České vysoké učení technické v Praze Stavební fakulta Studentská vědecká odborná činnost Akademický rok 2009/2010
Revitalizovaná nákladní loď Josef Boček – studie využitelnosti tepelného čerpadla
Jméno a příjmení, ročník a obor :
Bc. Zuzana Šestáková
Konzultant :
prof. Ing. Karel Kabele, CSc.
Katedra :
Technická zařízení budov
OBSAH 1.
ÚVOD .............................................................................................................................................. 2
2.
IDENTIFIKAČNÍ ÚDAJE.................................................................................................................. 2
3.
POPIS VÝCHOZÍHO STAVU .......................................................................................................... 2
4.
3.1.
BLIŽŠÍ CHARAKTERISTIKA ZAŘÍZENÍ ................................................................................ 3
3.2.
PROVOZNÍ ŘEŠENÍ .............................................................................................................. 4
3.3.
ELEKTRICKÁ ENERGIE ........................................................................................................ 5
TECHNOLOGIE LODI ..................................................................................................................... 6 4.1.
ZDROJ TEPLA ....................................................................................................................... 6
4.2.
VYTÁPĚNÍ .............................................................................................................................. 6
4.2.1. SYSTÉM VYTÁPĚNÍ .......................................................................................................... 6 4.3.
PŘÍPRAVA TEPLÉ VODY ...................................................................................................... 7
4.4.
VZDUCHOTECHNIKA ............................................................................................................ 7
4.5.
CHLAZENÍ ............................................................................................................................ 10
4.6.
MĚŘENÍ A REGULACE ....................................................................................................... 10
4.7.
ELEKTROSPOTŘEBIČE ...................................................................................................... 10
5.
STAVEBNÍ ČÁST .......................................................................................................................... 11
6.
VYUŽITÍ KVET A OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ ENERGIE .......................................................... 12
7.
6.1.
KOMBINOVANÁ VÝROBA ELEKTŘINY A TEPLA – KVET ................................................ 12
6.2.
VYUŽITÍ SLUNEČNÍ ENERGIE ........................................................................................... 12
6.3.
TEPELNÉ ČERPADLO ........................................................................................................ 12
TEPELNÉ ČERPADLO ................................................................................................................. 13 7.1.
TEPELNÉ ČERPADLO VZDUCH – VODA .......................................................................... 13
7.2.
TEPELNÉ ČERPADLO VODA – VODA ............................................................................... 13
7.2.1. TEPELNÉ ČERPADLO – PRŮTOČNÝ SYSTÉM ............................................................ 14 7.2.2. TEPELNÉ ČERPADLO – VÝMĚNÍK MIMO LOĎ ............................................................. 19 8.
ZÁVĚR .......................................................................................................................................... 20
1
1.
ÚVOD
Tato studie se zabývá revitalizovanou nákladní lodí, popisem technologií umístěných na lodi, vyhodnocením a následnou studií využitelnosti tepelného čerpadla v provedení voda – voda. Tepelné čerpadlo bude hodnoceno v několika variantách jak pro průtočný systém, tak pro výměník tepelného čerpadla umístěný mimo loď.
2.
IDENTIFIKAČNÍ ÚDAJE PROVOZOVATEL
3.
Název
Freestyle Park Modřany
Adresa
Pod Klaudiánkou 1018/11, Praha 4 - 147 00
Telefon
420 606 326 386
IČO
284 78 380
POPIS VÝCHOZÍHO STAVU
Předmětem studie je analýza současného stavu spotřeby energie na vytápění a přípravu teplé vody s návrhem tepelného čerpadla v revitalizované plovoucí lodi, která tvoří zázemí pro sportoviště. Plovoucí multifunkční zázemí sportoviště Občanského sdružení Freestyle Park Modřany, vzniklo přestavbou dvouvrtulové říční motorové nákladní lodi Josef Božek s projektovaným výtlakem 869,0t, je trvale vyvázáno u nábřežní zdi při pravém břehu řeky Vltavy na říčním kilometru 61,75 v místě budovaného sportovního areálu, který se nachází v katastrálním území Modřany, jenž je součástí městské část Praha 12. Areál je navržen na pozemcích parc.č. 257/1, 257/2, 257/4, 257/12 a 257/13. Pozemek areálu je mírně svažitý od východu k západu (směrem k řece), s nadmořskou výškou cca od 189, 00 m.n.m. do 193,50 m.n.m. Bpv.
Obr. 1: Mapa okolí se zakreslením lodi 2
Na pozemcích areálu dříve byla výrobna prefabrikátů a mobilní betonárka. Povodeň v roce 2002 způsobila škody vedoucí k demolici všech objektů umístěných na pozemcích. Od té doby slouží pozemky jako překladiště sypkých materiálů. Přístaviště není v současné době využíváno. Sportovní areál je navržen v záplavovém území, kde není žádná možnost výstavby (trvalé stavby). Záměrem investora bylo vytvořit zázemí pro sportovní areál na lodi. Provozní doba administrativní část Po-Pá restaurace zázemí pro sportoviště
od 7:00 11:00 10:00
do 18:00 22:00 21:00
restaurace zázemí pro sportoviště
10:00 9:00
24 00 22:00
So-Ne
Tab.1:provozní režim lodi
Revitalizovaná loď byla kolaudována v červnu 2009. Pro vypracování této studie byly použity podklady vypracované ateliérem Contractis, faktury za elektřinu a obhlídka lodi.
3.1. BLIŽŠÍ CHARAKTERISTIKA ZAŘÍZENÍ Loď je zakotvena na ř. km 61,.75 poblíž železniční zastávky Praha – Modřany a modřanského jezu. Je snadno dostupná od městské hromadné dopravy a zároveň se nachází poblíž cyklistické stezky, která vede z Braníka do Komořan. Loď je připojena na veřejné sítě elektřiny, vody a kanalizaci. Elektřina je dodávána přes vlastní trafostanici, která je umístěna poblíž lodě. Loď slouží mj. také jako zázemí pro sportovní činnost. V jejím areálu jsou k dispozici hřiště na pétanque a budují se tři hřiště na beach volejbal. Pro hráče jsou připraveny šatny.
Obr. 2: Foto lodě 3
3.2. PROVOZNÍ ŘEŠENÍ Plovoucí multifunkční zázemí sportoviště Občanského sdružení Freestyle Park Modřany vzniklo přestavbou dvouvrtulové říční motorové nákladní lodi Josef Božek s projektovaným výtlakem 869,0 t. Loď je cca 9,2 m široká a 70,6 m dlouhá, 12,5 m vysoká. Přestavba plavidla spočívala ve vybavení plavidla dvouúrovňovou nástavbou a v úpravě podpalubních prostor. Realizace tohoto záměru si vyžádala podstatný zásah do lodního tělesa. Úroveň paluby zůstala částečně zachována na přídi a zádi a v místech úvazů lodi. Nově vzniklá úroveň paluby je 1m nad úrovní stávající paluby. Loď je ke břehu napojena třemi lávkami, které navazují na úroveň nové paluby. Konstrukčně je využita stávající konstrukce lodního tělesa – žebra a plech tl. 7mm, žebra po osových vzdálenostech cca 550 mm. Novou dvoupodlažní nástavbu tvoří ocelový skelet navazující na konstrukci lodi. Loď je rozdělena do několika provozních celků. 1.PP, které se nachází z velké části pod vodou, je využito pro prostory šaten a umýváren sportovců. Je zde šatna cca 20 mužů s hygienickým zázemím a šatna pro cca 20 žen s hygienickým zázemím. K těmto prostorům je přidružena malá sauna se samostatným hygienickým zázemím. K šatnám se vstupuje severním schodištěm z 1.NP, kde je recepce s obsluhou, prodejna, půjčovna a servis. K tomuto provozu náleží kancelářská část v 1.NP se čtyřmi kancelářemi. Druhý provozní celek je stravovací provoz, který tvoří restaurace v 1.NP a klubový prostor s internetovou kavárnou v 1.PP. Hygienické zázemí pro návštěvníky je umístěno v obou podlažích. Terasy v 2.NP jsou užívány veřejností s možností zahradní párty. Všechna tři podlaží jsou propojena vnitřním jižním schodištěm a schodištěm ve středu dispozice. Restaurace, internetová kavárna popřípadě terasa v 2.NP mají zázemí pro přípravu nápojů a pokrmů v 1.PP. Distribuce nápojů a pokrmů a zároveň odvoz špinavého nádobí je zajištěno vertikálně do všech tří podlaží malým nákladním výtahem s přepážkou oddělující čistý a špinavý provoz. V 1.NP na výtah navazují ofisy (pracoviště číšníků) sloužící k distribuci nápojů, pokrmů a odvozu špinavého nádobí. Zázemí pro personál je umístěno v 1.PP. Třetí provozní celek tvoří kanceláře ve 2.NP se samostatným hygienickým zázemím a recepcí. Jedná se o 7 kanceláří a jednu zasedací místnost. Vstup do těchto prostorů je přes střední lávku do vstupní haly v 1.NP, kde je umístěna provozní recepce se zázemím, WC pro osoby s omezenou schopností pohybu a zvedací plošina. Pro osoby s omezenou schopností pohybu a zásobování stravovacího provozu slouží svislá hydraulická zvedací plošina umístěná v šachtě. Toto řešení je použito proto, že konstrukce lodi neumožňuje standardní řešení dojezdu výtahu. Obvodový plášť 1.PP je tvořen opravenou plechovou konstrukcí, která je v některých místech přerušena lodními okny. Okna jsou otevíravá a jsou navržena s ohledem na vodorysku (čáru ponoru) lodi a využití místností podpalubí. Okna jsou v klubovém prostoru, denní místnosti personálu, kuchyni a kanceláři provozního restaurace. Ostatní místnosti v 1.PP jsou odvětrány nuceně. V místě internetové kavárny jsou ve stropě (úroveň nové paluby) navrženy větrací světlíky. Místnosti v 1. a 2.NP jsou prosvětleny z prosklené obvodové fasády, části fasády jsou otevíravé. Vnitřní prostory – sociální zařízení – jsou odvětrány nuceně. Prosklené fasády 1. a 2.NP mají orientaci západní a východní. 4
Zadní část nástavby je vyčleněna pro dvouúrovňovou technickou místnost 1 – technické zázemí, ve které je soustředěna většina technologie plavidla. Prostory technické místnosti 1 nejsou z bezpečnostních důvodů propojeny přímo, ale pouze z venku v úrovni 1.NP (1.paluby). Počet zaměstnanců a návštěvníků: • kanceláře – celkem 20 osob • recepce – centrála 1 osoba • stravování – personál 16 osob, návštěvníci cca 150 osob • sport – obsluha 2 osoby, návštěvníci 32 osob Maximální počet osob je 250. Předpoklad pro dimenzi kuchyně 200 jídel za směnu. Veškerá vybavenost umístěná na lodi slouží jako zázemí pro sportoviště situovaná na souši. V rámci generelu areálu je při ulici Vltavanů postaveno kapacitní parkoviště (současný odhad cca 75 vozidel).
3.3. ELEKTRICKÁ ENERGIE Zásobování elektrickou energií je zajištěno dodávkou ze sítě místního distributora na hladině VN. Platby za odebranou elektrickou energii jsou hrazeny měsíčně. Tarifové ceny se mění v letním a zimním období podle ceníků smluvního dodavatele elektřiny. Elektrická energie je na lodi spotřebovávána pro kuchyňské, kancelářské, technologické účely (vytápění a příprava teplé vody) a pro umělé osvětlení. Dodavatel Adresa IČ Číslo elektroměru Roční sjednaná rezervovaná kapacita
Pražská energetika a.s. Na Hroudě 1492/4, Praha 10 - 100 05 60 19 39 13 84259427 120 (200) kW
Tab.2:Základní údaje o dodavateli elektrické energie, odběrném místu a podmínkách dodávky
rok
2009
měsíc červenec srpen září říjen listopad prosinec CELKEM
Silová Silová energie VT energie NT [MWh] [MWh] 8,545 12,557 18,931 20,212 25,47 27,923 113,638
1,376 2,325 3,74 3,782 4,051 4,572 19,846
Výkon [MWh] 0,075 0,086 0,073 0,083 0,109 0,101
Cena bez DPH [Kč]
Cena s DPH [Kč]
53 422 54 473 65 895 56 845 83 063 88 880 402 578
63 573 64 822 78 415 67 646 98 845 105 767 479 068
Tab.3: Spotřeba elektrické energie 5
Jediným zdrojem elektrické energie je trafo stanice, kterou vystavělo sdružení Freestyle Park Modřany v blízkosti lodě.
4.
TECHNOLOGIE LODI
4.1. ZDROJ TEPLA Zdroj tepla pro vytápění lodi a přípravu TV je nízkotlaký přímotopný elektrokotel v kaskádovém zapojení, který je umístěn v 1.PP v samostatné místnosti. Zdroj tepla typ: PZP Komplet s automatickým provozem o jm. výkonu 120 kW Postupné spínání topných těles 4 x 30kW Max. teplota 90°C Připojení na síť 400/230 V, 50 Hz Společný rozvaděč s hlavním jističem Jištění jednotlivých obvodů Kaskádový řadič Honeywell Y6066 C
4.2. VYTÁPĚNÍ Vytápění bylo navrženo pro tyto klimatické podmínky: město............................................................ Praha - Modřany výpočtová venkovní teplota .........................- 13 °C průměrná teplota v topném období ............. 4,4°C počet topných dnů....................................... 229 nadmořská výška......................................... 100,5 m n.m. Tepelná ztráta lodi ……………………………………………………55,1 kW
4.2.1.
SYSTÉM VYTÁPĚNÍ
Systém vytápění je teplovodní otopnými tělesy s teplotním spádem 75/65°C. Z kotle jsou vyvedeny 2 samostatné větve rozdělené podle fasád objektu na východní a západní. Pro vytápění je teplota topné vody regulována v závislosti na venkovní teplotě (ekvitermní regulace). Provoz kotle je řízen regulátorem s týdenním programem. Další větev napojuje přípravu TV, jedná se o propojení elektrokotle s kombinovanými ohřívači. Oběh topné vody na větvích je zajištěn samostatnými čerpadly, regulace provedena zabudovaným směšovacím ventilem. Topné větve pro statické vytápění objektu jsou napojeny na sdružený rozdělovač, sběrač. V kotlovém okruhu je umístěno oběhové čerpadlo. Ležatý rozvod je proveden stropem 1.PP a pod stropem 1.NP. Topný systém je pojištěn dodatečnou tlakovou expanzní nádobou s membránou. Pro přípravu TV jsou navrženy 2 ks- zásobníkových ohřívačů nepřímo vytápěných kombinovaných typu ER 800, ve kterých je osazena topná vložka a el.topná vložka. Dosáhne-li boiler své nastavené maximální teploty, vypne se oběhové čerpadlo, v případě max.potřeby vytápění a potřeby ohřevu se 6
zapne el.topná vložka. Jedná se pouze o špičkový provoz. Ohřívač TV je napojen potrubím z odbočky studené vody. Pro oběh topné vody v topném systému jsou zabudovaná oběhová čerpadla s elektronickou regulací otáček. Veškeré potrubí v místnosti zdroje tepla je provedeno z ocelových trubek bezešvých. Stoupací potrubí a potrubí ležatých rozvodů včetně napojení těles je provedeno z materiálu Cu- Supersan. Otopnou plochu tvoří desková tělesa KORADO-RADIK Ventil Kompakt a Klasik. V restauraci jsou navrženy konvektory pro hotovou podlahu Jaga-Mini. V kancelářích jsou navrženy konvektory Jaga-Tempo. Napojení těles je na ležatý rozvod, který je veden pod stropem 1.PP a 1.NP. Každé otopné těleso má termostatický ventil s termostatickou hlavicí Heimeier. Otopná tělesa jsou napojena spodním přípojem, na zpátečce uzavíracím šroubením. Konvektory Jaga mají ventily Danfoss.
4.3. PŘÍPRAVA TEPLÉ VODY Potřeba teplé vody byla prodiskutována se správcem lodi, a to na: zimní období : max. 400l/d letní období : max.800l/d, v případě potřeby je možné využít elektrického ohřevu dalšího akumulačního zásobníku. Příprava TV je realizována ve dvou zásobníkových ohřívačích s kombinovaným ohřevem. Ve spojení s elektrokotlem pracují pouze mimo dobu hlavního vytápění, v provozu maximálního vytápění pro dohřev TV jsou v provozu elektrické topné vložky. typ:ohřívák Hoval CombiVal ER 800 -2ks objem 800 l přírubová el. topná vložka 12/16/24 kW regulační a bezpečnostní termostat množství vody 45°C 1590 l/h tepelný výkon 65 kW
4.4. VZDUCHOTECHNIKA Celková koncepce vzduchotechniky: Vzduchotechnika je navržena pro celou loď od 1PP až po 2. NP. Množství čerstvého vzduchu 50 m3/osoba. Kouření se neuvažuje. V případě kouření je možnost přídavného větrání okny. Centrální zařízení VZT jsou umístěna v jednotlivých strojovnách v podpalubí (1PP) a na střeše. Sání vzduchu nad hlavní palubou a nad střechou. Výfuk do prostoru nad hlavní palubou a nad střechou. Sání a výfuky vzduchu na hlavní palubě jsou orientovány tak, aby výfuk směřoval na západ a sání na východ. Rozvody vzduchu vedou ze strojoven potrubím z pozinkovaného ocelového plechu. Potrubí sání a výfuku je opatřeno tepelnou protidifuzní izolací. V jednotkách VZT restaurace a víceúčelových prostorů jsou instalovány deskové výměníky pro zpětné získávání tepla. 7
Odtahová jednotková zařízení (WC, sprchy a šatny, sociální vybavení, atd.) jsou umístěna na střeše objektu, event. ve strojovně v podpalubí, Potřebná množství přiváděného vzduchu jsou vedena od centrálních zařízení. Ventilátor pro odvod mastného vzduchu od digestoří z prostorů kuchyně je na střeše. Výfuk vzduchu je vyšší rychlostí západním směrem. Větrání kanceláří a jednacích místností je okny. V kancelářích č.m. 2.19, 2.22 a jednací místnosti č.m. 2.23 je instalováno multisplit zařízení sloužící pro chlazení. Společná venkovní jednotka je umístěna na střeše. VZT jednotky jsou vybaveny elektrickým ohřívačem vzduchu. Zařízení je řízeno digitálním systémem MaR.
Jednotlivá zařízení: Zařízení č.1 - Šatny a sprchy sportovci Potrubí procházející požárními úseky je opatřeno protipožárními klapkami. Vzduch je přiváděn vyústkami event. ventily. č.1a - Odvod šatny a sprchy: Vzduch je z prostorů odváděn ventily pomocí ventilátoru, který je umístěn ve strojovně v podpalubí, přes tlumiče hluku na sání a na výfuku. Potrubí na výfuku je vyspádováno k odpadu pro odvod kondenzátu. Vzduch je vyfukován nad hlavní palubu. Na potrubí je napojen odtah ze sauny. Odvod vzduchu je prováděn jednorázově obsluhou sauny a to po jejím použití. Jednotka ve složení: Tlumič hluku, filtr, ventilátor, elektrický ohřívač, tlumič hluku šxvxd Rozměry: Specifikace: Množství vzduchu Výrobce/Typ:
670x460x3960 mm 1300 m3/h Bösch/ Modul 0,5
Zařízení.č.2 - Kuchyň a zázemí 1PP Potrubí procházející požárními úseky je opatřeno protipožárními klapkami. Vzduch je přiváděn vyústkami event. ventily. č.2a - Kuchyň a zázemí 1PP: Vzduch je z prostorů odváděn přes ventily pomocí ventilátoru, který je umístěn na střeše přes tlumiče hluku na sání a na výfuku. Vzduch je vyfukován nad střechu. č.2b – Odvod mastného vzduchu: Vzduch je z prostoru odváděn přes digestoře pomocí ventilátoru, který je umístěn na střeše přes tlumiče hluku na sání a na výfuku. Vzduch je vyfukován vysokou rychlostí nad střechu západním směrem. Jednotka ve složení: Tlumič hluku, filtr, ventilátor, elektrický ohřívač, tlumič hluku
8
Rozměry: šxvxd 980x670x3770 Specifikace: Množství vzduchu 4510 m3/h Výrobce/Typ: Bösch/ Modul 1,5 Zařízení č.3 – Víceúčelový prostor 1PP VZT jednotka je umístěna ve strojovně v podpalubí. Sání a výfuk je nad hlavní palubou. Potrubí procházející požárními úseky je opatřeno protipožárními klapkami. Vzduch je přiváděn i odváděn vyústkami. Jednotka ve složení: Tlumič hluku, filtr, deskový výměník, ventilátor, elektrický ohřívač, tlumič hluku Tlumič hluku, filtr, ventilátor, deskový výměník, směšovací klapka, tlumič hluku Rozměry: šxvxd Specifikace: Množství vzduchu přívod/odvod Účinnost deskového výměníku Výrobce/Typ:
670x1310x5010 3100/ 2635 m3/h 47 % Bösch/ Modul 1,0
Zařízení .č.4 – Restaurace 1NP VZT jednotka je umístěna na střeše. Jednotka je ve venkovním provedení. Sání a výfuk je nad střechu. Potrubí procházející požárními úseky je opatřeno protipožárními klapkami. Vzduch je přiváděn i odváděn vyústkami. Jednotka ve složení: - Protidešťová žaluzie, tlumič hluku, filtr, deskový výměník, ventilátor, elektrický ohřívač, tlumič hluku - Tlumič hluku, filtr, ventilátor, deskový výměník, směšovací klapka, tlumič hluku, protidešťová žaluzie šxvxd Rozměry: Specifikace: Množství vzduchu přívod/ odvod Účinnost deskového výměníki Výrobce/Typ:
1500x2000x8500 4500/ 4500 m3/h 53 % Bösch/ Modul 1,5
Zař. č. 6 – Odtah sociálního vybavení 1.PP Vzduch je z prostorů odváděn přes ventily pomocí ventilátoru, který je umístěn na střeše na podstavci pro útlum hluku. Vzduch je vyfukován nad střechu. Zařízení č.7 – WC 1. a 2. NP Vzduch je z prostorů odváděn přes ventily pomocí ventilátoru, který je umístěn na střeše na podstavci pro útlum hluku. Vzduch je vyfukován nad střechu.
Souhrn hlavních parametrů: Přiváděné množství vzduchu: 13 410 m3/h Elektrický příkon: 133 kW Topný příkon: 110 kW Chladící příkon: 10 kW
9
4.5. CHLAZENÍ Větrání kanceláří a jednacích místností je zabezpečováno okny. V kancelářích č.m. 2.19, 2.22 , místnosti určené pro server a jednací místnosti č.m. 2.23 je instalováno multisplit zařízení sloužící pro chlazení. MULTI SPLIT systém, jedná se o systém klimatizace, který obsahuje jednu venkovní kondenzační jednotku, na kterou jsou napojeny pomocí chladivového potrubí 4 vnitřní klimatizační jednotky. Systém je v provedení „pouze chlazení“ s ekologickým chladivem. Kompletní řízení systému zajišťuje mikroprocesorová regulace. Venkovní kondenzační jednotka Výrobce/Typ:Pragoclima Daikin/ 5MKS90E Vnitřní nástěná jednotka, Qmax=5kW včetně IR ovladače Výrobce/Typ:Pragoclima Daikin/ FTKS50DL Vnitřní nástěná jednotka, Qmax=2,5kW včetně IR ovladače Výrobce/Typ:Pragoclima Daikin/ FTKS25DL 4.6. MĚŘENÍ A REGULACE Pro měření a regulaci (dále jen MaR) je navržen systém digitálních, programovatelný regulátorů. Systém splňuje požadavky na efektivní provoz všech připojených technologií (při dodržení optimálních parametrů výstupních hodnot).Dále zabezpečuje automatizovaný provoz s minimálními nároky na provozní a servisní personál a na okamžitou eliminaci poruch a havárií. 4.7. ELEKTROSPOTŘEBIČE Kromě elektro vytápění a vzduchotechniky je velkým spotřebitelem energie kuchyně a její pomocné provozy. Kuchyně je moderně vybavena zařízeními štítkové hodnoty tř.A. Celkový výkon elektrospotřebičů činí 93,9kW.
10
5.
STAVEBNÍ ČÁST konstrukce
součinitel prostupu tepla
obvodové stěny 1.PP
0,19 - 0,2
W/m2K
obvodové stěny 2.NP
0,28
W/m2K
1,3 - 1,7
W/m2K
střecha
0,21
W/m2K
podlaha
0,78 - 1,38
W/m2K
výplně otvorů
Tab.4:Hodnoty součinitelů prostupu tepla:
Ze stavebního hlediska lze říci, že loď splňuje požadavky na součinitel prostupu tepla dle ČSN 73 0540-2:2007 s výjimkou podlah, které nebylo možné více zateplit (z konstrukčního hlediska). Na loď byl zpracován výpočet energetické náročnosti budov podle vyhlášky 148/2007 Sb.( v programu Energie – Svoboda software) a následně byl zpracován energetický štítek. Hodnocení obálky budovy spadá do kategorie C – vyhovující. Pro zhodnocení skutečného stavu byly provedeny snímky termovizní kamerou viz. obrázky níže.
Obr. 3,4: Termovizní snímek
Měření dopadlo dá se říci dobře. Z obrázků je patrné, že únik tepla je spíše než špatnou instalací či materiálem (konstrukcí) zapříčiněno špatným zacházením, resp. špatným používáním nebo nedokonalým seřízením. Na obr. vlevo je zřejmé, že k úniku dochází díky nedostatečně zavřeným dveřím. Toto jsou nejčastější chyby, proč na termovizních snímcích je patrný únik tepla, resp. znázorněna změna povrchové teploty. Na obr. vpravo je znázorněna jediná konstrukce, kterou by bylo vhodné dodatečně zateplit. Jedná se o jídelní výtah kudy uniká značné množství tepla – což je jasně patrné z termovizního snímku.
11
6.
VYUŽITÍ KVET A OBNOVITELNÝCH ZDROJŮ ENERGIE
6.1. KOMBINOVANÁ VÝROBA ELEKTŘINY A TEPLA – KVET Kogenerační jednotku nelze na lodi instalovat, protože není zásobována vhodným palivem.
6.2. VYUŽITÍ SLUNEČNÍ ENERGIE Požadavek posouzení využití netradičních a obnovitelných zdrojů energie předpokládá možnost instalace teplovodních solárních kolektorů pro fototermickou přeměnu a využití slunečního záření na přípravu TV, která je vyráběna v zásobníkových ohřívačích s kombinovaným ohřevem. Jako výhodná varianta se jeví využití solárních kolektorů pro vykrytí letních špičkových odběrů - v létě se počítá s vysokou návštěvností a s maximální vytížeností jednotlivých kurtů. Tzn. solární termické kolektory navržené na přípravu TV pro provozní část lodě– zázemí sportovců (návrh pro cca 30 sportovců pro potřeby sprchování, mytí rukou apod.) Solární termické kolektory nebyly dále ve studii řešeny. S využitím fotovoltaických panelů není počítáno. V případě instalace solárně termických kolektorů doporučuji rešit solární systém jako nezávislý, tzn. instalace fotovoltaického panelu pro vykrytí potřeby elektrické energie pro chod čerpadel.
6.3. TEPELNÉ ČERPADLO Z hlediska hospodaření s energií je loď provozována díky novým zařízením úsporně. Vytápění lodě a příprava teplé vody je řešena pouze elektrokotli. Z tohoto důvodu se nabízí možnost využití tepelného čerpadla. Tepelná čerpadla mohou být v tomto případě dvojího typu: Tepelné čerpadlo vzduch – voda Tepelné čerpadlo voda – voda
12
7.
TEPELNÉ ČERPADLO
7.1. TEPELNÉ ČERPADLO VZDUCH – VODA Toto řešení je technicky nejjednodušší. Jeho velkou nevýhodou je ale hluk, který je způsoben venkovní jednotkou, která by byla s největší pravděpodobností umístěna na střeše administrativní provozní části, na co by si zcela určitě ztěžovali administrativní pracovníci. Další nevýhoda je nutnost záložního zdroje, v případě velmi nízkých venkovních teplot vzduchu (v tomto případě elektrokotle). Vzhledem k faktu, že posuzovaná loď se nachází na řece není ve studii s tepelným čerpadlem v provedení vzduch – voda dále uvažováno.
7.2. TEPELNÉ ČERPADLO VODA – VODA Možnosti, které nabízí řeka Vltava vyplývají z teploty vody v průběhu roku. Z grafu lze odečíst průměrné teploty za měsíc. V měsících lednu a únoru se teploty vody v řece blíží k nule až na hodnoty 0,6 – 0,8 °C. Z toho to vyplývá, že využití tepelných čerpadel v provedení voda – voda v lednu a únoru prakticky není možné s ohledem na nízké teploty vody (riziko zamrznutí okolí výměníku). Hodnoty uvedené v grafu poskytlo povodí Vltavy, jsou z r. 2009 a byly naměřené na 61,8 říčním kilometru. 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0
teplota vody ve Vltavě v průběhu r. 2009 Graf 1: průběhy teplot vody v řece během r. 2009
Toto řešení využívá dvou variant využití tepelných čerpadel: Tepelné čerpadlo – průtočný systém (přímé využití vody z Vltavy) Tepelné čerpadlo – instalace výměníku (kolektoru) mimo čerpadlo-loď (nepřímé využití vody z Vltavy) 13
7.2.1.
TEPELNÉ ČERPADLO – PRŮTOČNÝ SYSTÉM
Tento systém přímo využívá říční vodu z Vltavy. Voda je pomocí potrubí určité dimenze a čerpadla čerpána do výměníku, kde předává teplo, ochlazená voda je následně vracena zpátky do Vltavy. Při tomto způsobu využití čerpadla je limitní hodnotou množství čerpané vody z Vltavy (určuje Povodí Vltavy) a to: 1200 m3/měs. 15000 m3/rok V případě překročení těchto hodnot je čerpání vody z řeky zpoplatněno a to ve výši cca 2,6 Kč/m3, což výrazně ovlivní efektivitu využití tepelného čerpadla tohoto systému. Pro posouzení výběru tepelného čerpadla bylo provedeno srovnání, kdy bude čerpadlo využívat pouze teplotní rozdíl ∆t = 1°C po dobu celého roku a čerpadla, které bude pracovat s teplotním rozdílem ∆t = 3°C (ochlazení o 3°C je ješt ě hodnota akceptovatelná Povodím Vltavy). Toto řešení však umožňuje činnost čerpadla po dobu 282 dní (cca 9 měsíců), po zbylou část roku je nutné využití náhradního zdroje – instalovaných elektrokotlů.
3
Graf 2: Tepelné čerpadlo pracující s teplotním rozdílem ∆t=1°C, limitní hodnota 1200m /měs.
3
Graf 3: Tepelné čerpadlo pracující s teplotním rozdílem ∆t=1°C, limitní hodnota 15000m /rok
14
Měrná potřeba tepla na vytápění
měsíc
Teplo získané z Vltavy
∆t [°C]
max. mn. vody čerpané z Vltavy [m 3/měs.]
[GJ]
[kWh]
pokrytí potřeby tepla na vytápění
[GJ]
[kWh]
[%] v měsíci
leden
61,018
16949,42
1
1200
5,02
1393,3
8,2
únor
45,327
12590,81
1
1200
5,02
1393,3
11,1
březen
30,753
8542,49
1
1200
5,02
1393,3
16,3
duben
12,034
3342,77
1
1200
5,02
1393,3
41,7
květen
2,439
677,50
1
1200
5,02
1393,3
100,0
červen
1,247
346,39
1
1200
5,02
1393,3
100,0
červenec
0,746
207,22
1
1200
5,02
1393,3
100,0
srpen
0,904
251,11
1
1200
5,02
1393,3
100,0
září
2,122
589,44
1
1200
5,02
1393,3
100,0
říjen
14,835
4120,83
1
1200
5,02
1393,3
33,8
listopad
37,873
10520,26
1
1200
5,02
1393,3
13,2
prosinec
55,595
15443,03
1
1200
5,02
1393,3
9,0
Σ 264,89 73581,28 14400 60,19 16720,0 Voda čerpaná z Vltavy pokryje 16,1 % z celkové roční potřeby tepla na vytápění Roční úspora tepla 42,6 GJ (11830 kWh - při ceně 2,14 Kč/1kWh úspora 25316 Kč/rok) 3 Tab.5: Tepelné čerpadlo pracující s teplotním rozdílem ∆t=1°C, limitní hodnota 1200m /měs.
Měrná potřeba tepla na vytápění
měsíc
∆t [°C]
max. mn. vody čerpané z Vltavy [m3/měs.]
Teplo získané z Vltavy
pokrytí potřeby tepla na vytápění
[GJ]
[kWh]
[GJ]
[kWh]
[%] v měsíci
leden
61,018
16949,42
1
2500
10,45
2902,77
17,1
únor
45,327
12590,81
1
2000
8,36
2322,22
18,4
březen
30,753
8542,49
1
1600
6,69
1857,78
21,7
duben
12,034
3342,77
1
1100
4,60
1277,22
100
květen
2,439
677,50
1
600
2,51
696,67
100
červen
1,247
346,39
1
300
1,25
348,33
100
červenec
0,746
207,22
1
200
0,84
232,22
100
srpen
0,904
251,11
1
250
1,05
290,28
100
září
2,122
589,44
1
550
2,30
638,61
100
říjen
14,835
4120,83
1
1200
5,02
1393,33
100
listopad
37,873
10520,26
1
2000
8,36
2322,22
22,1
prosinec
55,595
15443,03
1
2500
10,45
2902,77
18,8
264,89
73581,28
14800
61,86
17184,42
Σ
Voda čerpaná z Vltavy pokryje 23,2 % potřeby tepla na vytápění Roční úspora tepla 61,4 GJ (17052 kWh - při ceně 2,14 Kč/1kWh úspora 36491 Kč/rok) 3
Tab.6: Tepelné čerpadlo pracující s teplotním rozdílem ∆t=1°C, limitní hodnota 15000m /rok
Tepelné čerpadlo pracují po celou část roku s teplotním rozdílem ∆t=1°C je neefektivní. Vzhledem k faktu, že pracuje s velmi malým teplotním spádem, je množství tepla z řeky dosti malé a při investiční náročnosti tepelného čerpadla v tomto případě i neekonomické. Kromě letních měsíců, kdy je potřeba tepla na vytápění téměř nulová je nutné po zbylou část roku využívat stávajících elektrokotlů. Toto variantu bych investorovi nedoporučovala. 15
3
Graf 4: Tepelné čerpadlo pracující s teplotním rozdílem ∆t=3°C, limitní hodnota 1200m /měs.
3
Graf 5: Tepelné čerpadlo pracující s teplotním rozdílem ∆t=3°C, limitní hodnota 15000m /rok.
3
Graf 6: Tepelné čerpadlo pracující s teplotním rozdílem ∆t=3°C, limitní hodnota 15000m /rok. 16
Měrná potřeba tepla na vytápění
měsíc leden
[GJ]
[kWh]
61,018
16949,42
Teplo získané z Vltavy
pokrytí potřeby tepla na vytápění
∆t [°C]
max. mn. vody čerpané z Vltavy [m 3/měs.]
[GJ]
[kWh]
[%] v měsíci
3
1200
15,05
4179,99
24,7
únor
45,327
12590,81
3
1200
15,05
4179,99
33,2
březen
30,753
8542,49
3
1200
15,05
4179,99
48,9
duben
12,034
3342,77
3
1200
15,05
4179,99
100,0
květen
2,439
677,50
3
1200
15,05
4179,99
100
červen
1,247
346,39
3
1200
15,05
4179,99
100
červenec
0,746
207,22
3
1200
15,05
4179,99
100
srpen
0,904
251,11
3
1200
15,05
4179,99
100
září
2,122
589,44
3
1200
15,05
4179,99
100
říjen
14,835
4120,83
3
1200
15,05
4179,99
100
listopad
37,873
10520,26
3
1200
15,05
4179,99
39,7
prosinec
55,595
15443,03
3
1200
15,05
4179,99
27,1
264,89
73581,28
14400
180,58
50159,93
Σ
Voda čerpaná z Vltavy pokryje 19,8 % potřeby tepla na vytápění Roční úspora tepla 52,4 GJ (14550 kWh - při ceně 2,14 Kč/1kWh úspora 31137 Kč/rok) 3 Tab.7: Tepelné čerpadlo pracující s teplotním rozdílem ∆t=3°C, limitní hodnota 1200m /měs – graf č.4
Měrná potřeba tepla na vytápění
měsíc leden
[GJ]
[kWh]
61,018
16949,42
Teplo získané z Vltavy
pokrytí potřeby tepla na vytápění
∆t [°C]
max. mn. vody čerpané z Vltavy [m 3/měs.]
[GJ]
[kWh]
[%] v měsíci
3
1500
18,81
5224,99
30,8
únor
45,327
12590,81
3
1500
18,81
5224,99
41,5
březen
30,753
8542,49
3
1450
18,18
5050,83
59,1
duben
12,034
3342,77
3
1000
12,54
3483,33
100
květen
2,439
677,50
3
200
2,51
696,67
100
červen
1,247
346,39
3
150
1,88
522,50
100
červenec
0,746
207,22
3
100
1,25
348,33
100
srpen
0,904
251,11
3
100
1,25
348,33
100
září
2,122
589,44
3
200
2,51
696,67
100
říjen
14,835
4120,83
3
1200
15,05
4179,99
100
listopad
37,873
10520,26
3
3100
38,87
10798,32
100,00
prosinec
55,595
15443,03
3
4500
56,43
15674,98
100,00
264,89
73581,28
15000
188,10
52249,93
Σ
Voda čerpaná z Vltavy pokryje 43,7 % potřeby tepla na vytápění Úspora tepla 115,8 GJ (32155 kWh - při ceně 2,14 Kč/1kWh úspora 68812 Kč/rok) 3 Tab.8: Tepelné čerpadlo pracující s teplotním rozdílem ∆t=3°C, limitní hodnota 15000m /rok – graf č.5
17
měsíc
Měrná potřeba tepla na vytápění
Teplo získané z Vltavy
pokrytí potřeby tepla na vytápění
∆t [°C]
max. mn. vody čerpané z Vltavy [m 3/měs.]
[GJ]
[kWh]
[%] v měsíci
[GJ]
[kWh]
leden
61,018
16949,42
3
0
0,00
0,00
0
únor
45,327
12590,81
3
0
0,00
0,00
0
březen
30,753
8542,49
3
0
0,00
0,00
0
duben
12,034
3342,77
3
1800
22,57
6269,99
100
květen
2,439
677,50
3
800
10,03
2786,66
100
červen
1,247
346,39
3
800
10,03
2786,66
100
červenec
0,746
207,22
3
800
10,03
2786,66
100
srpen
0,904
251,11
3
800
10,03
2786,66
100
září
2,122
589,44
3
800
10,03
2786,66
100
říjen
14,835
4120,83
3
1300
16,30
4528,33
100
listopad
37,873
10520,26
3
3100
38,87
10798,32
100
prosinec
55,595
15443,03
3
4500
56,43
15674,98
100
Σ 264,89 73581,28 14700 184,34 51204,93 Voda čerpaná z Vltavy pokryje 43,7 % potřeby tepla na vytápění (69,3% z celkové roční potřeby) Úspora tepla 115,8GJ (32 155kWh) - t.č. pracující 282 dní v roce 3
Tab.9: Tepelné čerpadlo pracující s teplotním rozdílem ∆t=3°C, limitní hodnota 15000m /rok - graf č.6
V tomto případě (čerpadla pracují s vyšším teplotním spádem) je množství tepla získané z Vltavy znatelně vyšší. Toto řešení představuje nejspolehlivější dodávku tepla. Nejvýhodnější varianta je znázorněna na grafu č. 6, kdy po dobu 282 dní mi tepelné čerpadlo plně pokryje potřebu tepla na vytápění, ve zbylých 83 dnech budou v provozu elektrokotle. Zbylé přebytky z měsíců leden – březen, kdy bude tepelné čerpadlo odstaveno budou využity v letních měsících na přípravu teplé vody. Na grafu č. 5 je znázorněna varianta, kdy po dobu 282 dní mi tepelné čerpadlo pokryje plně potřebu tepla na vytápění s tím, že pokud by nastala situace, že by během měsíců leden – březen neklesla teplota vody ve Vltavě pod 3°C, je možné využití čerpadla i v těchto měsících. Zde se nabízí kombinace tepelného čerpadla a solárně termických kolektorů na přípravu teplé vody hlavně v letních měsících. Na grafu č. 4 je znázorněna varianta s konstantním odběrem vody v průběhu roku. Tato varianta je opět neekonomická z důvodu nutnosti záložního zdroje pro celé období vytápění. Voda z Vltavy mi pokrývá necelých 20% z celkové potřeby tepla na vytápění. Při ceně tepelného čerpadla se tato varianta opět nedoporučuje.
18
7.2.2.
TEPELNÉ ČERPADLO – VÝMĚNÍK MIMO LOĎ
Tepelná čerpadla tohoto systému vyžadují umístění tepelného výměníku do Vltavy. Toto schvaluje Povodí Vltavy a určuje podmínky a omezení pro jeho instalaci: výměník nesmí být instalován tak, aby bránil v plavební cestě pro ostatní plavidla (Vltava je v místě, kde kotví port 62, velmi úzká), což znamená jedinou možnost a to instalaci přímo pod loď. Vzhledem k tomu, že po povodních v roce 2001 se značně změnil říční profil řeky, není možná instalace na dno řeky (písčité dno – velmi složité kotvení – Povodí Vltavy neschvaluje). Místo, kde loď kotví spadá pod ochranné pásmo Podolí (voda z Vltavy je považována za zdroj pitné vody) a proto je nařízení, aby médium kolující ve výměníku bylo netoxického složení, v úvahu připadá solanka (použití -5°C až + 20°C). Vzhledem k výše uvedenému je jedinou možností instalace výměníku na spodní část lodi (výměník umístěný zespod na trup lodi). V tomto případě je další omezující hodnotou plocha spodní části lodi, kde by měl být výměník. Schéma provedení výměníku: (na jedné straně trupu rozdělovač, na protější straně sběrač, mezi potrubí kopírující profil trupu)
Obr. 5: Schéma výměníku
Pro plné pokrytí tepelné ztráty je nutné 1200 m potrubí (cca po 0,5 m), což by znamenalo velmi velké přebytky hlavně v letním období, které by neměly další využití. Částí je možné pokrýt potřebu tepla na přípravu teplé vody, ale i tak zůstává značné množství tepla, které nemá využití. Proto jako nejvýhodnější varianta při tomto systému tepelného čerpadla se jeví instalace potrubí po cca 1 m, což znamená potrubí o délce 600 m pro pokrytí tepelné ztráty z 54%. Jako nejvýhodnější je opět tepelné čerpadlo: výměník pracující s teplotním spádem ∆t=3°C, což op ět znamená využití jen po 282 dní v roce, ve zbylých 83 dnech nutno využití instalovaných elektrokotlů.
19
70 60 Q [GJ]
50 40 30 20 10 0
měrná potřeba tepla na vytápění množství tepla získané instalací výměníku na dno lodi Graf 7: Tepelné čerpadlo pracující s teplotním rozdílem ∆t=3°C, limitní hodnota potrubí délky 600 m Měrná potřeba tepla na vytápění
měsíc
∆t [°C]
Teplo získané z Vltavy
pokrytí potřeby tepla na vytápění
[GJ]
[kWh]
[GJ]
[kWh]
[%] v měsíci
leden
61,018
16949,42
3
32,95
9152,77
54
únor
45,327
12590,81
3
32,95
9152,77
72,7
březen
30,753
8542,49
3
32,95
9152,77
100
duben
12,034
3342,77
3
32,95
9152,77
100
květen
2,439
677,50
3
32,95
9152,77
100
červen
1,247
346,39
3
32,95
9152,77
100
červenec
0,746
207,22
3
32,95
9152,77
100
srpen
0,904
251,11
3
32,95
9152,77
100
září
2,122
589,44
3
32,95
9152,77
100
říjen
14,835
4120,83
3
32,95
9152,77
100
listopad
37,873
10520,26
3
32,95
9152,77
87,00
prosinec
55,595
15443,03
3
32,95
9152,77
59
264,89
73581,28
395,40
109833,18
Σ
Voda čerpaná z Vltavy pokryje 33,3 % potřeby tepla na vytápění Úspora tepla 88,2 GJ (24498 kWh - při ceně 2,14 Kč/1kWh úspora 52426 k4/rok)
Tab.10: Tepelné čerpadlo pracující s teplotním rozdílem ∆t=3°C, limitní hodnota potrubí délky 600 m, pokrytí teplené ztráty z 54 %
8.
ZÁVĚR
V této studii byly posuzovány způsoby využití tepelného čerpadla v provedení voda – voda. Studie byla zpracovávána ve variantách jak pro průtočný systém, tak pro systém, kdy je výměník umístěný mimo lod. Z výše uváděných grafů a tabulek je zřejmé, že konstantní odběr vody z Vltavy je z hlediska využití tepelného čerpadla v celkovém hodnocení neekonomický. Podobně bych hodnotila i instalaci výměníku pod loď. ako nejvýhodnější varianta je znázorněna v grafu č. 6, popis viz. výše. Nejen, že dochází k maximálnímu využití tepla z řeky, ale zároveň nedochází k tak velkým přebytkům v letních měsících. Pokud investor nebude uvažovat s instalací solárně termických kolektorů, je možné teplo z Vltavy využívat v létě na přípravu teplé vody. 20
