Solární termické systémy a zdroje tepla na biomasu a jejich efektivní integrace do soustav vytápění budov

Organizovala jej společnost Středisko pro efektivní využívání energie, o.p.s., ve spolupráci s Ústavem techniky prostředí zřízeném při Strojní fakultě ČVUT v Praze. Smyslem semináře bylo upozornit na některá, často podceňovaná specifika těchto zařízení využívajících obnovitelné zdroje, a představit zásady „dobré praxe“, které by pak bylo vhodné a žádoucí aplikovat u dalších instalací v budoucnu.

Úvodního slova se ujal Tomáš Voříšek ze společnosti SEVEn. V krátkosti představil důvody pro uspořádání tohoto semináře. SEVEn se za ČR účastní evropského projektu ACCESS, jehož cílem je podpořit v nových členských zemích EU rozšiřování využívání solární energie a energie z biomasy v decentralizovaných soustavách vytápění (zvláště) v sektoru bydlení. A organizovaný seminář má patřit k hlavním informačně-vzdělávacím aktivitám tohoto projektu u nás.

Sérii odborných přednášek odstartoval Tomáš Matuška z ČVUT, a to hned na klíčové téma semináře: principy a pravidla integrace solárních systémů a kotlů na biomasu do soustav vytápění budov. Za klíčové ve své prezentaci označil pečlivé dimenzování výkonu (spolu)pracujících zdrojů tepla s ohledem na reálné potřeby. V případě solárního systému je výkon fakticky určen velikostí kolektorové plochy, která bývá navrhována častokrát s cílem dosáhnout vysoké míry solárního pokrytí, ačkoliv to zhoršuje ekonomické parametry systému v důsledku jeho delší stagnace v letním období (díky nízké potřebě odběru tepla).

U spalovacích zdrojů na biomasu je pak při nesprávném návrhu výsledkem chod zařízení po velkou část topné sezóny na významně nižších výkonových parametrech, než je z pohledu účinnosti a emisí optimální. A tato situace je dnes v důsledku zlepšování tepelně-technických vlastností staveb stále častější, jak ve své následné prezentaci upozornil Karel Trnobranský, jenž se řadu let energetickému využívání biomasy u nás věnuje (lektorsky na ČVUT a nyní jako externí spolupracovník REA Kladno).

Jako celkově prospěšným řešením proto doporučuje nasazení (vodních) akumulátorů tepla. Tuto skutečnost potvrdil ve své prezentaci i další vystupující, Bořivoj Šourek z ČVUT, a demonstroval ji na několika typových případech. Při správném dimenzování akumulátor zabezpečuje výkonovou optimalizaci výroby a užití tepla v objektu a může navíc sloužit ke krytí odběrových špiček. Jmenovitý výkon (hlavního) tepelného zdroje pak může být dimenzován jen na 2/3 (výpočtové) tepelné ztráty objektu, což přesto dle empirických zkušeností postačuje ke krytí více než 90 % spotřeby tepla na vytápění během topné sezóny.

Dále upozornil na specifika různých druhů (tuhých) paliv z biomasy. Jednoznačně upřednostňuje využití dřevní hmoty, jelikož obsahuje pouze stopová množství popela, síry, dusíku a chloru, která pak při spalování vedou k produkci škodlivých emisí, jež mají negativní vliv na životní prostředí i životnost spalovacího zdroje.

Zvláště chlór bývá v palivech z jiných (rostlinných) materiálů přítomen v mnohem větším množství (viz tabulka níže), což při jejich využití může vést k rychlejší korozi teplosměnných ploch kotle a navíc ke vzniku nebezpečných dioxinů, jejichž přítomnost ve spalinách je přímo úměrná právě obsahu chlóru ve spalovaném materiálu.

Tab. 1:  Typické hodnoty různých druhů biomasy využitelných jako palivo

Co do formy pak při volbě druhu biopaliva pro malé zdroje vytápění doporučuje standardizovaná paliva ­- brikety a pelety. Jejich energetický obsah na jednotku (objemové) hmotnosti je několikanásobně vyšší, takže šetří prostor, mají nižší nároky na dopravu a jsou ke spalovacímu zdroji šetrnější (díky nižšímu obsahu vody).

Tab. 2:  Množství využitelné energie pro různá paliva z dřevní biomasy dle výhřevnosti a měrné hmotnosti (při neměnné objemové velikosti)

Poznámka: Parametry palivového dříví shodně vyjádřeny k podílu vody 15 % a objemové velikosti v plnometrech (plm).

Spalovacím zdrojům na biomasu (jejich druhovému členění a výhodách a nevýhodách nasazení) byla věnována poslední část příspěvku pana Trnobranského. Z kotlů, tj. zdrojů tepla pro ústřední vytápění, doporučuje pouze tzv. zplynovací kotle na kusové dřevo a kotle na pelety – mají široký výkonový rozsah při vysoké účinnosti.

Naopak upozorňuje na (skrytá) nebezpečí současného trendu - lokální topidla v novostavbách rodinných domů (krby, krbová kamna, krbové vložky). Bývají častokrát předimenzovaná, což pak uživatelům způsobuje problémy s přetápěním místností, kde se nacházejí.

Doporučuje se tedy při navrhování řídit rychlou poučkou, že jeden kilowatt tepelného výkonu lokálního topidla instalovaného do moderní novostavby postačuje pro vytopení min. 40 m³ prostoru (při předpokladu tepelné ztráty 25 W/m³).

Smysluplnost nasazení akumulátorů tepla jako „energetické centrály“ objektu potvrdil svým příspěvkem i pan Petr Kramoliš, specialista na projekci zvláště velkoplošných solárních systémů. Vedle řady cenných zásad pro výběr vhodného typu a dimenzování zásobníku uvedl ve své prezentaci jedno zajímavé srovnání, a to množství energie, které je možné „naakumulovat“ třemi různými způsoby: ve formě citelného tepla do vodního akumulátoru, latentního tepla do zásobníku obsahujícího sloučeninu schopnou za nízkých teplot fázové změny (PCM) anebo ve formě chemických vazeb, které představují paliva z biomasy.

Jak na konkrétním příkladu prokázal, zatímco do 1 m³ objemu vodního zásobníku lze „uložit“ při ∆ t 60 resp. 70 °C 70-80 kWh energie, do zásobníku s PCM o stejném objemu o 50 i více % více energie a do zásobníku vyplněného peletami více než 40krát více dále využitelné energie.

Tato skutečnost je obzvlášť důležitá pro snahy o tzv. sezónní akumulaci solární energie – jednoznačně tak prokazuje, že chemické vazby biomasy jsou mnohanásobně efektivnější.

Obr. 1: Porovnání akumulačních objemů při různých látkách (m³)

O hlavním článku solárních soustav – sluneční kolektorech přednesl příspěvek Jiří Kalina ze společnosti Regulus. Ve své prezentaci se zaměřil zejména na specifika jednotlivých druhů kolektorů a faktory, které mají vliv na výši solárních zisků.

Kromě umístění kolektoru, jak geograficky, tak i v prostoru, solární zisk významně determinuje typ kolektoru a kvalita jeho součástí, zvláště absorpčního povrchu. A tak nejúčinnější jsou kolektory mající absorbér uložený do vakuových trubic, potažený uvnitř vysoce spektrálně selektivním povrchem (např. SUNSELECT). Kolektor má díky tomuto provedení přijímací plochu stejnou po celý den, čímž je zajištěn vyšší denní zisk energie i vyrovnanější zisky v průběhu roku.

Obr. 2: Srovnání velikosti absorpční plochy plochého a trubicového kolektoru v průběhu dne

Předpokladem správné funkce kolektoru je nicméně řádné zapojení do systému. Způsob hydraulického zapojení kolektoru je určujícím faktorem pro tlakovou ztrátu a tím i pro nároky na oběhové čerpadlo. Nejvýhodnějším pro maloplošné soustavy je klasické paralelní zapojení kolektorů, které se v obecné mluvě odborníků nazývá „lyra“ nebo „harfa“.

Závěrem byly na křivkách účinnosti různých typů kolektorů vysvětleny mezní stavy definující víceméně kvalitativní charakteristiky kolektoru. Jsou jimi tzv. optická účinnost, tj. jaké kolektor dosáhne účinnosti při nulových ztrátách tepla, stagnační teplota kolektoru, což je nejvyšší teplota, na kterou se kolektor může ohřát, když z něho není odebíráno teplo. Čím jsou oba parametry vyšší, tím je kolektor kvalitnější.

Že nejen návrh, ale i způsob provozu může do značné míry pozitivně i negativně ovlivnit výši solárních zisků pak popisem a doprovodnými fotografiemi desítek dobrých i špatných příkladů instalací solárních systémů dokumentoval Jaroslav Peterka, dlouholetý propagátor a projektant solární energetiky a redaktor časopisu Alternativní energie.

Seminář uzavřelo vystoupení Miroslava Svobody ze společnosti Viessmann, jenž se v krátkém čase pokusil doplnit prezentovanou problematiku o některá pozapomenutá témata (časté omyly a chyby v návrhu a provozu solárních soustav). Že životnost solárního systému je skutečně vysoká, demonstroval na zařízení instalovaném touto společností před více než třiceti lety, které je dnes stále funkční.

Posluchači tak měli jedinečnou možnost získat komplexní přehled dané problematiky v celém svém rozsahu od teorie k praxi. A téměř pět desítek účastníků akce jsou důkazem, že nejen mezi odborníky začíná být o toto téma stále větší zájem.

Autor: Jaroslav Peterka

Zdroj: Alternativní energie - www.alen.cz