Studené dálkové vytápění

Sítě studeného vytápění se ideálně hodí pro využití odpadního tepla z průmyslových a komerčních budov

Jako dodavatele energie pro síť studeného vytápění lze využít různé zdroje tepla, zejména obnovitelné zdroje, jako je zemní, vodní, komerční a průmyslové odpadní teplo, solární tepelná energie a okolní vzduch, které lze využívat samostatně nebo v kombinaci.[1] Vzhledem k obecně modulární konstrukci chladných lokálních tepelných sítí lze s dalším rozšiřováním sítě postupně vyvíjet nové zdroje tepla, takže větší topné sítě mohou být napájeny z řady různých zdrojů.[4]

V praxi jsou téměř nevyčerpatelnými zdroji např. mořská voda, řeky, jezera nebo podzemní voda . Ze 40 sítí studeného vytápění provozovaných v Evropě k lednu 2018 jich 17 využívalo jako zdroj tepla vodní plochy nebo podzemní vodu. Druhým nejvýznamnějším zdrojem tepla byla geotermální energie . To je obvykle přístupné přes geotermální vrty pomocí vertikálních vrtných výměníků tepla. Je však možné použít i plošné kolektory jako jsou agrotermické kolektory. Horizontální kolektory se v tomto případě zaorávají do zemědělské půdy v hloubce 1,5 až 2 m, tedy pod pracovní hloubkou zemědělských strojů, které dokážou podle potřeby odebírat teplo z půdy. Tento koncept, který umožňuje další zemědělské využití, byl realizován například v síti studeného tepla v německém městě Wüstenrot.[1]

Kromě toho existují sítě studeného vytápění, které získávají geotermální energii z tunelů a opuštěných uhelných dolů. Lze využít i odpadní teplo z průmyslových a obchodních podniků. Například dvě sítě na studené vytápění v Aurichu a Herfordu využívají odpadní teplo z mlékáren a další závod ve Švýcarsku využívá odpadní teplo z elektrárny na biomasu, zatímco další síť na studené vytápění využívá odpadní teplo z textilní společnosti. Mezi další možné zdroje tepla patří solární tepelná energie (zejména pro regeneraci geotermálních zdrojů a nabíjení akumulačních nádrží), velká tepelná čerpadla využívající teplo z okolního prostředí, kanalizační systém, kombinované tepelné elektrárny a kotle na biomasu nebo fosilní paliva pro špičkové zatížení pro podporu jiných zdroje tepla. Nízké provozní teploty sítí studeného vytápění jsou zvláště příznivé pro solární tepelné systémy, kogenerační jednotky a rekuperaci odpadního tepla, protože za těchto podmínek mohou pracovat s maximální účinností. Sítě studeného vytápění zároveň umožňují průmyslovým a obchodním společnostem s potenciálem odpadního tepla, jako jsou supermarkety a datová centra, dodávat tepelnou energii do sítě bez většího finančního investičního rizika, protože na teplotní úrovni sítí studeného vytápění je přívod tepla je možný bez tepelného čerpadla.[1]

Dalším zdrojem tepla může být i zpětné vedení konvenčních sítí dálkového vytápění.[1] Pokud je provozní teplota studené topné sítě nižší než teplota půdy, může samotná síť absorbovat teplo z okolní půdy. V tomto případě pak síť funguje jako jakýsi geotermální kolektor.[5]

Funkce kolektoru geotermálního tepla. Tyto kolektory lze využít i pro sezónní skladování

Akumulace tepla formou sezónního akumulace je klíčovým prvkem chladných lokálních topných systémů.[4] Aby se vyrovnaly sezónní výkyvy ve výrobě a spotřebě tepla, je mnoho systémů studeného vytápění postaveno se sezónním akumulováním tepla. To je vhodné zejména tam, kde struktura spotřebitelů/prosumerů nevede k převážně vyrovnané potřebě tepla a chlazení nebo kde není celoročně k dispozici dostatečný zdroj tepla. Vhodné jsou vodní nádrže a skladování prostřednictvím vrtných polí.[1] Ty umožňují ukládat přebytečné teplo z letní poloviny roku např. z chlazení, ale i z jiných zdrojů tepla a ohřívat tak půdu. Během topného období je pak proces obrácený a ohřátá voda je čerpána a přiváděna do studené teplárenské sítě.[3] Jsou však možné i jiné typy akumulace tepla. Například síť studeného vytápění ve Fischerbachu využívá zásobník ledu.[1]

Studené lokální topné systémy umožňují různé konfigurace sítě. Hrubě lze rozlišovat mezi otevřenými systémy, ve kterých se voda přivádí, prochází sítí, kde je dodávána příslušným spotřebitelům a nakonec vypuštěna do životního prostředí, a uzavřenými systémy, ve kterých cirkuluje nosná tekutina, obvykle solanka, v okruhu. Systémy lze také rozlišit podle počtu použitých potrubí. V závislosti na příslušných podmínkách jsou možné konfigurace s jednou až čtyřmi trubkami:

• Jednotrubkové systémy se obvykle používají v otevřených systémech, které využívají jako zdroj tepla povrchovou nebo podzemní vodu a po průtoku tepelnou sítí ji uvolňují zpět do životního prostředí.
• U dvoutrubkových systémů jsou obě trubky provozovány při různých teplotách. V topném provozu slouží teplejší z nich jako zdroj tepla pro tepelná čerpadla spotřebitelů, zatímco chladnější pohlcuje přenosové médium chlazené tepelným čerpadlem. V režimu chlazení slouží jako zdroj chladnější, teplo vyrobené tepelným čerpadlem je přiváděno do teplejšího potrubí.
• Třítrubkové systémy fungují podobně jako dvoutrubkové systémy, existuje však i třetí potrubí, které je provozováno s teplejší vodou, takže (alespoň v případě otopných systémů s nízkou teplotou průtoku, jako je podlahové vytápění) může vytápění probíhá bez použití tepelného čerpadla. Teplo se obvykle předává přes výměníky tepla . V závislosti na teplotě se pak teplo po použití vrací zpět do teplejšího nebo chladnějšího potrubí. Alternativně lze třetí trubku použít také jako chladicí trubku pro přímé chlazení přes výměník tepla.
• Čtyřtrubkové systémy fungují jako třítrubkové systémy s tím rozdílem, že každý má jednu trubku pro přímé vytápění a chlazení. Tímto způsobem lze realizovat energetické kaskády.

Obecně platí, že potrubí sítí studeného vytápění lze navrhnout jednodušším a levnějším způsobem než v tradičních systémech dálkového vytápění. Díky nízkým provozním teplotám nedochází k termomechanickému namáhání, což umožňuje použití běžných polyetylenových trubek bez izolace, jaké se používají pro zásobování pitnou vodou. To umožňuje rychlou a nákladově efektivní instalaci a rychlé přizpůsobení různým geometriím sítě. Odpadá také nákladná rentgenová nebo ultrazvuková vyšetření trubek, svařování jednotlivých trubek a časově náročná izolace spojovacích kusů na místě. Ve srovnání s konvenčním potrubím dálkového vytápění však musí být pro přenos stejného množství tepla použito potrubí s větším průměrem. Energetická náročnost čerpadel je také vyšší díky větším objemům. Na druhou stranu studené lokální topné systémy mohou být potenciálně instalovány tam, kde je potřeba tepla připojených budov příliš nízká pro provoz konvenční topné sítě. Například v roce 2018 bylo 9 ze 16 systémů, pro které byly k dispozici dostatečné údaje, pod hranicí 1,2 kW tepelného výkonu/m délky sítě, která je považována za spodní hranici ekonomického provozu konvenčních „teplých“ lokálních topných soustav.[1]

Tepelné čerpadlo na vodní zdroj

Ve srovnání s klasickými „horkými“ systémy dálkového vytápění jsou rozvody studených lokálních topných systémů složitější, zabírají více místa a je tedy dražší. U každého připojeného spotřebitele nebo prosumera musí být instalováno tepelné čerpadlo i přímý zásobník teplé vody. Tepelné čerpadlo je obvykle navrženo jako elektricky poháněné tepelné čerpadlo voda-voda a také je často fyzicky odděleno od studené tepelné sítě výměníkem tepla. Tepelné čerpadlo zvyšuje teplotu na úroveň potřebnou pro vytápění obydlí a vyrábí teplou vodu, ale může být také použito k chlazení domu a dodávání zde vyrobeného tepla do topné sítě, pokud chlazení neprobíhá přímo bez použití tepelného čerpadla. Lze nainstalovat i záložní systém, jako je topné těleso. Lze instalovat i tepelný zásobník pro topný systém, který umožňuje flexibilnější provoz tepelného čerpadla. Takové akumulační nádrže také pomáhají udržovat malé tepelné čerpadlo, což zase snižuje náklady na instalaci.[4]