Příprava teplé vody v obytných budovách

Zvyšující požadavky na úsporu energií se u budov v posledním desetiletí ubírají zejména směrem ke zkvalitnění tepelně technických vlastností stavebních konstrukcí. Nicméně je třeba si uvědomit, že energie na vytápění není jediný energetický vstup, jaký budova pro zajištění provozu potřebuje. Kromě energie na vytápění je nutné zajistit také energii na přípravu teplé vody, osvětlení, větrání, úpravu vlhkosti a chlazení [3]. V případě rodinných nebo bytových domů vystupuje do popředí zejména energie na vytápění a přípravu teplé vody. Jakým způsobem se měnil v průběhu posledních cca 20 let podíl mezi energií na vytápění a energií na přípravu teplé vody u rodinných domů ukazuje obr. 1.

Obr. 1 vlastně popisuje stav v oblasti výstavby rodinných domů. Rok 1995 představuje původní rodinný dům bez tepelné izolace obvodové konstrukce a s původními okny. Rok 2005 představuje tentýž dům, ale upravený tak aby splnil podmínky nízkoenergetického domu. Rok 2015 pak ukazuje stav, kdy stejný dům jako v roce 1995 projde úpravami na splnění standardu pro pasivní domy. Jak je zřejmé z obr. 1 poměrově se potřeba tepla na vytápění u budov za posledních 20 let výrazně snížila. Podobný trend je vidět i na obr. 2, který představuje měřenou spotřebu tepla na vytápění a přípravu teplé vody u bytového domu mezi roky 2005 až 2014 (jedná se o 6patrový dům se 100 obyvateli v lokalitě Praha). Bytový dům prošel v roce 2007 kompletní rekonstrukcí obvodového pláště a je vidět, že celková spotřeba tepla poklesla po zateplení o cca 40 až 45 %. Ale zatímco v roce 2005 byl podíl z celkového spotřebovaného tepla na vytápění 65 % a přípravy teplé vody 35 %, po rekonstrukci byl např. v roce 2014 tento poměr 45 % na vytápění a 55 % na přípravu teplé vody.

Obr. 1 Potřeba tepla na vytápění a přípravu teplé vody pro rodinný dům

Obr. 2 Průběh podílu potřeby tepla na vytápění a na přípravu teplé vody v bytovém domě (v roce 2007 prošel dům kompletní rekonstrukcí obvodového pláště – výměna oken + instalace tepelné izolace na venkovní fasádu)

Dalším hlediskem pro energetickou bilanci přípravy teplé vody je spotřeba teplé vody. Z pohledu návrhu zdravotně technických instalací, resp. návrhu vodovodu (studené a teplé vody) je rozhodující vyhláška č. 48/2014 Sb. o vodovodech a kanalizacích pro veřejnou potřebu (dříve vyhláška č. 428/2001 Sb.) [4]. Vyhláška č. 48/2014 Sb. uvádí v příloze č. 12 směrnou celkovou roční potřebu vody pro rodinné domy 35 + 1 m³/ osoba‧rok (jedná se o součet potřeby jak studené, tak i teplé vody). Což předpokládá celkovou denní potřebu vody cca 100 l/osoba‧den.

Z pohledu zjištění potřeby pouze teplé vody lze využít buď normu ČSN 06 0320, nebo ČSN EN 15 316-3. Původní česká norma ČSN 06 0320 řeší přípravu teplé vody formou potřeby teplé vody na mytí osob, úklid a vaření. Oproti tomu převzatá evropská norma řeší tzv. specifickou potřebu teplé vody na základě počtu měrných jednotek. Měrnou jednotkou může být jednak osoba, ale také lůžko, jídlo, instalovaná sprcha apod. Základní přehled o potřebě teplé vody dle normy ČSN EN 15 316-3 ukazuje tabulka 1.

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

(1)

kde je

Q_2p

teplo dodané ohřívačem TV [kWh/den],

Q_2t

teplo pro ohřev vody [kWh/den],

Q_2z

teplo ztracené při ohřevu a distribuci TV [kWh/den],

z

poměrná ztráta tepla při ohřevu a distribuci TV [–],

V_2p

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, tepelné izolace zásobníku tepla a v neposlední řadě také na cirkulaci teplé vody, resp. době provozu cirkulace během dne (časové periody). 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].

Z pohledu roční bilance u obytných budov je nutné si uvědomit možný pokles potřeby teplé vody v letních měsících. Důvodem jsou letní dovolené, kdy je nižší počet odběrů teplé vody. Z měření bytových domů vyplývá, že snížení potřeby tepla na přípravu teplé vody se v červenci a srpnu pohybuje minimálně okolo 25 % ve srovnání s běžným dnem v roce. Roční potřeba tepla pro přípravu teplé vody lze tak vyjádřit jako:

Obr. 3 Měsíční spotřeba TV pro čtyři bytové domy za rok 2015 (dům A – 64 bytů, dům B, C a D – 48 bytů)

kde je hodnota 349,5 představuje vyjádření 25% snížení denní potřeby teplé vody pro 62 dní v roce (tj. za měsíc červenec a srpen). Reálné měsíční odběry na několika bytových domech (vybráno z lokalit ve středočeském kraji) ukazuje obr. 3. Snížení spotřeby teplé vody v letních měsících je z obr. 3 zřetelně čitelné.

Obr. 4 Denní průběh spotřeby TV v bytovém domě A za rok 2015

Obr. 5 Kumulativní odběry tepla v TV pro bytový dům A

Průběh denní spotřeby TV – tzv. profil odběru TV poskytuje informace o tom v jakém časovém úseku a v jakém množství je teplá voda spotřebována (obr. 4). Profil odběru teplé vody je tak velice důležitý s ohledem na návrh velikosti zásobníku TV a požadovaný tepelný výkon zdroje tepla (ohřívače TV). Pro lepší přehled se používá tzv. kumulativní křivka odběru. Kumulativní křivka odběru je v podstatě přírůstkově vyjádřený profil odběru TV aproximovaný do několika přímek. Na obr. 5 jsou znázorněny kumulativní odběry tepla v roce 2015 pro bytový dům A. Z obr. 5 můžeme vidět, že nejvyšších hodnot směrnic aproximačních přímek je dosahováno mezi 7:00 až 11:00 a pak mezi 18:00 až 21:00, což odpovídá odběrovým špičkám domu A dle obr. 4.

Pokud posoudíme kumulativní křivky odběru samostatně pro pracovní dny a víkendy (Obr. 5), můžeme vidět jisté rozdíly. Nejvýraznější rozdíl je vidět u kumulativní křivky odběru pro soboty. Rozdíl mezi aproximací sobot a aproximací všech dnů v týdnu dosahuje v tomto případě až 10 %. Je tedy vidět, že víkendový provoz bytového domu vyjadřuje špičkové odběrové hodnoty TV.

Jak předpokládaná potřeba tepla pro přípravu TV (tj. teplo které musí ohřívač dodat) tak i profil odběru (resp. kumulativní křivka odběru tepla v TV) jsou nutné ke správnému návrhu zásobníku teplé vody a stanovení požadovaného tepelného výkonu zdroje tepla (ohřívače TV). Dále uváděné metody návrhu zásobníku teplé vody vycházejí ze standardně používaných metod v ČR. První metoda vychází z řešení kumulativní křivky odběru tepla v TV a požadovaném profilu dodávky tepla do TV. Druhá je odvozena z metodiky DIN 4708 a třetí vychází z principu použití společného zdroje tepla jak na vytápění, tak i pro přípravu teplé vody.

Křivky dodávky a odběru tepla pro TV

Křivka dodávky tepla musí být vždy nad křivkou odběru tepla, jinak by nastal nedostatek tepla pro ohřev vody na požadovanou teplotu. Křivky dodávky a odběru tepla s rostoucím časem neklesají. Sklon tečny k těmto křivkám k časové ose představuje hodnotu tepelného výkonu. Při nulovém výkonu je průběh křivky vodorovný s osou x, při největší strmosti křivky je předpokládaný tepelný výkon maximální. Objem zásobníku TV se stanoví z maximálního rozdílu mezi křivkami dodávky a odběru tepla jako

(3)

kde je

V_z

objem zásobníku [m³],

ΔQ_max

maximální rozdíl tepla mezi Q₁ a Q₂ [kWh].

Obr. 6 Křivky odběru a dodávky tepla s časově omezenou dodávkou tepla do zásobníku TV

Křivku dodávky tepla Q_1p je možné sestavit ve dvou základních variantách. První případ nastává v okamžiku, kdy předpokládáme, že dodávka tepla do zásobníku TV je během jedné časové periody trvalá. V takovém případě se jedná o přímku (spojnici) mezi celkovým dodaným teplem ohřívače za danou periodu Q_2p a počátkem časové periody v bodě 0. Druhý (častější) případ nastává, pokud bychom uvažovali, že využijeme teplo v zásobníku z předchozí časové periody ohřevu TV a dodávka tepla je časově kratší než délka celé periody odběru TV (Obr. 6).

Pro ohřev se zásobníkem se požadovaný tepelný výkon zdroje tepla stanoví jako:

(4)

kde je

P_1n

jmenovitý tepelný výkon ohřevu [kWh],

maximální sklon křivky dodávky tepla v čase [–].

Poměr vyjadřuje maximální sklon tečny k časové ose. V případě přerušovaného provozu v několika různých časových fázích jedné periody ohřevu TV se pro výpočet podle (4) uvažuje maximální hodnota. Z uvedeného postupu tak vyplývá, že pro časově kratší dodávku tepla ze zdroje tepla do zásobníku TV je nutné navrhovat větší objem zásobníku TV, ale také zároveň požadovat vyšší tepelný výkon zdroje tepla než při trvalé dodávce tepla do zásobníku během celé periody odběru TV (Obr. 6). Platí tedy, že pokud bychom měli dostatečně velký zdroj tepla se spojitou regulací tepelného výkonu, bylo by možné navrhnout ohřev TV bez zásobníku, tj. průtočným způsobem.

Návrh dle DIN 4708 [2,7]

Výchozím parametrem pro návrh je definice tzv. „jednotkového bytu“, ve kterém je uvažován tzv. koeficient potřeby N = 1. Koeficient potřeby porovnává násobek N jednotkového bytu k posuzované budově, matematicky můžeme tento poměr vyjádřit jako

(5)

kde je

N

koeficient potřeby [–],

n

počet bytů [–],

p

koeficient obsazenosti, nebo počet osob (tab. 2) [–],

w_V

potřeba tepla odběrných míst [kWh].

Jednotkový byt je definován 4 místnostmi, ve kterém bydlí průměrně 3 až 4 osoby. Koeficient obsazenosti p (Tabulka 2) udává, kolik osob žije skutečně v bytě a jakou mají potřebu teplé vody. Nejsou-li k dispozici skutečné údaje o obsazenosti bytu, použije se průměrná hodnota dle tabulky 2 pro jednotkový byt se 4 místnosti => p = 3,5. Tabulka 2 je vztahována k obytným místnostem jednoho bytu. Vedlejší místnosti, jako např. kuchyň (ne společný kuchyňský kout), komora, chodba, koupelna a vedlejší prostory se do výpočtu nezahrnují. Výjimku tvoří místnosti typu obytné předsíně nebo např. zimní zahrady, které se do výpočtu zahrnují jako 0,5násobek obytné místnosti. V případě výpočtu bytů s převážně jednou nebo dvěma místnostmi se uvažuje koeficient obsazenosti p = 2,5.

Dalším parametrem je definice místa odběru TV. Norma DIN 4708 předpokládá pro návrh zásobníku TV zohledňovat pouze největší spotřebič TV, který bude v daném bytě používán. Při sanitární vybavenosti bytu se v principu rozlišují dva druhy vybavenosti:

1. normální vybavenost bytu (tabulka 3),
2. komfortní vybavenost bytu (tabulka 4).

Normální vybavenost bytu je definována jednou sprchou (nebo vanou), jedním umyvadlem a jedním kuchyňským dřezem. V případě sprchové kabiny se uvažuje hodnota potřeby tepla odběrného místa w_V shodná pro vanu. Ostatní spotřebiče (tj. umyvadlo a dřez) se do výpočtu nezahrnují.

Komfortní vybaveností je definován byt, který má ve větším množství jiná zařízení ve srovnání s normální vybaveností jednoho bytu. Rozdíl oproti bytu s normální vybaveností je v započítávání jednotlivých odběrných míst. Pokud není v bytu s komfortní vybaveností k dispozici žádná vana, ale pouze sprcha, bude pro výpočet použit údaj w_V pro koupací vanu (1600 mm × 700 mm). Má-li byt k dispozici více rozdílných sprchových kabin (tabulka 5), použije se pro výpočet místo sprchové kabiny s největším odběrem koupací vana. Další odlišností je započítávání tzv. „malých spotřebičů“ (bidet, umyvadlo, dřez). V případě osazení bidetu a s tím spojené další instalace více než dvou malých spotřebičů (tj. umyvadla a dřezu) je nutné do výpočtu bidet započítat.

Jednotkový byt má definovánu jednu normální koupelnovou vanu (1600 mm × 700 mm – NB1 – Tab. 5). Potřeba tepla pro ohřev TV pro jednotkový byt (4 místnosti = > p = 3,5 a vanu NB1) je Q_N = p.w_V = 3,5 ∙ 5,82 = 20,37 kWh. S touto hodnotou jsou pak další výpočty porovnávány a vzorec pro stanovení koeficientu potřeby N (5) přejde do tvaru

(6)

Při následném výběru velikosti zásobníku je nutné zohlednit následující požadavky:

1. Koeficient potřeby vybraného typu zásobníku TV N_L musí být minimálně tak velký, jak je velký vypočtený koeficient potřeby N, (tj. N_L ≥ N).
2. Tepelný výkon kotle musí být minimálně tak velký, jako je trvalý tepelný výkon Q_D (údaj výrobce zásobníku TV pro teplotní rozdíl při ohřevu 10/45 °C), potřebný k dosažení koeficientu potřeby zásobníku N_L.

Návrh zohledňující přednostní ohřev TV se společným zdrojem tepla pro vytápění

Obr. 7 Příklad zapojení zdroje tepla s přednostní přípravou TV
Č_OS – oběhové čerpadlo otopného systému, Č_TV – nabíjecí čerpadlo zásobníku TV, EN – expanzní nádoba, K – kotel, PT – dálkové ovládání s čidlem vnitřní teploty, PV – pojistný ventil, 3PV – trojcestný přepínací ventil, V_TV – zásobník TV, t_e – venkovní teplota, t_i – vnitřní teplota, tk – teplota kotlové vody, t_TV – teplota vody v zásobníku TV

V praxi se u rodinných a menších bytových domů velmi často využívá tzv. přednostní příprava TV (Obr. 7). V principu jde o možnost přepnutí celého výkonu zdroje tepla, navrženého pro vytápění, na přípravu TV v akumulačním zásobníku. Výhodou přednostního ohřevu TV je možnost využití maximálního tepelného výkonu zdroje tepla, který je primárně navržen pro otopnou soustavu. Pokud nastane odběr TV ze zásobníku, teplota vody v zásobníku tTV začne klesat. Po dosažení spínací teploty vody t_TVmin v zásobníku, regulace zdroje tepla vypne oběhové čerpadlo otopné soustavy a přepne trojcestný přepínací ventil ve směru nabíjení zásobníku TV. Zároveň zdroj tepla navýší teplotu kotlové vody (obvykle na maximální jmenovitou teplotu např. až 80 °C) a regulace sepne nabíjecí čerpadlo zásobníku TV. V okamžiku, kdy je teplota vody v zásobníku dostačující, regulace celý systém přepne zpět do režimu vytápění. Je tedy zřejmé, že čím bude spínací diference (Δt_TV = X_p = t_TV − t_TVmin) větší, tím bude čas pro dobití zásobníku τ_a delší. Spínací diference se obvykle volí 5 K nebo 10 K podle typu zásobníku TV. Doba potřebná k dohřátí zásobníku TV τ_a by ale neměla být příliš dlouhá, a to proto, aby během přerušení dodávky tepla do otopné soustavy nedošlo k ovlivnění tepelné pohody ve vytápěném prostoru. Pro lehké stavby s minimální akumulací tepla by doba potřebná k dohřátí vody v zásobníku TV τ_a neměla překročit 10 minut. U středně těžkých a těžkých staveb s akumulační schopností zdiva by doba dohřevu TV τa neměla být delší jak 20 minut.

Postup návrhu objemu zásobníku TV vychází z předpokladu, že tepelný výkon kotle Q_k, je větší nebo roven požadovanému tepelnému výkonu pro přípravu TV Q_TV.

Pro obytné budovy se nejčastěji používají nepřímo ohřívané zásobníky s integrovaným výměníkem. Ty pracují na principu přirozeného vztlaku, tj. obsah zásobníku je zahříván od spodní části nahoru. U těchto systémů je tedy velmi problematické zajistit dokonalý ohřev celého objemu zásobníku TV na žádanou teplotu. Abychom mohli vypočítat skutečný využitelný obsah zásobníku, je nutné zahrnout do výpočtu tzv. korekční faktor odběru y (Tab. 6).

Rovnicí pro výpočet potřebné doby dohřevu TV τ_a, je bilance dodaného tepla určitému objemu kapaliny za časovou jednotku při známém rozdílu teplot jako

(7)

kde je

Q_TV

tepelný výkon nutný k dohřevu TV [W],

V_TV

objem zásobníku TV [m³],

τ_a

doba ohřevu TV při teplotním rozdílu pro dohřev TV [s],

ρ

hustota vody při střední teplotě zásobníku [kg/m³],

c

měrná tepelná kapacita vody při střední teplotě zásobníku [J/(kg∙K)],

X_p

spínací diference pro dohřev TV (5 nebo 10 K) [K],

y

korekční faktor odběru tepla ze zásobníku TV (Tab. 6) [–].

Postup výpočtu lze zvolit buď s ohledem na požadovanou dobu nabíjení zásobníku TV, nebo s ohledem na použitý zdroj tepla. Pokud je vypočtená hodnota doby dohřevu TV τ_a menší než 10 minut pro lehké stavby (resp. 20 minut pro středně těžké a těžké stavby) je výkon kotle Q_k pro navržený objem zásobníku TV dostatečný. Nicméně je nutné zkontrolovat tepelně technické vlastnosti použitého výměníku tepla v akumulačním zásobníku. Většina nepřímo ohřívaných zásobníků má integrovaný spirální výměník tepla z hladkých trubek. U výměníků tepla je z hlediska dosahovaného tepelného výkonu rozhodující jeho teplosměnná plocha a střední rozdíl teplot. S ohledem na použitý jmenovitý tepelný výkon zdroje tepla Q_k je nutné ověřit, zda výměník tepla v navrženém zásobníku TV je schopen tento tepelný výkon předat do zásobníku TV. Výrobci zásobníků TV většinou udávají tzv. jmenovitý tepelný výkon integrovaného výměníku tepla Q_{výměníku TV} pro teplotu kotlové vody t_k a průtok nabíjecím čerpadlem Č_TV.

Závěr

Správný návrh přípravy teplé vody v obytných budovách je nedílnou součástí energeticky efektivního provozu budovy. Příprava teplé vody v obytných budovách se významnou měrou podílí na celkové spotřebované energii pro zajištěný návrhových podmínek provozu budovy. Základem návrhu je vždy znalost způsobu využití budovy, počtu tzv. měrných jednotek (např. osob, lůžek, instalovaných sprch atd.) a předpokládaného časového odběru teplé vody.

Literatura

1. JIROUT, V. a kolektiv: Příprava teplé vody. Sešit projektanta č. 3. Druhé přepracované vydání. STP – OS 02 – Vytápění. Praha 2007, 68 s. ISBN 978-80-02-01910-7.
2. VAVŘIČKA, R.: Metody návrhu zásobníku teplé vody – 1. část. Vytápění, větrání, instalace, 2011, roč. 20, č. 3, s. 108–112. ISSN 1210 – 1389.
3. Vyhláška č. 78/2013 Sb. o energetické náročnosti budov.
4. Vyhláška č. 48/2014 Sb. o vodovodech a kanalizacích pro veřejnou potřebu.
5. ČSN 06 0320 – Tepelné soustavy v budovách – Příprava teplé vody – Navrhování a projektování, ČNI, 2006.
6. ČSN EN 15 316-3 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení potřeb energie a účinností soustavy, ČNI 2010.
7. 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.