Ekonomické porovnanie systémov zásobovania teplom a chladom v teplom podnebí

Abstrakt:

Systémy diaľkového zásobovania energiou sú všeobecne uznávané ako udržateľné a nadčasové riešenie na splnenie požiadaviek na mestské vykurovanie v chladnom podnebí. Otázkou však zostáva ich uplatniteľnosť v podnebí, ktoré si vyžaduje vykurovanie aj chladenie budov. Zatiaľ čo systémy diaľkovej energie sú tradične navrhnuté tak, aby spĺňali požiadavky na vykurovanie alebo chladenie, najnovšie návrhy systémov ponúkajú možnosť integrácie požiadaviek na vykurovanie a chladenie do jedného systému. Spoločným znakom týchto systémov sú nízke prevádzkové teploty, ktoré ponúkajú koncovému používateľovi možnosť využívať sieť ako zdroj tepla alebo chladu pre vlastné tepelné čerpadlá. Títo koncoví užívatelia sú v tomto prípade označení ako výrobcovia-spotrebitelia, pretože môžu odoberať a dodávať tepelnú energiu v použiteľných teplotných úrovniach do systému diaľkového zásobovania energiou. Tento dokument porovnáva náklady na vykurovanie a chladenie pre rôzne úrovne na splnenie požiadaviek na vykurovanie a chladenie miestností a pre prípravu teplej úžitkovej vody v susedstve zmesi nových a starých budov v Ríme v Taliansku pri použití nízkoteplotného diaľkového vykurovania (4 GDHC), diaľkového vykurovania s ultra nízkou teplotou (5 GDHC) a riešení vykurovania a chladenia na úrovni budovy. Výsledky naznačujú, že 4GDHC je najkonkurencieschopnejším riešením dodávky tepla a chladu pre uvažovaný prípad.

Úvod:

Centrálne zásobovanie teplom (CZT) je terminológia pre tepelné systémy založené na centralizovaných zdrojoch tepla. CZT zahŕňa dva koncepty, diaľkové vykurovanie (CZT), ktoré pokrýva centrálne vyrábané zásobovanie teplom na uspokojenie požiadaviek na vykurovanie pripojených používateľov, a diaľkové chladenie (DC), ktoré je na rozdiel od CZT systémom na odvádzanie tepla od pripojených používateľov a jeho odvádzanie na vhodné centrálne miesto. DH aj DC majú korene už v roku 1880 a na základe svojho vývoja boli kategorizvané do rôznych generácií. 

Historický vývoj DH, od vysokoteplotného parného systému, CZT 1. generácie, až po nízkoteplotný systém s viacerými zdrojmi tepla, CZT 4. generácie, je opísaný v [1]. V [2] bol definovaný systém diaľkového vykurovania a chladenia s ultranízkou teplotou, bežne označovaný ako 5. generácia diaľkového vykurovania a chladenia (5GDHC). Definujúcou vlastnosťou 5GDHC je požiadavka tepelných čerpadiel na úrovni budovy ktoré slúžia na pozdvihnutie teploty prívodu systému na úroveň teploty potrebnú na splnenie požiadaviek koncových používateľov na vykurovanie alebo chladenie. Inými slovami, zásadným rozdielom je prechod od používania priamo využiteľného teplotného spádu na splnenie tepelných požiadaviek koncového užívateľa na zdroj tepla resp. Miesto pre odpadové teplo tepelných čerpadiel na úrovni budovy. Vďaka aktívnej výmene tepla so sieťou môžu koncoví užívatelia v zásade pomôcť pri udržiavaní tepelnej bilancie distribučnej sústavy, preto sa koncovým užívateľom často tvrdí, že sú prosumermi [3], [4]. To si však vyžaduje voľnú definíciu pojmu prosument, ktorý vo všeobecnosti označuje koncového užívateľa, ktorý prevádzkuje vlastnú elektráreň na uspokojenie vlastných energetických potrieb a dodáva prebytočnú výrobu energie do energetickej siete [5]. V systéme 5GDHC koncoví užívatelia dodávajú svoju nevyužiteľnú energiu do siete, avšak aktívne nevyrábajú tepelnú energiu pre systém. V [6] a [7] sa tvrdí, že 5GDHC nie je zlučiteľný s pôvodnou definíciou generácií DH vzhľadom na jeho individuálnu tepelnú povahu, ale mal by sa považovať za sľubnú technológiu s vlastnými výhodami.

Historický vývoj diaľkového chladenia je opísaný v [8], kde 1. generácia je priemyselný chladiaci systém, nasleduje 2. generácia, ktorá mení distribučné médium na vodu a uplatňuje úspory vyplývyjúce z jej škílovateľnosti, 3. generácia, ktorá je definovaná diverzifikáciou zdrojov chladenia, a 4. generácia, ktorá stanovila DC do inteligentného energetického systému. Na rozdiel od systémov CZT sú DC systémy vo všeobecnosti skonštruované na zásobovanie veľkých budov s požiadavkou na chladenie po celý rok, ako sú kancelárske budovy, nákupné centrá a budovy, ktoré okrem požiadaviek na chladenie v dôsledku klimatických podmienok majú požiadavky na chladenie v dôsledku vnútorných tepelných ziskov z vetrania, regulácie vlhkosti a prevádzky elektronických zariadení. 
S prechodom z fosílnych palív má diaľkové vykurovanie (CZT) dobrú pozíciu na to, aby sa stalo hlavným systémom dodávky tepla pre mestské oblasti v regiónoch, v ktorých dominuje dopyt po teple. Otázkou však zostáva, ako vhodné je CZT v porovnaní s jednotlivými tepelnými čerpadlami na nahradenie vykurovania na báze zemného plynu v regiónoch s požiadavkami na vykurovanie aj chladenie. Výhodou jednotlivých tepelných čerpadiel v teplom podnebí je takmer individuálna výmena existujúcich plynových kotlov a jednoduchá zmena dodávky pohonnej energie z plynovej siete na elektrickú energiu. Tepelné čerpadlo ďalej umožňuje splniť požiadavky na teplú úžitkovú vodu (TÚV), vykurovanie a chladenie priestorov pomocou tej istej jednotky. Táto individuálna elektrifikácia dopytu po teple však môže predstavovať výzvy pre elektrickú sieť, konkrétne si vyžadovať potenciálne zvýšenie kapacity siete a veľkú kapacitu výroby energie z obnoviteľných zdrojov, ktorá bude počas veľkej časti roka nečinná z dôvodu sezónnosti tepelných požiadaviek budov.