Příprava teplé užitkové vody - zásady návrhu

Úvod do terminologie

Termín "teplá užitková voda" (zkráceně TUV) nám velmi moudře a předvídavě odkázali naši dědové, neboť věděli, že jakkoli se většinou připravuje TUV ze studené pitné vody, přestává být po ohřátí (po průchodu ohřívačem) vodou pitnou. Někdy navrhovaná změna termínu "teplá užitková voda" za termín "teplá voda" musí nutně u profesisty vyvolat obavu a zmatek z toho, že bude nový termín zaměňován za termín "teplá voda" používaný u teplovodního vytápění. Termín "teplá voda" ve vytápění je opět moudře léta používán, neboť velmi přesně vymezuje odlišnost od "horké vody" u horkovodního vytápění. Ne ve všech jazycích je takto přesně pro techniky a laiky specifikováno. Přejímání evropských norem nás nezavazuje k tomu, abychom si v českých termínech přestávali rozumět, ba právě naopak.

Teplá užitková voda slouží k užívání, neboť uživatel ji odebere, užije ji a tím její existence končí a mohl by v nejhorším případě být termín upraven na "teplou uživatelskou vodu".

Teplá voda ve vytápění stále koluje v systému, bývá ochlazována, ale zůstává teplá a rozumného člověka nenapadne, aby ji užíval.

Stávající termíny, domnívám se, jsou prosté, přesné i srozumitelné. Dále je proto používán termín "teplá užitková voda".

Aktuálně k terminologii: výběr z legislativy.

Část 1.
Návrh zásobníkového ohřevu TUV

1. Úvod
Zásobníková příprava TUV je nejpůvodnější příprava užitkové vody. Platí obecně známé pravidlo, že nerovnoměrnost v dodávce tepla s odběrem tepla je vyrovnána zásobníkem. V čase, kdy zdrojem tepla byl obtížně regulovatelný kotel na tuhá paliva, bylo používání teplovodního zásobníku dokonce nutnou podmínkou při přípravě TUV. Odběr TUV je, jak je obecně známo, také nerovnoměrný. Smysl návrhu zásobníkového ohřevu TUV spočívá v návrhu objemu teplovodního zásobníku v závislosti na době, po kterou bude v zásobníku voda ohřívána a z toho pak plyne velikost výkonu zdroje pro ohřev TUV.

2. Grafické vyjádření odběru TUV
a) Teoretický rovnoměrný odběr
Nejlépe se určuje velikost dodávaného i odebíraného tepla na přípravu TUV v časové závislosti. Pro představu je na obr. 1 naznačen rovnoměrný odběr TUV během celého dne, tedy po dobu 24 h. Simuluje to ideální stav, kdy spotřebujeme stálé množství vody, na jejíž ohřátí potřebujeme za 1 hodinu např. 10 kWh tepla a z toho tedy výkon na ohřátí (Q_D) je roven výkonu v odebrané TUV (Q_o) a platí:

Q_D = Q_o = 10 kW.

Obr. 1 - Graf rovnoměrného průběhu odběru a dodávky tepla pro přípravu TUV po dobu 24 h

Za 24 hodin je pak celkové dodané teplo (E_D) rovno odebranému teplu (E_o) a platí:

E_D = E_o = 24 . Q_D = 24 Q_o = 24 . 10 = 240 kWh

Obr. 2 - Příklad vteřinového průběhu odběru TUV u bytového domu za 24 h

b) Měřený odběr TUV
Na obr. 2 je vynesen měřený odběr TUV u bytového domu, jako příklad nerovnoměrnosti odběru uvedený v podrobnosti vteřinového průtoku. Z jednoduchého rozboru z obr. 2 vyplývá, že špičkový odběr s průměrným vteřinovým průtokem 2,8 l/s je dosahován v době od 19 h do 20 h, tedy v časovém úseku 1 h.

Zjednodušíme-li a zprůměrujeme tento špičkový hodinový odběr vody, dostáváme:

V_V = 2,8 . 3 600 = 10 800 l/h

Není-li dostatečně dimenzován topný zdroj na ohřátí tohoto objemu vody během odběru TUV, je nutné mít připravenou v zásobníku teplou užitkovou vodu v nějakém množství, podle výkonu zdroje tak, aby tento extrémní odběr byl dodávkou tepla pokryt.

c) Doporučený průběh odběru TUV

Pro bytové domy je někdy doporučována odběrová křivka v podobném tvaru, jaký uvádí obr. 3. Křivka byla upravena tak, aby do stejného denního odběru tepla 240 kWh (jako u obr. 1) byl průběh rozdělen na časové úseky (tab. 1).

Obr. 3 - Příklad grafu odběru tepla u bytového domu

Časový úsek	V době od/do (h)	Celkem hodin	Výkon Qo (kW)	Odběr tepla Eo (kWh)
1	0 až 17	17	2,5	42,5
2	17 až 20	3	52,5	157,5
3	20 až 24	4	10	40
Celkem	0 až 24	24	-	240

Tab. 1

3. Dodávka tepla a velikost zásobníku
a) Dodávka tepla bez zásobníku
V případě, že výkon zdroje by byl plynule regulovatelný, pro náš případ podle obr. 3, v mezích regulovatelnosti výkonu od 2,5 kW do 52,5 kW, pak by teoreticky pokrýval přesně odběr tepla tak, jak je uveden na obr. 3.

Znamená to, že by výkon zdroje byl:

v úseku 1	QD1 = 2,5 kW
v úseku 2	QD2 = 52,5 kW
v úseku 3	QD3 = 10 kW

Takto by byla pokryta přesně spotřeba tepla v jednotlivých úsecích 1 až 3 v průběhu dne. Zdálo by se, že z diagramu na obr. 3 lze navrhnout ohřev TUV bez zásobníku, tedy průtokový ohřev. To je však hrubý omyl, neboť při návrhu velikosti kotle i pro největší výkon, který vychází v úseku 2 (Q_D2 = 52,5 kW), bude kotel hluboce poddimenzován. Výkon pro průtočný ohřev nelze provádět ze zjednodušeného hodinového odběru TUV, resp. hodinového odběru tepla. Pro průtočný ohřev TUV je nutné vycházet ze vteřinového špičkového odběru TUV, jak se u nás odjakživa takový návrh vždy prováděl a jak bude popsán v části 2. tohoto příspěvku v příštím čísle ČI.

b) Konstantní dodávka tepla v průběhu dne
Na základě předchozího obr. 3 je naznačeno na obr. 4 řešení, které je někdy převzato nesprávně z normových doporučení pro návrh zásobníkové přípravy TUV. Ohřev je řešen jednoduše konstant. výkonem, např. Q_D = 10 kW po celých 24 hodin s tím, že čára odběru tepla nepřevyšuje čáru konstantní dodávky tepla.

Obr. 4 - Příklad rovnoměrné dodávky tepla s výkonem 10 kW na ohřev TUV podle odběru tepla z obr. 3

V úseku 1, kde je odběr tepla konstantním výkonem Q_o1 = 2,5 kW, se dodané teplo výkonem 10 kW musí ukládat do vody v teplovodním zásobníku.

Množství vody v teplovodním zásobníku musí být takové, aby za každou hodinu po dobu 0 až 17 h bylo schopné přijmout tepelný výkon 7,5 kW (10 - 2,5). V 17 hodin na konci úseku 1 bude v zásobníku uloženo množství tepla:

E_t = 17 . 7,5 = 127,5 kWh.

Výška úsečky od bodu 1 do bodu 2 v grafu na obr. 4, tj. od čáry odběru k čáře dodávky tepla v 17 hodin toto množství tepla jasně vymezuje. V zásobníku je naakumulované teplo pro pokrytí zvýšeného odběru vody v časovém úseku 2 (od 17 do 20 h), kdy se zároveň dodává teplo přes zásobník k přímému odběru Q_D = 10 kW.

Pro takto zvolený případ dodávky tepla se stanoví velikost zásobníku podle dodaného tepla do zásobníku (E_t) ze vztahu:

E_t = V_t . c_v . (t_t - t_s)     (Wh)                     (1)

Volíme-li:
- teplotu studené vody t_s = 10 °C,
- teplotu teplé vody t_t = 55 °C,
- měrnou tepelnou kapacitu vody c_v = 1,163 Wh/kgK,

pak dosazením do vztahu (1) dostaneme velikost zásobníku

Malým výkonem, kterým je v průběhu časového úseku 1 dodáváno teplo do zásobníku, vychází nereálně objemný zásobník.

c) Přerušovaná dodávka tepla s větším výkonem
Zvolíme-li pro stejný průběh odběru tepla na přípravu TUV tak, jak je u obr. 3, teplovodní zásobník s přibližně třetinovým obsahem tepla, je logické, že musíme pro ohřev vody v zásobníku, sloužícímu pro odběrovou špičku v časovém úseku 2, zajistit vyšší výkon zdroje. Pro instruktivnost byl zvolen zásobník s tepelným obsahem E_t = 40 kWh.

Zidealizujeme opět pro přehlednost, že tento zásobník v čase 0 (na počátku časové osy) je zplna nabit teplem. V průběhu prvního časového úseku odběru je zásobník vybíjen výkonem Q_o = 2,5 kW až do bodu 1 - průniku vodorovné přímky E_t = 40 kW s přímkou odběru. Dochází k tomu v 16 h, kdy zásoba tepla E_t je ze zásobníku teoreticky odebrána. Má-li zásobník sloužit k tomu, aby zásoba tepla se právě ve 20 h spotřebovala, musí čára dodávky tepla být jednoduše dána výkonem:

Q_D = (200 - 80) : 4 = 30 kW

Obr. 5 - Příklad přerušované dodávky tepla s výkonem Q_D = 30 kW (obsah tepla v zásobníku 40 kWh)

Nabíjení zásobníku tímto výkonem musí nutně být v předstihu před 16 h. Počátek nabíjení určí např. teploměr v závislosti na dosažení hladiny teploty, např. při 55 °C, kdy v zásobníku zůstává tepelný obsah E_Z (viz obr. 7). Na diagramu v obr. 5 je velikost svislé úsečky E_Z vyznačena pod průnikem v bodě 1.

Topný zdroj s výkonem 30 kW nabíjí zásobník, při současném odběru, po dobu 5 h 20 min, tj. od 14.40 do 20 h, kdy je ze zásobníku odebráno veškeré teplo.

Po 20 h není další dobíjení zásobníku při současném odběru TUV pro komplikovanost s výkladem řešeno. Pro přerušovanou dodávku tepla zvýšeným výkonem bude velikost zásobníku stanovena použitím vztahu (1) následovně:

Jak je patrné, zvýšením výkonu pro dodávku tepla se snižuje objem zásobníku.

Obr. 6 - Schéma zásobníkového ohřevu TUV ze zdroje A - Rovnoměrná dodávka tepla v průběhu dne s malým výkonem - dle diagramu na obr. 4 B - Přerušovaná dodávka tepla s větším výkonem - podle diagramu na obr. 5

4. Hodnocení volby velikosti zásobníku
a) Volba velikosti u konstantní plynulé dodávky tepla
Při malém výkonu se naplňuje teplem velký objem zásobníku. O tom, jak nevýhodné jsou velké objemy teplovodních zásobníků, se dlouhá desetiletí vedly diskuse a upozorňovalo se na cenu materiálu, izolace, vyšší tepelné ztráty, složitější dopravu, montáž, dispoziční problémy, zatěžování konstrukcí, hygienu atd.

Malý výkon k ohřívání vody je mnohdy jen těžko zajistitelný. Na obr. 6A je ukázka vazby zdroje malého výkonu k velkoobjemnému zásobníku při malé teplosměnné ploše - rovněž malého výkonu. Systém je použitelný u zdrojů, u kterých je výhodná trvalá dodávka tepla, např. u alternativních zdrojů. U elektrického akumulačního ohřevu vody s malým výkonem se tento systém používá pro nabíjení tepla, nejčastěji v době od 22 h do 6 h ráno.

b) Volba zásobníku s malým objemem a přerušovanou dodávkou tepla o vyšším výkonu
Už při používání obtížně regulovatelných kotlů na tuhá paliva se prováděl návrh výkonu pro ohřev vody v zásobníku na dvou až tříhodinovou dobu pro nabíjení. I tato doba bývala předmětem kritiky. S používáním automaticky regulovaných kotlů na ušlechtilá paliva se doba pro nabíjení zásobníků zkracovala a doporučovala se půlhodinová až dvacetiminutová doba pro ohřev vody v zásobníku.

Podle podkladů firmy Hydrotherm z počátku 70. let byl s velmi důmyslným propojením topné centrály kaskádových kotlů zajištěn režim vytápění s vazbou na režim přípravy TUV. Takový způsob přípravy TUV u plynového vytápění byl vyučován zhruba od poloviny 70. let i na stavební fakultě. Výhodnost přípravy TUV v malých teplovodních zásobnících s teplosměnnou plochou o vysokém výkonu se uplatňuje především při paralelním zapojení zásobníkového ohřevu TUV s vytápěním. Je totiž nutné posuzovat při návrhu kotle (kotlů) sloužícího (sloužících) pro vytápění i přípravu TUV podle regulační schopnosti kotle (kotlů) provoz v letním období, kdy kotel slouží pouze pro přípravu TUV.

Např. jeden kotel s atmosférickým hořákem s výkonem 50 kW jen stěží může v létě plynule ohřívat vodu v zásobníku při vypočteném výkonu 10 kW, jak by nám vyšlo podle diagramu na obr. 3.

Při dostatečném výkonu kotle, který máme na přípravu TUV, se křivka dodávky a odběru tepla v úseku 2 mohou k sobě přiblížit i tak, že jsou téměř totožné. Přesto je nutné mít k dispozici zásobník, neboť se nebude jednat o průtočný ohřev. Velikost zásobníku odhadneme podle obr. 2 z desetiminutové nebo dvacetiminutové nerovnoměrnosti v odběru.

Obr. 7 . Schéma regulace vybíjení a nabíjení zásobníku

A - Teploměr spíná nabíjení ve spodní části zásobníku       B - Teploměr spíná nabíjení v horní části zásobníku       C - Teploměr spíná nabíjení a vybíjení zásobníku

5. Zásady nabíjení teplovodních zásobníků
Teplo na ohřev vody v teplovodním zásobníku je dodáváno přes teplosměnnou plochu A_Z, umístěnou ve spodní části zásobníku, po sepnutí topného okruhu teplotním čidlem. Ukončení ohřevu TUV může být řešeno tak, že vratná otopná voda překročí mezní teplotu (neochladí se při předání tepla v zásobníku) a z kotle pak jde výstupní voda nad teplotou povolené meze.

Umístění zapínacího teploměru ve spodní části zásobníku podle obr. 7A je pro případy, kdy je nárazový zvýšený odběr TUV s tím, že voda v zásobníku se už od začátku odběru začíná ohřívat. U klasického řešení zapínání dodávky tepla pomocí teploměru v horní části zásobníku (podle obr. 7B) se zásobník spíná s tím, že do zásobníku je dobíjeno teplo při zbytku tepla E_Z. To je uloženo v objemu vody V_Z a nabíjí se objem zásobníku V_t. Tento případ byl použit u sepnutí nabíjení zásobníku podle diagramu na obr. 5.

Cyklus nabíjení a vybíjení zásobníku, řešený pomocí horního zapínacího teploměru a dolního vypínacího teploměru (dle obr. 7C), je komfortnějším řešením.

Závěr
Uvedená problematika v této první části příspěvku o přípravě TUV bude v dalších číslech časopisu ČI dále rozpracována (v kapitolách - Návrh průtokového ohřevu; Napojení ohřívače na topný zdroj; Rozvod teplé užitkové vody; Měření a regulace teplé užitkové vody).

Část 1. rozhodně nevyjadřuje celou problematiku zásobníkové přípravy TUV. Článek byl napsán proto, že často jsou nesprávně interpretované, třeba i dobře míněné, normové návody pro návrh přípravy TUV, a to zejména od začínajících specialistů, např. i studentů. Většinou je návrh zpracován na počítači pomocí stávajících programů a tím je akcentována jistota správnosti takového návrhu, při kterém vychází neúměrně vysoké objemy zásobníků a neúměrně nízké výkony zdrojů.