Testovanie mikrokogeneraฤnej jednotky v rodinnom dome
ฤlรกnok sa zaoberรก ลกtรบdiou moลพnosti inลกtalรกcie mikrokogeneraฤnej jednotky s palivovรฝmi ฤlรกnkami na zemnรฝ plyn v rodinnom dome. Dlhodobou testovacou prevรกdzkou v laboratรณrnych podmienkach sa overovali vรฝkonovรฉ a emisnรฉ parametre mikrokogeneraฤnej jednotky v ustรกlenรฝch a prechodovรฝch reลพimoch, ktorรฉ mรดลพu nastaลฅ pri prevรกdzke v rodinnom dome.
Ako podklady slรบลพili nameranรฉ hodnoty potreby tepla aย elektrickej energie vย reรกlnom rodinnom dome. รdaje sa zaznamenรกvali poฤas celรฉho roka 2018 aย slรบลพili na vytvorenie zaลฅaลพovacieho algoritmu.
Dlhodobรฝm testovanรญm sa potvrdila nรกroฤnosลฅ sprรกvneho nรกvrhu inลกtalรกcie mikrokogeneraฤnej jednotky vย rodinnom dome, aย to vzhฤพadom na jej ลกpecifikรก, ako sรบ vรฝrazne premenlivรก spotreba elektrickej aย tepelnej energie vย zรกvislosti od roฤnรฉho obdobia ฤi dennรฉho reลพimu obyvateฤพov domu.
Kogenerรกcia je zdruลพenรก vรฝroba elektrickej energie aย tepla vย jednom technologickom zariadenรญ. Vย sรบฤasnosti si kogeneraฤnรฉ jednotky nachรกdzajรบ svoje uplatnenie aj vย inลกtalรกciรกch, kde sa poลพaduje nรญzky elektrickรฝ aย tepelnรฝ vรฝkon, naprรญklad vย rodinnรฝch domoch alebo vย menลกรญch objektoch.
Vย tรฝchto oblastiach sa uplatลuje mikrokogenerรกcia, ฤiลพe kogenerรกcia sย maximรกlnym elektrickรฝm vรฝkonom do 50 kWe. Okrem tradiฤnรฝch motorov sย vnรบtornรฝm spaฤพovanรญm prichรกdzajรบ na trh aj novรฉ technolรณgie pre kogeneraฤnรฉ jednotky, naprรญklad palivovรฝ ฤlรกnok, Stirlingov motor, parnรฝ stroj, mikrospaฤพovacie turbรญny aย podobne.
Tieto jednotky sรบ schopnรฉ dosahovaลฅ elektrickรฝ vรฝkon od 0,6 kWe aย tepelnรฝ vรฝkon od 1,0 kWt (naprรญklad vย prรญpade pouลพitia palivovรฝch ฤlรกnkov). Filozofia ich pouลพitia spoฤรญva vo vรฝrobe tepla na pokrytie tepelnรฝch strรกt objektu aย na prรญpravu teplej vody, ako bonus zรญskava uลพรญvateฤพ elektrickรบ energiu.
Vyrobenรก elektrickรก energia nie je primรกrne urฤenรก na predaj, spotrebovรกva sa priamo vย mieste vรฝroby, preto elektrickรฝ aย tepelnรฝ vรฝkon mikrokogeneraฤnej jednotky musia ฤo najlepลกie kopรญrovaลฅ potreby danรฉho objektu.
Rodinnรฝ dom je ako miesto inลกtalรกcie mikrokogeneraฤnej jednotky pomerne ลกpecifickรฝ, aย to pre svoju vรฝrazne premenlivรบ spotrebu elektrickej aย tepelnej energie, ktorรบ moลพno vopred len ลฅaลพko predpokladaลฅ, preto je zloลพitรฉ zosรบladiลฅ elektrickรฝ aย tepelnรฝ vรฝkon mikrokogeneraฤnej jednotky sย potrebou rodinnรฉho domu.
Vย dneลกnej dobe inteligentnรฝch technolรณgiรญ pouลพรญvanรฝch vย rodinnรฝch domoch vลกak moลพno uลพ pri nรกvrhu inลกtalรกcie mikrokogeneraฤnej jednotky poznaลฅ reรกlnu spotrebu elektrickej aย tepelnej energie vย danom objekte poฤas celรฉho roka zย jednoduchรฝch meranรญ, ktorรฉ tieto technolรณgie poskytujรบ.
Tieto dรกta predstavujรบ vstupnรฉ รบdaje na vรฝpoฤet poฤtu prevรกdzkovรฝch hodรญn mikrokogeneraฤnej jednotky vย roku, zaลฅaลพovateฤพa aย zย toho vyplรฝvajรบce mnoลพstvo vyprodukovanรฉho tepla aย elektrickej energie aย vย neposlednom rade aj ฤasu nรกvratnosti investรญcie.
Modelovรฝ rodinnรฝ dom
Rodinnรฝ dom, vย ktorom sa uvaลพovalo oย inลกtalรกcii mikrokogeneraฤnej jednotky sย palivovรฝmi ฤlรกnkami na zemnรฝ plyn, predstavuje novostavbu obรฝvanรบ ลกtvorฤlennou rodinou vย blรญzkosti ลฝiliny. Ide oย dvojpodlaลพnรฝ dom sย plochou strechou so zastavanou plochou 100 m2, postavenรฝ vย nรญzkoenergetickom ลกtandarde.
Rodinnรฝ dom je vybavenรฝ smart technolรณgiami pre inteligentnรฉ domy, ktorรฉ poskytujรบ nielen vรฝrazne vyลกลกรญ komfort bรฝvania, ale vย tomto prรญpade aj dรดleลพitรฉ dรกta oย spotrebe elektrickej energie aย tepla poฤas ktorรฉhokoฤพvek obdobia vย roku.
Vย sรบฤasnosti sa vย dome ako zdroj tepla na vykurovanie aย prรญpravu teplej vody vyuลพรญva kondenzaฤnรฝ kotol na zemnรฝ plyn, elektrickรก energia sa dodรกva zย vonkajลกej rozvodnej elektrickej siete.
Princรญp testovania
รdaje oย spotrebe elektrickej aย tepelnej energie sa zaznamenรกvali poฤas celรฉho roka 2018 aย slรบลพili na vytvorenie zaลฅaลพovacieho algoritmu, podฤพa ktorรฉho bola mikrokogeneraฤnรก jednotka sย palivovรฝmi ฤlรกnkami zaลฅaลพovanรก vย laboratรณrnych podmienkach ลฝilinskej univerzity.
Za elektrickรบ zรกลฅaลพ tejto jednotky slรบลพil odpornรญk (reostat โ rezistor sย plynulo meniteฤพnรฝm elektrickรฝm odporom, elektrickรก energia sa premieลa na teplo), teplo sa marilo vย teplovzduลกnej jednotke alebo vย doskovom vรฝmennรญku ochladzovanom prietokovรฝm termostatom.
Prevรกdzka aย meranie elektrickรฉho aย tepelnรฉho vรฝkonu mikrokogeneraฤnej jednotky prebiehali vย automatickom reลพime, vลกetky konลกtanty aย nastavenia sa zรญskali zo zaลฅaลพovacieho algoritmu.
Tento algoritmus predpokladรก vย sรบฤasnosti vyuลพitie tepla zย mikrokogeneraฤnej jednotky vo vykurovacom systรฉme aย vย systรฉme prรญpravy teplej vody rodinnรฉho domu aย vyuลพitie elektrickรฉho vรฝkonu tejto jednotky len na priamu spotrebu bez moลพnosti predaja nadbytoฤnej elektrickej energie do vonkajลกej rozvodnej siete alebo jej akumulรกcie do elektrickรฝch akumulรกtorov na pokrytie prรญpadnรฉho neskorลกieho zvรฝลกenรฉho odberu elektrickej energie.
Simulovanรก celoroฤnรก prevรกdzka mikrokogeneraฤnej jednotky
Pouลพitรก mikrokogeneraฤnรก jednotka na simulovanie celoroฤnej prevรกdzky vย rodinnom dome (obr. 1) vyuลพรญva modul palivovรฝch ฤlรกnkov sย technolรณgiou SOFC (vysokoteplotnรฝ keramickรฝ palivovรฝ ฤlรกnok sย pracovnou teplotou 830 ยฐC) sย nominรกlnym elektrickรฝm vรฝkonom 1 kWe aย tepelnรฝm vรฝkonom palivovรฉho ฤlรกnku 1,8 aลพ 3,3 kWt.
Jednotku dopฤบลa kondenzaฤnรฝ kotol sย tepelnรฝm vรฝkonom 7,0 aลพ 20,0 kWt, ktorรฝ pokrรฝva prรญpadnรบ zvรฝลกenรบ potrebu tepla. Jednotka je schopnรก pracovaลฅ vย reลพime palivovรฉho ฤlรกnku, kondenzaฤnรฉho kotla alebo vย oboch reลพimoch sรบฤasne. Ako palivo vyuลพรญva zemnรฝ plyn, vodรญk pre modul palivovรฝch ฤlรกnkov zรญskava parciรกlnou oxidรกciou CH4.
Mikrokogeneraฤnรก jednotka pracujรบca vย reลพime palivovรฉho ฤlรกnku nepatrรญ medzi pruลพnรฉ zdroje elektrickej aย tepelnej energie โ zย dรดvodu pomalej zmeny vรฝstupnรฉho elektrickรฉho vรฝkonu je optimรกlna prevรกdzka na nominรกlny elektrickรฝ vรฝkon.
Ak nie je modul palivovรฝch ฤlรกnkov zohriaty na prevรกdzkovรบ teplotu, trvรก ลกtart mikrokogeneraฤnej jednotky (obr. 2a) pribliลพne 45 hodรญn (vรฝstupnรฝ el. vรฝkon 0 aลพ 1โฏ000 We, prevรกdzkovรก teplota modulu palivovรฝch ฤlรกnkov 20 aลพ 830โฏยฐC), ลกtart zo stand-by reลพimu (obr. 2b), vtedy je modul palivovรฝch ฤlรกnkov udrลพiavanรฝ na prevรกdzkovej teplote, trvรก pribliลพne 2,5 hodiny (vรฝstupnรฝ el. vรฝkon 0 aลพ 1 000 We, prevรกdzkovรก teplota modulu palivovรฝch ฤlรกnkov 830 ยฐC), reakcia na zmenu poลพadovanรฉho vรฝstupnรฉho elektrickรฉho vรฝkonu je pribliลพne 2โฏminรบty.
Simulovanรก prevรกdzka jednotky prebiehala vย automatickom reลพime, vhodnosลฅ pouลพitia jednรฉho zย troch reลพimov prรกce sa vyberala podฤพa zaลฅaลพovacieho algoritmu.
Na grafickรฉ spracovanie sa zย celoroฤnej simulovanej prevรกdzky vybral najchladnejลกรญ zimnรฝ deล roka 2018 sย najniลพลกou noฤnou teplotou -15 ยฐC aย sย najvyลกลกou dennou teplotou -8 ยฐC, keฤ bol najvรคฤลกรญ predpoklad na optimรกlne vyuลพitie potenciรกlu mikrokogeneraฤnej jednotky.
Jednotka pracovala vย tomto obdobรญ vย kombinovanom reลพime, pretoลพe len tepelnรฝ vรฝkon palivovรฉho ฤlรกnku nepostaฤuje na pokrytie tepelnรฝch strรกt objektu.
Na obr. 3 vidieลฅ priebeh vรฝstupnรฉho tepelnรฉho aย elektrickรฉho vรฝkonu mikrokogeneraฤnej jednotky pracujรบcej vย ustรกlenom reลพime palivovรฉho ฤlรกnku, obr. 4 ukazuje priebeh vรฝstupnรฉho tepelnรฉho aย elektrickรฉho vรฝkonu mikrokogeneraฤnej jednotky pracujรบcej vย ustรกlenom kombinovanom reลพime, poฤas ktorรฉho dochรกdza kย znรญลพeniu vรฝstupnรฉho el. vรฝkonu modulu palivovรฝch ฤlรกnkov zย nominรกlnej hodnoty 1 000 We na hodnotu 800 We, okolo ktorej osciluje.
Tento nepriaznivรฝ fenomรฉn je spรดsobenรฝ spoloฤnรฝm kondenzaฤnรฝm vรฝmennรญkom tepla pre palivovรฝ ฤlรกnok aย integrovanรฝ plynovรฝ kotol.
Tieto ustรกlenรฉ reลพimy prรกce sa poฤas prevรกdzky vย rodinnom dome vyskytujรบ vย menลกej miere, ฤastejลกie sa vyskytujรบ prechodovรฉ reลพimy, ktorรฉ zย dรดvodu charakteristiky mikrokogeneraฤnej jednotky, opรญsanej vyลกลกie, vรฝrazne ovplyvลujรบ celkovรฝ vรฝstupnรฝ elektrickรฝ aย tepelnรฝ vรฝkon.
Na obr. 5 vidieลฅ priebeh potreby elektrickej aย tepelnej energie vย rodinnom dome, ktorรฝ je do znaฤnej miery ovplyvnenรฝ dennรฝm reลพimom obyvateฤพov aย roฤnรฝm obdobรญm, teda tepelnou stratou objektu.
Stรกlu spotrebu elektrickej energie tvoria zariadenia vย stand-by reลพime, premenlivรบ spotrebu zariadenia, ktorรฝch chod ovplyvลujรบ obyvatelia domu (osvetlenie, el. spotrebiฤe dennej potreby…). Spotreba tepelnej energie zรกvisรญ od tepelnej straty objektu, vysokรฉ nรกrasty spotreby sรบ zaprรญฤinenรฉ pravdepodobne prรญpravou teplej vody.
Na obr. 6 je detailne zobrazenรฝ priebeh 24-hodinovej potreby elektrickej energie vย danom rodinnom dome aย priebeh vyprodukovanej elektrickej energie mikrokogeneraฤnou jednotkou vย kombinovanom reลพime. Jednotka vย noฤnรฝch hodinรกch aย vย tej ฤasti dลa, keฤ obyvatelia nie sรบ prรญtomnรญ, pokrรฝva len spotrebu zariadenรญ vย stand-by reลพime aย cyklicky spรญnanรฝch zariadenรญ.
Poฤas ostatnej ฤasti dลa pracuje jednotka na maximรกlny moลพnรฝ elektrickรฝ vรฝkon, ale pre prรกcu vย kombinovanom reลพime nedosahuje nominรกlny elektrickรฝ vรฝkon 1โฏ000โฏWe, zvyลกnรก potrebnรก elektrickรก energia sa dodรกva zย verejnej rozvodnej siete.
Na obr. 7 vidieลฅ detailnรฝ priebeh potreby tepla vย danom rodinnom dome aย priebeh vyprodukovanรฉho tepla mikrokogeneraฤnou jednotkou vย kombinovanom reลพime prรกce. Poฤas celรฉho dลa modul palivovรฝch ฤlรกnkov jednotky nedosahoval maximรกlny moลพnรฝ tepelnรฝ vรฝkon 3,3โฏkWt, jeho hodnota oscilovala len okolo hodnoty 1,5 kWt.
Poฤas noci aย ฤasti dลa, keฤ obyvatelia nie sรบ prรญtomnรญ, bola prรญฤinou nรญzkeho tepelnรฉho vรฝkonu nรญzka potreba elektrickej energie. Poฤas ostatnej ฤasti dลa sa predpokladal nรกrast tepelnej energie vย dรดsledku nรกrastu produkcie elektrickรฉho vรฝkonu, to sa vลกak nestalo.
Prรญฤinou pribliลพne konลกtantnรฉho tepelnรฉho vรฝkonu sรบ spรดsob regulรกcie vรฝstupnรฉho elektrickรฉho vรฝkonu mikrokogeneraฤnej jednotky aย vyuลพรญvanie zรณny dohรกrania za modulom palivovรฝch ฤlรกnkov na premenu nezreagovanรฉho zemnรฉho plynu na teplo.
Zvyลกnรก ฤasลฅ poลพadovanej tepelnej energie sa produkuje vย integrovanom plynovom kotle. Na prรญpravu teplej vody vย zimnom obdobรญ sa pouลพil vรฝhradne kondenzaฤnรฝ kotol, pre nรญzky tepelnรฝ vรฝkon palivovรฝch ฤlรกnkov by bola dฤบลพka ohrevu vody neprijateฤพne dlhรก.
Ohrev vody palivovรฝmi ฤlรกnkami by sa mohol pouลพiลฅ najmรค pri rannom prediktรญvnom ohrievanรญ zรกsobnรญka aย poฤas prechodnรฝch vykurovacรญch obdobรญ, avลกak nรญzka potreba elektrickej energie vย noฤnรฝch hodinรกch aย zย toho vyplรฝvajรบci nรญzky tepelnรฝ vรฝkon by tento ฤas eลกte predฤบลพili.
Zรกver
Simulovanรก celoroฤnรก prevรกdzka mikrokogeneraฤnej jednotky sย palivovรฝmi ฤlรกnkami na zemnรฝ plyn poukรกzala na zloลพitosลฅ sprรกvneho nรกvrhu inลกtalรกcie takejto jednotky vย rodinnom dome zย dรดvodu ลกpecifickej premenlivej spotreby elektrickej energie aย tepla.
Vย dneลกnej dobe vรฝrazne รบspornรฝch elektrickรฝch zariadenรญ domov sa javรญ nominรกlny elektrickรฝ vรฝkon danej jednotky ako nevyuลพiteฤพnรฝ, celoroฤnรฝ priemernรฝ elektrickรฝ vรฝkon bol pribliลพne 450 We, poฤas celoroฤnej prevรกdzky bola jednotka schopnรก nahradiลฅ len 24 % zย celkovej roฤnej spotreby elektrickej energie objektu.
Nรกvratnosลฅ investรญcie je pri vyuลพitรญ nominรกlneho elektrickรฉho vรฝkonu vย rรกde desaลฅroฤรญ, laboratรณrna prevรกdzka podฤพa zaลฅaลพovacieho algoritmu, ktorรฝ vychรกdza zย reรกlneho priebehu celoroฤnej spotreby elektrickej energie aย tepla vย rodinnom dome, tento ฤas eลกte vรฝrazne predlลพuje.
Vhodnejลกia inลกtalรกcia mikrokogeneraฤnej jednotky tohto typu by bola vย prรญpade moลพnosti predaja nadbytoฤnej elektrickej energie do rozvodnej siete, prรญpadne vย moลพnosti jej akumulรกcie.
Vhodnรก inลกtalรกcia by bola takยญisto vย objekte, kde je minimรกlny poลพadovanรฝ elektrickรฝ vรฝkon pre zariadenia vย stand-by reลพime vyลกลกรญ ako nominรกlny elektrickรฝ vรฝkon jednotky โ jednotka by tak pracovala len vย reลพime palivovรฉho ฤlรกnku, ฤo by vyลพadovalo eลกte inรฝ oddelenรฝ zdroj tepla.
Autor pรดsobรญ na Katedre energetickej techniky Strojnรญckej fakulty ลฝilinskej univerzity vย ลฝiline.
รloha sa realizuje vย rรกmci rieลกenia projektu KEGA 048ลฝU-4/2019 Vizualizรกcia prรบdenia vย technike prostredia aย tieลพ vย rรกmci rieลกenia projektu APVV-15-0778 Limity radiaฤnรฉho aย konvekฤnรฉho chladenia cez fรกzovรฉ zmeny pracovnej lรกtky vย sluฤkovom termosifรณne.
Literatรบra
- DVORSKร, E. โ HEJTMรNKOVร, P.: Kombinovanรก vรฝroba elektrickรฉ aย tepelnรฉ energie, Technical literature BEN, Praha 2005.
- KUฤรK, ฤฝ. โ URBAN, F.: Kogenerรกcia na bรกze palivovรฉho ฤlรกnku. Vykurovanie 2007. Zbornรญk prednรกลกok zย 15.โฏmedzinรกrodnej konferencie. Tatranskรฉ Matliare, 26. 2. โ 2. 3. 2007. Bratislava: Slovenskรก spoloฤnosลฅ pre techniku prostredia ZSVTS, 2007.
- PEHNT, M. โ CAMES, M. โ FISCHER, C. โ PRAETORIUS, B. โ SCHNEIDER, L. โ SCHUMACHER, K. โ VOร, J. P.: Micro Cogeneration, Towards Decentralized Energy Systems. Springer, Berlin, 2006.
- Technickรก dokumentรกcia mikrokogeneraฤnej jednotky sย palivovรฝm ฤlรกnkom Hexis Galileo, Hexis, a. g.
ฤlรกnok bol uverejnenรฝ v ฤasopise TZB Haustechnik 4/2019.