nerentabiln´ı i pˇri velké zmˇenˇe hlavn´ıch parametr˚ u. Varianta m˚ uˇze naj´ıt reálnˇe uplatnˇen´ı pouze v oblasti s lepˇs´ımi povˇetrnostn´ımi podm´ınkami.

4.1.2

Shrnut´ı

Elektrárnu Air Breeze jsem zvolil jako elektrárnu velikosti mikro, která by mohla b´ yt um´ıstˇena na stˇrechu objektu. Elektrárna je lehká a d´ıky velikosti splyne s reliéfem stˇrechy. Z hlediska moˇznosti instalace elektrárny by nemˇely nastat pot´ıˇze, jak z hlediska estetického tak kontrukˇcn´ıho. Jedin´ ym problémem m˚ uˇze b´ yt vyˇreˇsen´ı problému vyuˇzit´ı energie v letn´ıch mˇes´ıc´ıch. Z tohoto d˚ uvodu jsem navrhl ohˇr´ıván´ı vody v bojleru. Toto ˇreˇsen´ı vˇsak vyˇzaduje jistou zruˇcnost ze strany investora. Z v´ ykonostn´ıho hlediska se jedná o turb´ınu malého v´ ykonu. Podle u ´daj˚ u zadan´ ych v´ yrobcem jsem doˇsel k roˇcn´ı vyrobené energii 122 kWh. Jelikoˇz mnoˇzstv´ı energie je minimáln´ı, ohodnotil jsem cenu veˇskeré energie rovnu cenˇe elektˇriny v n´ızkém pásmu. V´ ysledná u ´spora je pak 244 Kˇc za rok. Investiˇcn´ı náklady vycház´ı z ceny elektrárny a dalˇs´ıch prvk˚ u 21 480 Kˇc. ´ Z v´ ypoˇct˚ u vypl´ yvá, ˇze varianta je velmi ztrátová. Uspora za dobu ˇzivotnosti pˇredstavuje pˇribliˇznˇe ˇctvrtinu investiˇcn´ıch náklad˚ u. Citlivostn´ı anal´ yzou jsem ukázal, ˇze tuto elektrárnu se vyplat´ı hodnotit pouze v oblastech s vyˇsˇs´ı pr˚ umˇernou rychlost´ı vˇetru. Vzhledem k vysoké ztrátovosti variantu nedoporuˇcuji k realizaci za souˇcasn´ ych podm´ınek. 2

Tato situace m˚ uˇze nastat pokud tepelná kapacita objektu je minimáln´ı a objekt má velkou tepelnou

ztr´ atu


40

Moˇznost´ı, kterou jsem opomenul jsou moˇznosti dotace. Jelikoˇz je varianta velmi ztrátová, nepˇricház´ı dotace v u ´vahu. Jejich velikost by musela dosahovat témˇeˇr 3/4 investiˇcn´ıch náklad˚ u, coˇz nen´ı efektivn´ı.

4.2

Varianta B - Savoniova turb´ına

Z ekonomického pohledu jsou hlavn´ı v´ yhodou této varianty n´ızké investiˇcn´ı náklady a vyˇsˇs´ı hodnota u ´spory. V´ ypoˇcty v pˇredchoz´ı kapitole jsem doˇsel k investiˇcn´ım náklad˚ um rovn´ ym 20 000 Kˇc (3.11) a roˇcn´ı u ´spoˇre 487 Kˇc (3.26). Jelikoˇz se jedná o turb´ınu ruˇcn´ı v´ yroby, odhadl jsem ˇzivotnost na 15 let. Podle rovnice (4.4) spoˇc´ıtu ˇcistou souˇcasnou hodnotu. . N P V = −13,000Kˇ c

(4.9)

Podle rovnice (4.5) vycház´ı roˇcn´ı ekvivalentn´ı penˇeˇzn´ı tok roven . RCF = −950Kˇ c

(4.10)

´ Uspora ˇcin´ı pˇribliˇznˇe 30% investiˇcn´ıch náklad˚ u. Ke stejnému závˇeru vede i anal´ yza ukazatele roˇcn´ıho ekvivalentn´ıho toku. Hodnota toku pro investiˇcn´ı náklady je pˇribliˇznˇe 1 500 Kˇc. Variantu B na základˇe zvolen´ ych parametr˚ u nedoporuˇcuji k realizaci.

4.2.1


Opˇet budu zkoumat vliv základn´ıch parametr˚ u na ekonomick´ y v´ ysledek. ˇ y Graf (4.3) pˇredstavuje vliv investiˇcn´ıch náklad˚ u a pr˚ umˇerné rychlosti vˇetru. Cern´ bod v grafu pˇredstavuje souˇcasné hodnoty parametr˚ u. Bod se nacház´ı v záporném pásmu. Investiˇcn´ı náklady byly urˇceny odhadem. V grafu (4.4) jsem proto vynesl závislost roˇcn´ıho ekvivalentn´ıho toku na investiˇcn´ıch nákladech. Z graf˚ u mohu odeˇc´ıst, ˇze projekt by bylo vhodné realizovat pˇri investiˇcn´ıch nákladech niˇzˇs´ıch neˇz 7 000 Kˇc. Z grafu (4.3) mohu zjistit, ˇze varianta by zaˇcala b´ yt rentabiln´ı od 4,8 m/s.


41

Obr´ azek 4.3: Varianta B - NPV podle investiˇcn´ıch náklad˚ u a rychlosti vˇetru

Obr´ azek 4.4: Varianta B - RCF podle investiˇcn´ıch náklad˚ u

Sn´ıˇzen´ı investiˇcn´ıch náklad˚ u je jistˇe moˇzné a závislé na prostˇredc´ıch investora. Jelikoˇz se jedná o zaˇr´ızen´ı realizované svépomoc´ı, mohu pˇredpokladát, ˇze nˇekteré prvky mohou b´ yt pouˇzity z rozbit´ ych ˇci vyslouˇzil´ıch pˇr´ıstroj˚ u a mohou m´ıt teoreticky aˇz nulovou


42

hodnotu. Pˇri v´ yrazném sn´ıˇzen´ı investiˇcn´ıch náklad˚ u by varianta mohla b´ yt realizována. Podle (4.5) mohu zkoumat vliv dalˇs´ıch parametr˚ u. Opˇet jsem zvolil diskont, r˚ ust cen(inflaci) a cenu energie. Parametry nemaj´ı zásadn´ı vliv na efektivitu projektu. Pouze pˇri velké zmˇenˇe v cenˇe energie by projekt mohl b´ yt rentabiln´ı. Celkovˇe maj´ı tyto parametry sp´ıˇse okrajov´ y vliv a nen´ı tˇreba je peˇclivˇeji zkoumat.

4.2.2

Shrnut´ı

Varianta B byla orientovaná na minimáln´ı investiˇcn´ı náklady. Jedná se o ruˇcnˇe stavˇenou savoniovu (vertikáln´ı, odporovou) turb´ınu a tepelné ˇcerpadlo. Hodnotil jsem dvoustupˇ novou turb´ınu ze sud˚ u o ploˇse 2,5x1,25 m. Jelikoˇz pˇredpokládám napojen´ı na tepelné ˇcerpadlo, turb´ına mus´ı b´ yt um´ıstˇena na stˇreˇse objektu ˇci v tˇesné bl´ızkosti. Hlavn´ı nev´ yhodou této varianty jsou nároˇcné a rozsáhlé v´ıcepráce. Z ekonomického pohledu je obt´ıˇzné konkrétn´ı urˇcen´ı investiˇcn´ıch náklad˚ u. Jelikoˇz se pˇredpokládá stavba z pouˇzit´ ych starˇs´ıch d´ıl˚ u, mohou se fináln´ı investiˇcn´ı náklady liˇsit. Základn´ı hodnotu jsem odhadl na 20 000 Kˇc. Pˇri urˇcen´ı uˇsetˇrené energie jsem vyˇsel z autorem namˇeˇrené závislosti mezi nab´ıjec´ım proudem a rychlost´ı vˇetru. Mnoˇzstv´ı vyrobené energie vyˇslo podobné variantˇe A a tak jsem stejné závˇery pro nakládán´ı s energi´ı pouˇzil i zde. Pro tepelné ˇcerpadlo jsem odhadl topn´ y faktor 3. Stavbou ˇcerpadla jsem se hloubˇeji nezab´ yval. V´ ysledná ˇcistá souˇcasná hodnota vyˇsla - 13 000 Kˇc. Realizace by byla moˇzná pˇri mnohem niˇzˇs´ıch nákladech ˇci lepˇs´ıch povˇetrnostn´ıch podm´ınkách. V´ yhodou jsou minimáln´ı náklady a t´ım i malé investiˇcn´ı riziko. Nev´ yhodou m˚ uˇze b´ yt problém s instalac´ı. Elektrárnu pravdˇepodobnˇe nebude moˇzno um´ıstit v zástavbˇe, ale sp´ıˇse na kraji. Projekt nemohu doporuˇcit k realizaci pˇri zvolen´ ych parametrech. Citlivostn´ı anal´ yza vˇsak poukázala na velkou flexibilitu investiˇcn´ıch anal´ yz˚ u. Proto variantu u ´plnˇe nezam´ıtám a pro hodnocen´ı konkrétn´ı varianty doporuˇcuji pˇrezkoumat investiˇcn´ı náklady, rychlost vˇetru v oblasti a topn´ y faktor potenciáln´ıho tepelného ˇcerpadla.

4.3

Varianta C - HyE 3000 W

Posledn´ı hodnocenou variantu jsem navrh s ohledem na vyˇsˇs´ı v´ ykon pˇri udrˇzen´ı rozumnˇe vysok´ ych limit˚ u na investiˇcn´ı náklady. Zjiˇstˇené u ´daje urˇcuj´ıc´ı efektivitu se nacház´ı v ta-


43

bulce tabulka 4.1. Tabulka 4.1: Varianta C - Ekonomické parametry

Roˇcn´ı u ´spora Investiˇcn´ı náklady Doba ˇzivotnosti 5 072 Kˇc

115 000 Kˇc

15 let

Diskont Inflace 3%

2%

V´ ypoˇctem podle rovnice (4.4) z´ıskávám ˇcistou souˇcasnou hodnotu podle zvolen´ ych parametr˚ u. . N P V = −44,000Kˇ c

(4.11)

Podle rovnice (4.5) vycház´ı roˇcn´ı ekvivalentn´ı penˇeˇzn´ı tok roven . RCF = −3,200Kˇ c

(4.12)

Podle obou kritéri´ı odpov´ıdá u ´spora pˇribliˇznˇe 60% investiˇcn´ıch náklad˚ u. Na základˇe zvolen´ ych parametr˚ u nemohu doporuˇcit variantu k realizaci.

4.3.1


Obr´ azek 4.6: Varianta C - NPV podle investiˇcn´ıch náklad˚ u a rychlosti vˇetru


44

Na grafu obr. 4.6 je vidˇet vliv investiˇcn´ıch náklad˚ u a rychlosti vˇetru na ˇcistou souˇcaasnou hodnotu. Z grafu mohu odeˇc´ıst, pˇri rychlosti 5,3 m/s bude u ´spora dostateˇcná. Aby byla varianta rentabiln´ı, byl by nutn´ y pokles investiˇcn´ıch náklad˚ u na 70 000 Kˇc. Jelikoˇz investiˇcn´ı náklady jsou pˇr´ımo dané cenou elektrárny, pˇredpokládám tak pouze malou nepˇresnost v urˇcen´ı investiˇcn´ıch náklad˚ u. Jelikoˇz vztah mezi náklady a u ´sporou je pomˇerovˇe mˇenˇs´ı, i ostatn´ı parametry mohou m´ıt vliv na rentabilitu. Na grafu obr. 4.7 je vidˇet vliv ceny energie, r˚ ustu cen a diskontu na roˇcn´ı ekvivalentn´ı penˇeˇzn´ı tok. Nejvˇetˇs´ı vliv má cena energie. Projekt by se stal rentabiln´ım pˇribliˇznˇe pˇri 2,3 Kˇc/kWh. Velmi pˇr´ızniv´ y vliv by tak mˇelo efektivnˇejˇs´ı vyuˇzit´ı energie v letn´ıch mˇes´ıc´ıch, pˇr´ıpadnˇe v m´ıstech, kde nelze pouˇz´ıt pouze noˇcn´ı proud pro temperaci. R˚ ust cen má niˇzˇs´ı vliv a diskont maj´ı menˇs´ı vliv. Pouze jejich kombinace (vyˇsˇs´ı r˚ ust, niˇzˇs´ı diskont) by mˇela vˇetˇs´ı vliv na rentabilitu projektu.

4.3.2

Shrnut´ı

Varianta C je zaloˇzena na elektrárnˇe o vyˇsˇs´ım v´ ykonu. Zvolenou elektrárnou je HyE 3000 W. Jmenovitého v´ ykonu elektrárna dosahuje pˇri 12 m/s. Odeˇctem ze závislosti rychlosti vˇetru a vyrobené energie jsem zjistil, ˇze tato elektrárny vyrob´ı pˇribliˇznˇe 1,6 MWh z potˇrebn´ ych 9,3 MWh v temperaˇcn´ım obdob´ı. Elektrárna má pr˚ umˇer rotoru 3m, uvaˇzuji proto um´ıstˇen´ı na samostatn´ y stoˇza´r. Z tohoto d˚ uvodu budou podm´ınky pro um´ıstˇen´ı striktnˇejˇs´ı. Elektrárna pravdˇepodobnˇe nebude vhodná pro pouˇzit´ı uvnitˇr zástavby. Z hlediska efektivity energie jsem zvolil dodávku energie do s´ıtˇe v letn´ıch mˇes´ıc´ıch. Cenu prodávané energie jsem ohodnotil na 1 Kˇc/kWh. Cena je samozˇrejmˇe urˇcena v dobˇe pˇres den. Vyrobená energie je ukládána do bateri´ı a pˇres den vyb´ıjena. Investiˇcn´ı náklady jsem urˇcil a ˇca´steˇcnˇe odhadl na 115 000 Kˇc. Pˇredpokládám, ˇze tato ˇca´stka je pomyslné maximum, které má smysl na podobn´ y projekt v˚ ubec uvaˇzovat. Roˇcn´ı u ´spora mi pak vyˇsla rovna pˇribliˇznˇe 5 100 Kˇc. D˚ uleˇzit´ ym parametrem, kter´ y nebyl bl´ıˇze zkoumán je ˇzivotost. U ostatn´ıch turb´ın ˇzivotnost pˇribliˇznˇe odpov´ıdala mé pˇredstavˇe o ˇzivotnosti. V pˇr´ıpadˇe této turb´ıny tato doba nen´ı jednoznaˇcná. V´ yrobce uvád´ı ˇzivotnost 15 let, prodejci uvádˇej´ı ˇzivotnost 20 let. V pˇr´ıpadˇe delˇs´ı ˇzivotnosti by byla ˇcistá souˇcasná hodnota pˇribliˇznˇe 0 Kˇc. Pro v´ ypoˇcty jsem pouˇzil relevantnˇejˇs´ı ˇzivotnost od v´ yrobce. Pˇredpokládám vˇsak, ˇze elektrárna bude m´ıt po 15 letech nenulovou zbytkovou hodnotu. V protikladu s ˇzivotnost´ı, je vˇsak tˇreba zohlednit velikost turb´ıny. Turb´ınu bude nutno po ukonˇcen´ı ˇzivotnosti demontovat a


45

zlikvidovat. Urˇcen´ım tˇechto náklad˚ u se zab´ yvat nebudu a budu pˇredpokládat zbytkovou hodnotu a likvidaˇcn´ı náklady za pˇribliˇznˇe stejné. ˇ a souˇcasná hodnota pro zvolené parametry mi pˇribliˇznˇe rovna -44 000 Kˇc. V´ Cist´ ysledek je záporn´ y, avˇsak citlivostn´ı anal´ yza ukazuje, ˇze i menˇs´ı zmˇena vstupn´ıch parametr˚ u vede k rentabilitˇe projektu. Variantu proto pˇr´ımo neodm´ıtám, ale doporuˇcuji konkrétn´ı urˇcen´ı rychlosti vˇetru v oblasti. V´ yhodou varianty je vyˇsˇs´ı v´ yroba energie. V pˇr´ıpadˇe v´ ypadku elektˇriny by elektrárna mˇela b´ yt schopná v bˇeˇzn´ ych podm´ınkách udrˇzet teplotu na kritickou teplotou delˇs´ı dobu. Nev´ yhodou jsou vˇetˇs´ı rozmˇery a investiˇcn´ı náklady.

4.4

Porovn´ an´ı

Jednotlivé varianty jsem navrhoval s ohledem na r˚ uzné vlastnosti a kritéria. Základn´ı parametry vˇsech variant se nacház´ı v tabulce tabulka 4.2. Tabulka 4.2: Porovnán´ı variant

Varianta Turb´ına 2

Plocha [m ] ˇ Zivotnost [roky] Investiˇcn´ı náklady [Kˇc] ´ Uspora [Kˇc] RCF [Kˇc]

A

B

C

Air Breeze

Savoniova turb´ına

HyE 3000W

1,07

3,13

7,07

20

15

15

21 480

20 000

115 000

244

487

5 072

-937

-946

-3 190

Varianta C má nejvyˇsˇs´ı u ´sporu ze vˇsech variant. To je vyváˇzeno jej´ı vysokou investiˇcn´ı zátˇeˇz´ı. Podle kritéria RCF jsou vˇsechny varianty nev´ yhodné k realizaci. Teoreticky nejménˇe nev´ yhodná je realizace varianty A. Kritérium roˇcn´ıho ekvivalentn´ıho penˇeˇzn´ıho toku vˇsak nezohledˇ nuje velk´ y rozptyl investiˇcn´ıch náklad˚ u. V pr˚ ubˇehu citlivostn´ı anal´ yzy vˇsech variant jsem zkoumal vliv jednotliv´ ych parametr˚ u, které jsou pro varianty vˇetˇsinou shodné. Nejvˇetˇs´ı vliv na u ´sporu má pr˚ umˇerná rychlost vˇetru v oblasti. Ze závislosti jednoho z kritéri´ı na rychlosti vˇetru mohu urˇcit pˇri jaké rychlosti se kaˇzdá varianta stává rentabiln´ı. Minimáln´ı rychlost vˇetru je v´ yborn´ ym kritériem porovnán´ı. Ukazuje jak jsou jednotlivé varianty vzdálené od podm´ınek, v kter´ ych by byly rentabiln´ı. Podle tohoto kritéria


46

Tabulka 4.3: Minimáln´ı rychlost vˇetru pro rentabilitu variant

Varianta

A

B

C

Rychlost vˇetru [m/s] 5,9 4,8 5,3 je nejlepˇs´ı varianta B. Z tohoto d˚ uvodu doporuˇcuji k dalˇs´ımu zkoumán´ı toto ˇreˇsen´ı.


Obr´ azek 4.2: Varianta A - RCF podle ceny energie, r˚ ustu cen a diskontu

47


Obr´ azek 4.5: Varianta B - RCF podle ceny energie, r˚ ustu cen a diskontu

48


Obr´ azek 4.7: Varianta C - RCF podle ceny energie, r˚ ustu cen a diskontu

49

Kapitola 5 Z´ avˇ er Ve své práci jsem zkoumal moˇznosti temperace za vyuˇzit´ı vˇetrné energie. Obnovitelné zdroje jsou modern´ım a zaj´ımav´ ym tématem na poli energetiky. Zaj´ımalo mˇe k jak´ ym v´ ysledk˚ um dospˇeji za vyuˇzit´ı sv´ ych znalost´ı a zda-li se mi podaˇr´ı navrhnout rentabiln´ı systém. Za u ´ˇcelem objektivity vyhodnocen´ı jsem pracoval s reáln´ ym objektem. Konkrétnˇe se jednalo o chalupu ve Zbilidech na Jihlavsku. V oblasti jsem pˇredpokládal pr˚ umˇerné ˇ povˇetrnostn´ı podm´ınky. Ty pro Ceskou republiku jsou 3,5 m/s. Pro objekt jsem urˇcil tepelnou ztrátu a kapacitu. Vzhledem k dostateˇcné tepelné kapacitˇe na den a p˚ ul jsem za alternativn´ı variantu povaˇzoval temperaci noˇcn´ım proudem. Pro u ´ˇcely vyhodnocen´ı jsem navrhl tˇri r˚ uznorodé varianty. Základem varianty A byla turb´ına o velikosti mikro, jej´ıˇz jmenovit´ y v´ ykon byl udan´ y 160 W. Ve variantˇe B jsem se pokusil vyhodnotit ruˇcnˇe vyrobenou turb´ınu a tepelné ˇcerpadlo. Variantu povaˇzuji za velmi zaj´ımavou, hlavn´ı podm´ınkou a nev´ yhodou jsou velké nároky na zruˇcnost investora. Posledn´ı varianta C stav´ı na vˇetˇs´ı elektrárnˇe o jmenovitém v´ ykonu 3 000 W. Pro vˇsechny varianty jsem ˇreˇsil základn´ı problémy se samotn´ ym um´ıstˇen´ım a efektivn´ım vyuˇzit´ım energie. Vˇsechny varianty se mi povedlo u ´spˇeˇsnˇe vyhodnotit. Podle parametr˚ u tak, jak jsem je pro jednotlivé varianty urˇcil, nemohu doporuˇcit ˇza´dnou k realizaci. Vˇsechny varianty jsou velmi ztrátové. V´ ysledek by nezmˇenily ani menˇs´ı dotace. Jedin´ ym teoreticky realizovateln´ ym projektem je varianta B. Z ekonomického hlediska varianta vyˇsla nejlépe. Jej´ı parametry vˇsak vykázaly nejvˇetˇs´ı variabilitu. Velikost investiˇcn´ıch náklad˚ u a topn´ y faktor tepelného ˇcerpadla nelze pˇresnˇe urˇcit a jsou závislé na v´ ysledné realizaci. Jejich pˇresné urˇcen´ı tak m˚ uˇze vést k závˇeru, ˇze by variantu bylo moˇzno realizovat. Ve vˇseobecném povˇedom´ı je fakt, ˇze vˇetrné elektrárny nejsou v bˇeˇzn´ ych podm´ınkách 50

´ ER ˇ KAPITOLA 5. ZAV

51

rentabiln´ı. Závˇery ekonomického vyhodnocen´ı tento pˇredpoklad potvrdily. Ani d´ıky vyˇsˇs´ımu uˇzitku z vyrobené energie (oproti prodeji do s´ıtˇe) jsem musel vˇsechny varianty nedoporuˇcit. S v´ ysledky práce jsem spokojen i pˇresto, ˇze se mi nepovedlo navrhnout rentabiln´ı systém. Podaˇrilo se mi vˇsak navrhnout a vyhodnotit projekt, kter´ y má potenciál b´ yt v m´ırnˇe lepˇs´ıch podm´ınkách realizovateln´ y.

Literatura ˇ e republiky pro energii z obnoviteln´ [1] Národn´ı akˇcn´ı plán Cesk´ ych zdroj˚ u. [cit. 2015-03-15], [2] Hodnoty

hhttp://www.mpo.cz/assets/cz/2012/11/NAP.pdfi, Srpen 2012.

fyzikáln´ıch

[cit. 2015-03-15],

veliˇcin

vybran´ ych

stavebn´ıch

materiál˚ u

[online].

hhttp://stavba.tzb-info.cz/tabulky-a-vypocty/58-hodnoty-

fyzikalnich-velicin-vybranych-stavebnich-materialui, 2015. [3] Limity hluku [online]. [cit. 2015-03-15],

hhttp://hluk.eps.cz/hluk/limity/i, 2015.

[4] Venkovn´ı v´ ypoˇctové teploty a otopná obdob´ı dle lokalit [online]. [cit. 2015-03-15], hhttp://vytapeni.tzb-info.cz/tabulky-a-vypocty/25-venkovni-vypoctove-teploty-aotopna-obdobi-dle-lokaliti, 2015. [5] Abeceda. Základn´ı pojmy v tepeln´ ych ˇcerpadech [online]. [cit. 2015-12-15], hhttp://www.abeceda-cerpadel.cz/cz/pojmy-a-principi, 2015. [6] AliExpress. HYE 3000 W generator [online]. [cit. 2015-010-21], hhttp://www.aliexpress.com/item/HYE-wind-power-system-parts-wind-turbinegenerator-3000W-3kw-DC-110V/1940216063.htmli, 2015. [7] Macholda F. Srdeˇcn´ y K. Truxa J. Beranovsk´ y J., Kaˇsparová M. Energie vˇetru. 2007. [cit. 2015-03-15], hhttp://www.ekowatt.cz/cz/informace/obnovitelne-zdroje-energie/energie-vetrui. [8] Solar Economic. Vˇetrná axiáln´ı elektrárna DS 300 W [online]. [cit. 2015-03-15], hhttp://www.solareconomic.cz/solarec/eshop/18-1-Vetrne-elektrarny/0/5/126Vetrna-axialni-elektrarna-DS-300-Wi, 2015. [9] E.ON. Oficiáln´ı stránky e.on [online]. [cit. 2015-03-15], hhttp://www.eon.cz/i, 2015.

52

LITERATURA

53

[10] Energy ForEver. Air Breeze One Land 12 V [online]. [cit. 2015-010-21], hhttp://energyforever.cz/cz/eshop/vetrne-mikro-elektrarny/air-breeze-land-12v715.htmli, 2010. ˇ e republice ve [11] Chládová Z. Pop L. Hanslian D., Hoˇsek J. Vˇetrné podm´ınky v Cesk´ v´ yˇsce 10 m nad povrchem i. TZB-info / Obnovitelná energie a u ´spory energie / Vˇetrná energie, Duben 2013. [cit. 2015-03-15],

hhttp://oze.tzb-info.cz/vetrna-

energie/9770-vetrne-podminky-v-ceske-republice-ve-vysce-10-m-nad-povrchem-ii. ˇ e republice ve [12] Chládová Z. Pop L. Hanslian D., Hoˇsek J. Vˇetrné podm´ınky v Cesk´ v´ yˇsce 10 m nad povrchem ii. TZB-info / Obnovitelná energie a u ´spory energie / Vˇetrná energie, Duben 2013. [cit. 2015-03-15],

hhttp://oze.tzb-info.cz/vetrna-

energie/9800-vetrne-podminky-v-ceske-republice-ve-vysce-10-m-nad-povrchem-iii. ˇ e republice ve [13] Chládová Z. Pop L. Hanslian D., Hoˇsek J. Vˇetrné podm´ınky v Cesk´ v´ yˇsce 10 m nad povrchem II [online]. [cit. 2015-12-15], hhttp://oze.tzb-info.cz/vetrna-energie/9800-vetrne-podminky-v-ceske-republice-vevysce-10-m-nad-povrchem-iii, Duben 2013. [14] HiVawt. DS-300 Vertical axis wind turbine [online]. [cit. 2015-03-15], hhttp://www.hi-vawt.com.tw/en/ds300w.htmli, 2012. [15] Robert Krainer.

Efektivn´ı energietick´ y region jiˇzn´ı ˇcechy - doln´ı bavorsko.

In

Tepelná ˇcerpadla, 2011. [cit. 2015-03-15], hhttp://www.energetickyregion.cz/download akce/1334126597cs 7 06 tepelna cerpadla.pdfi. [16] Ulrich Kreutzer. Eco energy takes the floor. Pictures of the Future [online], Fall 2013, 2013. [cit. 2015-03-15], hhttp://www.siemens.com/innovation/apps/pof microsite/ pof-fall2013/ html en/wind-heating.htmli. [17] P. Kuˇcera. Tepeln´ y odpor a tepelná j´ımavost cihelného zdiva. In pˇr´ıspˇevek ve sborn´ıku z celostátn´ı odborné konference Zdˇené objekty v Hradci Králové. René R˚ uˇziˇcka, Kvˇeten 2006. ˇ ˇ [18] CNB. Aktuáln´ı prognóza CNB [online]. [cit. 2015-03-15], hhttps://www.cnb.cz/cs/menova politika/prognozai, Listopad 2015. ˇ 73 0540-3. page 1, [19] J. Novák. Návrhové hodnoty ˇcinitele teplotn´ı redukce podle Csn Bˇrezen 2008. SF2.

LITERATURA [20] PB-PRODEJNA. [cit. 2015-010-21],

54 BANNER

ENERGY

BULL

130AH

12V

[online].

hhttp://pb-autobaterie.cz/trakcni-baterie/221-trakcni-baterie-

banner-energy-bull-96051-130ah-12v-c20.htmli, 2015. ˇ [21] Zelená L. Reinberk Z., Subrt R. On-line kalkulaˇcka u ´spor a dotac´ı zelená u ´sporám. Stavba / Tabulky a výpoˇcty, 2009. [cit. 2015-03-15],

hhttp://stavba.tzb-

info.cz/tabulky-a-vypocty/128-on-line-kalkulacka-uspor-a-dotaci-zelena-usporami. [22] Heinz Schulz. Savoni˚ uv rotor - Návod na stavbu, volume 1. HEL, 2005. [23] Solar Simplified. Grid-tied or Off Grid? [online]. [cit. 2015-12-15], hhttp://solarsimplified.org/connecting-to-the-grid/ongrid-offgridi, 2015. [24] Paul Steffes. Wind assisted heating. In A Distributive Electric Storage Technology that is a Low Cost, Long Life “Renewable Thermal Battery”. Steffes Corporation, Srpen 2008. [cit. 2015-03-15], hhttp://www.simplyeff.com/pdf/WindAssistedHeating.pdfi. [25] J Tywoniak. N´ızkoenergetické domy - Principy a pˇr´ıklady. Grada Publisher, a.s., 2005. [26] HYE wind energy power. HY-3000 [online]. [cit. 2015-010-21], hhttp://www.hyenergy.com.cn/a/English/HY 3000/i, 2015. [27] wind solar.cz. Hy energy 3kW [online]. [cit. 2015-010-21], hhttp://www.wind-solar.cz/produkt/3000w-3kw-dc48-110v-ac-220v/i, 2015.

Pˇ r´ıloha A Technick´ e n´ akresy objektu

I

ˇ ÍLOHA A. TECHNICKE ´ NAKRESY ´ PR OBJEKTU

II


III


IV


V


VI


VII


VIII


IX

Fakulta elektrotechnická

Recommend Documents