Trendy v návrzích soustav pro přípravu teplé vody

Máme zafixováno, že se zateplením obálky domu poklesne spotřeba tepla na vytápění. Je něco obdobného v oblasti spotřeby teplé vody? Jaké jsou aktuální trendy? Jak provádět návrh soustavy přípravy teplé vody v bytovém domě? O tom hovořil Ing, Roman Vavřička, Ph.D. na odborném semináři.

Aktuální poznatky hoří o tom, že se v bytových domech po kvalitním zateplení poměr spotřeby tepla pro vytápění a tepla pro přípravu teplé vody blíží k hodnotě jedna ku jedné a jsou i případy, kdy skutečná spotřeba tepla pro přípravu teplé vody má větší podíl.

Jedním z příkladů, kde tento trend byl měřen, je bytový dům se 60 byty obývaných cca 100 osobami. Dům měl v roce 2005 celkovou roční spotřebu tepla 370 MWh. Po zateplení klesla spotřeba v roce 2010 na 230 MWh a po dalších doplňujících opatřeních na 180 MWh v roce 2014. Množství tepla pro přípravu teplé vody je zde již o málo větší než množství tepla pro vytápění. Tyto nově vznikající podmínky kladou na řešení jiné požadavky, než jak je tradičně známe. I proto, že zdroje tepla již nemusí mít tak velký výkon, aby se problematika rychlých změn v přípravě teplé vody dala řešit jen tradičním upřednostněním ohřevu vody před vytápěním.

Zatímco potřeba tepla na vytápění se mění v průběhu dne relativně pomalu, tak u teplé vody jde o velmi rychlé změny. Snadno lze spočítat bilanční potřebu tepla na přípravu teplé vody, ale zásadní vliv mají okamžiky, kdy je teplá voda odebírána. K odlišným charakteristikám docházíme například u nově dokončeného domu, kde si byty zakoupí mladí lidé, ponejvíce rodiny s malými dětmi a nebo domu, ve kterým bydlí starší obyvatelé. Dalším, dalo by se říci po výpočet rušivým prvkem, je vybavení bytů různým příslušenstvím. Rozdílnými sprchovými hlavicemi s odlišným průtokem, vanami o různém objemu atp.

Uvedené aspekty ovlivňují průměrný údaj o potřebě teplé vody na osobu a den v poměrně velkém rozmezí desítek procent. Podle konkrétního měření skutečného stavu během sprchování s průměrnou dobou sprchování 5 až 6 minut vycházela spotřeba tepla na přípravu teplé vody pro jedno sprchování v rozmezí od cca 1,3 kWh až do 1,84 kWh. Rozdíl je tedy značný, 41,5 % od nižší hodnoty.

Rozdílné jsou i nároky na průtoky. Například ke sprše je třeba přibližně 0,09 litrů za sekundu v přívodu teplé vody s teplotou cca 55 °C a 0,4 litru za sekundu v přívodu studené pitné vody s teplou asi 10 °C. Je zřejmé, že optimální návrh vnitřního vodovodu domu pro rozvod studené pitné vody a teplé vody a zařízení pro přípravu teplé vody, aby zařízení nebylo zbytečně předimenzované, a tedy jak investičně, tak provozně zbytečně nákladné, není jednoduchý.

Z pohledu měsíčních spotřeb teplé vody v bytovém domě jsou zřejmé snížené odběry v červenci a srpnu, jak prokázala řada měření. Toto snížení oproti jiným měsícům dosahuje i 25 %. Vedlejším efektem podcenění tohoto faktu je v domech s instalovanou tepelnou solární soustavou pro přípravu teplé vody snížené využití soustavy a prodloužení její ekonomické návratnosti. V praxi se to dá odhalit například měřením skutečně využitých tepelných zisků solární soustavy. Snížená spotřeba teplé vody jde na vrub dovolených, lidé jsou častěji mimo domov a mívají i jiný domácí režim. A nelze podcenit ani fakt, že v letních měsících může být teplota do domu přiváděné pitné vody vyšší než uvažovaných 10 °C. V praxi byly naměřeny i teploty okolo 17 C, a to znamená snížený požadavek na množství tepla.

A. Metoda křivek dodávky a odběru tepla

Pokud se podíváme na průběh odběrů teplé vody během dne v hodinových intervalech, tak jsou zřejmé dvě špičky, ranní a večerní spojené s péčí o hygienu uživateli bytů.

Pro projekční návrh je důležitý kumulativní průběh odběrů teplé vody, tedy křivka, která v časovém průběhu dne zaznamenává již odebranou teplou vodu. Křivka dne začíná v nule a končí na celkovém množství teplé vody odebrané za den. Zprůměrováním měření v nejrůznějších dnech týdne se ukázalo, že ve velkých bytových domech jde v podstatě o přímku, zdvihající se z nuly někdy okolo 6 ranní hodiny a dosahující maxima okolo 23 hodiny. Nejde o významně vícekrát lomenou křivku s ranní a večerní špičkou, jak odpovídá ustanovením výpočtové normy ČSN 06 0320, se kterou pracuje mnoho projektantů a realizačních firem. Důvod je historický. Norma ČSN vychází z podmínek v sedmdesátých letech minulého století a odpovídá nejnáročnějšímu režimu, který tehdy vznikal během neděle. Současná realita je jiná. Existuje další norma ČSN EN 15 316-3, která rovněž pracuje s vícekrát lomenou křivkou kumulativního odběru, ale odlišně od ČSN 06 0320, neboť se v ní projevuje statisticky nižší počet bytů, případně až do počtu jednoho bytu v rodinném domě. Proto se na průběhu kumulativní křivky podle této normy mnohem více projeví individuální chování každého bytu.

Pro návrh zařízení na přípravu teplé vody je nutné si definovat kumulativní křivku jejího odběru. Je možné to udělat podle výše zmíněných norem, ale mnohem přesnější výsledek se dosáhne analýzou minulých odběrů. Pak lze optimalizovat vztah mezi návrhem výkonu zdroje tepla, případně reálně možným odběrovým diagramem tepla ze stávajícího zdroje tepla a velikostí zásobníku teplé vody tak, aby v kterémkoliv čase během dne nevznikal nedostatek teplé vody, ale aby zásoba teplé vody byla co nejmenší možná. Na jedné straně tak stojí bezpečné zajištění odběru teplé vody a na druhé straně investiční nároky na zdroj tepla a zásobník.

V domech s menším počtem bytů, tedy kde se na kumulativní křivce odběrů výrazněji projevuje ranní a večerní odběrová špička, a přitom každá z nich často vyžaduje pro pokrytí potřeby tepla na ohřev vody jiný výkon zdroje, lze optimálním návrhem velikosti zásobníku nároky na zdroj tepla snížit.

Nejde jen o nutnou velikost například plynového kotle, tepelného čerpadla v domovní kotelně, ale například o velikost rezervovaného příkonu ze zdroje tepla CZT v sazbě se sledováním čtvrthodinových maxim. Ranní odběrová špička v teplé vodě se překrývá s ranním zvýšeným odběrem tepla pro vytápění po sníženém odběru tepla během noci, což si provozovatelé bytů velmi často zajišťují manipulací s termostatickými ventily. Tím nároky na sjednaný výkon rostou a zvyšuje se cena tepla, tedy i cena teplé vody.

Z provozních důvodů, například s ohledem na rozsah regulace výkonu zdroje tepla, jeho účinnost, je možné řešit i počet startů zdroje tepla pro ohřev vody stanovením velikosti zásobníku.

Zdroj tepla pro přípravu teplé vody nemusí být během dne trvale k dispozici. Může jít například o zdroj tepla pro výrobní technologii, která má provozní prioritu, a který lze tedy pro ohřev vody využít jen v nahodile se vyskytujících obdobích dne.

Je zřejmé, že konkrétní podmínky definují návrhovou kumulativní křivku odběru teplé vody, která musí vždy překrývat křivku určenou analýzou. Aby bylo navržené řešení bezpečné a zahrnovalo i možné nestandardní stavy, tak se navrhuje bezpečností rezerva 15 %, tedy návrhová kumulativní křivka by měla vždy být o 15 % výše nad určenou kumulativní křivkou. Splnění tohoto požadavku nemusí být řešeno jen zvětšením objemu zásobníku, ale jiným režimem zdroje tepla. Samozřejmě pokud je možné režim využití zdroje tepla změnit.

Z pohledu vlastností zdroje tepla může být jako zdroj tepla kritické tepelné čerpadlo. Pokud bude požadavek na výkon zdroje tepla větší, než má aktuálně tepelné čerpadlo, může dojít k sepnutí bivalentního zdroje s vyšší spotřebou energie. Tento nežádoucí stav je nutné ošetřit a zahájit nabíjení zásobníku v dostatečném časovém předstihu před zahájením odběrové špičky na teplé vodě tak, aby k sepnutí bivalentního zdroje nedošlo. Řešením je přiměřeně, k průběhu odběrové špičky a velikosti aktuálního výkonu tepelného čerpadla, zvětšit akumulační zásobník.

U tepelných čerpadel vzduch-voda se přenesení výroby tepla pro přípravu teplé vody do teplejších částí dne projeví provozem s vyšším topných faktorem a tento fakt pomáhá kompenzovat zvýšenou cenu za větší zásobník. Souběžně pak bude výkon tepelného čerpadla v chladnější části dne plně k dispozici pro vytápění.

B. Metoda jednotkového bytu

Druhou možností, jak přistupovat k návrhu soustavy přípravy teplé vody, je jít od jednotlivých výtoků a stanovit si směrné číslo na jeden byt. Postupuje se podle normy DIN 4708. Zde se určí to, co je pro byt rozhodující a pak se odvodí potřeba celého domu.

Shrnutí

Úspěch metody A., tak B., je závislý na konkrétních parametrech použitých zařízení.

Objem zásobníku není postačující kritérium. Musí v něm být i dostatečně velká plocha výměníku, aby voda byla ohřívána s předpokládaným tepelným výkonem. A pak závisí na teplotě otopné vody, na velikosti jejího průtoku výměníkem, na průtoku ohřívané vody skrz zásobník, na umístění teplotních čidel aj. Nejde tedy jen o stanovení nějakého objemu zásobníku, ale o velmi přesnou volbu zásobníku s ohledem na konkrétní provozní parametry.

U bytových domů se samostatným zdrojem tepla je jistějším řešením použití zásobníků již připravené teplé vody a její ohřev řešit v externím výměníku.

V některých případech je dokonce výhodnější řešit přípravu teplé vody samostatně, bez provázanosti s otopnou soustavou.

Tepelná izolace potrubí

V poslední části přednášky se Ing. Roman Vavřička, Ph.D., věnoval problematice tepelných izolací rozvodů, respektive jejich vlivu na energetické úspory, na spotřebu tepla v domě. Neizolované rozvody tepla v bytech se stávají problémem v zateplených domech. Neboť po zateplení s poklesem tepelné ztráty se v bytech s průchozím potrubím prodlužuje období, kdy pro jejich vytápění není zapotřebí činnost otopných těles. Takových dnech pak ani nelze v těchto bytech udržet teplotu na požadované hranici a uživatelům nezbývá nic jiného než přebytečné teplo odvádět ven okny. Proto je nutné energeticky úsporná opatření provádět komplexně. Výpočet tloušťky tepelných izolací potrubí určuje Vyhláška č. 193/2007 Sb.

V přednášce bylo použito několik odkazů na publikaci Příprava teplé vody, jejímž autorem je Ing, Roman Vavřička, Ph.D. a kterou vydala v roce 2017 Společnost pro techniku prostředí.