Obsah. časopis podnikatelů v teplárenství. ročník 14. Elektrárna Kolín, a.s. Dimenzování a řízení trubkových parních výměníků tepla

časopis podnikatelů v teplárenství

1/2004

Obsah Elektrárna Kolín, a.s. Mgr. Pavel Kaufmann, Ing. Michal Říha

2

Dimenzování a řízení trubkových parních výměníků tepla Ing. Vladimír Valenta

5

Sledování nákladů na energii v domácnosti Ing. Peter Schuster

12

Měření spotřeby tepla na ohřev TUV a kontrola dodávek TUV u odběratele Václav Edr

15

„Škody exhalacemi“ ve světle současných názorů na příčiny chřadnutí a hynutí lesa Prof. Ing. Radomír Mrkva, Csc.

17

Energetické využití biopaliva na bázi kalů z čistíren odpadních vod Prof. Ing. Pavel Kolat, DrSc., Doc. Ing. Dagmar Juchelková, Ph.D., Ing. Petr Šušák, Ing. Anna Cemerková

22

Aktuality

27

CONTENS − INHALT

28

Vydavatel: Teplárenské sdružení České republiky Ředitel výkonného pracoviště: Ing. Miroslav Krejčů, MBA Bělehradská 458, 530 09 Pardubice 9 tel.: 466 414 440 fax: 466 412 737 e−mail: [email protected] URL: http://www.tscr.cz IČ: 42940974, neplátci DPH bankovní spojení: KB Pardubice č.ú.: 35932−561/0100 Registrace: OŽU Pardubice č. j. 00/08001/S−133 Redakce a inzerce: Teplárenské sdružení České republiky Kontaktní osoba: Olga Stará Bělehradská 458, 530 09 Pardubice 9 tel.: 466 414 444 fax: 466 412 737 e−mail: [email protected] Redakční rada: Ing. Michal Říha − předseda, Mgr. Pavel Kaufmann − místopředseda, Prof. Ing. Jaroslav Kadrnožka, CSc. − čestný člen, Ing. Jiří Bartoň, CSc., Ing. Josef Bubeník, Doc. Ing. Karel Brož, CSc., Ing. Jiří Cikhart, DrSc., Prof. Ing. Bedřich Duchoň, CSc., Ing. Vladimír Kohout, Ing. Vojtěch Kvasnička, Olga Stará, Ing. Miroslav Vincent, Ing. Vilibald Zunt Výroba a distribuce: Grafická úprava, sazba: Anna Benešová Tisk: Garamon, s.r.o. Hradec Králové Distribuce: Ferda Česká reklamní počta Hradec Králové Zaregistrováno: Ministerstvo kultury ČR, ev. číslo MK ČR − E − 6736 ze dne 10. 1. 1994 ISSN 1210 − 6003 Časopis vychází s podporou České energetické agentury. Vychází jako dvou− měsíčník v nákladu 1500 ks a toto číslo vyšlo 27. 2. 2004. Cena předplatného je 480 Kč a 780 Kč pro zahraničí.

1 2004 ročník 14 Na obálce: Elektrárna Kolín, a.s.

Veškerá autorská práva k časopisu 3T −Teplo, technika, teplárenství vykoná− vá vydavatel. Jakékoli užití časopisu nebo jeho části, zejména šíření jeho rozmnoženin, přepracování, přetisk, překlad, zařazení do jiného díla, ať již v tištěné nebo elektronické podobě, je bez souhlasu vydavatele zakázáno. Za obsah inzerce ručí zadavatel. Za původnost a obsahovou správnost jednot− livých příspěvků ručí autor. Rukopisy redakce nevrací. V případě přijetí díla k uveřejnění redakce autora o této skutečnosti uvědomí. Právní režim vydání nabídnutých autorských děl se řídí autorským zákonem v platném znění a dal− šími navazujícími právními předpisy. Zasláním příspěvku autor uděluje pro případ jeho vydání vydavateli svolení vydat jej v tištěné podobě v časopise 3T, jakož i v jeho elektronické podobě na internetových stránkách TS ČR, popř. CD − ROM nebo v jiné formě, jiným způsobem v elektronické podobě. Autor− ská odměna je poskytnuta jednorázově do 1 měsíce po uveřejnění příspěvku ve výši dle ceníku vydavatele.

1

1/2004

Elektrárna Kolín, a.s. Elektrárna Kolín je výrobce elektrické energie a výrobce a dodavatel tepelné energie pro průmysl a obyvatele města Kolín. Společnost navazuje na dlouholetou tradici výroby elek− trické energie započatou firmou Křižík roku 1911 a Elektrárenským svazem středolab− ských okresů (ESSO), založeným roku 1916. Kolínskou elektrárnu jako stavbu pro ESSO Kolín projektoval v letech 1929 až 1930 významný architekt Jaroslav Fragner. Montáž kotlů, dvou turbogenerátorů Českomoravské Kolben Daněk a ostatního příslušenství byla zahájena v roce 1931 a o rok později byla první etapa stavebního díla uvedena do provozu. Druhá etapa se bohužel vzhledem k začátku druhé světové války nerealizovala. Kolínská elektrárna zajišťovala na svém počátku dodávku elektrické energie pro 535 obcí a 193 osad a páru k topným a výrobním účelům města a zde sídlících podniků. Energetickou koncepci a rozvoj společnosti ESSO nejvíce ovlivnili Ing. Budil a Ing. Smola. Fotogenické a odbornými publikacemi často uváděné stylově čisté funkciona− listické stavbě dodnes dominuje 117 metrů vysoký komín. V předválečném období to byl nejvyšší komín ve střední Evropě, dodnes je nejvyšším komínem z cihel v ČR a podle některých pramenů nadále i ve střední Evropě. Architektonická perspektiva má symbolizovat význam elektřiny pro styl moderní doby 30. let. Do roku 1956 byla elektrárna Kolín jako systémová elektrárna zapojená do základního zatížení elektrické soustavy. Roku 1992 vzniká při privatizaci akciová společnost Elektrárna Kolín a zahájena byla rozsáhlá modernizace společ− nosti. V polovině 90. let se počítalo s celkovou plynofikací elektrárny v rámci ekologizace její výroby. Nepřízni− vý vývoj, který se projevil zvyšováním ceny zemního plynu na jedné straně a nízkou výkupní cenou elektřiny na druhé straně, vedl ke změně strategie společnosti. V roce 1997 byl ukončen náročný ekologický program, který zachoval uhelné kotle a podle něhož společnost splňuje veškeré přísné emisní limity. V roce 1999 byla zprovozněna kondenzační odběrová turbína o výkonu 12 MW.

Představujeme . . .

O minulosti i budouc− nosti nejbližší jsme si při− jeli do Kolína popovídat s generálním ředitelem společnosti Elektrárna Ko− lín, a.s., Mgr. Ing. Alešem Doležalem:

2

„V minulém roce 2003 byla pro nás klíčovou inves− ticí výstavba nového práško− vého hnědouhelného kotle K8 o výkonu 80 MW, tedy 100 tun páry za hodinu při paramet− Mgr. Ing. Aleš Doležal rech teploty 440 °C a tlaku generální ředitel 4,3 MPa. Projektová dokumentace byla zahájena v září 2002. Procedura EIA o vlivu na životní prostředí proběhla v pro− sinci 2002. V lednu 2003 bylo vydáno stavební povolení, v březnu jsme vybrali zhotovitele, tedy společnost ČKD DIZ Praha, která vyhrála výběrové řízení. V dubnu byly pode− psány smlouvy o dílo a započaly první práce na výstavbě nového kotle. V listopadu 2003 se nám jako jedné z prvních teplárenských společností u nás podařilo získat integrované povolení v rámci IPPC, které platí do konce roku 2007, a následně byl v listopadu 2003 zahájen zkušební provoz, takže pro náš zdroj platí ještě příznivější emisní limity.“ Vedle výstavby nového hnědouhelného kotle se toho ale v Elektrárně Kolín, a.s., změnilo v minulém roce více… „Vedle výstavby kotle se nám na sklonku minulého roku podařilo rozdělit rozvodny mezi Středočeskou energetickou a Elektrárnou Kolín, takže můžeme prodávat elektřinu z naší hydroelektrárny za výhodnější výkupní ceny pro elektřinu

z obnovitelných zdrojů. A jak sami vidíte z oken elektrárny, vody je v Labi na začátku roku dost, takže hydroelektrárna, která prodělala generální opravu některých částí, jede dnes až s výkonem tři čtvrtě megawatty. Dalším loňským úspěchem bylo zajištění nízkosirného paliva se stabilním cenovým vzorcem do roku 2007, kdy nám končí integrované povolení IPPC a počítáme s rozjezdem odsíření. Nový kotel bude splacen a nás s odsířením čeká další investice zhruba za 150 miliónů korun. Když jsme u uhlí, musíme se ještě pochlubit dalším zlepšením, které nastalo v průběhu letošního roku. Upravovali jsme zauhlovací ces− ty, aby byla snížena především jejich hlučnost a prašnost. Ač to vypadá, že elektrárna leží na kraji města, zasahuje do obydleného území a bylo potřeba nepříznivé vlivy co nejví− ce utlumit. Úpravy na zauhlování nás přišly asi na 15 milió− nů korun. Prašnost byla eliminována nejen zakrytím zauhlo− vacích cest, ale především skrápěcím systémem, který zvlh− čuje uložené palivo. Novinkou na skládce paliva je i rukáv s cylindrem, kterým dopadá palivo z pásu na dno skládky, ale díky cylindru na konci rukávu už nedochází k rozprášení jemnějších částí uhelného paliva po okolí. Zajímavostí je také využití vlnovce na boku šikmého pásu, který již není kovový, ale z materiálu, který je pružný a odstranil se tak nejen skří− pot kovu, ale i skřípot vznikající třením uhlí o kov.“ Vraťme se ještě k uhelnému kotli, proč jste tento pro− jekt přihlásili do soutěže Projekt roku? „Ano, tento projekt jsme přihlásili do soutěže Projekt roku v systémech dálkového vytápění a chlazení, které vyhlásilo Teplárenské sdružení České republiky. Předmětem projektu byla rekonstrukce a modernizace tepelného zdroje Elektrár− ny Kolín, spočívající v odstavení starého černouhelného kotle K4 a následně ve výstavbě již zmíněného nového parního

Zastavme se na chvíli u tepla a elektřiny. Jaký byl vývoj jejich produkce v minulých letech? „V roce 1994 dodala elektrárna svým zákazníkům zhruba 1400 TJ tepla. V roce 1997 nastal výraznější propad na 1217 TJ, o rok později jsme dodali odběratelům 1118 TJ tep− la. Pokles nadále pokračoval, a ač jsme se snažili připojovat nové zákazníky, úspory stávajících byly vyšší. Dnes se do− dávka pohybuje kolem 1000 TJ. Počítáme však s tím, že dále už by klesat neměla, naopak. Rozvíjejí se projekty, které by mohly dodávku tepla zvýšit nebo minimálně stabilizovat na současné úrovni. U elektřiny byla výroba v letech 1992 až 1998 poměrně bez výkyvů 13 až 15 GWh ročně. Mírně se zvýšila v roce 1999

Skládka paliva

1/2004

Odlučovač popílku

se zahájením provozu nové 12MW turbíny na 18 GWh. Nejlepší byl doposud rok 2000, kdy se nám podařilo prodat dokonce 41 GWh elektřiny. V následujících letech to bylo 25, respektive necelých 18 GWh v roce 2002. Vzhledem ke zkva− litnění technologických částí, které nám umožní dodávat elek− třinu podle diagramu, však počítáme, že opět zvýšíme pro− dukci kvalitnější elektřiny za zajímavější ceny. Výrobu tepla na kotlích chceme nyní v elektrárně zvýšit z 1300 TJ na více než 1600 TJ. Jak už jsem řekl, dodávka tepla našim odběratelům se i přes napojení nových odběra− telů zvýší jen málo, o to více ale chystáme vyrobit elektřiny. Předpokládáme navýšení až na 22 GWh při celoročním vyu− žití technologie. Přičteme−li k našemu základnímu zdroji ještě čtyři špič− kové plynové kotelny ve městě s celkovým výkonem 61,4 MWt , pak disponuje společnost instalovaným tepelným výkonem 230,5 MWt .“ To už se pomalu dostáváme za hranice elektrárny. Jaká a jak dlouhá je vaše tepelná síť? „Z elektrárny je vyvedena po městě pára v rozvodné síti o celkové délce 41,4 km. Do průmyslových podniků dodává− me přímo páru. Do obytných oblastí je to různé. Snahou je postupně ve spolupráci s Městským tepelným hospodářstvím Kolín ukončit dodávku páry na okrajích obytných zón a přes výměníkové stanice pára/voda by MTH Kolín dále distribuo− valo horkou či teplou vodu. Nabízí se otázka, zda celou síť nepřevést rovnou na horkou či teplou vodu. Vysoký poměr nebytových odběratelů, z nichž řada využívá především tech− nologickou páru, zatím tomuto záměru příliš nenahrává. Na− víc nyní splácíme nový kotel a po roce 2007 budeme splácet odsíření. Proto další velká investice, kterou by si jistě pře− chod z páry na vodu vyžádal, přichází nejdříve v úvahu až někdy po roce 2012, což je i dostatečný časový horizont, aby se situace s odběry tepla a páry ve městě Kolín stabili− zovala a abychom na ni mohli adekvátně reagovat. Ještě bych se konkrétněji vrátil ke struktuře odběratelů. Ta je poměrně vyrovnaná, 309 TJ spotřebují byty pro vytápění a přípravu teplé užitkové vody, 419 TJ odebere kategorie neby− ty, tedy služby a vybavenost, a 259 TJ je určeno pro průmyslo− vé podniky. Dohromady je to 987 TJ, takže podíly jednotlivých kategorií jsou 31,3 % byty, 42,4 % nebyty a 26,3 % průmysl.“


granulačního kotle v co nejkratší možné době s cílem zkrátit i dobu uvádění do provozu na minimum. To byl důvod, pro který jsme se přihlásili do soutěže, tedy rychlost výstavby kotle a rychlost uvedení do provozu. Výstavba ovšem nebyla jednoduchá. Objekt kotelny je za− členěn do komplexu objektů sloužících pro provoz technolo− gického vybavení tepelného zdroje. Komplex je tvořen objek− ty vlastní kotelny osazené uhelnými kotli a jedním plynovým kotlem. Dále chemickou úpravnou vody, strojovnou a rozvod− nou 22 kV. Kotelna na východní straně sousedí se strojovnou, na západní částečně s objektem chemické úpravny vody a jednopodlažním přístavkem laboratoří. Stavbou nevznikly nároky na zabrání nových ploch. Umíte si asi představit, v jak stísněných podmínkách se tu pracovalo a jaké nároky to klad− lo na organizaci prací tak, aby všechno tady bylo včas a na místě, kam to patří. Před modernizací byl tepelný výkon tří našich kotlů 141,06 MWt , po této modernizaci bude o něco vyšší, celkem 165,15 MWt , opět pro tři kotle. Jak vidíte, nárůst neodpoví− dá výkonu nového kotle, jelikož, jak vyplývá i z integrovaného povolení, černouhelný kotel K4 budeme muset odstavit. Instalovaný elektrický výkon tepelné elektrárny zůstává stejný, tj. 16,5 MWe . Ovšem připravujeme k montáži další turbínu. Není sice úplně nová, ale více než zachovalá, její původní majitel ji používal pouze sezónně. Pro nás je zajímavá především dvěma vstupy na tlakových úrovních 4,3 MPa a 1,1 MPa, což přesně odpovídá tlakovým parametrům na− šeho nového kotle a menšího kotle, který využíváme zejmé− na v létě při nižších odběrech tepla.“

3

1/2004

Emoce vyvolávají i ceny tepla, jak je to ve vašem případě?

„U bytů nejsme ve většině případů přímými dodavateli tepla. Tím je již zmiňované Městské tepelné hospodářství Kolín. Cenu tepla i v letošním roce 2004 udržíme pod hrani− cí regulace, tedy 240 Kč/GJ. V rámci vyrovnávání cen pro byty a nebyty počítáme v letošním roce s maximálním nárůs− tem ceny pro domácnosti do 4,5 %.“ V poslední době se hodně hovoří o využití obnovitelných zdrojů, jak se v tomto ohledu daří Elektrárně Kolín? „Současné možnosti využití biomasy u nás zatím zkoumá− me. Z hlediska technologie by sice bylo možné přidávat do kotle biomasu, ale ta je jako palivo nyní drahá a navíc v naší oblasti jí mnoho není. Vlastně už obnovitelný zdroj využíváme. Hovořili jsme o něm na začátku. Jako třešinku na dortu si chováme vodní elektrárnu v nedalekém mostě přes Labe spojujícím starý Kolín s částí Zálabí. Několik desítek metrů po proudu pod dnešním mostem na začátku 20. století byly provozovány dva mlýny. Mlynářská konkurence si tu však nešla po krku, ale spojila se, aby byla ještě silnější a mohla vybudovat v mostě na začátku 30. let 20. století hydroelektrárnu. Její elektrická energie pak posloužila nejen k pohonu obou mlýnů, ale další elektrifikaci regionu. Čtyři Francisovy turbíny dokážou při dostatku vody dodat výkon 0,6 MW. Ročně vyprodukuje hyd− roelektrárna zhruba 3500 MWh čisté elektřiny.“


Elektrárna Kolín, a.s.

4

Řada technických vylepšení, které se vám podařilo uskutečnit v minulém roce, je bohatá, jak vypadala ostatní činnost? „Podařilo se nám samozřejmě v rámci obchodních akti− vit připojit v uplynulém roce další nové odběratele. Napří− klad v souvislosti s bytovou výstavbou pro projekt automo− bilky TPCA v průmyslové zóně Ovčáry. Úspěšní jsme byli i při postupném zaplňování tak zvané malé průmyslové zóny v Kolíně. Tady se nám dnes velice dobře spolupracuje s městem, které na základě závazné územní dokumentace prosazuje přednostní napojení na síť dálkového zásobování teplem, samozřejmě je−li to ekonomicky výhodnější a tech− nicky proveditelné. Zákazníkům také začínáme nabízet absorpční chlazení. Aby však bylo konkurenceschopné s jinými způsoby chlazení, mělo by být provozováno celo− ročně. Dalším možným příkladem chlazení je využití chladu v obilných silech ZZN, která jsou nedaleko teplárny. Chladné prostředí pod 8 stupňů má totiž podobný efekt jako chemická ochrana zrna, která zabraňuje šíření chorob a množení škůdců. Teď bude důležité, jak takto využité chlazení vyjde po ekonomické stránce, a je samozřejmé, že tu svoji sehraje i šetrnější způsob ochrany chladem, než je použití chemických prostředků. V minulém roce se rovněž výrazně zlepšila komunikace mezi státními orgány, městem a elektrárnou. Elektrárna se obrazně řečeno vrací zpět do života města. Tomu všemu napomohlo například sponzorování akcí, ale i cílená medi− ální práce s veřejností. Jako příklad můžeme uvést nepří− jemné profuky při uvádění nového kotle do provozu. Ač se protáhly o další dva dny, emoce veřejnosti se podařilo uklid− nit a celou situaci komunikačně úspěšně zvládnout.“

Centrum města je na dohled

Vedle výroby elektřiny má kolínská hydroelektrárna další ekologický dopad. Při parném létě, kdy je nedosta− tek vody, tedy přesně jako v minulém roce, byla elektrárna jedním z mála míst, kde se pořádně prokysličovala voda, proto se sem stahovaly ryby. Ty dokonce přitáhly i dravé ryby, takže pod elektrárnou nebyla nouze ani o kapitální úlovky štik. Tradují se zvěsti, že minulé léto se Kolín za− halil do vůně smažených ryb, která trumfla i nedalekou rafinerii Koramo. Při zářijové prohlídce ještě odstroje− ného kotle v elektrárně jsme skutečně na vlastní oči vidě− li pod elektrárnou u labských břehu hejna pstruhů. Za rozhovor poděkovali Mgr. Pavel Kaufmann a Ing. Michal Říha

Dimenzování a řízení trubkových parních výměníků tepla

1/2004

Ing. Vladimír Valenta V příspěvku je pojednáno o páře ve výměnících tepla, o škrcení při proudění páry a o stavech páry při předávání tepla ve výměníku. Rovněž je zmíněn způsob dimenzování teplosměnné plochy, dimenzování regulačních venti− lů a uvedena závislost změny tepelného výkonu na zdvihu regulačního ventilu včetně příkladu. Způsob řízení tepelného výkonu výměníku je popsán pro otevřené i pro uzavřené parokondenzátní soustavy. Jedna poznámka se týká změn tepelných výkonů výměníků a druhá možného odparu vody na teplosměnné ploše výměníku.

1. ÚVOD V současné době se pro předávání tepla z primární teplo− nosné látky, páry, do sekundární teplonosné látky, vody, pou− žívají pro vyšší tlaky páry protiproudé svislé výměníky tepla s přímými nebo do šroubovice vinutými trubkami. Tyto výmě− níky mají vzhledem ke svým výkonům poměrně malé objemy a jejich použití umožňuje projektantům navrhovat jednoduchá, kompaktní a ekonomická provedení předávacích zařízení.

2. PÁRA VE VÝMĚNÍCÍCH TEPLA

ku její přehřátí rychle mizí a pára se stává opět sytou, ale již při teplotě T2. Tuto změnu stavu postihuje výseč BC (obr. 1). Rozdíl entalpií takto přehřáté páry (bod B) a páry syté (bod C) je za stálého tlaku vzhledem k měrnému výparné− mu, resp. ke kondenzačnímu teplu velice malý. Např. při škrcení z počátečního tlaku 1 na tlak 0,9 MPa je rozdíl ental− pií (tab.1) pouze 2778 − 2774 = 4 kJ.kg−1 a poměrný rozdíl jen 0,14 %. Při velkém škrcení z počátečního tlaku 1 na tlak 0,1 MPa je rozdíl entalpií 2778 − 2675 = 103 kJ.kg−1 a poměrný rozdíl entalpií je 3,7 %. Takto nízké odchylky je možno v to− penářské praxi zanedbat.

Při proudění páry, např. regulačním ventilem, dochází ke ztrátě tlaku škrcením. Nejvhodnější pomůckou pro zná− zornění změn stavu páry je diagram h−s (entalpie−entropie) (obr. 1). V diagramu je uvedena horní mezní křivka se suchostí x = 1. Nad touto křivkou je pára ve stavu přehřá− tém, na křivce ve stavu sytém a pod křivkou je pára ve stavu mokrém, kdy je hodnota suchosti x < 1. Pokud do regulačního ventilu vstupuje pára sytá, po sní− žení tlaku za regulačním ventilem se vlivem škrcení pára mírně přehřeje a její teplota klesne. Při škrcení se totiž ental− pie páry nemění, takže změna stavu páry probíhá po přímce mezi body A a B (obr. 1). V diagramu i v tomto příspěvku se u pojmu tlak rozumí vždy absolutní tlak, ne přetlak.

2.2 Stavy páry při předávání tepla ve výměníku

Obr. 1 Škrcení tlaku páry v diagramu h−s

Primární teplonosná látka (pára a kondenzát) může za při− bližně stálého tlaku procházet ve výměníku tepla vlivem ode− bírání tepla sekundární teplonosnou látkou obecně těmito stavy: ö sycením páry, ö kondenzací páry, ö ochlazováním kondenzátu. Sycení páry Vlivem škrcení tlaku syté páry o teplotě T0 a tlaku p0 v regulačním ventilu na straně páry, který je určen pro řízení tepelného výkonu výměníku, vstupuje do výměníku tepla pára přehřátá o teplotě T1 a o tlaku p1 (obr. 2). Ochlazováním páry sekundární teplonosnou látkou ve výměníku za stálého tla−

Tab. 1 Některé vlastnosti vodní páry na mezi sytosti

Teplo, technika, teplárenství

2.1 Škrcení při proudění páry

5

1/2004

Obr. 2 Výměník tepla v otevřené parokondenzátní soustavě s volným výtokem kondenzátu

Kondenzace páry Dalším odebíráním tepla páře sekundární teplonosnou lát− kou se sytá pára vlivem kondenzace přeměňuje v páru mok− rou, a to za stálé kondenzační teploty T2 při konstantním kon− denzačním tlaku p1 (obr. 1). Změna probíhá po polopřímce z bodu C již v oblasti mokré páry. Veškerá pára zkondenzuje, když je jí odebráno teplo rovné teplu kondenzačnímu. Na konci tohoto procesu existuje pouze kondenzát, který má teplotu T2. Ochlazování kondenzátu Dalším odebíráním tepla kondenzátu sekundární teplonos− nou látkou se kondenzát ochlazuje opět za stálého tlaku p1 na teplotu T3, která může být blízká vstupní teplotě sekun− dární teplonosné látky t 1 . Při ochlazení kondenzátu z kondenzační teploty 100 na 75 °C se pro sekundární teplo− nosnou látku získá entalpický rozdíl ve výši 105 kJ.kg−1, což představuje poměrný rozdíl entalpií vztažený k měrnému kondenzačnímu teplu 4,6 %. Při ochlazení kondenzátu ze 180 na 75 °C je poměrný rozdíl entalpií 22 %.

Potíž pro použití uvedeného vztahu je v tom, že v projekční praxi nelze snadno stanovit součinitel prostupu tepla teplo− směnnou plochou, resp. jeho složku, tj. součinitel přestupu tepla v trubkách na straně kondenzující páry. Proto výrobci výměníků tepla pára−voda uvádějí pro dimenzování návrho− vé diagramy (obr. 3). Jsou to většinou grafické závislosti tepel− ných výkonů výměníků o určitých teplosměnných plochách a pro určité vstupní a výstupní teploty oběhové vody na kondenzačním absolutním tlaku páry a na teplotě výstup− ního kondenzátu. Vidíme, že tepelné výkony jsou silně závislé na konden− začním absolutním tlaku páry, kdy s rostoucím tlakem roste tepelný výkon. Růst výkonů je dán také růstem teploty výstupního kondenzátu. Teplota výstupního kondenzátu je vymezena na dolní úrovni vstupní teplotou oběhové vody, na horní úrovni kondenzační teplotou páry. Doporučená výpočtová teplota výstupního kondenzátu by měla být o 5 K vyšší než výpočtová vstupní teplota obě− hové vody. Pro výměník se sekundární tepelnou soustavou 90/70 °C by měla být teplota výstupního kondenzátu 75 °C. Toto doporučení je kompromisem mezi přijatelnou velikostí teplosměnné plochy a přijatelným ochlazením kondenzátu. Větší ochlazení by znamenalo větší teplosměnnou plochu a naopak. Použití kondenzátu s výstupními teplotami nad 100 °C by sice vedlo k menším teplosměnným plochám vý− měníků, ale přehřátý kondenzát, zejména u otevřených paro− kondenzátních soustav, by představoval zvýšené ztráty tepla a vody na kondenzátní straně soustav. Poměrný hmotnostní úbytek páry odparem z přehřátého kondenzátu (před expanzí), jehož tlak se sníží expanzí na tlak atmosférický, lze stanovit ze vztahu u = (tk − 100) / 539,

(2)

kde u − poměrný hmotnostní úbytek páry odparem tk − teplota kondenzátu před expanzí

(−) (°C)


3. DIMENZOVÁNÍ ZAŘÍZENÍ

6

3.1 Dimenzování teplosměnné plochy Dimenzování velikosti teplosměnné plochy výměníku tep− la pára−voda se může formálně provádět pomocí vztahu A = Qn / {k. (Tk − ts)},

(1)

kde A − teplosměnná plocha výměníku (m2) Qn − výpočtový tepelný výkon výměníku (kW) k − součinitel prostupu tepla teplosměnnou plochou (kW.m−2.K−1) Tk − kondenzační teplota páry (°C) ts − střední teplota oběhové vody = 0,5. (t1 + t2) (°C) t1 − teplota vstupní oběhové vody (°C) t2 − teplota výstupní oběhové vody (°C)

Obr. 3 Tepelná charakteristika určitého výměníku pára−voda pro soustavu 90/70 °C

Vztah je odvozen z předpokladu rovnosti entalpií konden− zátu před expanzí a kondenzátu a páry po expanzi. Při teplo− tě kondenzátu před expanzí 180 °C bude hodnota poměrného hmotnostního úbytku páry odparem u = 0,148, což je při− bližně 15 %, při teplotě 120 °C potom u = 0,037, což jsou přibližně 4 %.

3. 2 Dimenzování regulačních ventilů Nejprve se musí stanovit výpočtový průtok páry, resp. kondenzátu výměníkem ze vztahu

kde mn − výpočtový hmotnostní průtok (kg.h−1) Qn − výpočtový tepelný výkon výměníku (kW) hp − entalpie vstupní páry (kWh.kg−1) hf − entalpie výstupního kondenzátu (kWh.kg−1) rk − měrné výparné teplo při kondenzační teplotě (kWh.kg−1) c − měrná tepel. kapacita vody=1,163.10−3 (kWh.kg−1.K−1) tk − teplota kondenzace (°C) tf − teplota výstupního kondenzátu (°C) Entalpii výstupního kondenzátu stanovíme ze vztahu hf = c. tf.

kde kv − jmenovitý průtok odvaděčem (m3.h−1) mn − výpočtový hmotnostní průtok kondenzátu (kg.h−1) ∆pon− výpočtový tlakový rozdíl na odvaděči (kPa) Dimenzování regulačních kondenzátních ventilů se pro− vádí také pomocí jmenovitého průtoku

(3) (4)

kv = 0,01. mn / ∆pvn0,5,

kv −jmenovitý průtok reg. ventilem (m3.h−1) mn −výpočtový hmotnostní průtok kondenzátu (kg.h−1) ∆pvn− výpočtový tlakový rozdíl na reg. ventilu (kPa)

3.3 Závislost změny tepelného výkonu na zdvihu regulačního ventilu Tato závislost je důležitá pro posouzení možnosti řízení tepelného výkonu výměníku. Pro posouzení nám poslouží dva vztahy. Prvým vztahem je závislost poměrného průtoku na poměrném zdvihu regulačního ventilu s lineární charak− teristikou čili

(5)

V diagramu h−s (obr. 1) se pro entalpii používá samozřej− mě jednotka kJ.kg−1. Při provádění topenářských výpočtů je jednodušší používat pro entalpii jednotku kWh.kg−1. Pře− vod hodnot entalpie vyjádřené jednou z obou jednotek je: hw (kWh.kg−1) = hj (kJ.kg−1) / 3600. Z praktického hlediska je zajímavé, že rozdíl entalpií (hp − hf) má pro výpočtovou teplotu výstupního kondenzátu 75 °C té− měř stálou hodnotu 0,67 kWh.kg−1, slabě závislou na teplotě vstupní páry. Tím se výpočet zjednodušuje. Dimenzování regulačních parních ventilů se provádí po− mocí jmenovitého průtoku kv, což je objemový průtok arma− turou při dohodnutém tlakovém rozdílu 100 kPa. Jeho hod− nota se stanoví ze vztahu (6)

kde kv mn ∆pvn ρ

(8)

kde

m = z. kv. (10. r. ∆pvn)0,5,

kv = mn. {0,1/ (∆pvn . ρ)}0,5,

1/2004

(7)

− jmenovitý průtok reg. ventilem (m3.h−1) − výpočtový hmotnostní průtok páry (kg.h−1) − výpočtový tlakový rozdíl na reg. ventilu (kPa) − hustota páry na výstupu z reg. ventilu (kg.m−3)

Pokud má být na regulačním ventilu zpracován tlakový rozdíl větší než 0,5. p1 (absolutní tlak), musí se do vztahu dosadit za ∆ρvn hodnota 0,5. p1 a za ρ hustota při vstupní tep− lotě t1 a tlaku 0,5. p1. Dimenzování plovákových odvaděčů kondenzátu se pro− vádí pomocí jmenovitého průtoku

(9)

kde m − je poměrný průtok = M / Mn M − hmotnostní průtok regulačním ventilem Mn − výpočtový hmotnostní průtok regulačním ventilem z − poměrný zdvih ventilu = Z / Zn Z − zdvih ventilu Zn − plný zdvih ventilu kv − jmenovitý průtok regulačním ventilem ρ − hustota páry nebo kondenzátu ∆pvn− výpočtový tlakový rozdíl na regulačním ventilu

(−) (kg.h−1) (kg.h−1) (−) (mm) (mm) (m3.h−1) (kg.m−3) (kPa)

Z této závislosti vyplývá, že poměrný průtok regulačním ventilem je závislý pouze na poměrném zdvihu ventilu, resp. je přímo úměrný, neboť ostatní veličiny mají konstantní hod− noty. Druhým vztahem je q = m. (hp − hf),

(10)

kde q − Q − Qn − m− hp − hf −

poměrný tepelný výkon výměníku = Q / Qn (−) tepelný výkon výměníku (kW) výpočtový tepelný výkon výměníku (kW) poměrný průtok dle vztahu (9) (−) entalpie vstupní páry (kWh.kg−1) entalpie výstupního kondenzátu (kWh.kg−1).


mn = Qn / (hp − hf), případně ze vztahu mn = Qn / {rk + c. (tk − tf)},

kv = 0,01. mn / ∆pon0,5,

7

1/2004

Při snižování tepelného výkonu výměníku na minimální hodnoty kolem 20 % se samozřejmě rozdíl entalpií (hp − hv) nepatrně zvyšuje, max. o 7 %, a to vlivem nižší hodnoty ental− pie výstupního kondenzátu. Ta je dána nižší teplotou výstupní− ho kondenzátu, protože ji sníží nízká teplota vstupní sekundár− ní vody. Také tuto závislost můžeme prakticky považovat za přímo úměrnou. Potom lze z obou vztahů vyvodit, že tepelný výkon výměníku je přímo úměrný poměrnému zdvihu regu− lačního ventilu. Znamená to, že řízení tepelného výkonu vý− měníku může probíhat ustáleně v plném rozsahu výkonů.

3.4 Způsob řízení tepelného výkonu výměníku Způsob je jednoduchý. Řídicí systém udržuje teplotu vý− stupní vody t2 na požadované hodnotě ovládáním průtoku páry regulačním ventilem. Požadovaná teplota výstupní vody může být stálá nebo proměnná v závisloti na vnější teplotě. Informaci o teplotě výstupní vody dodává řídicímu systému snímač teploty.

4. OTEVŘENÉ PAROKONDENZÁTNÍ SOUSTAVY Tyto soustavy se vyznačují tím, že kondenzát z výměníku tepla natéká přímo do kotle přivzdušněným potrubím nebo do kondenzátní nádrže otevřeného provedení. Odtud je dopravován kondenzátním čerpadlem ke zdroji tepla. Kon− denzát je v potrubí i v nádrži v kontaktu se vzduchem. Re− gulační ventil je zpravidla umístěn na straně páry.

Obr. 5 Průtočné charakteristiky regul. ventilu a odvaděče kondenzátu a) při plném průtoku b) při polovičním průtoku

4.1 S volným výtokem Toto provedení (obr. 2) se dvěma tlakovými úrovněmi bylo již částečně popsáno v obecné kap. 2.2. První tlaková úro− veň je před regulačním ventilem, druhá ve výměníku. Důle− žitým znakem provedení je kondenzace páry za nízkého tla− ku, blízkému shora i zdola atmosférického tlaku čili při tep− lotě 100 °C, neboť parokondenzátní část je buď zavzdušněná,

nebo zaplavená (viz kap. 7). Při nižších tepelných výkonech výměníku se pásmo kondenzace zužuje a naopak pásmo vy− chlazování se rozšiřuje. Současně se snižuje kondenzační teplota vlivem zavzdušnění kondenzačního pásma. Konden− zační teplota páry, např. 60 °C, je způsobena parciálním ne− boli částečným tlakem páry 20 kPa ve směsi pára−vzduch o celkovém tlaku 100 kPa. Vlivem nízké výpočtové konden− zační teploty vychází velikost teplosměnné plochy výmění− ku podstatně vyšší než u ostatních provedení.


4.2 S plovákovým odvaděčem kondenzátu

8

Toto provedení (obr. 4) se třemi tlakovými úrovněmi se vyznačuje plovákovým odvaděčem na výstupu kondenzátu z výměníku. První tlaková úroveň je před regulačním ventilem, druhá ve výměníku, třetí za odvaděčem kondenzátu. Důležitým znakem provedení je možnost kondenzace páry za vyššího tla− ku, který je udržován odvaděčem kondenzátu a je pouze o tlakovou ztrátu regulačního ventilu nižší než počáteční tlak páry. Výpočtový dispoziční tlakový rozdíl primární strany se musí rozdělit na složku příslušnou regulačnímu ventilu a na složku příslušnou odvaděči kondenzátu tak, aby byl zajištěn nejvyšší kondenzační tlak a tím také teplota páry. Proto výpočtová tlaková ztráta regulačního ventilu musí být podstatně menší než tlaková ztráta odvaděče kondenzátu. Přitom platí, že Obr. 4 Výměník tepla v otevřené parokondenzátní soustavě s plovákovým odvaděčem kondenzátu

∆ppn = p0n − p2n = ∆pvn + ∆pon,

(11)

∆ppn −výpočtový dispoziční tlakový rozdíl primární strany (kPa) p0n −výpočtový tlak páry vstupující do reg. ventilu (kPa) p2n −výpočtový tlak kondenzátu vystupujícího z odvaděče (kPa) ∆pvn −výpočtový tlakový rozdíl na reg. ventilu (kPa) ∆pon −výpočtový tlakový rozdíl na odvaděči (kPa) Z výpočtových tlakových rozdílů na regulačním ventilu a na odvaděči kondenzátu se potom stanoví jmenovité průtoky. Rozdělení dispozičního tlakového rozdílu primární strany na dvě složky, pro regulační ventil a pro odvaděč kondenzátu, je patrné i na diagramu (obr. 5), kde jsou zakresleny průtočné charakteristiky obou armatur. První v prvním kvadrantu, druhá ve druhém kvadrantu proto, aby se obě tlakové ztráty mohly sčítat při totožném průtoku. Průtočnou charakteristikou se rozu− mí závislost tlakové ztráty na hmotnostním průtoku při urči− tém poměrném zdvihu armatury. U plovákového odvaděče kon− denzátu se předpokládá, podobně jako u regulačního ventilu, lineární závislost poměrného průtoku na poměrném zdvihu. Základní charakteristiky jsou dány křivkami při plném zdvihu (obr. 5 a), kdy jsou poměrné zdvihy armatur z = 1. Výpočtový stav je dán průtokem mn, při kterém je tlaková ztráta ventilu dána pořadnicí AN a tlaková ztráta odvaděče pořadnicí BN. Výpočtový dispoziční tlakový rozdíl primární strany je dán úsečkou AB. Pokud by se při výpočtu dispozič− ní tlakový rozdíl primární strany rozdělil na obě složky špat− ně, např. v poměru 1:1, posunul by se rozdělovací bod N do polohy N’. Kondenzační tlak by se tak snížil na hodnotu p1n’, čímž by se snížil výpočtový tepelný výkon výměníku. Potřebné snižování tepelného výkonu výměníku zajišťuje regulační ventil tím, že snižuje zdvih kuželky např. na 50 %. Průtočná charakteristika je dána křivkou zv = 0,5 (obr. 5 b). Tím se sníží na polovinu i průtok, přičemž tlakovou ztrátu ventilu představuje zvětšená pořadnice CN a tlakovou ztrátu odvaděče zmenšená pořadnice DN. Ta je dána křivkou zo = 1, neboť kuželka či destička odvaděče kondenzátu je při této činnosti plně otevřena vlivem plováku, který reaguje na zaplavení výměníku tepla, což je popsáno dále. Při polo− vičním průtoku vyplývá z křivky zo = 1 nová poloha provoz− ního kondenzačního tlaku ve výši p1, který je podstatně nižší než výpočtový kondenzační tlak p1n. Pára kondenzuje ve svislých trubkách tak, že po vnitřních stěnách trubek stéká kondenzát nejčastěji ve formě blány. Jakmile všechna pára zkondenzuje, musí přejít blána kon− denzátu v trubkách malých průměrů do spojité hladiny. Zna− mená to, že místo vytvoření hladiny kondenzátu je závislé na průtoku páry. Při nízkých průtocích se hladina přibližuje vstupu páry a naopak.

Regulační ventil musí zpracovat plný dispoziční tlakový rozdíl primární strany ∆pp = p0 − p2. Z tohoto tlakového roz− dílu se stanoví jmenovitý průtok regulačním kondenzátním ventilem. Pohon ventilu je také vybaven havarijní nadstav− bou pro bezpečné odstavování výměníku. Při nižších tepelných výkonech výměníku se pásmo kon− denzace zužuje a naopak pásmo vychlazování se vlivem za− plavení kondenzátem rozšiřuje. Toto provedení přináší oproti předešlým následující výho− dy, které podstatně snižují investiční a také provozní náklady: ö odpadá zcela kondenzátní hospodářství (kondenzátní ná− drž, kondenzátní čerpadlo), ö kondenzát může být dopravován do zdroje tepla zdarma tlakem páry, ö kondenzát může být dopravován do zdroje tepla spojitě, ö únik páry a kondenzátu je vyloučen, stejně jako okysličo− vání kondenzátu, ö dimenze kondenzátního regulačního ventilu je podstatně menší.

6. PŘÍKLAD 6.1 Zadání Pro parokondenzátní soustavu se sytou párou o tlaku 1 MPa se má určit typ výměníku tepla o výpočtovém tepelném vý− konu 300 kW, regulační parní ventil a plovákový odvaděč kondenzátu, případně regulační kondenzátní ventil. Výmě− níkem se bude předávat teplo do sekundární vodní vytápěcí soustavy o výpočtových teplotách vody 90/70 °C. Při odbě− rových špičkách klesá tlak páry až na 0,9 MPa. Maximální protitlak v kondenzátním potrubí je 0,3 MPa. Výpočtová tep− lota výstupního kondenzátu má být 75 °C. Řešení má být provedeno jednak pro otevřenou, jednak pro uzavřenou pa− rokondenzátní soustavu.

6.2 Řešení Pro určení typu výměníku tepla pára−voda použijeme návr− hový diagram určitého typu výměníku. Tento typ výměníku

5. UZAVŘENÉ PAROKONDENZÁTNÍ SOUSTAVY Toto provedení (obr. 6) se dvěma tlakovými úrovněmi se vyznačuje regulačním ventilem na výstupu kondenzátu z výměníku. První tlaková úroveň je před, druhá za regulač− ním kondenzátním ventilem. Důležitým znakem provedení je možnost kondenzace páry za plného vstupního tlaku.

1/2004

Obr. 6 Výměník tepla v uzavřené parokondenzátní soustavě


kde

9

1/2004

vyhovuje minimálnímu vstupnímu tlaku páry 900 kPa a teplotě výstupního kondenzátu 75 °C, kdy vykazuje poža− dovaný tepelný výkon 300 kW. Výpočtový průtok páry, resp. kondenzátu, výměníkem bude podle (3) mn = 300 / 0,67 = 448 kg.h−1. Provedení otevřené Dispoziční tlakový rozdíl primární strany bude podle (11) ∆pp = 900 − 100 = 800 kPa, protože výtok kondenzátu se děje do prostředí o atmosféric− kém tlaku. Tento rozdíl se rozdělí tak, aby tlakový rozdíl ∆pvn = 20 kPa připadl na regulační parní ventil a tlakový roz− díl ∆pon = 780 kPa na odvaděč kondenzátu. Jmenovitý průtok regulačního parního ventilu bude podle (6) kv = 448. {0,1/ (20. 4,16)}0,5 = 15,5 m3.h−1. Tomu odpovídá ventil DN 40, kv = 16 m3.h−1. Jmenovitý průtok odvaděče kondenzátu bude podle (7) kv = 0,01. 448 / 7800,5 = 0,16 m3.h−1. Tomu odpovídá odvaděč DN 15, kv = 0,16 m3.h−1. Provedení uzavřené Dispoziční tlakový rozdíl primární strany bude podle (11) ∆pp = 900 − 300 = 600 kPa, protože výtok kondenzátu se děje do kondenzátního potrubí s protitlakem 300 kPa. Jmenovitý průtok regulačního kondenzátního ventilu bude podle (8) kv = 0,01. 448 / 6000,5 = 0,18 m3.h−1. Tomu odpovídá ventil DN 15, kv = 0,16 m3.h−1.

7. POZNÁMKA KE ZMĚNÁM TEPELNÝCH VÝKONŮ VÝMĚNÍKŮ


Při řízení tepelných výkonů výměníků je třeba snižovat výkon z maximální, tj. výpočtové hodnoty, na hodnoty mi− nimální, které jsou u vytápění na úrovni 20 %. Pokud se změ− na výkonu děje škrcením průtoku páry, dochází ke změně kondenzačního tlaku, resp. teploty. U výměníků s volným výtokem s trubkami o malém prů− měru (kolem 10 mm) následuje zaplavení části teplosměnné plochy, přičemž kondenzační tlak může klesnout i pod tlak

10

atmosférický. U výměníků s trubkami o větších průměrech se trubky zavzdušní, takže vznikne směs pára−vzduch. Při− tom je parciální (částečný) kondenzační tlak samozřejmě niž− ší, než je tlak atmosférický. U výměníků s plovákovým odvaděčem kondenzátu násle− duje zaplavení části teplosměnné plochy. Relace mezi kondenzačním tlakem, resp. teplotou, výš− kou zaplavení plochy kondenzátem a průtokem páry popisu− jí tyto vztahy: pk + ph = ∆pz + pa, m = (1 − b). (Tk − ts) / (Tkn − tsn), pk = 110. Tk0,24 − 10,

(12) (13) (14)

kde pk ph h ρ g ∆pz pa m M Mn b H Tk Tkn ts tsn

− kondenzační tlak − tlak sloupce kondenzátu = 10−3. h. r. g − výška zaplavení − hustota kondenzátu − zemské zrychlení − tlaková ztráta kondenzátní části − atmosférický tlak − poměrný průtok páry = M / Mn − průtok páry − výpočtový průtok páry − poměrná výška zaplavení = h / H − maximální výška zaplavení − kondenzační teplota páry − výpočtová kondenzační teplota páry − střední teplota oběhové vody − výpočtová střední teplota oběhové vody

(kPa) (kPa) (m) (kg.m−3) (m.s−2) (kPa) (kPa) (−) (kg.h−1) (kg.h−1) (−) (m) (°C) (°C) (°C) (°C).

Do vztahu (12) se za tlakovou ztrátu kondenzátní části dosazuje: ö u volného výtoku tlaková ztráta třením v trubkách, ö u výtoku s plovákovým odvaděčem kondenzátu tlaková ztráta odvaděče. Postup řešení spočívá ve volbě poměrného průtoku páry a následném výpočtu kondenzačního tlaku a výšky zaplave− ní výměníku.

8. POZNÁMKA K MOŽNÉMU ODPARU VODY NA TEPLOSMĚNNÉ PLOŠE VÝMĚNÍKU Při návrhu výměníku tepla je třeba zkontrolovat, zda při provozu nedojde k odpařování oběhové vody na vnějším povrchu teplosměnné plochy výměníku. Při odpařování by docházelo jednak ke vzniku hluku, jednak ke snižování ži− votnosti teplosměnné plochy. K odpařování vody dochází v případě, když je teplota vněj− šího povrchu teplosměnné plochy vyšší, než je teplota vody na mezi sytosti při nejvyšším dovoleném přetlaku tepelné sou− stavy. Ten bývá roven otevíracímu přetlaku pojistného ventilu. Teplota vnějšího povrchu teplosměnné plochy je dána jed− noduchým vztahem Obr. 7 Závislost teploty vnějšího povrchu trubky (te) na teplotě páry (Tp) a na podílu přestupních součinitelů (a) při teplotě vody 90 °C; potřebný minimální přetlak sekundární vody (pmin)

te = (Tp + a. tv) / (a + 1),

(15)

Vztah je odvozen ze základních vztahů, které popisují pro− stup a přestup tepla teplosměnnou plochou výměníku s nu− lovým tepelným odporem při vedení tepla plochou. Je patr− né, že teplota vnějšího povrchu teplosměnné plochy klesá s klesajícími teplotami vstupní páry a výstupní oběhové vody a s rostoucím podílem přestupních součinitelů. K odpařování oběhové vody může docházet v případech, kdy je současně: ö vysoká teplota páry, ö vysoká teplota vody a její nízký přetlak, ö nízký podíl přestupních součinitelů. Vztah (15), doplněný o závislost teploty vody na mezi sytosti na přetlaku vody, je pro přehlednost převeden do gra− fické formy (obr. 7). Představuje závislost teploty vnějšího povrchu trubky na teplotě páry a na podílu přestupních sou− činitelů při teplotě vody 90 °C. V grafu je uveden i potřebný minimální přetlak sekundární vody. Např. při teplotě páry Tp = 170 °C a při podílu přestupních součinitelů a = 1 je teplota vnějšího povrchu trubky te = 130 °C. Odpovídající potřebný minimální přetlak sekundární vody pmin = 180 kPa. Při teplotě páry Tp = 180 °C a při podílu pře− stupních součinitelů a = 0,5 je teplota vnějšího povrchu trub− ky te = 150 °C, čemuž odpovídá potřebný minimální přetlak sekundární vody pmin = 380 kPa. Abychom mohli kontrolovat, zda nedochází k odpařování vody na teplosměnné ploše výměníku, musí být k dispozici hod− noty podílu přestupních součinitelů pro několik průtoků vody. Ty zatím dodavatelé výměníků v podkladech neuvádějí. Měli by je stanovit z výsledků měření výměníku a z výpočtu souči− nitele přestupu tepla na vnějším povrchu teplosměnné plochy. U výměníků s vysokou teplotou páry a s vysokou teplo− tou oběhové vody při jejím nízkém přetlaku je třeba zajistit konstantní průtok oběhové vody přepouštěním vody z pří− vodu do zpátečky. Při klesajícím průtoku vody vlivem činnosti regulačních armatur by docházelo ke snižování hod− noty součinitele přestupu tepla na vnějším povrchu teplo− směnné plochy a následně i ke snižování hodnoty podílu pře− stupních součinitelů. Potom by mohlo docházet k odparu vody a ke vzniku hluku.

9. POZNÁMKA K MOŽNÝM PORUCHOVÝM STAVŮM PŘI PROVOZOVÁNÍ VÝMĚNÍKŮ TEPLA Při provozování výměníků tepla je nutno počítat s tím, že mohou nastat stavy, které by narušily jejich řádný provoz. Proto ČSN 06 0830 „Zabezpečovací zařízení pro ústřední vytápění a ohřívání vody“ předepisuje povinnou výbavu vý− měníků tepla, která při poruchových stavech zajistí odstave− ní výměníku. V některých případech je nutné použít i dopo− ručenou výbavu.

1/2004

Doporučená výbava Za výstupní armaturu umístěnou na primárním výstupním potrubí, kterou je buď regulační kondenzátní ventil, nebo odvaděč kondenzátu, je vhodné osadit snímač teploty pro odstavování výměníku při překročení nejvyšší dovolené tep− loty kondenzátu. Rovněž tento snímač je součástí porucho− vého systému. Výbava je požadována v případech, kdy má být zaručeno předepsané vychlazení kondenzátu, což je např. při použití plastových trubek na kondenzátním potrubí. Dále se doporučuje umístit do neutrálního bodu sekundární sou− stavy snímač přetlaku pro odstavování výměníku při pod− kročení nejnižšího dovoleného přetlaku. Také tento snímač je součástí poruchového systému. Poruchové stavy Poruchové stavy nastávají tehdy, když je sekundární strana: ö bez vody (např. po vypuštění výměníku), ö bez průtoku (např. při výpadku oběhového čerpadla), ö bez přetlaku (např. při velké perforaci některého zařízení tepelné soustavy a následném úniku oběhové vody). V prvém případě pára vstupující do výměníku není vů− bec chlazena a vystupuje z výměníku tepla téměř o stejné teplotě s teplotou vstupní. Tzn., že prorazí až na počátek kon− denzátního potrubí. Přitom snímač teploty výstupní vody obklopený vzduchem nereaguje vůbec nebo pozdě, což ne− vede k odstavení výměníku. Proto je vhodné použít doporu− čenou výbavu. Ve druhém případě pára vstupující do výměníku způsobí rychlé zvyšování teploty vody a zvětšování jejího objemu. Pokud teplota vody v pojistném místě překročí nejvyšší do− volenou teplotu výstupní oběhové vody, zareaguje snímač teploty výstupní vody, což povede k odstavení výměníku. Kdyby mezitím přetlak vody překročil hodnotu nejvyššího dovoleného přetlaku, otevře pojistný ventil. Do pojistného ventilu bude vstupovat voda, když teplota páry je nižší než teplota oběhové vody na mezi sytosti při otevíracím přetlaku pojistného ventilu. V opačném případě bude do pojistného ventilu vstupovat pára. Ve třetím případě pára vstupující do výměníku způsobí okamžité odpařování oběhové vody při teplotě 100 °C a také rychlé zvyšování její teploty. Když teplota vody v pojistném místě překročí nejvyšší dovolenou teplotu výstupní oběhové vody, nastavenou na nejvýše 95 °C, zareaguje snímač teplo− ty výstupní vody, což povede k odstavení výměníku. Perfo− race samozřejmě musí odvádět jak nárůst objemu vody, tak vzniklou páru. Ing. Vladimír Valenta Cech topenářů a instalatérů ČR Jílová 38, 639 00 Brno tel.: 323 603 219, fax: 543 234 746 e−mail: cti@sou−jilova.cz


te − teplota vnějšího povrchu teplosměnné plochy (°C) Tp − teplota vstupní páry (°C) a − podíl součinitelů přestupů tepla na vnější a na vnitřní straně teplosměnné plochy (−) tv − teplota výstupní oběhové vody (°C).

Povinná výbava Do pojistného místa na výstupu oběhové vody z výměníku tepla se osazuje pojistné zařízení (nejčastěji pojistný ventil) a snímač teploty pro její řízení a pro odstavování výměníku při překročení nejvyšší dovolené teploty výstupní oběhové vody. Snímač je součástí poruchového systému.

kontakt

kde

11

1/2004

Sledování nákladů na energii v domácnosti Ing. Peter Schuster V článku je uvedena jednoduchá metodika provedení tepelně ekonomické analýzy panelového bytu, který je zásobován teplem z plynové kotelny. Dále je zde uveden postup, jak lze spotřebu energií racionálně snižovat.

Poměr nákladů na energii k ostatním nákladům na bydlení byl před dvanácti léty minimální a takový byl i vztah spotře− bitelů k jejímu šetření. V zimním období jsme byli svědky častého větrání pokojů otevíráním oken, celoroční plýtvání teplou vodou a elektřinou bylo běžné. V současné době činí náklady na energii čtyřčlenné rodiny bydlící v panelovém bytě kolem 11 % z celkových spotřebních vydání domácnosti.

MĚRNÉ SPOTŘEBY Vytápění Zdroj tepla

měrné náklady 2

tuhá paliva

0,7 GJ/m

ostatní (elektřina, plyn, TO, aj.)

0,55 GJ/m2

měrné náklady 0,206 MJ/m2.D° 0,162 MJ/m2.D°

Měrné údaje jsou uvedeny za otopné období. Není žádna chyba, když je vztáhneme stejně jako vyúčtování tepelné energie na jeden zúčtovací rok. Údaje jsou vztaženy na prů− měrnou výšku stropu 2,7 m. Pokud je výška místnosti napří− klad 2,56 m, pak stanovíme korekční koeficient jako podíl 2,56/2,7 m, tj. 0,948. Tímto korekčním koeficientem násobí− me tabulkové hodnoty a dostáváme příslušné měrné nákla− dy. V tomto případě je to místo 0,55 pouze 0,521 GJ/m2.rok.

Příprava TUV


Příprava TUV měrné náklady na m2 měrné náklady na m3

12

v budově

0,2 GJ/m2 . rok

0,3 GJ/m3. rok

mimo budovu

0,25 GJ/m2 . rok

0,35 GJ/m3. rok

Měrné ukazatele spotřeby tepelné energie na vytápění a přípravu TUV jsou uvedeny ve vyhlášce Ministerstva prů− myslu a obchodu č. 152/2001 Sb.

patrné, že náklady na bydlení reálně stouply o více než 6 % z celkových spotřebních výdajů. Náklady na bydlení a služby se od roku 1999 postupně snižují (končí anuita, byt byl dán do užívání roku 1975) a také snížení nákladů na teplo na vytápění v roce 2002 mělo za následek snížení celkových nákladů na bydlení. Když celkové náklady na energii rozdělíme podle jejich jednotlivých druhů, dostáváme jejich složení uvedené v grafu č. 1. Náklady na vytápění (34,1 %) se téměř nezměnily a jsou podobné jako v minulém otopném období (33,4 %). Zde se vliv toho, že radiátory byly od března 2002 osazeny termostatic− kými ventily s termostatickou hlavicí (TRV) a poměrovými měřiči tepla, v podstatě neprojevil. Rok 2001 byl z hlediska vytápění pro naši budovu atypický (velký únik tepla). Ná− klady na tepelnou energii na vytápění jsou 341 Kč/GJ a na ohřev TUV 345 Kč/GJ.

Podíl na vydáních domácnosti v % rok

teplo a TUV

elektřina a plyn

voda (surovina)

bydlení celkem

%

%

%

%

%

1987

4,5

3,6

1,2

0,4

9,6

1997

4,7

6,8

3,1

2,8

17,4

1998

4,4

7,8

3,2

2,2

17,7

1999

5,1

6,2

4,9

1,9

18,2

2000

5,0

6,5

5,6

1,8

18,9

2001

4,6

7,4

5,4

2,0

19,4

2002

4,1

6,1

4,9

1,1

16,1

Podíl na vydáních domácnosti v Kč rok

nájem a služby

teplo a TUV

Kč

Kč

1987

3 120

2 500

825

250

1997

8 050

11 698

5 418

4 748

29 914 172 000

1998

8 030

14 179

5 864

4 060

32 133 181 200

1999

10 070

12 135

9 680

3 801

35 686 196 600

2000

10 270

13 329

11 453

3 792

38 844 205 800

2001

10 056

16 108

11 817

4 475

42 456 218 900

2002

9 330

14 017

11 208

2 553

37 108 230 000

VÝDAJE NA BYDLENÍ Sestávají z výdajů na spotřebu energií, na nájem a služby (+fond oprav), elektřinu a plyn a náklady na vodu (surovi− nu). Náklady na energii počítáme ze spotřeb elektřiny, zem− ního plynu, tepelné energie potřebné k vytápění bytu a tepelné energie potřebné k ohřevu TUV. V následující tabulce jsou uvedeny peněžní výdaje na bydlení v procentech z celkových výdajů jedné čtyřčlenné rodiny (2 dospělí + 2 děti nad 15 let). Pro ilustraci je zde uveden i rok 1987. I když meto− dika stanovování nájmu a služeb byla tehdy odlišná, je

nájem a služby

elektřina náklady bydlení a plyn na vodu celkem

Kč

Kč

Kč 6 695

vydání celkem

Kč 70 000

Graf č. 1

Spotřeba energie domácnosti v roce 2002 [%] 15,5

23,1

14,3

47,1 Graf č. 2

Na grafu č. 2 jsou uvedeny spotřeby jednotlivých druhů energie. Spotřeba tepla bytu na vytápění za rok je 27,5 GJ/rok (47,1 %), oproti loňské hodnotě 38 GJ/rok (54,4 %) se pod− statně snížila. Zde se projevil jednoznačně vliv zlepšení regulace tepla v budově a poměrového měření tepla jednot− livých radiátorů. TRV společně s rozdělovači topných nákladů byly dány do provozu až dne 19. března 2002. To znamená, že se zde nepromítla spotřeba tepla za poměrně významné měsíce leden, únor a polovinu března. Je možné, že spotřeba tepla na vytápění může klesnout se zavedením jeho poměro− vého měření i přes 35 %. Pro dvoupokojový byt o ploše 55,162 m2 a výšce stropu 2,56 m vychází korigovaná měrná spotřeba 0,521 GJ/m2.rok a vypočtená za rok 2002 byla 0,48 GJ/m2.rok, což je oproti roku 2001, kdy byla 0,68 GJ/m2.rok, zna− telný pokles. Zavedením poměrového Tabulka č. 3 měření tepla v místnostech se snížila spo− třeba tepla na vytápění o 28 % (a to první tři měsíce v roce 2002 nebyla spotřeba tepla na vytápění měřena). Poznámka k instalaci TRV: Jde o ventily typu Oventrop a termostatické hlavice typu Sontex 501 s kapalinovým snímačem a teplotu v místnosti lze přibližně nastavit: stupeň 2 − 16 °C; stupeň 3 − 20 °C; stupeň 3,5 − 21 °C; stupeň 4 − 22 °C; stupeň 4,5 − 23 °C; stupeň 5 − 24 °C.

Větrání místnosti při instalovaných TRV vyžaduje zvláštní postup. Při větrání by neměl studený vzduch proudit přímo na hlavici. Když je například hlavice nastavena na stupeň 2, tj. teplotu 16 °C, a nad ní otevřeným oknem proudí studený vzduch kolem 5 °C přímo na hlavici, ta pochopitelně otevírá ventil naplno. Proto je vhodné větrat ventilačními okny inten− zivně a krátce. Při odchodu z bytu je vhodné TRV přivřít, čímž se dá snížit spotřeba tepla. Dále snímač má reagovat na teplotu v místnosti, ale pokud je umístěn za závěsy (nábytkem, kryty apod.), reaguje především na teplotu vzduchu, která je za zá− věsem, a ta není reprezentativní (je obvykle vyšší než teplota v místnosti). Proto se stává, že i při stupni 5, kdy by měla být v místnosti teplota vzduchu 24 °C, hlavice s čidlem uzavírá ventil a teplota v místnosti klesá. Podmínkou správné funkce TRV je, aby měl proudící vzduch v místnosti k hlavici volný přístup. Další ovlivnitelnou položkou jsou náklady na teplo po− třebné na ohřev TUV (16,9 %). Roční náklady na ohřev TUV průměrné domácnosti o čtyřech členech jsou cca 4700 Kč při její spotřebě kolem 60 m3. Jeden GJ reprezentuje ohřev cca 5,6 m3 vody z 12 °C na 55 °C bez zápočtu ztrát z cirkulace. Ve vyhlášce 152/2001 Sb. je uvedena položka za spotřebu tepla na přípravu TUV 0,3 GJ/m3.rok. Když si provedeme výpočet tepelná energie na ohřev TUV z vyúčtování, které dostáváme od BD, zjistíme, že nás přijde 1 GJ na cca 350 Kč a pak pro 13,4 GJ/rok vychází měrná spotřeba 0,24 GJ/m3.rok. Z analýzy spotřeby tepla na vytápění plyne, že pro danou spotřebu je potřeba tepla na ohřev TUV 11,39 GJ/rok a cca tepelná energie cca 2 GJ/rok jsou ztráty způsobené přede− vším cirkulací. Náš komfort, kdy máme po celý den k dispo− zici teplou vodu, je draze zaplacen. V průměru dochází při ohřevu teplé užitkové vody k 15% ztrátě tepelné energie. Pokud měrná spotřeba stoupne na 0,363 GJ/m3.rok, pak jsou ztráty při ohřevu teplé užitkové vody dokonce dvojnásobné, až 30 %. V tabulce č. 3 jsou uvedeny orientačně ceny jedno− ho litru teplé vody včetně suroviny: Jediným možným a to radikálním způsobem, jak uvedené ztráty snížit, je omezení až zastavení odběru TUV ze sítě na dobu například od 22 až do 5 hodin. To je ovšem pro ně− které citelný zásah do jejich práv. Takže všeobecný souhlas s takovým režimem se dá očekávat jen málokde. Tímto způ− sobem by se podstatně snížily náklady na ohřev teplé vody z plynové kotelny. Uvedená řešení jsou podmíněna souhla− sem spolubydlících a musí se pochopitelně projednat i s vedením BD. Při celkových nákladech na energii, které jsou kolem 28 000 Kč za rok, je její 10 % snížení reálné a současně i významnou hodnotou.

1/2004


Náklady na energii a vodu v domácnosti − 2002 (%) (při celkové spotřebě energie 16 193 kWh)

13

1/2004

Náklady na energii a vodu za rok v Kč

Graf č. 3

Spotřeba energie za rok v kWh

Indonésie a jaderný program Energetická krize v Indonésii by mohla nastartovat ožive− ní jaderného programu. Světová banka varovala, že pokud Indonésie nebude investovat do nové elektrárny, lze již za− čátkem roku 2004 očekávat energetickou krizi. Současně uvedla, že by krize mohla být odvrácena, pokud by se zlep− šily finanční podmínky státní elektrárenské společnosti PLN na podporu nové výstavby. Odhaduje se, že do roku 2010 bude třeba investovat 28,5 miliardy USD. Společnost PLN má problémy od roku 1997 v důsledku regionální recese, kdy utrpěla ztrátu 5 miliard USD. Ztrátu se snaží řešit zvy− šováním tarifů za elektřinu o 6 % za čtvrtletí a cílem je zvý− šit do roku 2005 cenu na 7 c/kWh. Podle ministerstva tech− nologie je jednou z cest k dlouhodobému řešení situace vý− stavba jaderné elektrárny, neboť Indonésie má nezbytné znalosti, které by mohla využít. Diskutuje se o možnosti zahájit v roce 2010 výstavbu jaderné elektrárny. Indonéští inženýři zpracovávají studii proveditelnosti této elektrárny a do roku 2006 by měl být vypracován jaderný program, který by navazoval na projekty z 90. let, které byly vypraco− vány za vlády prezidenta Suharta a později opuštěny. (Modern Power Systems, 2003, č. 2, s. 12)

Podzemní kabel z Norska do Spojeného království

Graf č. 4

Náklady a spotřeba energie v %

14

Je výborné, když má stejný názor na šetření s energií vět− šina obyvatel bytového domu. Již dnes je reálná možnost zpracování tzv. energetického průkazu budovy (i rodinného domku), které dělají renomované firmy. Tím lze odkrýt mož− nosti šetření jak s tepelnou energií na vytápění a ohřev TUV a spotřebu vody (suroviny), tak i v rozvodech a provést kal− kulaci jejich energetické účinnosti. Na grafech č. 3 a 4 jsou uvedeny náklady a spotřeby na energii v jednotlivých letech a na závěr je uveden graf č. 5, který znázorňuje průběh celkových nákladů a spotřeb ener− gií za jednotlivá léta. Z posledního grafu (graf č. 5) je patrné, že rok 2001 byl atypický (značný únik tepelné energie v budově) a reálná hodnota nákladů se pohybuje kolem 135 % a spotřeby ener− gie kolem 90 %. Trend nákladů na energii měl optimum v roce 2001, pak začal klesat (vyregulovaná soustava + TRV) a trend spotřeby energie má od začátku roku 1997 sestup− nou charakteristiku od 100 % do 83 %.

kontakt


Graf č. 5

Ing. Peter Schuster ORGREZ, a.s. Hudcova 76, 657 97 Brno tel.: 541 613 313, fax: 541 613 299 e−mail: [email protected]

Norský státní operátor elektrické sítě Statnett požádal ministerstvo naftového a energetického průmyslu o po− volení vybudovat elektrický kabel o výkonu 1200 MW pod Severním mořem do Spojeného království. Kabel by měl být uveden do provozu v roce 2007 a umožnit obchodo− vání na britském trhu. Kabel za 1,15 miliardy USD má pomoci snížit dopady výkyvů vodních srážek na norskou elektrizační soustavu, která je převážně závislá na vod− ních elektrárnách. Kabel bude 750 km dlouhý a nejdelší na světě. O náklady se podělí Statnett a britský operátor sítě National Grid Transco (NGT). Kabel budou vyrábět četné světové firmy 4 roky. Propojení se bude skládat ze dvou paralelních kabelů a spojí Suldal v Norsku s Easingtonem v hrabství Durham. (Modern Power Systems, 2003, č. 5, s. 5)

První nadkritický kotel s cirkulujícím fluidním ložem Polsky poludniowy koncern energetyczny (PEE) potvrdil kontrakt na vybudování elektrárny o výkonu 460 MWe v Lagisza v jižním Polsku za 150 miliónů EUR. Elektrárna bude využívat superkritickou technologii s cirkulujícím fluid− ním ložem. Po jejím dokončení se bude jednat o největší elektrárnu s touto technologií na světě. Elektrárnu má postavit společnost Foster Wheeler Energia Oy a podle předsedy jejího představenstva by mělo být při provozu dosaženo dosud nejvyšší úrovně účinnosti a palivové eko− nomiky s velmi nízkými emisemi, splňujícími požadavky direktivy EU pro velká spalovací zařízení. Elektrárna spo− třebuje o 5 % méně paliva na vyrobenou jednotku než sou− časné kotle na pevná paliva. Díky modulovému uspořá− dání bude možno nabízet i větší bloky stejného typu. Projekt bude realizován společně s polskou pobočkou Foster Wheeler Energia Polska Sp. Zahájení provozu se plánuje na podzim 2006. (Modern Power Systems, 2003, č. 3, s. 3)

Měření spotřeby tepla na ohřev TUV a kontrola dodávek TUV u odběratele

1/2004

Václav Edr Přesné změření TUV a tepla spotřebovaného k její přípravě je především u rozsáhlých „čtyřtrubkových“ systé− mů předmětem mnoha diskusí. Skutečné provozní parametry při dodávkách TUV jsou poměrně málo známé. Provedená měření s trvalým záznamem dat mohou přispět k přesnějšímu změření skutečných dodávek. Dále jsou uvedeny základní požadavky na dodávku a kontrolu parametrů TUV.

a tím se použití relativně laciných měřidel prodražuje. Do cirkulační smyčky TUV je vsazen samostatný deskový vý− měník, který oddělí cirkulační smyčku TUV v centrálním roz− vodu. Tím je vytvořen samostatný cirkulační okruh (většinou se samostatným cirkulačním čerpadlem) pro daný objekt. Tyto technologické úpravy umožňují osazení měřidel tak, že je možné samostatně měřit spotřebu TUV v daném objektu. Vlastní měření odpovídá požadavkům na stanovené měřidlo dle zákona o metrologii číslo 505/1990 Sb. v platném znění. Další z mnoha způsobů je osazení takzvaných „párova− ných“ průtokoměrů do cirkulační smyčky TUV s použitím „logického členu“. Takto složené měřidlo používá jako své jed− notlivé členy stanovená měřidla (s výjimkou logického členu a v jedné kombinaci přesného odporu nahrazujícího snímač teploty). Rozbor této metody by si vyžádal samostatné pojed− nání především ve vztahu k provozním podmínkám, které však není předmětem tohoto příspěvku. Je však zřejmé, že takto složené měřidlo nesplňuje základní požadavky na stanovené měřidlo dle zákona o metrologii číslo 505/1990 Sb. v platném znění a tím ani požadavky na měření podle energetického zá− kona číslo 458/200 Sb. a předpisů souvisejících. Vlastní měření tepla spotřebovaného k ohřevu TUV je mnoh− dy velmi složité. V loňském roce se mi podařilo ve spolupráci s Teplárnou Strakonice a.s., které nejsou její odběratelé lhos− tejní, provést rozsáhlá měření směřující k prokazatelnému sta− novení tepla spotřebovaného k ohřevu TUV. Tato měření pro− bíhají ještě v současné době. Jejich cílem je nejen stanovení skutečně spotřebovaného tepla k přípravě TUV, vyloučení možných nepřesností v měření na problematických místech v letním období, ale i stanovení podmínek pro možné využití tepla obsaženého v kondenzátu z odvodnění přípojky a definice optimálního provozu při dodávkách TUV. Ke stanovení skutečně spotřebovaného tepla se v tomto případě používá ultrazvukových měřičů tepla s výstupem M−bus. Veškeré signály z měřidel jsou přenášeny do infor− mačního systému TOTRON firmy Tronic Control. V tomto systému jsou náměry archivovány a následně přenášeny do počítače s využitím běžného mobilního telefonu. Tímto způsobem je možné získat velké množství dat odečítaných v jeden čas dle nastavení s obrovskou vypovídací schopností a dále je vyhodnocovat. Celkové náklady na provoz tohoto systému jsou velice příznivé i při přenosu velkého množství dat. Pro potřeby získání maximálního množství informací bylo použito netradiční zapojení měřidel. Již první měření prokázala, že tento způsob zapojení bude schopen změřit teplo


Měření tepla spotřebovaného k ohřevu TUV se provádí mnoha způsoby. Nejjednodušší způsob je změření tepla na vstupu do ohřívače. Tento způsob je velice přesný a jednoduše použitelný za předpokladu, že TUV je připra− vována bez použití předehřevu, způsob regulace ohřevu umožní správnou funkci měřiče tepla a jako teplonosné médium je použita voda. V praxi se nejčastěji stanovuje teplo spotřebované k centrální přípravě TUV na základě měřidla tepla osazené− ho na vstupu do výměníkové stanice a měřidla osazeného na výstupu topné vody ze stanice. V zimním období je teplo spotřebované pro ohřev TUV stanoveno jako rozdíl těchto měřidel. Tím jsou veškeré ztráty tepla na výměníkové stani− ci započteny do tepla spotřebovaného na přípravu TUV. V letním období je na stanici většinou připravována pouze TUV a dodané teplo je měřeno měřidlem na vstupu do VS – většinou se jedná o shodné měřidlo se zimním obdobím. V těchto případech může docházet k provozním stavům, kdy skutečné parametry měřeného média jsou na spodním rozsa− hu (někdy i mimo rozsah) měření vstupního měřidla. Při použití páry jako teplonosného média na vstupu do VS jsou provozní podmínky sítí v zimním a letním období dia− metrálně rozdílné. Dodržení parametrů páry nad mezí sytosti je v letním období na mnohých místech v rozsáhlých parních soustavách téměř technicky neproveditelné. K měření se v těchto případech používá nepřímá a náhradní metoda. Tato metoda je však poměrně náročná na montáž (i když ji mnozí výrobci a montážní organizace prodávají prakticky „přes pult“ jako velice jednoduchou). Prvým předpokladem k použití metody je odvodnění přípojky mimo měření. To však většinou ve své podstatě znamená vracení nemalého množství kondenzátu o vysoké teplotě bez využití na VS zpět na zdroj. Dokonalé odvodnění parní přípojky mnohdy při použití regulace vstupu páry do ohřívače systémem ON OF je přinejmenším do diskuse. V případě, že se k těmto fakto− rům přidá ještě nepříznivý výškový vliv polohy stanice, je celkové změření tepla velmi problematické. Teplo spotřebované pro ohřev TUV, především u čtyřtrub− kových systémů, je předmětem mnoha diskusí a sporů. Proto je i ze strany státních orgánů řešeno různými nepřekročitelný− mi limity nebo stanovováním náhradních způsobů rozúčto− vání v případech, kdy jsou náměry měřidel nevěrohodné. Mnozí výrobci měřidel doporučují různé způsoby měření. Jeden z nich je například měření „COOPTHERM“ podle pa− tentu číslo 281807. Toto měření vyžaduje úpravu technologie

15

spotřebované k ohřevu TUV (bez vlastních ztrát tepla ve sta− nici), ale že bude poměrně náročný na vlastní návrh a montáž jednotlivých členů složeného měřiče. Vzhledem k tomu, že tento způsob zapojení měřidel a možného měření TUV, vyplývající z tohoto zapojení, nebyl dosud užíván a jeho úspěšné rozší− ření záleží i na jeho dobrém návrhu a montáži, je v současné době předmětem užitného vzoru − číslo zápisu 12918. Vlastní schéma zapojení vyplývá z jednoduché úvahy. Změřit teplo potřebné k ohřátí TUV a změřit teplo ztracené cirkulací TUV. Součet takto naměřeného tepla je pak teplo spotřebované pro přípravu TUV bez ztrát zařízení (VS včet− ně ohřívače). K zodpovědnému změření je nutné použít či− dla odpovídajících rozsahů pro měření příslušné veličiny. Především rozsah průtokoměrů musí odpovídat skutečným provozním průtokům. Dále je třeba správně umístit snímače teploty, a to především na vstupu vody do ohřívače. Tato metoda zatím není používána k měření tepla spotře− bovaného pro přípravu TUV, výsledky z měření však ukazu− jí její možné využití v praxi. Použité schéma zapojení


Legenda: 1 Ohřívač; 2 Vstupní potrubí; 3 Výstupní potrubí; 4 Vratné potrubí cirkulace; 5 Teplonosné médium pro ohřev TUV; 6 Kalorimetr (prvý); 7 Průtokoměr (prvý); 8 Snímač teploty (prvý); 9 Snímač teploty (druhý); 10 Kalorimetr (druhý); 11 Průtokoměr (druhý); 12 Snímač teploty (třetí); 13 Snímač teploty (čtvrtý); 14 Propojení jednotlivých členů měřiče tepla; 15 Směr proudění. • Jedno z možných zapojení užitného vzoru − číslo zápisu 12918.

16

Obr. 1

Příklad náměrů při špatné montáži snímače teploty na vstupu studené vody do ohřívače Závislost teploty vstupní vody na průtoku ukazuje na chyb− nou montáž snímače teploty. Dochází zde k měření teploty vody, která byla ohřívána ve VS okolní teplotou. Setrvačnost sníma− če teploty a malé odběry z poměrně dlouhého přívodu o velké světlosti zkreslují měření a není tak změřena skutečná teplota studené vody používané k přípravě TUV (vstupní voda). Chy− ba montáže je prokázána záznamem dat, viz graf 1.

Kontrola dodávek TUV Nejprve některé skutečnosti. Účelem kontrolních měření je ověřit, zda jsou dodržovány teploty centrálně připravované teplé užitkové vody podle vy− hlášky MPO č. 152/2001 Sb., kterou se mj. stanoví pravidla

Graf 1

pro vytápění a dodávku teplé užitkové vody. Kontroly mo− hou být prováděny i v souladu s ustanovením § 93 odst. 1 písm. b) zák. č. 458/2000 Sb.. Zajištění potřebných měření mohou provádět autorizovaní pracovníci Státní energetické inspekce v rámci svých kontrol nebo si je mohou vyžádat od kontrolovaného subjektu s tím, že osoba, která bude mě− ření provádět, musí být autorizována k tomuto výkonu podle § 21 zákona číslo 505/1990 Sb. v platném znění. Teplota teplé užitkové vody v bytových budovách v době od 600 do 2200 hodin a v nebytových budovách v době jejich provozování musí dosahovat na výtoku u spotřebitele hod− noty v rozsahu 45 °C až 60 °C. Možnost krátkodobého po− klesu pod 45 °C připouští vyhláška pouze v době odběrných špiček spotřeby v zúčtovací jednotce. Vyhláška MPO č. 345/2002 Sb., kterou se stanoví měřid− la k povinnému ověřování a měřidla podléhající schválení typu, určuje i teploměry pro kontrolu teploty prostředí a teplé užitkové vody používané státními kontrolními orgány k po− vinnému ověřování. Tyto podmínky splňují teploměry D 3631 a L 3631 výrobce COMET Rožnov pod Radhoštěm, kterým byla přidělena znač− ka schválení typu TCM 321/02 − 3751. Pokud je mi známo, jsou to v současné době zatím jediné přístroje typově schvá− lené pro použití ve funkci přístrojů pro kontrolu teploty pro− středí a teplé užitkové vody. Těmito přístroji jsou také vyba− veni i měřiči (autorizované subjekty), kteří jsou oprávněni kontrolní měření provádět. Teploměry současně registrují naměřené teploty v zadaných intervalech, umožňují přenos hodnot do počítače a podrobné vyhodnocení náměrů. Kontrola dodávek teplé užitkové vody není však jen kon− trola prováděná státními orgány v případech řešení stížností na nedodržení příslušné vyhlášky. Kontrola dodávek TUV by měla být především kontrolou dodavatele a majitele objektu jako ujištění o kvalitě a dodržení parametrů. K pře− svědčení o parametrech dodávek je vhodné používat přístro− je typově určené k této činnosti a používané i při oficiálním kontrolním měření. Přeji všem dodavatelům i odběratelům teplé užitkové vody, aby měření tohoto média nikdy nebylo předmětem sporů a fakturace byla vždy podložena vzájemně respektovanými měřidly a kontrolní měření TUV bylo prováděno pouze jako ujištění o kvalitních dodávkách.

kontakt

1/2004

Václav Edr TPM Znalecká kancelář® Na chmelnici 490, 256 01 Benešov tel./fax: 317 721 172 mobil: 603 810 586 e−mail.: [email protected]

„Škody exhalacemi“ ve světle současných názorů na příčiny chřadnutí a hynutí lesa

1/2004

Prof. Ing. Radomír Mrkva, Csc.

PŘIROZENÁ PŘEDLOHA KALAMIT − ROZPAD BOREÁLNÍHO JEHLIČNATÉHO LESA PŘI GENERAČNÍ OBMĚNĚ Severské boreální lesy Eurasie a Severní Ameriky a částečně snad také vysokohorské lesy se vyvíjejí přirozeně v tzv. vel− kém generačním cyklu o amplitudě asi 300 let. Během této doby prochází s určitým zjednodušením víceméně jednověký les smrku ztepilého (Picea abies) nebo smrku sibiřského (P. obo− vata) fázemi obnovy, dorůstání, optima (zralosti) a rozpadu. Důležité si je uvědomit, že takový les se nemůže generačně obnovit, aniž by velkoplošně neuhynul a nerozpadl se. K této situaci dochází tak, že během stadia zralosti se v klasické situ− aci uzavře zápoj porostu a díky intercepci, nižším teplotám v přízemní vrstvě začne váznout dekompozice a dochází k hromadění opadanky. Nedostatek živin, popřípadě i okyse− lení a sucho vedou pravděpodobně k oslabení obranných re− akcí a k napadení dřevokaznými kořenovými houbami. Ty sníží statickou stabilitu stromů, dochází k vyvracení a zlomům stromů, na nichž se začnou rychle množit lýkožrouti. Ti jsou vlastním „nástrojem“ rozpadu a díky speciálním strategiím jsou schopni se šířit na velkých plochách. Po uhynutí porostu do− jde k prohřátí půdy, dekompozici nahromaděné biomasy, uvolňování živin a podnítí se obnova všech dřevin, které jsou světlomilné, a takové uvolnění je pro ně existenčně důležité. Postupně začne ve vznikajícím porostu opět převládat smrk a v průběhu fáze dorůstání nastává srovnání věku porostu a ten se jako víceméně stejnověká monokultura přesouvá opět do fáze zralosti a posléze rozpadu. Z pohledu hospodařícího lesníka se jeví takový rozpad jako kalamita, avšak v přirozených lesích a z dlouhodobého pohledu je takový vývoj stabilní v oné cykličnosti, byť dlou− hodobé. Během úplné obnovy populace smrku se ve stadiu semenáčů z nesmírně četného souboru vytřídí jednou za amplitudu cca 300 let jedinci, kteří budou lépe odolávat případným změnám podmínek okolního prostředí. Popsaný příklad je poněkud schematický, lze předpoklá− dat, že naše horské smrčiny (v polohách nad 1200 m či více) byly původně patrně více rozvolněné a také rozpad zde ne− probíhal tak dramaticky. Nemáme však věrohodný příklad, kde bychom se poučili, jaký je vzhled takového lesa a jak v něm přirozený rozpad probíhá. Poznatky např. z Tater

i jiných evropských velehor z předindustriálního období jsou však takové, že podíl mrtvé biomasy zde byl často vyšší než 40 % a hynutí neprobíhalo vždy tak rychle jako v níže polo− žených hospodářských lesích. Jinak tomu ale bylo s kůrovci a hlavně lýkožroutem smr− kovým v hospodářských smrkových lesích, které vznikly postupně jednak díky pastvě a později byly uměle zakládá− ny. Zde se stali historicky nejstaršími původci kalamit a hynutí lesa. V nižších polohách na místě původních listnatých a smíšených porostů trpěly smrkové porosty mnohem více hlavně nedostatkem srážek a kůrovci se zde mnohem rych− leji množili. Byl to pak obvykle vítr, vývraty a zlomy, které nastartovaly kůrovcovou kalamitu na ohromných plochách (200 tis. ha v r. 1881 až 1893 ve středním evropském Rusku nebo např. 3 mil. m3 v r. 1941 až 1953 na Slovensku). Poněkud odlišná je generační obměna evropských borových lesů (borovice s dubem) na píscích nacházejících se ve střední a severovýchodní části Evropy, ostrůvkovitě i u nás. Zde do− chází rovněž k plošnému rozpadu a hynutí lesa tak, že zprvu nastupuje některý z temporárně se přemnožujících listožravých škůdců (bekyně mniška, bourovec borový, můra sosnokaz a dalších nejméně 5 druhů), kteří způsobí holožíry a po tomto silném oslabení jsou to opět kůrovci či jiný podkorní hmyz, který stromy zahubí. Také v tomto případě se po rozpadu dosta− ví fáze obnovy světlomilnou borovicí, popřípadě dubem a celou řadou dalších přidružených, vesměs krátkověkých dřevin. Z uvedeného vyplývá, že nejméně ekologicky stabilní a tudíž nejvíce ohroženy jsou dřeviny a jejich porosty smr− ku, borovice a také dubu. Nejvíce odolný je buk, javory, habr a další listnáče, v porostech s nepříliš porušenou strukturou také jedle.

ZVÝŠENÍ DISPOZICE LESA KE KALAMITÁM DÍKY HOLOSEČNĚ PASEČNÉMU ZPŮSOBU HOSPODAŘENÍ Tendence dosáhnout co největšího hospodářského výno− su vedly lesní hospodářství v prvé řadě ke značné změně druhové skladby lesa. Největšího zastoupení doznal smrk a borovice (asi 54 % a 17 % oproti původním 11 % a 5 %). Buk byl kdysi zastoupen 38 %, kdežto současně pouze 6 %,


Současné podstatné zlepšení čistoty ovzduší by mělo být podle našich dřívějších poznatků a očekávání jedno− značně příčinou podstatného zlepšení zdravotního stavu lesů. Jak nás každoročně přesvědčuje Zpráva o stavu lesa a lesního hospodářství ČR (MZe ČR), není tomu tak a logicky se proto nabízí otázka, do jaké míry byly vlastně imise skutečnou příčinou zhoršení zdravotního stavu lesů, jakou úlohu při něm hrály a jak si vysvětlit příčiny současné situace. Předkládaný názor a pokus o vysvětlení vychází z komplexního posouzení příčin kala− mitního chřadnutí a hynutí lesa jak v minulosti, tak i v současné době. Předně je na místě se ptát, zda velkoploš− né hynutí lesa je jev zcela cizí přirozenému lesu a tudíž antropicky podmíněný.

17

1/2004

jedle 18 %, současně pouze 1 % a dub 17 %, současně 6 %. Odklon od přirozené skladby dřevin a zejména úbytek list− náčů z původních 66 % na současných 22 % představuje v našich lesích význačný destabilizační faktor. Současně ale muselo lesní hospodářství také kopírovat zmíněný boreální přirozený cyklus. Fázi iniciační ovšem nahradilo vesměs umělým zalesněním, místo samozřeďujících procesů při do− růstání zařadilo probírky a fázi rozpadu nahradilo těžbou s vyklizením dřevní hmoty. Nejenže je tento cyklus ve středo− evropských poměrech nepřirozený, navíc však dochází k degradaci půdy tím, že nemůže být opakovaně znovu me− liorována produkovanou biomasou. Není pak divu, že hospo− dářský smrkový les, zvláště v nižších a sušších podmínkách, je ve stadiu zralosti velmi labilní a může zde docházet k rozsáhlému hynutí a kalamitám. Dá se říci, že holosečně pasečné hospodaření se smrkem a také s jinými dřevinami se stalo primárně destabilizujícím faktorem, a to proto, že vlastně „borealizovalo“ původní nejrozšířenější biom − opa− davý širokolistý les – tvořený hlavně bukem, jedlí, javory, dubem aj. listnatými dřevinami. Principiálně zvýšilo podmín− ky pro vznik kalamit, v prvé řadě hmyzových, současně i kalamit suchem apod. Absenci přirozené obnovy a nevyuži− tím nadprodukce semenáčů k přirozenému výběru, který je předpokladem adaptace, se populace pěstovaných druhů dře− vin nepříznivě geneticky manipulují a může se u nich snižo− vat rezistence. Stromy nemají přirozeně založené kořenové systémy, takže mnohem hůře odolávají suchu, což může být nebezpečné v budoucnu, když se začnou uplatňovat některé scénáře klimatické změny. Před lesním hospodářstvím proto stojí nyní velký úkol, zvýšit ekologickou stabilitu lesů a do budoucna znovu zajistit


Jehličnany

18

Graf 1

Listnáče

Graf 2

trvalost hospodaření. Toho nelze dosáhnout jinak, než že se vrátíme k základním přirozeným principům, přirozené dřevinné skladbě a uplatníme více přirozené procesy gene− rační obměny. Jednou z cest, jak toho dosáhnout, je hospo− daření tzv. přírodě blízkým způsobem nebo jinými podrost− ními způsoby.

KALAMITNÍ CHŘADNUTÍ JEDLE, BOROVICE A DUBU Postupujeme−li chronologicky, pak mimo hmyzové kala− mity se v období, které předcházelo nástupu imisního chřad− nutí a hynutí lesa, vyskytlo rovněž regionální chřadnutí a hynutí např. jedle, které postihlo celou střední Evropu. S ohledem na její spíše roztroušený výskyt nešlo o masové hynutí na souvislé ploše, ale přesto byl tento jev nápadný. Vysvětloval se působením sucha, zavlečených škůdců, poz− ději imisemi nebo genetickým „vyžitím“této dřeviny. Prav− děpodobně však bylo vyvoláno výše popsanou změnou způ− sobu hospodaření v lese. Chřadnutí borovice lesní i původních druhů dubů se vysky− tovalo již v dávnější minulosti a vždy navazovalo na epizody sucha, později se předpokládal také ale vliv imisí. Vzpomí− ná se v letech 1907 − 10, 1927 − 30, 1954 − 57, kolem roku 1963 a nyní v nedávné minulosti. Označovalo se obvykle podle patogenů na větvích jako cenangiózní hynutí borovice nebo tracheomykózní chřadnutí dubu.

PŮSOBENÍ IMISÍ NA LES Od 70. let 20. století bylo chřadnutí a hynutí lesa buď zce− la připisováno imisím, nebo se předpokládalo, že imise sice působí na rostliny spolu s jinými stresory, avšak jako rozho− dující nebo spouštěcí faktor. Mezi antropogenními emisemi v ovzduší se braly v potaz převažující kyselinotvorné slou− čeniny SO2 a NOx. Předpokládá se, že kyselinotvorné imise vyvolávají v rostlině změny bilance protonů, bilance látek (ovlivňují koloběh živin) a v bilanci vody. K poškození rost− lin dochází jednak přímo ovlivněním asimilačních orgánů a jednak nepřímo, jestliže dochází ke zvýšené depozici do půdního prostředí. V lesích poškozených imisemi může takový vstup do půdy představovat až 70 % její kyselé zátě− že. Depozice tohoto druhu je tedy nejvíce zodpovědná za ochuzení půdy o živiny, hořčík a draslík, které jsou vy− plavovány do nepřístupných spodin. To dokládá např. nízký aktuální obsah hořčíku v jehličí mladých smrkových porostů v Krušných horách. V kyselých půdách se zároveň uvolňuje hydroxid hlinitý, který je toxický pro kořeny a mykorhizní symbiotické houby či jiné půdní organismy. Popsané změny půdy mají za následek úbytek jemných kořínků a zhoršení funkce kořenů, což negativně ovlivňuje příjem vody a živin. Narušení kořenového systému také vý− razně ovlivňuje statickou stabilitu stromů a důsledkem je zvýšená náchylnost porostů k poškození větrem. Nedostatek hořčíku a draslíku má negativní dopad na fyziologické procesy; zejména nedostatek hořčíku, který je součástí chlo− rofylu, je příčinou menšího asimilačního výkonu rostlin. Ne− dostatek obou prvků způsobuje žloutnutí, popř. hnědnutí jeh− ličí a jeho předčasné opadávání, k němuž dochází u starších ročníků stromů.

NOVÝ PŘÍSTUP V TEORETICKÉM VÝKLADU PŘÍČIN CHŘADNUTÍ LESA Nový přístup spočívá v tom, že se pozornost přesouvá od popisu působení a detailního poznání tzv. škodlivého či− nitele na poškozený subjekt – stromy, dřeviny a lesní eko− systém. Odráží moderní ekosystémové vnímání a považuje onemocnění za výsledek komplexního působení stresů. No− vinkou je jakési myšlenkové schéma, tzv. spirála chřadnutí, která zahrnuje i dimenzi času a způsob, jakým může určitý typ stresu způsobit, že rostlina dospěje od úrovně charakte− rizované jako zdraví až k uhynutí. V tomto pojetí představují imise pouze jeden z možných stresorů ovlivňujících rostlinu nebo její část. Zároveň platí, že určitý stres může být vyvolán celou řadou různých streso− rů. Například zploštění kořenového systému a náchylnost vůči suchu může být důsledkem imisního okyselení půdy, vymytí živin a změny fyzikální struktury půdy v hlubším horizontu, ale stejný efekt může vyvolat také deformace kořenů po umělé výsadbě tzv. obalovaných sazenic nebo vůbec špatně prove− dená výsadba, také však vysoká hladina spodní vody apod. Nedostatek živin může nastat jak po jejich vymytí kyselou

depozicí, tak může být výsledkem blokování dekompozice opadanky a hrabanky vlivem sucha či okyselení. Při velkém suchu není již tak důležité, zda vliv imisí teoreticky sucho ještě prohlubuje. Zcela podstatné je, že není−li voda, není médium, které by živiny do rostlin mohlo dopravit. Míra vlivu imisí na chřadnutí dřevin byla již v minulém sto− letí zpochybněna lavinovitě se šířícím chřadnutím dubu. Toto onemocnění bylo jednak pozorováno vždy po suchých obdo− bích, jednak se k nám šířilo směrem od neindustriálního výcho− du. V letech 1990 až 1995, ale i nyní jsou postiženy zejména listnaté dřeviny v nížinách a středních polohách slabě postiže− ných imisemi. Chřadnutí se objevilo jak na velmi bohatých lužních půdách, tak na půdách velmi chudých. Nyní proto již nikdo nespojuje toto onemocnění s imisním působením.

1/2004

ZLEPŠENÍ STAVU OVZDUŠÍ Jedním ze zásadních obratů, který nastal po roce 1990 a který mění pohled na tzv. imisní chřadnutí lesů, je významné a postupné snižování emisí SO2. Jejich celkový objem např. v roce 2001 činil pouze cca 12 % objemu z roku 1988. V důsledku toho došlo k významným změnám prostorového rozložení průměrných ročních koncentrací SO2 a zmenšil se také rozsah území zasaženého kritickou koncentrací dle EHK OSN, tj. 20 µg.m−3. V roce 2002 se např. na naprosto převážné větši− ně území pohybovaly průměrné roční koncentrace pod úrovní 10 µg.m−3. O progresivní změně svědčí výsledky monitoringu koncentrací v síti měřicích stanic ČHMÚ. Zmíněná kritická koncentrace byla ještě v roce 1991 překročena téměř na 70 % rozlohy území (v nejzatíženějších oblastech severozápadních Čech a na Ostravsku až o více než 20 µg.m−3. V roce 1998 však bylo zasaženo již pouze 3,2 % území, opět v oblasti severozá− padních Čech, zatímco v roce 1999 již dokonce pouze 0,68 %. Existují ovšem lokální imisní situace, kdy dojde k výskytu vý− znamnějších koncentrací SO2 i v současné době. V souvislosti s tím se zmiňuje např. epizoda vysokých koncentrací v roce 1996 v Krušných horách. V důsledku přímého poškození zde došlo k významné defoliaci a hynutí smrku na ploše více než 10 tis. ha. Podobně tak i v roce 2002 došlo k místnímu krátko− dobému překročení limitních koncentrací (až 100 µg.m−3 v několika půlhodinových koncentracích – Rudolice, stanice ČHMÚ) bez pozorovaných následků. Emise NOx rovněž zaznamenaly výrazný, i když mírnější pokles. Naopak mírný nárůst se pozoruje hlavně ve velkých městech (Praha, Plzeň, České Budějovice, Brno, Ostrava, Zlín, Uherské Hradiště) a v některých oblastech Krušných hor a Podkrušnohorské pánve. Vyšší průměrná roční koncen− trace, než je zmíněná kritická hodnota, byla v roce 1999 za− znamenána celkem pouze na cca 3,8 % území. Nově a zvláště po roce 2000 intenzivně se začal sledovat ozón, který je sekundární znečišťující látkou a indikátorem znečištění fotochemickým smogem. Jeho koncentrace i rozsah výskytu značně odvisí od působení meteorologických faktorů, a proto v průběhu let značně kolísal. Nadlimitní hodnotou AOT40 přesáhla v roce 2002 10 ppm(h) na většině území ČR. Např. v srpnu se objevily půlhodinové průměry až 200 mg.m−3. Poškození vegetace se teprve začíná sledovat a diagnostikovat. Uvádí se, že kritická hodnota krátkodobé koncentrace, pro ex− pozici 1 hodiny, je 150 mg.m−3 O3. Jestliže jsou v ovzduší pří− tomny také imise SO2 a NOx, tak by k poškození citlivých


Vedle kyselých depozic působí negativně také vysoké depozice dusíku, který je zá− kladním stavebním prvkem bílkovin, a proto ovlivňuje tvorbu biomasy. V příznivých podmínkách (např. za dostat− ku vláhy) může mít pozitivní vliv, avšak v určitých situacích představuje přehnojení dusí− kem (tj. nevyvážená výživa) nebezpečí – může dojít např. k významnému stresu v dů− sledku působení extrémně nízkých teplot nebo sucha. Přímé působení (zejména SO 2 ) považuje veřejnost obvykle za nejvýznamnější a primární příčinu hynutí stro− mů. Za důsledek takového vlivu imisí můžeme považovat např. nápadné nekrotické poškození smrkového jehličí, zvláště ve spojitosti s působením velmi nízkých teplot (obvykle asi –20 °C) a vysoké teplotní amplitudě. Názor na způsob poškozování porostů imisemi a na důvody kalamitního hynutí lesů se vyvíjel. Byl poplatný době, v níž vznikal, a odpovídal vývoji poznání ve vědě, a to nejen v biologii a fyziologii rostlin, ale i v ekologii a pedologii stejně jako v technických oborech. Bylo zaznamenáno celkem 13 hypotéz o škodlivém působení imisí a o příčinách chřad− nutí lesa. Hypotéza kyselých dešťů, nedostatečné výživy horských lesů, škodlivého působení depozic dusíku a hypo− téza mykorhizní v podstatě zahrnovaly nepřímé působení de− pozic přes půdní prostředí. Hypotéza ozónová, virová, radi− ační, elektromagnetického smogu a hypotéza kosmického záření předpokládá většinou značně spekulativní přímé účinky, kdežto za přínosné lze označit hypotézy, které staví na komplexním ekostresovém ovlivnění rostlin. Toto pojetí vyústilo posléze v celkovou změnu koncepce výkladu příčin chřadnutí a hynutí rostlin.

19

1/2004

druhů vegetace mohlo dojít již od nižších koncentrací. Význam znečištění touto škodlivinou však vyplyne až po základním výzkumu, který se u nás teprve začíná provádět.

VÝVOJ ZDRAVOTNÍHO STAVU LESŮ Spolu se snížením emisí se zákonitě předpokládalo, že dojde také ke zlepšení zdravotního stavu lesa. K tomu ale bohužel nedošlo. Defoliace i poškození a mortalita jehlična− tých i listnatých porostů od poloviny 80. let až do roku 1993 − 94 průběžně nadále stoupaly. V roce 1995 − 96 došlo nezávisle na vývoji množství emisí a výsledků měření imisí k náhlému zlepšení, avšak hned poté se stav opět začal zhoršo− vat až do roku 1999. V následujících letech se poškození jeh− ličnatých porostů mírně zhoršovalo, v listnatých porostech byla patrna spíše stagnace či pouze nepatrné zhoršování (Zpráva o stavu lesa a lesního hospodářství České republiky, MZLH ČR, roky 1996, 1998, 2000, 2002; Monitoring zdravotního stavu lesa v České republice; Ročenka programu ICP Forests 2000; VÚLHM, 2000; Statistická ročenka životního prostředí Čes− ké republiky, 2000; MŽP ČR a Český statistický úřad). Tento průběh, který naprosto nekonvenuje se snižováním znečištění ovzduší, vedl ke hledání jiných příčin a pozornost se zaměřila na možné škodlivé působení kyselých depozic (např. Hruška, Krám, Schwarz, 1999) nebo oxidační účinky ozónu. Stále setrvávala tendence považovat imise nebo je− jich nepřímé působení za hlavní příčinu chřadnutí, a to i přes− to, že jejich přímý, setrvalý vliv již musel být vyloučen.


Kyselé depozice jako hlavní příčina chřadnutí?

20

Úvahy, že příčinou setrvávajícího škodlivého působení na vegetaci jsou imise či vlastně jejich nepřímé působení v podobě kyselých dešťů a okyselení půdy, vycházejí z následujícího předpokladu. Zatímco okyselení půdy se díky dokonce jen malým příspěvkům stále kumuluje a udržuje na setrvalé výši, přirozená meliorace je nedostatečná. Neve− de k odbourání kyselosti, a proto zvláště např. ve smrkových porostech a v horském prostředí je půdní prostředí stále pro− kazatelně ovlivněno. Nedochází zde k biologické melioraci, protože ponechávaná biomasa ze smrkových porostů je malá, jiné druhy dřevin, např. všudypřítomný jeřáb, jsou zcela kon− zumovány zvěří, a proto zde také nejsou přítomny. Mimo to se stává, že např. v deštivých rocích může i sou− časná, relativně malá depozice vést ke stagnaci škodlivého oky− selení půdy. Z plošného rozložení celkové depozice síry v roce 1998 a např. také 2000 vyplývá, že nejvyšší hodnoty jsou do− sahovány v severovýchodní části Krušných hor, v oblasti Lu− žických hor, Krkonoš a Jizerských hor, méně v Jeseníkách, na Českomoravské vysočině a v dílčích lokalitách Slavkov− ského lesa, Beskyd a v okrese Karviná a Zlín. Oproti tomu nejvyšší hodnoty celkové depozice dusíku jsou dosahovány shodně v severní oblasti Čech, zvláště pak v oblasti Orlických hor a Králického Sněžníku, kde vytváří specifický typ znečiš− tění, také však v oblasti Jeseníků, velkoplošně na Českomo− ravské vysočině, jen lokálně v oblasti Beskyd a na Ostravsku. Pokud jde o rozložení celkové roční depozice síry a dusíku na volné ploše, pak např. v roce 1999 bylo zjištěno, že více jak 40 % území ČR má depoziční zátěž vyšší než kritická dávka síry 11 kg/ ha.rok a více jak 15 % území má depoziční zátěž vyšší než kritická dávka dusíku 15 kg/ha.rok. To však

neznamená, že na této ploše muselo dojít k takové acidifikaci, která vedla k půdním změnám, jež by se staly hlavní příčinou chřadnutí. Platí, že nejvíce ohrožené mohou být přirozeně ky− selé půdy hlavně v horách a zde nejvíce ve smrkových poros− tech. Podle názoru některých pedologů ale mohou být i přirozeně kyselé půdy značně tolerantní a jejich okyselení zdaleka neve− de ke schematicky předpokládaným škodlivým následkům. V každém případě ale platí, že také nepřímý imisní vliv na půdní prostředí se může stát pouze jedním z možných stresorů, které ovlivňují zdravotní stav stromů. Poškození mykorrhizy, kořenů a ovlivnění jejich funkce nastane totiž také zcela prozaicky vlivem sucha. Nedostatek vody jako média pro transport živin vede rovněž k nedostatečné výživě stromů (v konkrétním případě zaznamenán např. karenční ne− dostatek dusíku). Ke snížení kapacity kořenového systému a letálnímu zásobení stromu vodou dojde také v důsledku na− padení kořenů dřevokaznými houbami, a to zvláště v případě smrku nacházejícího se na nepůvodních stanovištích. Srovnáme−li plošné rozložení např. sumované kyselé depo− zice s mapou zdravotního stavu lesa hodnoceného např. podle stupňů poškození lesa či stupňů ohrožení jehličnatých porostů (Zpráva 2000) nebo podle defoliace zaznamenané v r. 1986, 1992 a 1998 (Zpráva 1998), nebo defoliace v r. 2002 (Zpráva 2002), pak zaznamenáme minimální souvislosti. Poškození lesa je jednoznačně soustředěno spíše na území nížin, což je nejmarkantnější v roce 1992, avšak zcela zřetelné je to také ve všech letech, kdy byly takové mapy vytvořeny. Jak bude dále uvedeno, proti vysvětlování příčiny chřadnutí vlivem do− minantního působení kyselých depozic svědčí také nástup tzv. chřadnutí dubu (s tracheomykózními příznaky). To započalo koncem 80. let, šířilo se naopak z východu od Ukrajiny do Slovenska a k nám, z relativně neznečištěných oblastí, ale spolu s kontinentálním typem počasí. Týkalo se listnatých porostů a dubu, který roste hlavně v nížinách a na půdách, kde okyselení a popisované následné stresy nepřicházejí v úvahu. Aniž bychom předbíhali, po současných zkušenostech s naprosto plošným chřadnutím vlastně všech dřevin, na nejrozmanitějších stanovištích a v porostech, je zjevné, že příčinou zhoršování zdravotního stavu lesů je hlavně su− cho. Tím není řečeno, že se lokálně nemůže na chřadnutí podílet také nějaký jiný vliv či stresor, např. okyselení půdy.

Současné chřadnutí všech druhů dřevin a kala− mitní hynutí v letech extrémního sucha V současné době se již velmi podrobně monitoruje defo− liace jednotlivých druhů dřevin nebo alespoň souhrnně star− ších listnatých a jehličnatých porostů a jejich mortalita, k dispozici jsou také nahodilé těžby podle druhů. O průběhu chřadnutí a hynutí je proto celkem dobrý přehled, navíc je známo i prostorové rozložení zdravotního stavu lesa na mapách, takže snadno zjistíme, kde je stav nejhorší. Jak již bylo uvedeno, intenzita chřadnutí na většině území ne− konvenuje s plošným výskytem polí, koncentrací ani s depo− zicemi imisí. Průběh defoliace, nyní již všech druhů dřevin, a parametry poškození lesa, jakož i průběh nahodilých těžeb (vlivem sucha) se však podivuhodně kryjí s údaji o průběhu ročních úhrnů srážek a Langovým dešťovým faktorem (Zprá− va 2000, str. 69). Na str. 49 této zprávy se ukazuje, jak tzv. teplotně srážkový faktor vykresluje na ploše ČR oblasti s nedostatečným zásobením vodou, a na str. 54 jsou na mapě

Vědecký názor na příčinu chřadnutí lesů má také zcela prak− tické aspekty, např. zda je po změně imisní zátěže ještě možno vymáhat náhrady škod od emitujících organizací. Legislativně byla tato možnost dána naposled zákonem o lesích č. 289/95 Sb. a prováděcími vyhláškami č. 81/96 Sb. a č. 78/96 Sb. Pod− le této úpravy bylo možno vymáhat škody imisemi podle pří− slušných paragrafů, za § 6 − předčasné smýcení lesního poros− tu, § 7 − snížení přírůstu, § 8 − snížení produkce v důsledku záměny dřevin, § 9 − snížení kvality lesního porostu a za § 11 − mimořádné nebo nákladově náročnější opatření. Podkladem pro stanovení a výpočet škody byly jednak tzv. nahodilé těžby imisní, které byly vykazovány lesními správami LČR podle toho, kolik „imisních“ souší vzniklo a bylo evidováno (škody podle § 6, § 9). Mimo to se dále vycházelo z hodnocené defoli− ace, stanoveného poškození porostů a jejich zařazení do „pásem ohrožení“. Tato pásma se dle vyhl. č. 78 určují podle tzv. stup− ně poškození lesního porostu, který je odvozen z podílu střed− ně a silně poškozených stromů v %. Poškození stromu se odvodí od defoliace s tím, že středně poškozený strom je odlistěn z 26 až 50 %, silně poškozený strom z 51 až 75 %. Podíl silně poškozených stromů (nebo v nižším 1. a 2. stup− ni případně i středně poškozených) determinuje u smrkových porostů jednotlivá pásma A až D, a to tak, že se vychází z dynamiky zhoršování poškození porostu. V pásmu A by mělo dojít ke zhoršení o jeden stupeň za 5 let, v pásmu B za 6 až 10 let, v pásmu C za 11 až 15 let a konečně v pásmu D za 16 až 20 let. V případě, že smrkové porosty nejsou pří− tomny, provádí se klasifikace podle rychlosti rozpadu boro− vých nebo listnatých porostů. Pásma se určují podle podílu uhynulých stromů během jednoho roku. Pásmo A se vyzna− čuje ročním úhynem 20 % z původního počtu stromů,

Prof. Ing. Radomír Mrkva, Csc. Mendelova zemědělská a lesnická univerzita Lesnická a dřevařská fakulta Zemědělská 3, 613 00 Brno tel.: 545 134 001, fax: 545 211 422 e−mail: [email protected]

1/2004


NÁHRADY ŠKOD IMISEMI NA LESÍCH

pásmo B ročním úhynem 10 až 20 %, pásmo C ročním úhy− nem 2 až 5 % a pásmo D ročním úhynem do 2 % stromů. Takto se vypočítávají škody podle § 7, § 8 a § 11. Uvedené legislativní normy, byť vznikly již v roce 1996, neznaly jinou defoliaci, chřadnutí a poškození porostů a v důsledku toho i hynutí, než tzv. imisní. Proto byly takto vypočtené škody jednoznačně předepisovány emitujícím organizacím, a to na počátku vymáhání škod podle % podílu emisí z celkového objemu všech produkovaných emisí v oblasti. Později bylo stanovení podílů dovedeno k dokonalosti, a to tak, že škoda se počítala na celé ploše organizačních jed− notek LČR, pro které byly stanoveny reprezentativní referenč− ní body. Podíly organizací na škodě byly určeny tak, že odpo− vídaly modelem rozptylu stanovené výši imisního příspěvku organizace na sumované koncentraci SO2 v tomto referenč− ním bodě. V úvahu se braly emise jak z REZZO, tak z vy− kazovaných příspěvků zemí střední Evropy a odhady pro mobilní zdroje apod. Vycházelo se z toho, že imisemi je za− saženo celé území státu a imise i v nižších koncentracích, než je kritická, mohou např. krátkodobými epizodami nastartovat v rostlině ireverzibilní změny. Uvedený postup se v podstatě používá do současné doby, i když se nyní přešlo na zohlednění depozičních příspěvků od jednotlivých zdrojů. Na rozpor v příčině hodnocení chřadnutí a hynutí lesa a na potřebu zpracovat novou metodiku pro výpočet škod imisemi se upozornilo v podkladech pro tzv. Národní lesnic− ký program. V konečném znění, schváleném usnesením vlády ČR ze dne 13. 1. 2003, se ukládají v tomto směru ná− sledující programová opatření (pro část 8 – ochrana proti škod− livým faktorům): ö zpracovat a kodifikovat novou metodiku pro výpočet škod působených exhalacemi na lesních porostech, ö připravit vyhlášku MZe o stanovení pásem a stupňů po− škození, model hodnocení životnosti porostů, resp. defo− liace stromového patra změnit na multikriteriální model, minimálně kombinovaný s hodnocením zátěže půdy. Podle mého názoru je třeba ustoupit od paušálního vymá− hání škod za poškození lesa a uhynutí stromů vlivem exha− lací na celém území státu. Vykazování tzv. exhalační naho− dilé těžby a imisního poškození lesa je věcně nesprávné a nemůže být v celém rozsahu podkladem pro výpočet ško− dy. Napříště by za imisní škodu měla být považována pouze taková ekonomická újma, které prokazatelně vznikla půso− bením imisí v dané situaci (roce). Jde např. o případy nekro− tického postižení asimilačního aparátu také v souběhu s působením velmi nízkých teplot (fyziologická sypavka) apod. V případě uvažovaných škod depozicemi rovněž ne− lze postupovat paušálně a předpokládat, že k nim dochází na všech typech půd a na celém území stejně. Škodlivé ná− sledky depozic by se měly konkrétně prokázat v oblastech, kde zřejmě mají na některých typech půd prioritní význam pro chřadnutí (např. severozápadní česká okrajové pohoří). Pro stanovení odpovědnosti je však třeba vzít v úvahu to, že jde o dlouhodobý, sumovaný vznik efektu a že během této doby dochází ke značné proměnlivosti působení jednotlivých původců.

kontakt

uvedeny hodnoty korelačního koeficientu mezi zdravotním stavem lesa a zmíněným teplotně srážkovým koeficientem. Vyšší je závislost za období 1984 − 1993 (na rozdíl od období 1993 − 1999), a to na území celého státu, s výjimkou Krušných, Lužických, Jizerských a Orlických hor a Krkonoš, na Moravě částečně Jeseníků. Z uvedeného vyplývá, že minimálně po roce 1990 je skutečnou příčinou chřadnutí lesů dominantní vliv su− cha nebo lépe řečeno nedostatečného zásobení stromů vodou. Je nepochybné, že také v období před rokem 1990, kdy byla převážná část území státu ještě vystavena silnému imisní− mu vlivu, sucho jistě také spolupůsobilo. Na základě multifak− toriálního hodnocení příčiny chřadnutí, v rámci představy na− vozené Manionovou spirálou je ostatně nutné připustit také uplatnění celé řady dalších stresorů. Mělo se však za to, že vliv kyselinotvorných imisí systémově ovlivňoval fyzio− logické procesy v rostlině tak rozvětveně, že byl s určitým zjednodušením primárně zodpovědný za celé postižení lesa. Posuzovalo se to tak nepochybně také pro to, že např. oddě− lit a zhodnotit význam několika stresorů na hynutí lesa je téměř nemožné. Proto je pracovníky lesního provozu, ale čás− tečně i výzkumu a státní správy ještě i v současné době po− važováno imisní znečištění ovzduší za příčinu defoliace a poškození lesa. Avšak v současné době po zhodnocení epi− zody sucha 1992 až 95 a zvláště po bezprostředním zážitku z roku 2003 již bylo soustředěno tolik poznatků a pozorování, abychom se vymanili z tohoto stereotypního klišé a přiznali nové skutečnosti a změnu v hodnocení.

21

1/2004

Energetické využití biopaliva na bázi kalů z čistíren odpadních vod Prof. Ing. Pavel Kolat, DrSc., Doc. Ing. Dagmar Juchelková, Ph.D., Ing. Petr Šušák, Ing. Anna Cemerková Energetické využití alternativních paliv je jedním z hlavních cílů pro rozvoj obnovitelných zdrojů energie v EU a ČR. Předmětem výzkumu je provedení spalovacích zkoušek na experimentálním pilotním zařízení s atmosférickou cirkulující fluidní vrstvou na Technické universitě Dráždany v Německu pro hnědá uhlí , kaly z ČOV a termoanalytické studium biopaliv s analýzou výsledků a posouzením vhodnosti termické likvidace odpadních látek ve fluidní vrstvě s minimalizací škodlivých emisí. Z uvedených výsledků experimentů a modelování lze konstatovat, že spalování alternativních paliv lze do hmotového množství 15 % aplikovat i na fluidních kotlích větších výkonů, které jsou v současné době provozovány v České republice.


1. ÚVOD

22

Cílem výzkumného projektu katedry energetiky VŠB−TU Ostrava je ověření možnosti využívání kalů z ČOV jako alternativního zdroje energie ve vztahu k legislativě EU, pří− padně jeho další úpravy (aditivy, dekontaminačními techno− logiemi) na vhodné palivo, které by vyhovovalo emisním li− mitům, nebo navržení optimalizace energetického procesu pro přípravu směsi uhlí / kal, která by mohla být spalována ve stávajících energetických zařízeních. Limitujícím faktorem pro využití kalů z ČOV v země− dělství je zvýšený obsah rizikových prvků a dále výskyt organických polutantů − zvláště polyaromatických uhlovodí− ků, PCB i AOX. Limitujícím faktorem spalování kalů ve spalovnách je obsah vody. Vzhledem k tomu, že směrnice EU [1] od roku 2005 předpokládají zákaz skládkování jaké− hokoliv materiálu s obsahem organických látek nad 10 %, je zřejmé že pro další využití kalů je prioritní podmínkou jejich dekontaminace nebo energetické využití. Tab. 1, 2. Zpracování čistírenských kalů bude nemožné po vstupu ČR do EU a je nutno hledat jiná řešení, která jsou v souladu s ochranou životního prostředí. Jedním z cílů je využití nekon− taminovaných čistírenských kalů v procesu hygienizace a následná peletizace, která zahrnuje také proces fermentace. Podle dosavadní praxe byly kaly z čistíren odpadních vod vyváženy na skládky nebo v horším případě přímo na země− dělská pole. Tato činnost způsobovala kontaminaci zeměděl− ské půdy těžkými kovy, ohrožuje povrchové i podzemní vody choroboplodnými zárodky, vznikající plyny způsobují skle− níkový efekt.

Tab. 2 Organické polutanty v kalech z ČOV / mg/kg /

Směrnice EU Kolísání obsahů v roce 1999

Σ PAU

PCB celk.

BTEX

3−6

0,42

Není stanoveno

33 − 157

0,1 − 0,984

0,02 − 0,65

Obr. 1 Fotografie topných pelet z biofermetizační linky

2. HLAVNÍ CÍLE VÝZKUMU Lze koncipovat ve studiu podmínek pro: ö možnost spalování uhlí současně s vyrobeným biopalivem

z biofermentizační linky, ö dosažení vysoké účinnosti spalovacího pochodu ve fluidní

vrstvě a všech přenosových jevů, ö zajištění zákonných emisních limitů plynných emisí CO,

Tab. 1 Rizikové prvky v kalech z ČOV (celkové obsahy), analýzy z roku 1999

SO2, NOx a tuhých emisí. Součástí výzkumu je také provedení spalova− cích zkoušek na experi− mentálním pilotním za− řízení s atmosférickou cirkulující fluidní vrst− vou na Technické univer− sitě Drážďany pro uhlí a biopalivo vyrobené z čistírenských kalů

V současné době je vel− ký zájem u nás a v zahra− ničí o zpracování odpadní biomasy a čistírenských a průmyslových kalů. Úče− lem výrobní linky Agro− Eko v Albrechticích u Kar− viné je ověřovací výroba topných pelet a upraveného biopaliva na bázi dřevního odpadu (piliny, štěpka, hobliny, drcená kůra), slá− my, kompostu a kalů z do− movních čistíren odpad− ních vod. Úpravou těchto materiálů lze po snížení je− jich vlhkosti získat biogen− ní palivo (sypané palivo nebo topné pelety), které má vyšší užitné vlastnosti než před vstupem do pro− Obr. 2 Spalovací zkoušky na pilotním zařízení TU Dresden (25 % biopalivo, 75 % hnědé uhlí) cesu. Při použití sena nebo slámy, dřevního odpadu a kalů je nejvhodnější poměr míchání vstupních komponen− a biomasy a termoanalytické studium biopaliv. Také dopo− tů cca 1 : 1. ručení pro výrobu topných biopelet obr.1 na biofermen− tizačních linkách v ČR. Technologie zpracování čistírenských kalů a dalších bio− Výsledků bude využito při schvalovacím řízení „energe− odpadů na biogenní palivo je zaměřena především na: tického využití biopaliv z biofermentizačních linek“ pro ö snížení vlhkosti bioodpadů, Ministerstvo životního prostředí ČR, které předpokládá jejich využití v budoucnu na fluidních kotlích v Energetice ö zvýšení obsahu organických látek ve směsi, Třinec, Elektrárně Tisová, Poříčí, Hodonín, Ledvice, Tep− ö snížení obsahu ligninu ve směsi ve vztahu k obsahu celulózy. lárnách Zlín a Olomouc v rámci akčního programu vlády ČR Základní princip výroby biogenního paliva z kalů ČOV týkajícího se rozvoje obnovitelných zdrojů do roku 2010. [2] technologií „Ekobioprogres“ − obr. 3 spočívá ve vytvoření Pro optimální návrh technologie využití kalů je prováděn optimálních podmínek pro aerobní fermentaci směsi odvod− výzkum zaměřený na: něných kalů s tuhými bioodpady, pomocí níž dochází k dezo−

1/2004

ö

ö ö

ö ö

dorizaci kalů současně se zvýšeným odparem vody, v důsled− ku čehož může být fermentovaná směs sušena na bubnové se problematiky využívání kalů z ČOV, chování a způsob vazby rizi− kových prvků v kalech v závislosti na počtu ekviva− lentních obyvatel, pro které je ČOV dimenzována, a dále v závislosti na charakteru od− padních vod přiváděných na ČOV a použité technolo− gii čištění, chování chloridů, síry, fosfo− ru a organických polutantů, využití odpadních sorbentů při výrobě směsi jako vhod− ného aditiva, termoanalýzu směsi z růz− ných poměrů biopaliv a uhlí, spalovací zkoušky na pilot− ním zařízení TU Dresden s diagnostikou spalovacích pochodů a s minimalizací tvorby škodlivých tuhých a plynných emisí. Obr. 2. Obr. 3 Schéma technologie Ekobioprogres


ö porovnání legislativních podmínek EU a ČR týkajících

23

1/2004

sušárně bez zamořování ovzduší. Důležitou podmínkou pro urychlené nastartování fermentačního procesu je dokonalé, účinné promíchání odvodněných kalů s tuhými bioodpady v homogenizátoru, kdy je vytvářena vhodná struktura směsi umožňující: ö rychlou dezodoraci směsi při urychleném nastartování aerobní fermentace, ö sušení fermentovaného materiálu v bubnové sušárně bez zamořování ovzduší v okolí sušárny.

1. 2. 3. 4. 5.

Technologický proces sestává z: dezintegrace tuhé biomasy − dřevěné štěpky a slámy, homogenizace odvodněných kalů s tuhou biomasou, aerobní fermentace směsi kalů s tuhou biomasou (dezo− dorizace), dosoušení fermentované směsi s následnou granulací, lisování.

Homogenní směs o vlhkosti cca 60 % je soustavou do− pravních pásů dopravována do speciálně upravených žlabů a tam postupně vrstvena. Ihned je bez jakýchkoliv dalších přísad zahájen proces fermentace, při kterém dochází k postupnému zvyšování teploty a ke zvýšenému vývoji vod− ní páry. Při dosažení teploty cca 55 °C je z důvodu urychlení procesu fermentace směs převrstvována − frézou vybírána ze spodní části žlabu, přemísťována soustavou pásových do− pravníků a opět shazována na vrstvu horní. Fermentací je rov− něž odstraněn pach z kalů − překopávání směsi následuje až po rozvoji termofilních mikroorganismů, které velmi rych− le asimilují látky, které jsou zdrojem fekálního zápachu, ne− dochází tedy ani k zamořování okolí výrobny. Z fermentorů je směs o vlhkosti cca 40 % dopravena pá− sovým dopravníkem do zásobníku a odtud pak šnekovým do− pravníkem do sušky. Prostor sušky je ohříván spalinami


Tab. 3 Rozdělení prvků do skupin, hodnoty v mg.kg−1

24

Podmínkou je dodržení přísných hygienických limitů, zejména těžkých kovů

Obr. 4 Termoanalytické křivky oxidace biopaliva

vzniklými buď spalováním dřevního odpadu (o maximální vlhkosti 40 %), nebo zemního plynu. Vysušená směs o vlhkosti 12 − 18 % je spolu se spalinami odváděna do cyklonu, kde se od spalin oddělí a je šnekovým doprav− níkem dopravena do zásobníku suché směsi. Při výrobě pali− va pro fluidní kotle s atmosférickou fluidní vrstvou je tato směs považována za biopalivo bez následné granulace. Ze zásobníku je suchá směs dopravována šnekovým do− pravníkem do granulátoru, jehož matrice určuje rozměry vý− sledných biopelet. Jejich velikost může být cca 12 − 30 mm a délka do cca 70 mm − obr. 1. Od granulátoru jsou pak bi− opelety dopravovány elevátorem a pásovou dopravou do zásobníků. K testům spalování ve fluidním ohništi se doporučuje pou− žít sypané biopalivo o vlhkosti 15 až 20 % s předpokládanou výhřevností 13 MJ.kg−1. [2] Palivo vyrobené na bázi obnovitelných surovin lze proto hodnotit pouze na základě srovnání se složením fosilního paliva. Jednotlivé prvky byly se− řazeny do skupin odpoví− dajících rozdělení dle vy− hlášky 97/2000 Sb. pro ilustraci je v první části uveden obsah popela. Vzhledem k přípravě vstupu ČR do EU a v ná− vaznosti na její legislativu je problematika využití kalů velmi aktuální. Vý− sledky projektu pomohou definovat a koncepčně řešit problém jejich dalšího vy− užití, případně zneškodně− ní. Využití kalů jako ná− hradního paliva má dvojí význam, především se jed− ná o možnost úspory skla− dovacích prostorů a dále o úspory primárního paliva.

2. Oxidace uhlí

1/2004

Oxidace hnědého uhlí − obr. 5 probíhá přibližně ve stejném teplotním intervalu (250 − 450 °C) jako oxidace biomasy a má jednodušší průběh. Analýzou křivek lze rozlišit pouze dva překrývající se děje. Děj při nižších teplotách (250 − 350 °C) odpovídá oxidační pyrolýze složek uhlí doprovázené uvol− něním prchavých látek a jejich oxidací v plynné fázi. Vznik− lý polokoks je pak následně oxidován při vyšších teplotách (2. děj, 300 − 450 °C).

3. Oxidace biopaliva s uhlím

Obr. 5 Termoanalytické křivky oxidace uhlí

TERMOANALYTICKÉ STUDIUM BIOPALIVA NA BÁZI KALŮ Z ČOV Termoanalytická měření biopaliva a hnědého uhlí (mleté na velikost částic pod 0,1 mm ) byla provedena na přístroji Netzsch STA 409 EP za konstantních experimentálních pod− mínek (kelímky z a−Al2O3, rychlost ohřevu 10 °C/min. dy− namická atmosféra vzduchu 100 ml/min.). Použité navážky byly 10 mg pro čisté složky a 20 mg pro jejich směsi. Kinetické výpočty byly provedeny metodou přímé nelineární regrese [3].

1. Oxidace biopaliva

Pro studium oxidace biopaliva s uhlím byly připraveny vzorky obsahující 25, 50 a 75 hm. % biomasy. Výsledky měření shrnuje obr. 6. Je patrné, že biomasa nebo produkty její oxidace nemají výrazný vliv na průběh spalování samot− ného uhlí ve směsi.

4. Modelování reálného směsného paliva Cílem této části bylo porovnat směs uhlí s biopalivem (15 %) − obr. 7 namíchanou v poloprovozních podmínkách pilotního zařízení TU Dresden se směsí o stejném složení při− pravenou v laboratorních podmínkách (ze stejných surovin mletých na velikost částic pod 0,1 mm). Bylo zjištěno, že nejsou výrazné rozdíly v oxidačním cho− vání poloprovozní (obr. 7a) a laboratorní (obr. 7 b) směsi pa− liv. Obě DTG křivky mají prakticky shodný průběh. Křivka vypočtená pro tuto směs z kinetických parametrů odpovídajících dějům při oxidaci jednotlivých složek (obr. 7 c) má kvalitativně stejný průběh, i když nesoulad je již výraznější než u samotné oxidace biopaliva nebo uhlí.

1. oxidační pyrolýzu složek při teplotách 250 − 300 °C s uvolněním těkavých produktů a jejich oxidací v plynné fázi, 2. vznícení části zbytku po pyrolýze doprovázené ostrým píkem na DTG křivce při teplotách nad 300 °C, vznícení je zasta− veno nedostatkem kyslí− ku, jehož difuze ke vzor− ku je limitována, 3. pomalou oxidací zbylého koksu při teplotách 350 − 500 °C až do celko− vého vyhoření. Obr. 4 shrnuje výsledky kinetické analýzy experi− mentálních křivek. Hodnoty byly určeny za následujících předpokladů: tři překrývající se děje, probíhající reakce jsou prvního řádu.

* Nejvyšší přípustné hodnoty pro suroviny do kompostu

Tab. 5 Chemická analýza popelů v mg.kg−1


Oxidace biopaliva − obr. 4 probíhá za daných experimentál− ních podmínek v teplotním intervalu 250 − 500 °C. Podle oče− kávání se nejedná o jednoduchý děj. Analýzou DTG křivky lze odhalit minimálně tři vzájem− ně se překrývající procesy. Ty Tab č. 4 Obsahy rizikových prvků v kalu v mg.kg−1 sušiny kalu je možné interpretovat jako:

25

1/2004

Tab. 6 Cena tepla ve vstupním palivu v roce 2002 (bez uvažování tepelné účinnosti zdrojů tepla)

ZÁVĚR Obr. 6 DTG křivky oxidace směsí s různým obsahem biopaliva

Z uvedených výsledků experimentů a modelování lze kon− statovat, že spalování biopaliva na bázi kalů z ČOV lze do hmotového množství 15 % aplikovat i na fluidních kot− lích větších výkonů, které jsou v současné době provozová− ny v České republice při splnění všech zákonných emisních limitů. Na základě termoanalytických experimentů lze usu− zovat, že průběh a rychlost spalování hnědého uhlí není vý− razně ovlivněna přítomností biopaliva nebo produktů jeho oxidace a neovlivňuje negativně tvorbu škodlivých tuhých a plynných emisí. Z ekonomického vyhodnocení vychází příznivě i cena tepla v palivu při spalování biomasy na bázi kalů z ČOV u hmotového množství 15 %. Literatura [1] K.R.G.Hein, W. Scheurer: Combine−combustion of biomass, wastes and residues with coal. EU seminar Cottbus 2000. European Commission. [2] Závěrečná zpráva projektu GAČR 1096/1152 "Kombinované spalování biomasy a uhlí". VŠB−TU Ostrava 2001. [3] Slovák V.: Determination of kinetic parameters by direct non−linear re− gression from TG curves. Termochim. Acta 372 (2001) 175.

26

Obr. 7 DTG křivky oxidace poloprovozní (a) a laboratorní (b) směsi uhlí s biopalivem (15 %) a jejich porovnání s teoretickou křivkou (c) a jejím rozkladem na jednotlivé děje (d)

Tisící větrná elektrárna ve Spojeném království V lednu 2003 zaznamenal průmysl větrných elektráren ve Spojeném království symbolický mezník, když byla uve− dena do provozu tisící větrná elektrárna v severním Wale− su. Trvalo 11 let, než bylo dosaženo tohoto počtu, je ale pravděpodobné, že dvoutisící větrná elektrárna bude uve− dena do provozu již za dva roky. V současné době již byl odsouhlasen program výstavby větrných elektráren o vý− konu 666 MWe. (Modern Power Systems, 2003, č. 2, s. 12)

kontakt


Příspěvek vznikl na základě řešení projektu GAČR č.101/ 03/H064, 1820/GA 730064 „Energie z biomasy“. Prof. Ing. Pavel KOLAT, DrSc., Vysoká škola báňská Technická universita Ostrava Fakulta strojní, katedra energetiky Tř. 17. listopadu, 743 33 Ostrava – Poruba tel.: 596 991 111, fax: 596 915 315 e−mail: [email protected]

Aktuality

ö Největší čtyři injekční čerpadla na mořskou vodu na světě postavila pro Ázerbájdžán fa Sulzer. Čerpadla mohou dohromady vhánět až 1 mil. barelů mořské vody denně pod tlakem 470 bar. do ložiska ropy. Čerpadlo vyžaduje příkon 27 MW a je poháněno plynovou turbínou Rolls−Royce RB 211.

1/2004

Sulzer Technical Review č. 2/2003

Po rozsáhlém výpadku zásobování elektřinou v USA, Kanadě, Itálii i Skandinávii se také ve SRN vynořují otázky ke spolehlivosti dodávky elektřiny. Řešením mohou být motorové (blokové) teplárny, zásobující při přerušení dodávky elektřiny vybraná důležitá zařízení. V Berlíně je 30 takových centrál 1 MWe, 22 MWt. Tato zařízení KVET zásobují teplem úplně a elektřinou z 90 % z toho, co uživatelé těchto objektů normálně potřebují. Energie Spektrum č. 11/2003, str. 46

Páteřní teplovod soustavy „Fernwärmeversorgung Ruhr“ Tato soustava fy STEAG zásobuje teplem 7600 nemovitostí, jejichž přihlášený odběr činí celkem 1400 MWt. Byla uvedena do provozu v r. 1978 a napáječem dlouhým 30 km zásobovala města Essen, Gelsenkirchen a Bottrop z teplárny Consol v Gelsenkirchenu. V roce 1988 začala soustavu napájet též elektrárna − spalovna Essen − Karnap (RWE). Tato oblastní soustava se plošně rozvíjela a v roce 1986 bylo postaveno 12 km dlouhé vedení do elektrárny Herne (STEAG). Dnes soustava zásobuje zhruba 300 tisíc bytů, délka tepelné sítě činí asi 500 km a předpokládá se další rozvoj. Tepelný napáječ přitom funguje jako sběrnice. Euro Heat and Power č. 11/2003, str. 16

Potenciál kombinované výroby elektřiny a tepla v SRN Studie ukazují, že potenciál KVET v SRN nebyl působením zákona o modernizaci KVET z 1. 4. 2002 zdaleka vyčerpán. Podle statistiky byla v r. 2002 ve SRN konečná spotřeba energie 1884 TWh, z toho 1534 TWh pro technologické účely a pro topnou spotřebu (vytápění a TUV). Asi 60 % této spotřeby by se teoreticky mohlo pokrývat ze zdrojů KVET. Tomu při střední době provozu 6000 h/r a měrné výrobě elektřiny e = 0,5 odpovídá roční výroba elektřiny v KVET cca 460 TWh (asi 95 % celostátní výroby) a elektrický výkon KVET cca 75 000 MW (asi 70 % v Německu instalovaného elektrického výkonu). Rovněž využitelný technicko−ekonomický potenciál je značný. Podle analýz by mohlo být r. 2010 v provozu 3500 až 5000 MW výkonu KVET. Dnes instalovaný výkon je 2000 MW a roční výroba 61 TWh (cca 11 % celostátní výroby). Rozvoji teplárenství se však staví do cesty různé překážky, které je nutno překonávat. Energie a Management č. 22/2003, str. 1

ö CryoSol je dobře čerpatelná směs vody a ledu (až 40 %). V důsledku vysokého skupenského tepla tání ledu 333 kJ/kg se jeví jako vysoce účinný nositel chladu. Je proto srovnatelný s obvyklými chladivy. Euro Heat and Power č. 10/2003, str. 34

Zajištění dodávky elektřiny pro průmyslový závod z blokové teplárny Ve strojírenském závodu byla při stavbě nové haly vybudována též bloková teplárna s kompaktním modulem Sokratherm GG 50iS a synchronním generátorem. Při výpadku dodávky z veřejné sítě nastávají dva případy. Je−li teplárna v provozu, regulace odpojí od sítě sběrnici, z níž jsou napájeny spotřebiče, které je třeba udržet v provozu. Jestliže modul (teplárna) není v provozu, odpojí regulace rozvod pro důležité spotřebiče (jako v prvním případě) od sítě a současně odpojí i tyto spotřebiče. Zároveň startuje bloková teplárna a nejdéle do 15 sekund přebírá napájení. Po dalších 5 sekundách se postupně zapojují spotřebiče, které je nutno udržet v provozu i při výpadku veřejné sítě. Doba mezi výpadkem a začátkem nouzového napájení se překlene pomocí akumulačních baterií. Energie spektrum č. 10/2003, str. 32

Zkušenosti s mikroturbínou Při modernizaci topné centrály v budově fy Bayerngas byla k získání zkušeností insta− lována též mikroturbína Capstone 27 kW. Do 1. 7. 2003 měla zhruba 6200 provozních hodin a vyrobila 147 000 kWh. Výkon gene− rátoru dosáhl 24 − 26,1 kW, průměrný příkon v palivu byl 121 kW, takže průměrná účinnost na svorkách byla 20,7 %. Celkový stupeň vyu− žití paliva (celková účinnost) v kombinovaném provozu činí 75 % a silně závisí na teplotě vrat− né vody, která v důsledku toho, že provoz není dosud optimalizován, je dosti vysoká. Zkušební chladicí provoz s absorpčním agregátem začal teprve v květnu 2003. Potřebná teplota ve vypu− zovači je 93 °C, takže v důsledku toho je celko− vá účinnost < 75 %. Při vratné teplotě 87 °C mají spaliny z turbíny stále ještě teplotu > 100 °C. Bylo by proto možno instalovat výměník na TUV, který by mohl krýt letní potřebu tepla (TUV, větrání). Na optimalizaci kombinované− ho topného a chladicího provozu se pracuje. Euro Heat and Power č. 11/2003, str. 54

öMěstské podniky v Drážďanech daly do pro− vozu další svoji teplárnu Klatzsch, vybavenou plynovým motorem Jenbacher s výkonem 2,2 MWe a 2,3 MWt. V teplárně je dále instalo− ván horkovodní kotel 14 MWt a tři akumulátory po 100 m3. Nová teplárna nahrazuje 42 let sta− rou centrálu na plyn. Teplárna zásobuje izolo− vanou oblast se 3000 bytů, průmyslovou zónu a letiště. Energie a Management č. 20/2003, str. 21

ö V Soči se staví nová paroplynová teplárna. Dvě spalovací turbíny GT 10 C s výkonem 29 MW dodá Demag Delaval Industrial Turbomachinery, dceřiná firma společnosti Siemens. Teplárna, která může spalovat zemní plyn nebo dieselolej, má zahájit provoz na podzim r. 2004. PI Siemens, listopad 2003

ö V Göteborgu (Švédsko) má být koncem r. 2006 uvedena do provozu nová paroplynová teplárna. Bude mít 3 spalovací turbíny GTRX 100 s vý− konem 43 MW, 3 spalinové kotle a parní turbínu s výkonem 143 MW. Palivem bude podle potřeby buď zemní plyn, nebo olej. Celkový stupeň využití paliva má přesahovat 92 %. Teplo se bude dodávat do městské tepelné sítě, v létě pak v páře do blízké rafinerie. Teplárnu bude proto možno provozovat stále s vysokou účinností. Tisková informace Siemens, listopad 2003

ö Ve Švédsku byla zpracována studie mož− nosti a výhodnosti spolupráce soustav CZT v sousedících (menších) městech jejich vzájem− ným propojením. Výsledky ukazují, že lze takto dosáhnout výrazného snížení nákladů. Každý případ je ovšem citlivý na řadu okolností, nic− méně studie dává představu o potenciálních možnostech kooperace jednotlivých soustav v daném regionu. Euro Heat and Power č. 11/2003, str. 40

Optimalizace malých sítí Optimalizace malých tepelných sítí blokových tepláren, resp. celých takových soustav je mož− ná při použití moderních regulačních systémů, které zahrnují nejen tepelný zdroj, ale také i odběratelské předávací stanice. Důležitá je při− tom rovněž průběžná akumulace, která vyrov− nává okamžité krátké výkyvy potřeby tepla s následným jejím snížením, takže průběh po− třeby lze vyhladit. Byl k tomu vyvinut i speciální akumulátor (propojené vertikální nádrže vedle sebe). Pilotní projekt s tímto akumulátorem a celkovým regulačním systémem pro 262 bytů ve výškové budově v Berlíně ukázal, že ma− ximální přihlášený příkon 51 W/m2 se podařilo snížit na 28 W/m 2 (o 45 %), z čehož plynou značné výhody. Euro Heat and Power č. 10/2003, str. 24

ö Berlínská BEWAG provozuje 14 elektráren, tepláren a výtopen s instalovaným elektric− kým výkonem 2730 MW. Elektrická síť měří 42 000 km a je k ní připojeno cca 2,2 mil. odběratelů. V r. 2002 bylo dodáno celkem 13,6 TWh a špičkové zatížení bylo 2620 MW. Energie Spektrum č. 11/2003, str. 46

ö Pro finskou celulózku Wisaforest dodává Siemens Power Generwtion (PG) protitlakovou turbínu 150 MW, která je největším protitlakovým soustrojím pro papírny a celulózky na světě. Turbína se vyrábí v závodě Görlitz, hodnota zakázky činí více než 10 mil. Eur. Energie a Management č. 22/ 2003, str. 23

Aktuality

Nouzové zásobování průmyslových objektů

27

1/2004

Contens

Inhalt

Steam Pipe Heat Exchangers Dimensionning and Control Ing. Vladimír Valenta The article deals with the steam in heat exchangers, throttling of steam flow and the state of the steam during heat exchange. The author also mentions the way of dimensi− oning heat−exchange steam, dimensioning of regulation valves and dependence of the change in heat output on regulation valve elevation, including examples. The way of exchanger heat output control is described for closed steam−condensing systems. A special remark concerns the changes of heat−exchanger output while the other deals with the optional water evaporation on the heat−exchange area.

Die Auslegung und die Steuerung der rohrförmigen Dampfheizungswärme− tauscher Ing. Vladimír Valenta In diesem Beitrag wird der Dampf in den Heizungswärmetauschern behandelt sowie die Drosselung bei der Dampfströmung und die Dampfzustände bei der Wärmeübergabe im Heizungswärme−Tauscher. Ebenfalls werden die Art und Weise der Auslegung der Wärmeaustauschfläche erwähnt sowie die Auslegung der Regulationsventile und es wird die Abhängigkeit der Veränderung der Wärmeleistung am Hub des Regulationsventils einschließlich des Beispiels angegeben. Die Art und Weise der Wärmeleistungssteuerung des Heizungswärme−Tauschers ist für offene und auch für geschlossene Dampfkondensations−systeme beschrieben. Eine Anmerkung betrifft die Veränderungen der Wärmeleistungen der Heizungswärme−Tauscher und die andere betrifft die mögliche Wasserabdampfung an der Wärmetauschfläche des Heizungswärme−Tauschers.

Monitoring Domestic Energy Costs Ing. Peter Schuster The article gives a simple methodology of heat and economic analysis of an apartment in a block of flats supplied from the gas boiler heat. The author presents the procedure of reasonable reduction of energy consumption. Measuring Heat Consumption for Hot Domestic Water Heating and Checking Hot Water Delivery at Consumers Václav Edr Precise domestic hot water measuring and the heat consumed for its preparation has been frequently discussed especially that of large „four−pipe“ systems. The real opera− tional parameters of hot water delivery are not very well known. The realized measu− ring including permanent data recording can contribute to more precise measuring of the real deliveries. The article indicates basic requirements for domestic hot water delivery and checking the parameters. Damages Caused by Exhalations in View of Reasons for Forest Wood Waning Prof. Ing. Radomír Mrkva, CSc. Essential improving of air quality today should be, according to our previous expecta− tions, an unambiguous reason for essential improvement of the forest health state. However, the annual report of the forest economy of the Czech Republic proves that it is not the case. The following questions arise: to what extent do the emissions actually cause the deterioration of forest health state, what is the role of emissions and how can one explain the reasons for the current situation. The presented expert opinion is focu− sed on explanation based on a complex evaluation of reasons for rapid forests waning in the past and at present. The question to be asked is whether the large forest waning is a natural anthropy−conditioned phenomenon.

Contens − Inhalt

Energetic Utilization of Bio−fuel Based on Sewage Sludge Prof. Ing. Pavel Kolat, DrSc., Doc. Ing. Dagmar Juchelková, Ph.D., RNDr. Václav Slovák, Ing. Anna Cemerková Energy utilisation of alternative fuels presents a major task for renewable sources de− velopment in the EU and in the Czech Republic. The research is based on combustion tests in experimental pilot stand with atmospheric fluidised bed located in the Techni− cal University of Dresden, Germany which is designed for brown coal, sewage sludge and thermo−analytical studies of bio−fuels. The article presents recommendations for the suitability of thermal waste disposal in the atmospheric fluidised bed and minimi− sing of harmful emissions. We can conclude that combustion of 15 % bio−fuels content is applicable in large fluidised bed boilers installed in the Czech Republic.

28

Die Evidenz der Energiekosten im Haushalt Ing. Peter Schuster In diesem Artikel ist eine einfache Methodik zur Durchführung der Wärme− ökonomischen Analyse einer Plattenbauwohnung angeführt, die mit der Wärme von einem Gaskesselraum versorgt ist. Ferner ist das Verfahren angegeben, wie man den Energieverbrauch rationell senken kann. Das Messen des Wärmeverbrauchs für die TUV−Erwärmung und für die TUV− Lieferungskontrolle beim Abnehmer Václav Edr Die genaue TUV−Messung und die Messung der zu ihrer Vorbereitung verbrauchten Wärme ist vor allem bei den umfangreichen „Vierrohrsysteme“ zum Gegenstand von vielen Diskussionen geworden. Die tatsächlichen Betriebsparameter bei den TUV− Lieferungen sind verhältnismäßig wenig bekannt. Die durchgeführten Messungen mit der dauerhaften Datenspeicherung können zu einer genaueren Messung der tatsächlichen Lieferung beitragen. Ferner sind die Grundforderungen für die Lieferung und Kontrolle der TUV−Parameter erwähnt. Die Exhalationsschäden und gegenwärtige Meinungen zur Ursache der Abzehrung und des Verfalls des Waldgehölzes Prof. Ing. Radomír Mrkva, CSc. Gegenwärtige wesentliche Verbesserung der Luftreinheit sollte nach unseren früheren Erkenntnissen und Erwartungen eindeutige Ursache der wesentlichen Verbesserung des Gesundheitszustandes unserer Wälder sein. Wie uns alljährlich der Bericht über den Wald− und Forstwirtschaftzustand überzeugt, ist es nicht so und ganz logisch bietet sich die Frage an, in wie weit die Emissionen eigentlich die wirkliche Ursache der Verschlechterung des Gesundheitszustandes der Wälder waren, welche Rolle sie dabei spielten und wie die Ursachen der gegenwärtigen Lage zu erklären sind. Die vorausgesetzte Meinung und ein Versuch es zu erklären geht von der komplexen Beurteilung der Kalamitätsabzehrung und des Kalamitätsverfalls des Waldes sowohl in der Vergangenheit als auch heutzutage. Zuerst ist angebracht die Frage zu stellen, ob der Großflächenverfall des Waldes eine dem natürlichen Wald ganz fremde Sache ist und also anthropisch bedingt ist. Energetische Ausnützung des Biobrennstoffes auf der Basis des Abwasser− schlammes Prof. Ing. Pavel Kolat, DrSc., Doc. Ing. Dagmar Juchelková, Ph.D., RNDr. Václav Slovák, Ing. Anna Cemerková Energetische Ausnützung der alternativen Brennstoffe ist eines der Hauptziele der Entwicklung der erneuerbaren Energien in der EU und in der Tschechischen Republik. Der Forschungsgegenstand ist die Durchführung der Brennprüfungen in der experimentellen Piloteinrichtung mit der atmosphärischen zirkulierten Wirbelschicht an der Technischen Universität Dresden in der Bundesrepublik Deutschland für die Braunkohle, für den Abwasserschlamm und für das thermoanalytisches Studium der Biobrennstoffe mit der Analyse der Ergebnisse und mit der Beurteilung der Eignung der thermischen Entsorgung der Abfallstoffe in der Wirbelschicht mit der Minimierung der schädlichen Emissionen. Aus den erwähnten Ergebnissen der Experimente ergibt sich die Feststellung, dass das Verbrennen der alternativen Brennstoffe bis zu der Stoffmenge von 15% auch bei den Kesseln mit der Wirbelschicht anzuwenden ist, wobei diese Kessel zur Zeit in der Tschechischen Republik betrieben werden.

Obsah. časopis podnikatelů v teplárenství. ročník 14. Elektrárna Kolín, a.s. Dimenzování a řízení trubkových parních výměníků tepla

Recommend Documents