Chladenie z obnoviteľných zdrojov zamerané na budovy s nulovými emisiami uhlíka
Chladenie z obnoviteľných zdrojov
zamerané na budovy s nulovými emisiami uhlíka
Základné informácie o RHC (Renewable Heating and Cooling podľa materiálov EK)
Čo je vykurovanie a chladenie z obnoviteľných zdrojov? Vykurovanie a chladenie z obnoviteľných zdrojov (RHC) je výroba energie z obnoviteľných technológií a zdrojov, ktoré slúžia aplikáciám na ukončenie používania, ako sú:
- Ohrev vody pre bazény alebo iné použitie
- Vykurovanie priestoru
- Priestorové chladenie
- Procesné teplo
Obnoviteľné chladenie – zelené chladenie – procesné chladenie
Obnoviteľné chladenie je poskytovanie chladenia budov pomocou prírodných obnoviteľných zdrojov namiesto spotreby fosílnych palív. Štandardným riešením na zabezpečenie chladenia budov je použitie chladičov a klimatizácie, ktorá využíva veľmi veľké množstvo elektrickej energie: je to drahé a ak elektrina pochádza z elektrárne poháňanej plynom, ropou alebo uhlím, spôsobí uvoľnenie veľkého množstva CO2 do atmosféry.
Základom chladičov je použitie tepelných čerpadiel na prečerpanie "odpadného" teplo z budovy do vonkajšej atmosféry a to vtedy, keď vonkajšia teplota je už vysoká. Tepelné čerpadlo preto spotrebuje veľa elektrickej energie. Tento proces so zvyšujúcou sa vonkajšou teplotou menej efektívny a hospodárny.
Vykurovanie a chladenie zo zemného zdroja nadobúda širší význam
Chladenie zemným zdrojom
Existuje lepší spôsob, ako dosiahnuť chladenie v budovách pomocou medzisezónneho prenosu tepla. Po inštalácii TČ zem/voda v novej budove, sa obnoviteľné teplo z kolektoru v zime odvedie do budovy a v lete systém môže pracovať v opačnom smere a poskytovať obnoviteľné chladenie za zlomok nákladov na používanie klimatizácie so strojným chladením.
Efektívne využívanie chladenia obnoviteľnými zdrojmi energie si vyžaduje tri kroky:
- Zachytenie energie s nízkymi teplotami
- Skladovanie energie s nízkymi teplotami
- Uvoľnenie energie s nízkymi teplotami
Zachytenie chladenia z obnoviteľných zdrojov
Solárny kolektor môže byť navrhnutý tak, aby zachytával nielen teplo v horúcich letných dňoch, je rovnako odovdzával teplo, alebo prijímal "chlad", počas chladných zimných noci. Asfalt sa používa na odovzdanie tepla do nočného vzduchu – čo je obzvlášť účinné v zimných nociach.
Skladovanie chladenia z obnoviteľných zdrojov
Skladovanie chladu na dlhšiu dobu je problematické. Používajú sa rôzne tepelné zásobníky či už priamo zem v okolí vrtov, podzemná voda. Budujú sa tiež podzemné, ale tiež nadzemné vertikálne zásobníky, ktoré menia ráz krajiny. Tepelné sklady, zásobníky, sa tiež stavajú pod základmi nových budov. Sú navrhnuté tak, aby skladovali veľké množstvo tepla - chladu - po dobu niekoľkých mesiacov, medzi sezónami.
Uvoľnenie chladenia z obnoviteľných zdrojov
Neexistujú žiadne vážne technické problémy pri uvoľňovaní chladu zo studeného tepelného zásobníka do budovy, ak je budova už vybavená podlahovým cirkulačným potrubím, ktoré sa používa na distribúciu vykurovania v zime. Je potrebné riešiť otázky cirkulujúcej vody pod rosný bod pomocou kontrolných systémov.
Princíp medisezónneho výmenník tepla. Naľavo teplo prijíma, napravo odovzdáva
Bezplatné voľné chladenie
V praxi existujú dva spôsoby poskytovania chladenia pomocou medzisezónnej výmeny tepla. Prvým z nich je použitie "tepelného dampingu", ktorý využíva minimálne množstvo elektrickej energie na cirkuláciu studenej vody zo zásobníka chladu do budovy pomocou podlahového potrubia.
Ide o veľmi účinný mechanizmus na poskytovanie "kritického obdobia chladenia" pri veľmi nízkych nákladoch. Toto je tiež známe ako "voľné chladenie". Chladiaci súčiniteľ ("EER") voľného chladenia môže byť až 40; ekvivalent EER použitia chladičov na chladenie počas horúceho dňa môže byť nízky, len 1,5.
Rovnováha chladenie a vykurovanie pomocou zásobníkov tepla
Medzisezónny výmenník tepla môže pomôcť dosiahnuť rovnováhu tepla v budove: môže odoberať teplo z miestností, ktoré trpia slnečným ziskom a distribuovať ho do zatienených miestností, ktoré teplo potrebujú. To šetrí náklady na vykurovanie chladných miestností a náklady na chladenie horúcich miestností. PT
Komfortné chladenie nemusí byť drahé
Tam, kde sú požiadavky na chladenie väčšie, ako je možné splniť voľným chladením cez medzisezónny výmenník tepla, môžu sa použiť tepelné čerpadlá a to v opačnom smere na intenzívnejší prenos tepla z budovy do studeného zásobníka (vrtu). To je tiež lacnejšie v porovnaní s chladičom s odvodom tepla do horúceho vonkajšieho vzduchu.
Rovnováha chladenie a vykurovanie pomocou zásobníkov tepla
Vykurovanie a chladenie zemného zdroja
Vykurovanie a chladenie zemného zdroja je termín používaný na opis jediného integrovaného systému, ktorý vykonáva obe funkcie – vykurovanie a chladenie – s použitím rovnakého zariadenia prepojeného s energiou zemného zdroja.
Kritickou súčasťou úspešnej inštalácie je ovládanie systému
Umožňuje simultánne vykurovanie v jednej časti budovy (v miestnosti orientovanej na sever) a chladenie v inej časti budovy (IT serverové miestnosti). Tepelné čerpadlo je najefektívnejšou formou vykurovania a chladenia – v nákladoch aj v emisiách CO2.
Integrácia a harmónia
Medzisezónny zásobník tepla je systém vykurovania a chladenia zemných zdrojov, ktorý je navrhnutý tak, aby vyvážil požiadavky na vykurovanie a chladenie budovy v priebehu ročných období. Je to v rozpore s tradičným prístupom míňania peňazí a fosílnych palív bez rozdielu v oboch extrémoch roka, ako by to boli samostatné problémy, ktoré sa museli riešiť samostatnými rozpočtami a samostatnými mechanizmami vykurovania a chladenia.
Výhody vykurovania a chladenia z obnoviteľných zdrojov
Obnoviteľné vykurovanie a chladenie RHC sa považuje za "spiaceho obra" možností obnoviteľnej energie. Obnoviteľné tepelné technológie ponúkajú bezpečnú, čistú, efektívnu a nákladovo prijateľnú možnosť znižovania konvenčného využívania energie. Tieto technológie sú osvedčené, vyspelé a nízkorizikové a ponúkajú významné finančné, environmentálne a energetické výhody zainteresovaným stranám projektu. Vykurovanie a chladenie z obnoviteľných zdrojov ponúka tieto výhody:
Poskytuje predvídateľnú a často pevnú energiu počas životnosti projektu
- Ponúka zabezpečenie proti finančne nestálym konvenčným zdrojom energie, ako je ropa, plyn alebo elektrina
- Znižuje emisie a látky znečisťujúce ovzdušie bez obetovania pohodlia alebo výkonu
- Využíva udržateľné obnoviteľné zdroje namiesto obmedzených fosílnych palív
- Zvyšuje našu energetickú bezpečnosť rozvojom domácich zdrojov energie
Stimuluje miestne pracovné miesta a domáci hospodársky rast
Zásobníky ako zdroje tepla, chladu
Využíva sa prakticky všetko dostupné teplo a to nielen z okolia zo zeme z vody, zo vzduchu, ale tiež odpadné teplo z kanalizácií, z podzemných chodieb, z vetraného vzduchu z mlieka, serverovní a podobne.
Je snaha teplo aj akumulovať
A to najmä vtedy, kedy je dostupná lacná elektrina z vetra, slnka. Zásobníky horúcej vody sa vyrábajú tlakové (pozor ide o VTZ) i beztlakové obrovských rozmerov osadené pod, ale i nad zemou vztyčované do výšky 30 m i viac, čo už ovplyvňuje ráz krajiny. Teplota vody v zásobníkoch tepla je aj nad 100°C, tzn, že treba počítať aj s tepelnými stratami najmä pri nízkych vonkajších teplotách.
Zásobníky (silá) tepla firmy Bilfinger s teplotou skladovania aj nad 100°C (tlakové nádoby) ovplyvňujú ráz krajiny
Harmonogram funkcie tepelného čerpadla s nabíjaním a vybíjaním zásobníka tepla
Vodík zatiaľ nie je perspektívou pre vykurovanie budov
eChillventa IZW a Frauenhoufer IEEE
Vodík sa považuje za katalyzátor zelenej obnovy najmä dopravy a priemyslu. Výroba zeleného vodíka je energeticky náročná na obnoviteľnú energiu. Je preto množstvo úvah, kde zelený vodík (pozri Správy 6/2020) vyrábať napríklad na Sahare a ako ho distribuovať do Európy. Zhoda panuje v tom, že by sme sa mali vyhnúť výrobe modrého vodíka, ktorý by predražil prechod na výrobu len zeleného vodíka. Vyrobiť dostatok zeleného vodíka pre dopravu a priemysel je veľkou výzvou a podľa IZW e.W. čím vyššia bude požiadavka na výrobu vodíka, tým bude drahší.
Vodík je pre budovy zlý nosič energie
A to z hľadiska nielen infraštruktúry, ale tiež efektívnosti. Vzhľadom na nižšiu objemovú hmotnosť 0,0899 kg/m3 pri pridaní 20 % vodíka do zemného plynu sa ušetrí len 7-8 % emisií CO2 a pravdepodobne by už od tejto hranice bol potrebný retrofit plynových kotlov. To by znamenalo vysoké náklady, ktoré by ekonomicky uprednostnili tepelné čerpadlá aj v prípade, ak by sa dosiahlo znížene emisií so zeleným plynom o 80 %. Obnoviteľná energia potrebná na výrobu zeleného vodíka podľa FIEEE na vykurovanie budov je o 500 až 600 percent väčšia ako energia potrebná pre TČ na generovanie na rovnakého množstva tepla. Vývoj však ide ďalej a môže priniesť nové riešenia na iných princípoch.
Zelený plyn
Ide o zmiešavanie vodíka alebo bioplynu so zemným plynom. Bioplynu je zatiaľ málo a výroba vodíka je drahá. Fraunhofer Institute for Energy Economics and Energy System Technology (IEE) v Kassel skúmal použitie vodíka v budúcnosti energetického systému, s osobitným zameraním na dodávky tepla pre budovy. Výsledok štúdie je že vodík nie je potenciálny zdroj energie na vykurovanie budov. To vyplýva z potreby 45-50 kWh elektrickej energie na výrobu 1 kg vodíka pri elektrolýze 9 l vody. Spalné teplo vodíka je 33,3 kWh/kg, pričom z 50 kWh elektrickej energie potrebnej na výrobu jedného kg vodíka získame približne 150 kWh tepla pomocou tepelných čerpadiel.
Dodávka tepla do budovy s tepelnými čerpadlami je 5-6 krát efektívnejšia ako s vodíkom
Podľa Frauenhofer Institute tepelné čerpadlá by znížili dopyt na energeticky náročnú výrobu drahého vodíka. Dnes tepelné čerpadlá môžu efektívne vykurovať aj budovy, ktoré ešte nie sú nízkoenergetické. Preto stavebný sektor by nemali súťažiť s ostatnými sektormi na dopyt vodíka. Spoľahlivé inteligentné elektrické siete sú kompatibilné s prispôsobenými SG tepelnými čerpadlami.
Technické požiadavky súvisiace so zaistením bezpečnosti dodávok elektriny vyrobenej vetrom alebo slnkom počas dňa môžu byť splnené pri menších nákladoch ako na výrobu vodíka. Elektrické siete nepredstavujú významnú prekážku pri zásobovaní elektrinou tepelných čerpadiel. Elektrina, môže byť vyrobená nákladovo efektívnym spôsobom a takmer výlučne z domácich obnoviteľných zdrojov energie.
Viac informácií nájdete v časopise Správy 8/2020