Zpětné získávání tepla v oblasti přípravy teplé vody

Datum: 21.11.2016  |  Autor: Ing. Roman Vavřička, Ph.D., ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí, doc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D., Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT v Praze  |  Organizace: Časopis Vytápění, větrání, instalace  |  Zdroj: Vytápění větrání instalace č. 3/2016  |  Recenzent: doc. Ing. Mojmír Vrtek, Ph.D.

Článek se zabývá možnostmi využití tepla z odpadní vody odtékající z připojovacího potrubí zařizovacích předmětů domu. V první části jsou popsány základní možnosti místního zpětného získávání tepla (rekuperace) používané zejména ve sprchách nebo sprchových koutech. Teoretický rozbor účinnosti a souvisejících dosažitelných úspor je podpořen experimentálním měřením vybraného typu rekuperačního výměníku. Vyhodnocení měření je porovnáno s klasifikací podle Passive House Institute. Kromě efektivity a úspory tepla dosažené nasazením rekuperačního výměníku je stanovena i ekonomická návratnost konkrétního výměníku při různých okrajových podmínkách.

Časopis Vytápění, větrání, instalace
Společnost pro techniku prostředí, Novotného lávka 5
116 68 Praha 1

tel.:224 352 433

web:www.stpcr.cz/cz/casopis-vvi

Úvod

Jako je v budovách samozřejmostí dosažení tepelné pohody, ať v zimním nebo v letním období, je samozřejmostí i zajištění teplé vody. Posledních cca 20 let je snaha o snížení energetické náročnosti budovy zaměřena zejména na snížení potřeby energie na vytápění (např. zateplení obálky budovy, využití alternativních systémů zdrojů tepla, revitalizace stávajících zdrojů tepla atd.). Například systémy zpětného získávání tepla v oblasti větrání budov jsou dnes již standardem při návrhu energeticky úsporných budov [např. 7, 8, 9]. Naproti tomu využití zpětného získávání tepla (ZZT) z odpadní vody je technickou veřejností vnímáno zatím jako okrajová záležitost. Přitom podíl potřeby tepla pro přípravu teplé vody na celkovém dodaném teple do budovy roste. S ohledem na požadavky vyhlášky č. 78/2013 Sb. o energetické náročnosti budov a normy ČSN 73 0540 je navíc jasné, že tento podíl bude postupně v budoucnosti čím dál vyšší. Společně s růstem cen tepla tak budou systémy využívání tepla z odpadní vody nabývat na významu.

Potřeba tepla pro přípravu teplé vody a na vytápění

Potřebu tepla dodaného ohřívačem teplé vody (TV) za danou periodu (obvykle 1 den = 24 hodin) pro zajištění přípravy teplé vody lze vyjádřit jako:

vzorec 1 (1)
 

kde je

Q2p
teplo dodané ohřívačem TV [kWh/den],
Q2t
teplo pro ohřev vody [kWh/den],
Q2z
teplo ztracené při ohřevu a distribuci TV [kWh/den],
z
poměrná ztráta tepla při ohřevu a distribuci TV [–],
V2p
celková potřeba teplé vody [m3/den],
ρ
hustota vody při střední teplotě zásobníku [kg/m3],
c
měrná tepelná kapacita vody [J/(kg.K)],
t1
teplota studené vody [°C],
t2
teplota teplé vody [°C].
 

Hodnoty poměrné ztráty tepla při ohřevu a distribuci tepla z jsou závislé na kvalitě tepelné izolace rozvodů teplé vody a cirkulace, tepelné izolace zásobníku tepla a v neposlední řadě také na době provozu cirkulace během dne a během roku. Pro bytové domy s řízenou cirkulací se hodnota tohoto součinitele pohybuje okolo 0,5. U rodinných domů bez cirkulačního potrubí lze pro výpočet uvažovat hodnoty z = 0,2 až 0,3 [1].

Obr. 1 Porovnání podílu potřeb energie na vytápění a přípravu teplé vody v závislosti na postupných úpravách v rodinném domě. Fig. 1 Comparison of the ratio of the energy demand for heating and hot water preparation depending on the gradual adjustments in the family house
Obr. 1 Porovnání podílu potřeb energie na vytápění a přípravu teplé vody v závislosti na postupných úpravách v rodinném domě
Fig. 1 Comparison of the ratio of the energy demand for heating and hot water preparation depending on the gradual adjustments in the family house

Trend vývoje poměru mezi potřebou tepla pro vytápění a přípravu teplé vody lze ukázat na příkladu rodinného domu, který byl postaven v roce 1995 s celkovou tepelnou ztrátou na vytápění 8,5 kW. Potřeba tepla na vytápění stanovená podle ČSN EN ISO 13 790 [10] je cca 18 900 kWh/rok. Při průměrné potřebě teplé vody cca 40 l/osobu∙den a poměrné ztrátě rozvodů teplé vody ve výši cca 20 % je roční potřeba tepla pro přípravu teplé vody pro 4 osoby cca 4 200 kWh/rok. Pro stav domu v roce 1995 byla tedy celková potřeba tepla na vytápění a přípravu teplé vody 23 100 kWh/rok. V roce 2005 prošel dům rekonstrukcí s důrazem na zateplení obálky budovy splňující požadavky nízkoenergetického domu. Celková potřeba tepla na vytápění a přípravu teplé vody klesla na 14 300 kWh/rok. V roce 2015 byl v domě instalován systém nuceného rovnotlakého větrání se zpětným získáváním tepla, provedeno další zateplení půdního prostoru a výměna oken (izolační trojsklo s meziskelnou tepelnou fólií). Celková potřeba tepla na vytápění a přípravu teplé vody se snížila na 7 300 kWh/rok. Roční potřeba tepla na přípravu teplé vody však zůstala konstantní, tj. na úrovni 4 200 kWh/rok, a po provedení posledních úprav domu se stala dominantní potřebou tepla. Procentuální vyjádření poměru potřeby tepla na vytápění a přípravu teplé vody v závislosti na postupných úpravách domu ukazuje graf na obr. 1.

Systémy zpětného využití tepla

Je důležité si uvědomit, že zatímco u otopných soustav se využívá čím dál více nízkoteplotních systémů vytápění, u přípravy teplé vody jsme limitováni jak hlediskem komfortu, tak hlediskem hygienickým zakotveným v právních předpisech. Z pohledu technického je nutné zajistit návrh rozvodů teplé vody tak, aby byl splněn požadavek na teplotu vody v odběrném místě (např. umyvadlové baterii). Dle požadavku ČSN EN 806-2 při úplném otevření výtokové armatury nemá nastat, že by teplota vody po uplynutí 30 s u výtokových armatur byla nižší než 60 °C, pokud není v národních nebo místních předpisech uvedeno jinak. V ČR je teplota teplé vody vytékající z výtokové armatury stanovena ve vyhlášce č. 194/2007 Sb. (45 až 60 °C, 45 °C krátkodobě v odběrových špičkách), v ČSN 06 0320 (ve stavbách pro bydlení 50 až 55 °C, opět krátkodobě min. 45 °C) a ČSN 73 6660 (pro ústřední přípravu teplé vody max. 55 °C, vyšší teplota jen u místní přípravy) [2]. Nicméně pro vlastní použití teplé vody ke sprchování, mytí a další potřeby plně dostačuje teplota 40 °C a nižší, s výjimkou umývání nádobí ve dřezu.

Pro vyjádření potenciálu využití zpětného získávání tepla z odpadní vody uvažujme teplotu přiváděné studené vody tSV = 10 °C a teplotu přiváděné teplé vody tTV = 55 °C, které se ve sprchové baterii smísí na teplotu vody pro sprchování v rozsahu tMIX = 38 °C až 43 °C. Pro úspornou sprchu (např. s omezovačem průtoku osazeným ve sprchové hadici) je průtok míchané vody cca 7,5 až 9 l/min. To odpovídá celkové spotřebě vody (míchané) na jednu sprchu 40 až 45 litrů. Při době sprchování cca 5 až 6 minut se potřeba energie na jedno sprchování pro úspornou sprchu pohybuje v rozsahu Q1 = 1,3 až 1,84 kWh. Pro srovnání: např. v DIN 4708 [12] je uvedena potřeba tepla pro sprchovou kabinu se směšovací baterií a úspornou sprchou 1,63 kWh, normální sprchou 3,66 kWh a luxusní sprchou 7,32 kWh. Tato energie, která je do přípravy teplé vody vložena, se většinou již dále nevyužívá a připojovacím potrubím vnitřní kanalizace je po použití ve sprše odvedena mimo dům. V zásadě lze využít dva základní způsoby rekuperace tepla z odpadní vody v připojovacím potrubí kanalizace, a sice lokální systémy rekuperace (viz obr. 2) nebo centrální rekuperaci (viz obr. 3).

Obr. 2 Princip lokální rekuperace odpadní vody ve sprše: a) přímá rekuperace pro směšovací armaturu odběrného místa; b) rekuperace s využitím lokálního zdroje tepla pro přípravu teplé vody. Fig. 2 Principle of the local wastewater recuperation in shower: a) direct recuperation for the mixer fitting of the supply point; b) recuperation using local heat source for hot water preparation
Obr. 2 Princip lokální rekuperace odpadní vody ve sprše: a) přímá rekuperace pro směšovací armaturu odběrného místa; b) rekuperace s využitím lokálního zdroje tepla pro přípravu teplé vody
Fig. 2 Principle of the local wastewater recuperation in shower: a) direct recuperation for the mixer fitting of the supply point; b) recuperation using local heat source for hot water preparation

Lokální rekuperace znamená přímé využití odpadní vody u jednotlivých zařizovacích předmětů. Zařízení (rekuperační výměník) využívá aktuálního průtoku odpadní vody k předehřevu studené vody. Předehřátá studená voda je pak přiváděna přímo do směšovací baterie v daném odběrném místě (viz obr. 2a). Znamená to, že takový systém lze využít tam, kde dochází současně jak k odběru teplé a studené vody, tak i k odtoku odpadní vody do kanalizačního potrubí. Typickým odběrným místem je sprcha vybavená termostatickou sprchovou baterií s možností nastavení konstantní výstupní teploty vody pro sprchování. Tyto výměníky se nejčastěji instalují přímo na připojovacím potrubí kanalizace [3] nebo např. na odpadním (svislém) potrubí [4].

Další možností je využití předehřáté studené vody nejen ve směšovací baterii odběrného místa, ale i v okruhu zdroje tepla pro přípravu teplé vody (obr. 2b). Nevýhodou zapojení podle obrázku 2b je, že v případě napojení více odběrných míst na jeden zdroj tepla pro přípravu teplé vody je toto schéma složitější a je nutné vzít v úvahu i tlakové poměry v potrubí při nesoučasnosti používání odběrných míst. I tak platí, že lokální rekuperace je přímo vázaná na průtok vody odběrným místem se současným průtokem odpadní vody v připojovacím potrubí kanalizace.

Obr. 3 Princip centrální rekuperace s akumulací pro jednu bytovou jednotku. Fig. 3 Principle of the central recuperation with an accumulation for one dwelling unit
Obr. 3 Princip centrální rekuperace s akumulací pro jednu bytovou jednotku
Fig. 3 Principle of the central recuperation with an accumulation for one dwelling unit

Naproti tomu centrální rekuperace, např. s využitím akumulační nádrže (viz obr. 3), nabízí možnost rekuperace tepla pro více zařizovacích předmětů v objektu (sprchy, vany, umyvadla, pračky, myčky apod.) a zároveň oddělit dobu odtoku odpadní vody od doby přítoku předehřáté vody (nesoučasnost zpětného využití tepla). Základní nevýhodou použití takového zařízení je nutnost rozdělit kanalizační potrubí v domě na tzv. šedou a černou vodu podle definice ČSN EN 12056-2 [11]. Tzv. šedá voda je odpadní splašková voda, která neobsahuje fekálie a moč. To přináší navýšení investice ve fázi výstavby domu a také nutnost řešení vhodné dispozice domu, a to i s ohledem na minimalizaci hlukových projevů odpadního potrubí v domě [6]. Konstrukční řešení akumulační nádrže musí umožňovat pravidelné čištění a vypouštění případných kalů a nečistot. Další nevýhodou je také nutnost dostatečného prostoru pro umístění akumulační nádrže v domě, včetně případného návrhu tepelné izolace na odpadní potrubí.

Teoretický rozbor

Základním kritériem pro hodnocení zpětného získávání tepla je účinnost sdílení tepla výměníku η, která se obecně stanoví jako:

vzorec 2 (2)
 

kde je

skutečně přenesený tepelný výkon výměníku na straně předehřevu studené vody [W],
max
maximálně možný přenášený tepelný výkon výměníku [W],
ĊSV
tepelná kapacita průtoku studené vody [W/K],
Ċmin
menší z obou tepelných kapacit průtoku [W/K],
tP
teplota předehřáté studené vody [°C],
tSV
teplota studené vody přivedené do výměníku [°C],
Δtmax
rozdíl teplot obou kapalin na vstupu do výměníku [K].
 

Z dosazení do vztahu vyplývá, že účinnost sdílení tepla v tomto případě bude záviset pouze na poměru rozdílů teplot podle vztahu:

vzorec 3 (3)
 

kde je

SV
objemový průtok studené vody (na primární straně výměníku) [m3/s],
ρSV
hustota studené vody [kg/m3],
cSV
měrná tepelná kapacita studené vody [J/(kg·K)],
tMIX
teplota odpadní vody (vystupující ze sprchové baterie = přiváděná z odpadu do výměníku) [°C].
 

Při známé účinnosti rekuperačního výměníku, např. z experimentálního měření, lze tedy stanovit teplotu předehřáté vody na vstupu do termostatické baterie pro sprchu (viz zapojení na obr. 2a). Zvýšená teplota studené vody přímo ovlivňuje přítok teplé vody TV o teplotě tTV ze zdroje teplé vody (zásobník, kotel, výměníková stanice, rozvod teplé vody) pro dosažení požadované teploty tMIX za termostatickou baterií, a to podle vztahu:

vzorec 4 (4)
 

kde je

MIX
požadovaný objemový průtok teplé vody vystupující z baterie [m3/s].
 

Z rovnice je přímo patrné, že v nedosažitelném případě se 100% účinností výměníku a zároveň při zanedbání tepelné ztráty odpařováním a tepelné ztráty v počáteční fázi sprchovacího cyklu, kdy dochází k prohřívání sprchové vaničky, by nebylo zapotřebí žádného přítoku teplé vody, jakmile by jednou odpadním potrubím odtekla voda o požadované teplotě.

Vyhodnocení poměrné úspory tepla nasazením rekuperačního výměníku lze vyjádřit na základě kalorimetrické rovnice. Stanoví se množství tepla dodaného v teplé vodě pro dosažení požadované teploty tMIX s instalovaným rekuperačním výměníkem QS (při účinnosti η) a bez rekuperačního výměnku QBez (při účinnosti η = 0) pro případ zapojení dle obr. 2a s použitím příslušných průtoků teplé vody TV stanovených podle vztahu (4):

vzorec 5 (5)
 

vzorec 6 (6)
 

kde je

Δτ
doba přítoku teplé vody (doba sprchování) [s].
 

Úspora tepla ΔQ je rozdíl mezi množstvím tepla dodaného pro sprchu bez instalovaného rekuperačního výměníku a s instalovaným výměníkem. Vztažením úspory tepla k množství tepla dodaného bez použití výměníku lze vyjádřit poměrnou (bezrozměrnou) úsporu tepla:

vzorec 7 (7)
 

která je závislá pouze na průtocích teplé vody přitékajících do sprchové termostatické baterie.

Dosazením rovnice (4) do rovnice (7) pak lze poměrnou úsporu tepla vyjádřit přímo v závislosti na účinnosti sdílení tepla výměníku a okrajových teplotních podmínkách jako:

vzorec 8 (8)
 

Obr. 4 Poměrná úspora tepla v závislosti na účinnosti rekuperace a teplotě teplé vody. Fig. 4 Relative heat saving depending on the recuperation efficiency and hot water temperature
Obr. 4 Poměrná úspora tepla v závislosti na účinnosti rekuperace a teplotě teplé vody
Fig. 4 Relative heat saving depending on the recuperation efficiency and hot water temperature
Obr. 5 Schéma zapojení měřicí trati: K – elektrický průtokový ohřívač Stiebel Eltron DHE SLi; m³ – ultrazvukový průtokoměr Qheat 5; NELA – rekuperační výměník; TV – termostatická sprchová baterie. Fig. 5 Experimental track diagram: K – electric flow water heater Stiebel Eltron DHE SLi; m³ – ultrasonic flowmeter Qheat 5; NELA – recuperative heat exchanger; TV – thermostatic shower mixer
Obr. 5 Schéma zapojení měřicí trati: K – elektrický průtokový ohřívač Stiebel Eltron DHE SLi; m3 – ultrazvukový průtokoměr Qheat 5; NELA – rekuperační výměník; TV – termostatická sprchová baterie
Fig. 5 Experimental track diagram: K – electric flow water heater Stiebel Eltron DHE SLi; m3 – ultrasonic flowmeter Qheat 5; NELA – recuperative heat exchanger; TV – thermostatic shower mixer
Obr. 6 Rekuperační výměník NELA. Fig. 6 Recuperative heat exchanger NELA
Obr. 6 Rekuperační výměník NELA
Fig. 6 Recuperative heat exchanger NELA
Obr. 7 Grafická závislost účinnosti výměníku NELA na teplotě t dolní index MIX a průtoku sprchovou hlavicí, zapojení dle obr. 2a. Fig. 7 Plot of the dependence of the NELA heat exchanger efficiency on the temperature t MIX and flow through the showerhead, connection according to Fig. 2a
Obr. 7 Grafická závislost účinnosti výměníku NELA na teplotě tMIX a průtoku sprchovou hlavicí, zapojení dle obr. 2a
Fig. 7 Plot of the dependence of the NELA heat exchanger efficiency on the temperature tMIX and flow through the showerhead, connection according to Fig. 2a

Závislost poměrné úspory tepla na účinnosti rekuperačního výměníku a teplotě teplé vody ukazuje obr. 4, který platí pro požadovanou teplotu teplé vody na výstupu ze sprchové baterie 40 °C a teplotu studené vody 10 °C. Úspora energie instalací rekuperačního výměníku není rovna jeho účinnosti (pokud není zrovna 100 %), ale je významně nižší, navíc je závislá na teplotě přiváděné teplé vody. Například pro teplotu teplé vody 55 °C bude v případě rekuperačního výměníku s účinností 50 % (při daných okrajových podmínkách) poměrná úspora pouze 25 %.

Experimentální měření rekuperačního výměníku

V laboratořích ČVUT v Praze na Ústavu techniky prostředí byla sestavena měřicí trať dle schématu na obr. 5. Trať je osazena ultrazvukovými průtokoměry Qheat 5, teplotními čidly KSTz Pt100 a je napojena přes měřicí ústřednu Ahlborn 3290 na PC. Zpracování naměřených dat probíhá v softwaru AMR Control a prostředí MS Excel. Měřen byl výměník s označením NELA (viz obr. 6) [3], zapojený dle schématu na obr. 2a. Certifikaci rekuperačních výměníků je možné provádět např. dle PHi (Passive House Institute) [5]. Ta zavádí okrajové podmínky pro zkoušení rekuperačních výměníků. Metodika stanovuje pro vyhodnocení teplotu tMIX = 40 °C a objemový průtok VMIX = 8 l/min. Měření realizovaná v laboratoři probíhala pro různé průtoky míchané vody VMIX = 4 až 17 l/min s krokem 0,5 l/min a pro různé teploty míchané vody tMIX = 30 až 42 °C s krokem 2 K a zahrnovala tak i požadavky PHi. Po nastavení požadovaného průtoku míchané vody a ustálení teploty míchané vody byly odečítány hodnoty jednotlivých teplot v intervalu 10 s. Průtoky studené, teplé a míchané vody byly odečítány v intervalu 1 minuty. Jeden měřicí cyklus trval 10 minut.

Vyhodnocení měření je znázorněno na obr. 7. Experiment potvrdil, že s klesajícím průtokem sprchovou hlavicí (tj. průtokem vody v odpadním potrubí) účinnost výměníku roste. To je dáno tím, že při nižším průtoku VMIX zároveň výrazně klesá průtok studené vody VSV v rekuperačním výměníku (zapojení dle obr. 2a) a teplota předehřáté vody tp roste, výměník je potom svou plochou předimenzovaný. Předmětem dalšího výzkumu bude zjištění závislosti účinnosti rekuperace na průtoku VMIX dle zapojení obrázku 2b, kdy je průtok studené vody VSV v rekuperačním výměníku stejný jako průtok odpadní vody VMIX. Pro vyhodnocení k certifikaci dle PHi je možné z obr. 7 odečíst účinnost výměníku η = 35,3 %. To řadí tento výrobek podle tab. 1 do hodnocení phC – certifikovatelný výrobek dle PHi.

Tab. 1 Hodnocení výrobků pro zpětné využití odpadního tepla dle PHi
Tab. 1 Rating of the products for waste heat recovery according to the PHi
ηstationär [%]KlasifikaceOznačení
≥ 60phA+Velmi pokročilý výrobek
≥ 50phAPokročilý výrobek
≥ 40phBZákladní výrobek
≥ 30phCCertifikovatelný výrobek
< 30Necertifikovatelný výrobek

Další měření bylo provedeno pro úpravu výšky umístění nerezového výměníku ode dna plastové vaničky s ohledem na měřenou výšku hladiny vody ve výměníku a úpravu vtoku odpadní vody do vaničky rekuperačního výměníku. (Pozn.: Bez bližších informací.) Výsledky, resp. změnu účinnosti, je možné odečíst z obr. 8, ve kterém jednotlivé křivky ohraničují rozsahy účinnosti η pro teploty tMIX od 30 až do 42 °C. Z pohledu srovnání se standardním provedením výměníku NELA došlo těmito relativně jednoduchými úpravami ke zlepšení účinnosti výměníku pro hodnocení dle PHi z původních 35,3 % na 40,8 %, což posouvá tento výrobek do hodnocení phB – základní výrobek.

Na obr. 9 je uvedena grafická závislost poměrné úspory tepla rekuperačního výměníku NELA ve standardním provedení a po úpravě. Pro objemový průtok VMIX = 8 l/min je možné odečíst poměrnou úsporu tepla ΘZZT v rozsahu od 12,0 do 13,2 % pro standardní provedení a v rozsahu od 14,5 do 15,3 % po úpravě.

Obr. 8 Grafická závislost účinnosti výměníku NELA na teplotě t dolní index MIX a průtoku sprchovou hlavicí, zapojení dle obr. 2a – porovnání provedených úprav pozice výměníku v plastové vaničce.Fig. 8 Plot of the dependence of the NELA heat exchanger efficiency on the temperature t MIX and flow through the showerhead, connection according to Fig. 2a – comparison of the executed adjustment of the heat exchanger position in the plastic tank
Obr. 8 Grafická závislost účinnosti výměníku NELA na teplotě tMIX a průtoku sprchovou hlavicí, zapojení dle obr. 2a – porovnání provedených úprav pozice výměníku v plastové vaničce
Fig. 8 Plot of the dependence of the NELA heat exchanger efficiency on the temperature tMIX and flow through the showerhead, connection according to Fig. 2a – comparison of the executed adjustment of the heat exchanger position in the plastic tank
Obr. 9 Grafická závislost poměrné úspory tepla Θ dolní index ZZT výměníku NELA na průtoku. Fig. 9 Plot of the dependence of the relative heat saving Θ ZZT of the heat exchanger NELA on the flow rate
Obr. 9 Grafická závislost poměrné úspory tepla ΘZZT výměníku NELA na průtoku
Fig. 9 Plot of the dependence of the relative heat saving ΘZZT of the heat exchanger NELA on the flow rate

Návratnost rekuperačního výměníku

Obr. 10 Vývoj průměrné ceny tepla vč. DPH pro konečného spotřebitele v ČR (zdroj: www.eru.cz). Fig. 10 Development of the average price of heat incl. VAT for final costumer in the Czech Republic (source: www.eru.cz)
Obr. 10 Vývoj průměrné ceny tepla vč. DPH pro konečného spotřebitele v ČR (zdroj: www.eru.cz)
Fig. 10 Development of the average price of heat incl. VAT for final costumer in the Czech Republic (source: www.eru.cz)
Obr. 11 Doba návratnosti instalace rekuperačního výměníku typ NELA. Fig. 11 Payback period of the NELA recuperative heat exchanger installation
Obr. 11 Doba návratnosti instalace rekuperačního výměníku typ NELA
Fig. 11 Payback period of the NELA recuperative heat exchanger installation

Otázkou je, zda při relativní nízké hodnotě poměrné úspory tepla může být investice do systému zpětného získávání tepla z odpadní vody návratná. Pro srovnání je uvažováno pouze s cenou sprchového výměníku (cca 6 800 Kč) a termostatické sprchové baterie (cca 2 500 Kč). Pořizovací náklady na připojení potrubí studené vody a kanalizace jsou zanedbány, neboť jsou srovnatelné s konvenčním zapojením sprchového koutu bez výměníku.

Cena tepla je samozřejmě závislá na typu zdroje tepla. Pro vyhodnocení ekonomické návratnosti instalace výměníku NELA bylo uvažováno s průměrnou cenou tepla pro konečné spotřebitele v ČR dle Energetického regulačního úřadu. Na obr. 10 je znázorněna cena tepla za období od roku roku 2006 do roku 2014. Průměrný meziroční nárůst ceny tepelné energie je cca 4,6 %, přičemž průměrná cena tepla pro konečného spotřebitele byla v roce 2014 v ČR cca 570 Kč/GJ. Uvedená cena tepla a meziroční nárůst byly použity v dalších výpočtech.

V příkladu je uvažováno s rodinou o počtu 4 osob, kdy četnost sprchování je 1 sprcha/os.den. Průtok sprchovou hlavicí je vypočítán z potřeby tepla na sprchu a průměrné doby sprchování (viz tab. 2). Průběh poměrné úspory tepla pro standardní provedení výměníku NELA a po jeho úpravě je znázorněn na obr. 9. Doby návratnosti pro jednotlivé případy je možné predikovat dle grafu na obr. 11.

Z obr. 11 je vidět, že doba návratnosti výrazně závisí na množství odebraného tepla ve sprše. Zatímco při úsporném režimu (tj. 1,47 kWh/sprchu) by byla doba návratnosti průměrně mezi 7,5 až 11 lety (dle investice), tak u luxusní sprchy (tj. 7,33 kWh/sprchu) by se doba návratnosti pohybovala okolo 3 až 4,5 let. Pro normální sprchu lze odečíst průměrnou dobu návratnosti okolo 5 až 7 let.

Tab. 2 Okrajové podmínky pro stanovení doby návratnosti instalace rekuperačního výměníku s termostatickou sprchovou hlavicí (tTV = 55 °C, tSV = 10 °C, 4 osoby = 4 sprchy/den)
Tab. 2 Boundary conditions for the payback period determination of the recuperative heat exchanger installation with the thermostatic shower head (tTV = 55 °C, tSV = 10 °C, 4 people = 4 showers/day)
Typ sprchyPotřeba tepla
[kWh/sprchu]
Potřeba tepla
[kWh/rok]
Průtok sprchovou hlavicí VMIX
[l/min]
Doba sprchování Δτ
[min/sprcha]
Poměrná úspora tepla ΘZZT
[%] (obr. 9)
Úsporná sprcha1,472 1506715,0–17,0
Normální sprcha3,565 200128,510,5–11,5
Luxusní sprcha7,3310 7002010,58,0*–9,0*
*odhad dle trendu křivek na obr. 9

Příklad byl zpracován pro běžný rodinný dům obsazený 4 osobami. Je zřejmé, že doba návratnosti výrazně závisí na odebraném množství tepla při sprchování a počtu sprchových cyklů. To znamená, že např. pro ubytovací zařízení (hotely, penziony, studentské koleje, autokempy apod.) by s rostoucím počtem využívaných sprch výrazně klesala doba návratnosti, naopak u rodinných domů vybavených například vanou bude při méně častém použití sprchy doba návratnosti vyšší.

Závěr

Je zřejmé, že při současném trendu snižování potřeby tepla na vytápění roste význam ostatních energií potřebných pro provoz domu. Do popředí zájmu tak vystupuje potřeba tepla pro přípravu teplé vody, která se může pohybovat v rozmezí od 50 do 70 % z celkové potřeby tepla v domě. Jednou z možností, jak snížit energetickou náročnost přípravy teplé vody, je využití rekuperace tepla z odpadní vody. Příspěvek ukázal, jakých úspor lze dosáhnout relativně jednoduchým a levným zařízením. Kromě uvedených energetických úspor a ekonomické návratnosti je nutné u takovýchto systémů zdůraznit také dva možné problémy. V případě návrhu centrální rekuperace s možností využití odpadní vody od více zařizovacích předmětů je nutností oddělená kanalizační síť v domě pro šedou a černou vodu. Druhým možným problémem je čištění takových rekuperačních systémů. V případě použití jednoduchého deskového výměníku jako lokálního rekuperátoru je z praxe ověřeno, že tyto problémy jsou minimální a jsou srovnatelné se stejnou potřebou čištění jako např. u zápachové uzávěry sprchy.

Poděkování

Tato práce vznikla za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605. Autoři děkují firmě Ivan SAKAL – Technologie pro úspory energie za spolupráci a pomoc při návrhu a technickém řešení měřicí trati v laboratořích Ústavu techniky prostředí.

Použité zdroje

  1. VAVŘIČKA, R. Metody návrhu zásobníku teplé vody – 1. část. Vytápění, větrání, instalace. 2011, č. 3, s. 108–112. ISSN 1210-1389.
  2. VRÁNA, J. Nová evropská norma ČSN EN 806-2 pro navrhování vnitřních vodovodů (I). In: TZB-Info [online] [31. 10. 2005]. Dostupné z: http://www.tzb-info.cz/2817-nova-evropska-norma-csn-en-806-2-pro-navrhovani-vnitrnich-vodovodu-i
  3. Firemní podklady. Ivan SAKAL – Technologie pro úspory energie. Dostupné z: http://sakal-ovt.cz/cs/
  4. Firemní podklady. ReTherm. Dostupné z: www.retherm.com
  5. Passivhaus Institut (PHi). Darmstadt, Germany. 2015. Dostupné z:
    http://www.passiv.de/downloads/03_zertifizierungskriterien_ww_wrg_de.pdf
  6. KUČERA, R. Hodnocení hluku v bytové zástavbě. Topenářství, instalace. 2014, č. 5, s. 28–34. ISSN 1211-0906.
  7. LERL, Z. Stanovení účinnosti ZZT. Vytápění, větrání, instalace. 2015, č. 3, s. 134–136. ISSN 1210-1389.
  8. ZMRHAL, V., DUŠKA, M. Potřeba energie pro větrání obytných budov. Vytápění, větrání, instalace 2012, č. 1, s. 2–7. ISSN 1210-1389.
  9. HEMZAL, K. ZZT – známé principy v nových aplikacích. Vytápění, větrání, instalace. 2004, č. 4, s. 143–145. ISSN 1210-1389.
  10. ČSN EN ISO 13 790: 2009. Energetická náročnost budov – Výpočet spotřeby energie na vytápění a chlazení.
  11. ČSN EN 12 056-2: 2001. Vnitřní kanalizace – Gravitační systémy – část 2: Odvádění splaškových odpadních vod – Navrhování a výpočet.
  12. DIN 4708 – Zentrale Wassererwärmungsanlagen, 1994; part 1 – Begriffe und Berechnungsgrundlagen; part 2 – Regeln zur Ermittlung des Wärmebedarfs zur Erwärmung von Trinkwasser in Wohngebäuden; part 3 – Regeln zur Leistungsprüfung von Wassererwärmern für Wohngebäude.
 
English Synopsis
Heat Recovery in the Field of Hot Water Preparation

The article deals with possibilities of using heat from waste water discharged by outlet pipes of house appliances. The first section describes the basic possibilities of the local heat recovery (recuperation), used mainly in showers and shower baths. Theoretical analysis of the efficiency and related achievable savings is supported by an experimental measurement of a selected type of recuperative heat exchanger. The results of the measurement are compared with the classification according to the Passive House Institute. In addition to the efficiency and energy savings achieved by deploying the recuperative heat exchanger, the economic return of the specific heat exchanger is also determined for different boundary conditions.

 

Hodnotit:  

Datum: 21.11.2016
Autor: Ing. Roman Vavřička, Ph.D., ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí   všechny články autoradoc. Ing. Tomáš Matuška, Ph.D., Univerzitní centrum energeticky efektivních budov, ČVUT v Praze   všechny články autora Organizace: Časopis Vytápění, větrání, instalaceRecenzent: doc. Ing. Mojmír Vrtek, Ph.D.



Sdílet:  ikona Facebook  ikona Twitter  ikona Google+  ikona Linkuj.cz  ikona Vybrali.sme.skTisk Poslat e-mailem Hledat v článcíchDiskuse (žádný příspěvek, přidat nový)


Projekty 2017

Partneři - Příprava teplé vody

logo FV PLAST
logo TATRAMAT
logo REFLEX

Partneři - Voda, kanalizace

logo MEA
logo NICOLL ČR
logo GRUNDFOS
logo ASIO
logo AUSTRIA EMAIL
logo WAVIN EKOPLASTIK
 
 

Aktuální články na ESTAV.czJak bezpečněji bydlet se dozvěděli účastníci konference ESTAV.czDruhý den právní poradny zdarma na stánku ESTAV.czJaké jsou nejlepší výrobky a stánky na veletrhu FOR ARCH 2017? A kdo je architektem roku?Dotace na využívání dešťové vody stát přerozděluje i po 14 dnech