Porovnání energetických konceptů zásobování obce teplem v projektu Cérka

Úvod

V současné době je patrný rozvoj využití obnovitelných zdrojů tepla nejen v samotných budovách, ale i u větších územních celků. Právě budovy přitom spotřebovávají přibližně 40 % energie v celé Evropské unii, takže se jedná o logický trend maximalizovat využití obnovitelné energie. V evropském prostoru je vidět jasný posun od řešení jednotlivých budov s téměř nulovou spotřebou energie (nZEB – nearly zero energy buildings), kterými se transformace evropské energetiky nastartovala, směrem k celým územním částem (zero emission neighbourhood, positive energy district apod.) [1]. Městské či obecní územní části totiž umožňují efektivnější integraci obnovitelných zdrojů energie (OZE), zejména díky odlišnosti doby využití jednotlivých budov a z toho vyplývající odlišnosti průběhu jejich odběru energie. Vyvážení profilů odběru energie mezi například obytnými budovami (odběr zejména ráno a večer) a administrativou, školami či obchody (odběr zejména přes den) umožňuje vyšší pokrytí energetických potřeb z obnovitelných zdrojů. Další příležitostí větších územních celků je i vzájemná výměna energií (odpadní teplo z chlazení obchodního centra lze využít pro ohřev vody v jiné části čtvrti) či zálohování decentralizovaných zdrojů v síti.

V Univerzitním centru energeticky efektivních budov ČVUT v Praze se v posledních letech stále častěji realizují zakázky smluvního výzkumu zaměřené právě na energetické koncepty pro větší územní celky. Studie se zpravidla věnují nejen energetickým řešením, ale i celkové udržitelnosti lokality. Na studiích se proto podílí nejen energetici, ale i stavební inženýři zabývající se řešením obálky budov, použitými materiály, modrozelenou infrastrukturou či urbanismem.

Projekt Cérka Trojanovice

V rámci projektu revitalizace areálu bývalého dolu Cérka Trojanovice, který se nachází na okraji města Frenštát pod Radhoštěm, má v budoucnu vzniknout chytrá čtvrť s infrastrukturou s širokou nabídkou obchodů a služeb, která poslouží jako centrum i pro okolní zástavbu. Vzhledem k omezeným představám o konečném tvaru budov, procentu prosklení fasád, reálné obsazenosti apod. byly zpracovány energetické bilance pro čtyři typově různé budovy z pohledu provozu a užívání ve dvou variantách kvality obálky budovy, a to pro splnění požadavků budovy s téměř nulovou spotřebou energie (NZEB II, energetická třída A) a požadavků na výstavbu budov v pasivním standardu (požadavky Operačního programu Životní prostředí Státního fondu životního prostředí, označení PASIV). Pro tyto dva energetické standardy byla definována potřebná dodávka tepla na vytápění, přípravu teplé vody, dodávka chladu a potřeby elektrické energie na osvětlení, větrání a pohon chlazení (viz Tab. 1) a zároveň související potřebné výkony. Z nich byly pro jednotlivé typy budov odvozeny měrné energetické potřeby a výkony a zároveň potřebné plochy fotovoltaického systému pro splnění požadavků uvedených energetických standardů. Od počátku byl pro hodnocení budov stanoven předpoklad napojení na zdroj tepla pracující v rámci účinné soustavy zásobování teplem s konverzním faktorem neobnovitelné primární energie na úrovni hodnoty 0,2 (více než 80 % tepla je dodáváno z OZE) v souladu s vyhláškou 264/2020 Sb. [2].

Budovy v celém areálu mají celkovou energeticky vztažnou plochu 36 700 m². Naprostá většina budov slouží pro obchod a drobnou výrobu. Celkový počet uživatelů budov je kolem 2200 lidí. Celkový přípojný tepelný výkon areálu je 1 336 kW při uvažování energetického standardu NZEBII-A a 1 259 kW, pokud by byl uvažován energetický standard PASIV. Hodnoty potřebných výkonů se mezi standardy výrazně neliší zejména kvůli nárokům na výkon pro přípravu teplé vody. Potřebná celková plocha FV modulů pro splnění požadavků energetických standardů je celkem pro všechny budovy areálu cca 3200 m² (instalovaný výkon 609 kW_p) pro energetický standard NZEBII-A a cca 5200 m² (instalovaný výkon 987 kW_p) pro energetický standard PASIV.

Pro dodávku tepla z centrálního zdroje byl uvažován rozvod tepla v bezkanálovém provedení v zemi. Soustava CZT byla uvažována s návrhovým teplotním rozdílem 60/30 °C. Nízkoteplotní rozvod předpokládá nízkoteplotní otopné soustavy (otopná tělesa s rozšířenou teplosměnnou plochou, podlahové vytápění) a pokročilé zapojení předávacích stanic v budovách umožňující vyšší vychlazení zpátečky rozvodu. Podíl tepelných ztrát rozvodu na dodávce tepla lze uvažovat pro energetický standard NZEBII-A okolo 5 % a pro variantu PASIV okolo 7,5 %. Roční ztráta rozvodu tepla na úrovni 84 MWh/rok je zahrnuta již v hodnotách celkové roční dodávky tepla do areálu.

Koncept zdrojů tepla

Pro areál byly v rámci úvodní studie uvažovány dvě varianty centrálního obnovitelného zdroje tepla s vysokým podílem OZE. Varianta SOL-BIO představuje solární tepelnou soustavu kombinovanou se zdroji na bázi biomasy a varianta FV-TČ uvažuje kombinaci tepelného čerpadla země-voda a FV systému. Chlazení nebylo uvažováno jako centralizované a není součástí studie.

Ve variantě SOL-BIO je solární soustava je uvažována s krátkodobou akumulací do vodního zásobníku pro dodávku tepla v letním období a s cílovým pokrytím potřeby tepla 20 % v obou variantách energetické náročnosti budov. Solární soustava je uvažována ve zjednodušeném zapojení podle Obr. 1. Trojcestný ventil na potrubí vratné z CZT vody přepíná mezi zásobníkem tepla a základním zdrojem tepla na základě teploty dosažené v akumulátoru tepla. Pokud je teplota vody v zásobníku „využitelná“, tzn. je vyšší než teplota vratné vody o nastavený rozdíl teplot, vratná voda je vedena do dolní části zásobníku a z horní části vystupuje voda ohřátá solárním teplem. Maximální teplota v zásobníku se uvažuje 90 °C.

Obr. 1 Zjednodušené schéma varianty zdroje tepla SOL-BIO

Základním zdrojem tepla pro areál je kogenerační jednotka pro spalování dřevní štěpky na bázi organického Rankinova cyklu (ORC) pro kombinovanou výrobu elektrické energie a tepla především v zimním období. Její výkon je navržen na cca 20 % potřebného celkového výkonu pro soustavu CZT. Předpokládaná doba využití instalovaného výkonu je 3000 h. Zbylý tepelný výkon a tepelnou energii dodává kotel pro spalování odpadní biomasy pro diverzifikaci palivové základny. Zdroje tepla na biomasu pouze dohřívají vodu pro CZT v případě, že teplota vystupující vody ze zásobníku tepla není dostatečná. Návrhové parametry zdroje tepla SOL-BIO jsou uvedeny v Tab. 2. V Tab. 3 jsou pak uvedeny dodávky energií z jednotlivých zdrojů tepla (solární systém, ORC, kotel na biomasu) do budov v areálu a spotřeba paliva (štěpka, odpadní biomasa) pro zdroje tepla. Vlastní spotřeba elektrické energie zdrojů tepla byla zanedbána.

Ve variantě FV-TČ je hlavním zdrojem tepla tepelné čerpadlo země-voda napojené na zemní sondy odebírající teplo ze zemního masívu v kombinaci s fotovoltaickým systémem. Potřebná plocha FV systému je navržena pro snížení spotřeby elektrické energie ze sítě pro provoz tepelného čerpadla tak, aby podíl OZE na dodávce tepla byl větší než 80 % a tedy hodnota faktoru neobnovitelné primární energie pro hodnocení dodávky tepla do budov byla na úrovni 0,2. Nejedná se tedy o stejnou plochu FV systému, který je uvažován jako doplněk každé z budov pro splnění podmínky definovaného energetického standardu, ale o nezbytně instalovanou plochu svázanou s produkcí tepla v centrálním zdroji. Fotovoltaický systém sloužící pro zdroj tepla může být instalován v jeho těsné blízkosti, nebo na různých přístřešcích v areálu.

Obr. 2 Zjednodušené schéma varianty zdroje tepla FV-TČ

Tepelná čerpadla země-voda mají relativně stálý výkon během roku a nevyžadují záložní zdroj tepla. Pro dodávku tepla se předpokládá kaskáda tepelných čerpadel pro regulaci dodávky výkonu během roku podle potřeby. Tepelná čerpadla svým výkonem kryjí celkový odběrový výkon soustavy CZT. Roční topný faktor se vzhledem k uvažovaným provozním teplotám v soustavě CZT (60 °C) a zemních sondách (0 °C) uvažuje na úrovni 2,8 pro oba energetické standardy budov. Zdrojem tepla v primárním okruhu tepelných čerpadel jsou standardní suché zemní sondy s U-smyčkami z HDPE-RC zalité v bentonitu s hloubkou do 200 m uvažované v průměrném podloží (50 W/m). Vzdálenost sond od sebe se uvažuje do 20 m. Návrhové parametry zdroje FV-TČ jsou uvedeny v Tab. 4.

Fotovoltaický systém se uvažuje s účinností FV modulů na úrovni 19 % a s celkovou účinností systému 15 %. Sklon FV modulů se uvažuje 15° s jižní orientací. Poměr mezi plochou fotovoltaických modulů a půdorysnou plochou potřebnou pro jejich instalaci byl uvažován na úrovni 0,6.

V reálném provozu se pouze část produkované energie FV systémem využije pro aktuální krytí spotřeby elektrické energie tepelnými čerpadly a bude tak snižovat nákup elektrické energie pro produkci tepla. Ze zjednodušeného výpočtu vyplývá, že v případě energetického standardu PASIV je využití produkce FV systému pro krytí spotřeby elektrické energie zdroje vyšší okolo 27 % díky vyrovnanějšímu ročnímu průběhu dodávky tepla (a tedy i spotřeby elektrické energie) oproti energetickému standardu NZEBII-A, kdy je pokrytí pouze 20 %. Zbylá část produkce FV systému může nicméně sloužit v lokální distribuční síti areálu nebo pro export do nadřazené elektrické sítě s příslušnou výkupní cenou. V Tab. 5 jsou uvedeny dodávky a spotřeby energie pro zdroj tepla FV-TČ pro oba energetické standardy budov.

Provozní ekonomika

Pro obě varianty zdrojů tepla byly stanoveny investiční a provozní náklady. Investiční náklady vycházejí z měrných nákladů na technologie na základě provedené rešerše a zkušeností s obdobnými projekty na ČVUT UCEEB. Provozní náklady vycházely z definovaných cen energií. Pro výpočty byla uvažována cena dřevní štěpky 1500 Kč/t a cena odpadní (nerozlišené) biomasy 750 Kč/t. Cena nakupované elektrické energie ze sítě pro areál a pro provoz tepelného čerpadla byla uvažována na úrovni 5 Kč/kWh a prodej do sítě za výkupní cenu 2 Kč/kWh. Ocenění produkce elektrické energie z ORC dodávané do areálu (úspora) byla uvažována v cenové hladině 5 Kč/kWh. Z investičních a provozních nákladů byla stanovena prostými ekonomickými bilancemi (bez uvažování odpisů, inflace, růstu cen energie v čase, ceny investovaných peněz apod.) cena produkovaného tepla při době hodnocení 15 let a 30 let. Tab. 6 ukazuje výsledky ekonomických výpočtů pro dobu hodnocení 30 let, kdy dochází minimálně k jedné reinvestici u každé technologie, vyjma FV modulů a solárních kolektorů s životností 30 let a zemních vrtů s životností 60 let (investice započítána z 50 %).

Závěr

V České republice lze očekávat významný nárůst poptávky po energetických řešeních postavených na obnovitelných zdrojích tepla nejen pro celé obce, ale i pro městské části, zejména pak sektor nových bytových domů. Příklad analýzy pro novou výstavbu v obci Trojanovice v rámci revitalizace areálu místního brownfieldu ukazuje, že pro dané uvažované okrajové podmínky je realizace centrálních zdrojů tepla na bázi tepelných čerpadel výrazně provozně dražší než „konvenční“ zcela obnovitelný zdroj tepla využívající efektivně biomasu a solární tepelnou soustavu. Zdroj tepla s tepelnými čerpadly a FV systémem je sice investičně levnější, nicméně nákup elektřiny v zimním období a omezené využití FV produkce v rámci areálu v letním období se odráží ve významných provozních nákladech. V případě, že by se vyhodnocovaly sezónní emisní faktory pro elektrickou energií (letní nízké, zimní vysoké), byl by takový systém i emisně výrazně náročnější a letní produkce FV systému by úsporám emisí CO₂ příliš nepomáhala.

Literatura

1. Transforming the European energy system through innovation - Publications Office of the EU [online]. [accessed. 2021-04-30]. Available at:
   https://op.europa.eu/en/publication-detail/-/publication/9546f4e9-d3dc-11e6-ad7c-01aa75ed71a1/language-en
2. Vyhláška č. 264/2020 Sb. o energetické náročnosti budov, MPO 2020.

Projekt byl takto prezentován zástupci ČVUT UCEEB v rámci konference Vytápění 2023 v Třeboni a po úpravách publikován na TZB-info. Komplexní studii lze najít na Portálu pro vhodné uveřejnění (PVU) , což je certifikovaný elektronický nástroj, který implementuje profil zadavatele ve smyslu zákona o zadávání veřejných zakázkách. Vývoj stavby lze sledovat na stránkách obce Trojanovice. Projekt CÉRKA revitalizace území Dolu Frenštát je spolufinancován z rozpočtu Moravskoslezského kraje a Fondu spravedlivé transformace..