Solární dálkové vytápění

Příspěvek popisuje typy solárního dálkového vytápění, které mohou přispět ke zvýšení podílu obnovitelných zdrojů energií v oblasti vytápění a přípravy teplé vody i v rozsáhlejších soustavách CZT. Soustředí se na využití ve vztahu k historickým budovám, kde jsou jiné možnosti zvyšování podílu OZE obvykle velmi omezené. Pomocí simulačního programu je porovnáno několik variant systémů. Zjištěné výsledky jsou analyzovány. Na závěr jsou zhodnoceny možnosti dalšího zvýšení účinnosti uvedených systémů.

Recenzent: Richard Valoušek

Obdobně, jako v tradičních systémech centrálního zásobování teplem (CZT), je u solárního dálkového vytápění (SDV) dálkový rozvod tepla veden od zdroje až k jednotlivým odběratelům. Odlišnosti jsou zejména ve zdroji tepla, kterým je v případě SDV ve vysoké míře sluneční energie. Pro hospodárné využití musí SDV pracovat s nižším teplotním spádem a z toho vyplývají i odlišnosti v sy­stému rozvodů a koncových míst odběru. Podle míry využití solární energie lze systémy rozdělit na několik typů:

Solární dálkové vytápění bez akumulace tepla

Solární energie tvoří doplňkový zdroj tepla. V případě dostatku slunečního záření je energie ze solárních kolektorů dodávána přímo do systému dálkového vytápění. Plochy kolektorů jsou navrženy tak, aby nevznikaly přebytky tepla. Tyto systémy SDV pracují se solárním pokrytím do 10 %. Jedná se většinou o tradiční systémy CZT rozšířené o využití solární energie.

Solární dálkové vytápění s krátkodobou akumulací tepla

SDV je rozšířeno o zásobníky tepla, do kterých se akumulují přebytky solární energie. Plochy kolektorů i velikosti zásobníků jsou navrženy tak, aby se akumulovaná energie spotřebovala během několika týdnů. Solární pokrytí dosahuje nejčastěji 20 až 25 %. Desítky těchto systémů s výkony kolektorů nad 1 MW jsou v provozu ve Švédsku, Dánsku, Holandsku a Německu.

Solární dálkové vytápění s dlouhodobou akumulací tepla

Navržená plocha kolektorů zajišťuje v letním období, kromě krytí spotřeb, také nabíjení zásobníků tepla (teplovodní zásobníky nebo zemní zásobníky). Tepelná energie ze zásobníků je poté v zimním období systémem odebírána a dodávána do míst odběru ke konečné spotřebě. Solární pokrytí se pohybuje v rozmezí 35 až 50 %.

Technické řešení SDV s dlouhodobou akumulací

V posledních letech se ustálilo použití dvou základních typů systémů solárního dálkového vytápění. Systémy lze rozdělit podle toho, jestli je, či není, k vybíjení zásobníků použito tepelného čerpadla.

SDV bez tepelného čerpadla

Solární kolektory jsou připojeny na akumulační zásobník, který celoročně nabíjí. Rozvod dálkového tepla je připojen jak na zásobník, tak na doplňkový zdroj tepla.

Systém dálkového rozvodu musí pracovat s co nejnižšími teplotami. Vzhledem k požadavku na přípravu teplé vody (dále TV) v koncových předávacích stanicích ale není reálné, aby byl teplotní spád výrazně nižší než 60/35 °C. Starší systémy pracovaly se spádem až 70/50 °C (Friedrichshafen 1997).

Pokud je teplota v zásobníku dostatečná, obvykle nad cca 65 °C, je energie odebírána pouze ze zásobníku. Při teplotách v zásobníku od cca 65 °C do 40 °C, je teplo ze zásobníku využito k předehřevu a dohřev zajišťuje doplňkový zdroj. Při dalším poklesu teploty v zásobníku je využit jen doplňkový zdroj.

Poměrně vysoké pracovní teploty zásobníku omezují jeho využitelnou tepelnou kapacitu. Tento nepříznivý stav je možné zlepšit několika způsoby. Při použití nízkoteplotního podlahového vytápění by postačoval spád v okruhu SDV pod 40/35 °C. Příprava teplé vody by poté mohla být rozdělena na předehřevu od SDV a dohřev v místech odběru.

Další možností je použití TČ (viz dále).

SDV s tepelným čerpadlem (TČ)

Využitím TČ je možné zásobník v zimním období vychladit až k 10 °C a významně tak zvýšit jeho využitelnou kapacitu. Pozitivním důsledkem je také vyšší účinnost solárních kolektorů v zimních a jarních měsících, a to v důsledku nižší střední teploty kolektoru.

Naprostá většina SDV s TČ je řešena tak, že tepelné čerpadlo je centrálně umístěno spolu s doplňkovým zdrojem u zásobníku a zajištuje celoročně konstantní vstupní teplotu do rozvodu dálkového vytápění cca 60 °C [1].

TČ však může být i v místě odběru tepla [3]. Teplotní spád dálkového rozvodu tepla pak v průběhu roku není konstantní. Při poklesu teploty v zásobníku klesá i teplota vody dodávané do dálkového rozvodu tepla (např. až na spád 15/8 °C). Výhodou tohoto řešení jsou nižší tepelné ztráty rozvodů.

Výpočtový model

Vybrané varianty SDV byly posouzeny v simulačním programu Trnsys [4]. Byly sledovány energetické toky, účinnosti jednotlivých částí systému a určena výsledná solární pokrytí. V programu byly modelovány objekty představující potřebu tepla, kolektorová pole spolu se zásobníky i vlastní rozvody SDV. Ve všech případech bylo uvažováno se stejnými základními prvky systému (velikosti kolektorového pole a zásobníku, délky rozvodů) i potřebami tepla. Výpočet byl proveden pro jeden rok ve výpočtovém kroku 10 minut za použití klimatických dat pro Prahu.

Modelované objekty měly představovat svoji tepelně-izolační obálkou památkově chráněné bytové domy z počátku 20. století. Bylo uvažováno s cihelným nezatepleným obvodovým zdivem o tloušťce 600 mm, částečně zatepleným půdním prostorem a repasovanými okny s dvojsklem. Celková roční potřeba tepla na vytápění dosahuje 697,2 MWh. Celková potřeba tepla na přípravu TV je dána 250 osobami s denní spotřebou 50 l/os. (DT = 40 K) a dosahuje roční hodnoty 211,7 MWh. Roční průběh potřeby tepla je patrný z obr. 1

Popis systému SDV

Ve všech případech se uvažovalo se stejným teplovodním nadzemním zásobníkem o využitelném objemu 3300 m³. Pro plášť i víko zásobníku byl modelován proměnný součinitel prostupu tepla U v závislosti na teplotním rozdílu mezi teplotou v zásobníku a teplotou v exteriéru. Tento předpoklad by měl zohlednit vzrůstající tepelnou vodivost izolace z minerálních vláken při rostoucí teplotě a i negativní vlivy, jako je proudění vzduchu souvrstvím pláště zásobníku. Při nulovém teplotním rozdílu bylo počítáno s U = 0,08 W/m²K, při rozdílu 50 K s U = 0,12 W/m²K (lineární závislost). U pro dno zásobníku bylo vždy konstantní 0,2 W/m²K.

K odběru tepla mohlo docházet ve dvou výškových úrovních (hladina, střed zásobníku). Zásobník byl opatřen stratifikační vestavbou pro připojení okruhu kolektorů.

Kolektorové pole bylo uvažováno s absorbční plochou 1500 m² (h₀ = 0,80, a₁ = 3,75 W/m²K, a₂ = 0,014 W/m²K²), sklon 45°, orientace jižní. Průtok teplonosné kapaliny kolektorovým polem byl konstantní s hodnotou 16,67 l/s·m². Délky, přívodního i vratného potrubí, byly 200 m (d = 100 mm, U_pláště = 0.4 (W/m²K).

Při výpočtech bylo uvažováno s použitím absorpčního TČ s konstantním topným faktorem 1,6.

Rozvod dálkového vytápění pracoval s teplotním spádem 59/31 °C. Délky přívodního i vratného potrubí byly 1400 m (d = 100 mm, U_pláště = 0.4 W/m²K), potrubí vedeno v zemi (teplota zeminy v zimě 8 °C, v létě 12 °C).

U výměníků bylo počítáno se středním teplotním rozdílem 5 K.

Koncové předávací stanice nebyly podrobně modelovány. Bylo počítáno pouze s jedním odběrem tepla v nejvzdálenějším místě rozvodu.

Hodnocené varianty

Hodnocení bylo provedeno na čtyřech variantách systému SDV s dvoutrubkovým rozvodem:

• a) SDV bez TČ, teplotní spád 59/31 °C;
• b) SDV s absorpčními TČ v místě odběru, proměnný teplotní spád;
• c) SDV s centrálním absorpčním TČ, teplotní spád 59/31 °C (schéma viz obr. 2);
• d) SDV s centrálním absorpčním TČ, teplotní spád 55/31 °C (schéma viz obr. 2).

Ve variantě b) bylo v místě odběru uvažováno s osazením plynových absorpčních TČ s topným faktorem 1.6. Tato TČ jsou schopna připravit teplou vodu s teplotou až 70 °C, proto zde s dohřevem nebylo uvažováno. TČ je schopno odebírat teplo z kapaliny v širokém rozmezí teplot cca od 10 °C do 60 °C.

Při variantách c) a d), (viz obr. 2), mohl systém v hodnoceném modelu pracovat v těchto režimech:

• přímý odběr energie ze zásobníku, do poklesu teploty v zásobníku na 64 °C,
• přímý odběr energie ze zásobníku s dohřevem v doplňkovém zdroji, teplota v zásobníku 64 °C až 56 °C,
• přímý odběr energie s dohřevem v TČ, teplota v zásobníku 56 °C až cca 37 °C,
• odběr tepla ze zásobníku pomocí TČ, teplota v zásobníku 37 °C až cca 10 °C,
• odběr tepla pouze z doplňkového zdroje, teplota v zásobníku pod cca 10 °C.

Výstupní teplota z centrálního absorpčního TČ byla vždy 55 °C. Ve variantě c) tak muselo vždy při chodu TČ docházet k dohřevu doplňkovým zdrojem na vstupní teplotu 59 °C požadovanou pro vstup do rozvodu dálkového vytápění.

Vyhodnocení

Podle očekávání bylo nejnižšího solárního pokrytí (40,6 %) dosaženo u varianty a) bez TČ. Z průběhu teplot v zásobníku (viz obr. 3) je patrné, že nejnižší teplota v zásobníku v zimním období je relativně vysoká a dosahuje cca 32 °C. Důsledkem jsou oproti ostatním variantám nižší tepelné zisky kolektorů a vyšší tepelné ztráty zásobníku v zimním období.

Podrobné výsledky jsou uvedeny v tab. 1.

Varianta b) s TČ v místě odběru vykazovala solární pokrytí 55,1 %. Důvodem byly nejmenší tepelné ztráty rozvodů a chybějící potřeba dohřevu. Podrobné výsledky jsou uvedeny v tab. 2.

Varianta c) s centrálním TČ dosáhla pokrytí 50,2 %. Průběh teplot v zásobníku a podrobné výsledky jsou na obr. 4 a tab. 3. Vzhledem k použitému TČ, s výstupní teplotou max. 55 °C, je podstatná část energie využita na dohřev (na požadovaných 59 °C).

Varianta d) se sníženým teplotním spádem 55/31 °C dosáhla s centrálním TČ nejvyššího solárního pokrytí 56,5 %. Vzhledem k nižšímu teplotnímu spádu by však teplota TV v místě odběru byla pouze okolo 45 °C, tedy pod hygienickým limitem, a pravděpodobně by musela být doplňkovým ohřevem zvýšena. Podrobné výsledky jsou uvedeny v tab. 4.

Zvýšení účinnosti

Ke zvýšení účinnosti systémů by mohlo dojít omezením tepelných ztrát rozvodů i zásobníku. Tyto ztráty zde výpočtově dosahují 16 % až 26 % z celkových solárních zisků a u reálných systémů často i hodnot vyšších. Tato opatření by byla poměrně nákladná.

Ke zlepšení účinnosti bez velkých nákladů by mohla vézt optimalizace nabíjení a vybíjení teplovodních zásobníků a řízení teplotní stratifikace v zásobníku prodlužující dobu přímého využití sluneční energie. Simulace ukázala, že posuzované připojení zásobníků ne­umožňuje dosáhnout v jarním období optimální stratifikace (ohřev pouze horní části zásobníku). Ta je narušována chodem TČ i nemožností řízení výšky odběru vody vstupující do výměníku solárního okruhu. Pozitivní přínos pro stratifikaci by také mělo řízení průtoku kolektorovým polem.

Závěr

Analýza prokázala, že celkovou účinnost SDV s dlouhodobou akumulací významně ovlivňuje jeho koncepce. Tyto systémy mohou v podmínkách ČR pracovat s obdobnou účinností, jako v Německu. SDV je účelné využít například pro historická jádra měst, respektive historické budovy, u kterých je zvýšení tepelně izolačních parametrů obálky prakticky nemožné. Přitom je u nich z pohledu energetické náročnosti nutné snížit spotřebu primárních energií.

Poděkování

Prezentované výsledky vznikly za podpory Evropské unie, projektu OP VaVpl č. CZ.1.05/2.1.00/03.0091 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov.

Literatura

1. KUCKELHOLM, J. M.: Systemsimulationen saisonelen Wärmespeicher in München, 2007, [Online]. Dostupné na WWW: <http:// www.zae-bayern.de>.
2. STIMMING, U.; SPLIETHOFF, H.: Begleitforschung Solare Nahwärme am Ackermannbogen in München – SNAB, Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung, 2010.
3. BAUER, D.; MARX, R.; DRÜCK, H.: Solare Nahwärme im Bestand – Technologie und Perspektiven, 22. Symposium Thermische Solarenergie, Bad Staffelstein, 9. – 10. 5. 2012, [Online]. Dostupné na WWW: <http:// www.itw.uni-stuttgart.de>.
4. Software Trnsys v. 16.01. Solar Energy Laboratory, University of Wisconsin, 2007.

Poznámka recenzenta

Článek řeší na teoretické bázi využití solární energie s dálkovým rozvodem tepla. Pro aplikaci v praxi bohužel autoři neuvádí alespoň rámcovou kalkulaci investičních nákladů (akumulátor, potrubní rozvody, absorpční TČ apod.) Maximální možnou výši investičních nákladů pro přijatelnou návratnost lze jen odhadnout z energetických bilancí, tedy z množství ušetřené energie po jejím ocenění tržní cenou v dané lokalitě. Obávám se, že v blízké budoucnosti nenajdou tyto systémy širší uplatnění, neboť jejich návratnost se ve srovnání s jinými způsoby úspor energií jeví jako příliš dlouhá. Mohou však být řešením tam, kde nutnost zvýšit podíl OZE bude mít významnější úlohu než prostý ekonomický stimul, kde splnění podílu OZE bude podpořeno jinými než běžnými tržními stimuly, případně kde bude ze strany státu nařízeno.

---

Solar district heating

The article deals with types of solar district heating systems. These systems are suitable for increasing the use of renewable energy sources. The system can also be used for buildings where the installation of renewable resources is not possible.

Keywords: solar district heating, renew­able sources, district heating system