Nejnavštěvovanější odborný portál pro stavebnictví a technická zařízení budov

Nová ČSN EN 12831-3 z pohledu zdravotní techniky

Norma slouží k výpočtu výkonu a objemu ohřívačů vody, a také k výpočtu potřeby energie pro soustavy přípravy teplé vody (energetické hodnocení). Jedná se o jednu ze základních norem pro projektanty zdravotně technických instalací a vytápění.

V prosinci 2018 byl vydán český překlad ČSN EN 12831-3 Energetická náročnost budov – Výpočet tepelného výkonu – Část 3: Tepelný výkon pro soustavy přípravy teplé vody a charakteristika potřeb, Modul M8-2, M8-3. K normě byla vydána technická zpráva zavedená do soustavy ČSN v anglickém znění jako ČSN P CEN/TR 12831-4 Energetická náročnost budov – Výpočet tepelného výkonu – Část 4: Vysvětlení a zdůvodnění EN 12831-3, Modul M8-2, M8-3 obsahující příklad výpočtu. Norma slouží k výpočtu výkonu a objemu ohřívačů vody, a také k výpočtu potřeby energie pro soustavy přípravy teplé vody (energetické hodnocení).

Jedná se o jednu ze základních norem pro projektanty zdravotně technických instalací a vytápění.

Rozdělení soustav pro přípravu teplé vody

Soustavy pro přípravu teplé vody se podle ČSN EN 12831 dělí na:

  • promíchávané zásobníkové soustavy s ústředním zásobníkovým ohřívačem s jednou nebo více topnými vložkami zásobovanými otopnou vodou přímo ze zdrojů tepla;
  • stratifikované zásobníkové soustavy s ústředním zásobníkem opatřeným průtokovým ohřívačem v obtoku, kterým bývá deskový výměník zásobovaný otopnou vodou přímo ze zdroje tepla;
  • soustavy s ústředním průtokovým ohřívačem (deskovým výměníkem) zásobovaným otopnou vodou ze zásobníku tepla, který se nachází v okruhu otopné vody;
  • soustavy s místními průtokovými ohřívači (deskovými výměníky) zásobovanými otopnou vodou z ústředního zásobníku tepla, který se nachází v okruhu otopné vody;
  • soustavy s ústředním průtokovým ohřívačem (deskovým výměníkem) zásobovaným otopnou vodou přímo ze zdroje tepla;
  • soustavy s místními průtokovými ohřívači (deskovými výměníky) zásobovanými otopnou vodou přímo ze zdroje tepla.

Výpočtové metody

Norma uvádí metody pro dimenzování zásobníkových ohřívačů, průtokových ohřívačů a průtokových ohřívačů se zásobníkem (smíšených ohřevů vody).

Výpočtová metoda pro dimenzování zásobníkových ohřívačů a smíšených ohřevů vody (zásobníků s průtokovým ohřívačem v obtoku)

Obr. 1 Příklad křivek dodávky a potřeby podle ČSN EN 12831-3. X – čas (h), Y – nárůst tepla [kWh], 1 – křivka potřeby, 2 – křivka dodávky, 3 – křivka zbytkové kapacity zásobníku, 4 – křivka minimální kapacity zásobníku, 5 – účinný výkon zdroje tepla, 6 – ztráty tepla, 7 – časové zpoždění, 8 – okamžik zapnutí, 9 – minimální kapacita zásobníku, 10 – maximální kapacita zásobníku, 11 – počáteční kapacita zásobníku
Obr. 1 Příklad křivek dodávky a potřeby podle ČSN EN 12831-3
X – čas (h), Y – nárůst tepla [kWh], 1 – křivka potřeby, 2 – křivka dodávky, 3 – křivka zbytkové kapacity zásobníku, 4 – křivka minimální kapacity zásobníku, 5 – účinný výkon zdroje tepla, 6 – ztráty tepla, 7 – časové zpoždění, 8 – okamžik zapnutí, 9 – minimální kapacita zásobníku, 10 – maximální kapacita zásobníku, 11 – počáteční kapacita zásobníku

Pro dimenzování zásobníkových ohřívačů vody je v normě uvedena metoda součtových křivek, podobná metodě uvedené v ČSN 06 0320. Dimenzování ohřívačů je tedy založeno na křivkách potřeby a dodávky tepla. Křivka dodávky musí vždy ležet nad křivkou potřeby a u zásobníkových ohřívačů s topnou vložkou musí být udržována minimální kapacita zásobníku (obr. 1). Pro zkonstruování křivky se má používat profil odběru tepla pro přípravu teplé vody s časovým krokem 1 min, nebo 1 h. Ztráty tepla jsou v ČSN EN 12831-3, na rozdíl od ČSN 06 0320, zohledněny v křivce dodávky tepla.

Profily odběru tepla jsou založeny na odběru teplé vody v průběhu dne (obr. 2) a mohou být stanoveny měřením minutového průtoku teplé vody, statistickou metodou nebo použitím charakteristického odběrového profilu stanoveného na národní úrovni nebo v příloze B normy. V ČR zatím neexistuje předpis, ve kterém by byly uvedeny charakteristické odběrové profily pro různé budovy s časovým krokem 1 min. nebo 1 h. Rovněž měření minutového nebo hodinového průtoku teplé vody (studené vody na vstupu do ohřívače) není obvykle v silách projektanta a u budov, které ještě nebyly postaveny, není ani možné. Nezbývá tedy než použít informativní údaje uvedené v příloze B normy.

Obr. 2 Ukázka profilu odběru vody v bytovém domě v průběhu dne získaného měřením spotřeby vody (hodinové spotřeby jsou uvedeny v procentech celodenní spotřeby)
Obr. 2 Ukázka profilu odběru vody v bytovém domě v průběhu dne získaného měřením spotřeby vody (hodinové spotřeby jsou uvedeny v procentech celodenní spotřeby)

Minutovou potřebu tepla pro přípravu teplé vody QW,b,t [kWh/min] lze stanovit podle vztahu:

QW,b,t = Vt × ρw × cw × (ϑw,draw − ϑw,c) × (1/3600)
 

kde je

Vt
objem vody [l] o teplotě ϑw,draw odebrané za minutu;
ρw
hustota vody [kg/l], uvažuje se ρw = 1,0 kg/l;
cw
měrná tepelná kapacita vody [kJ/kg.K], uvažuje se cw = 4,2 kJ/kg·K;
ϑw,draw
nejnižší teplota smíšené vody odebírané v odběrném místě (potřebná teplota) [°C];
ϑw,c
teplota studené vody [°C], uvažuje se ϑw,c = 10 °C.
 

Objem vody odebrané za minutu Vt [l] je možné přepočítat z hodinových odběrů vody podle vztahu:

Vt = (xh × Vday) / (60 × 100)
 

kde je

Vday
celkový objem teplé vody odebrané za den [l];
xh
poměrné množství teplé vody odebrané za hodinu z celodenní potřeby [%].
 

Výpočet objemu vody odebrané za minutu se provede pro každou hodinu dne. Potřeby teplé vody na spotřební jednotku a den mají být uvedeny v národních předpisech. Pro případ, kdy uvedeny nejsou, uvádí příloha normy potřeby teplé vody na spotřební jednotku a den v některých budovách (tabulka 1). Uvedené potřeby vody jsou průměrné. Protože odběr teplé vody během dne kolísá (viz obr. 2), jsou i odběry vody v různých minutách různé. Celková potřeba tepla pro přípravu teplé vody za určitý časový interval (obvykle 24 h) QW,b,i [kWh] se může stanovit z minutových potřeb tepla podle vztahu:

QW,b,i = suma t=1 do iQW,b,t
 

kde je

QW,b,t
minutová potřeba tepla pro přípravu teplé vody [kWh/min];
t
časový krok, jedna minuta;
i
počet minut časového intervalu (obvykle i = 1440 min = 24 h).
 

Pro stanovení křivky dodávky tepla musejí být vyhodnoceny následující parametry:

  • maximální kapacita zásobníku teplé vody;
  • minimální kapacita zásobníku teplé vody;
  • ztráty tepla zásobníku;
  • ztráty tepla rozvodu teplé vody s cirkulací;
  • okamžik zapnutí a vypnutí ohřevu;
  • časové zpoždění dostupnosti plného výkonu zdroje tepla;
  • účinný výkon zdroje tepla pro opětovný ohřev.

Maximální kapacita zásobníku Qsto,max [kWh] se stanoví podle vztahu:

Qsto,max = Vsto × ρw × cw × (ϑw,sto,max − ϑw,c) × fl × (1/3600)
 

kde je

Vsto
objem zásobníku teplé vody [l]
ρw
hustota vody [kg/l], uvažuje se ρw = 1,0 kg/l;
cw
měrná tepelná kapacita vody [kJ/kg.K], uvažuje se cw = 4,2 kJ/kg.K;
ϑw,sto,max
nejvyšší návrhová teplota vody v zásobníku [°C], obvykle ϑw,sto,max = 55 °C;
ϑw,c
teplota studené vody [°C], uvažuje se ϑw,c = 10 °C;
fl
faktor odběru (viz tabulku 1).
 

Tabulka 1 Potřeby teplé vody na spotřební jednotku a den podle ČSN EN 12831-3 (teplota teplé vody se předpokládá 60 °C a teplota přiváděné studené vody se předpokládá 13,5 °C)
Druh budovyMěrná jednotkaVw,f,day
l/měrná jednotka·den
Objekty pro bydlení (prosté bydlení)Obyvatel25 až 60
Objekty pro bydlení (luxusní bydlení)Obyvatel60 až 100
Jednotlivé bytové jednotkyObyvatel40 až 70
Bytové domyObyvatel25 až 30
UbytováníLůžko28
Restaurace, 2 jídla za den, tradiční kuchyněJídlo21
Restaurace, 2 jídla za den, samoobslužnéJídlo8
Restaurace, 1 jídlo za den, tradiční kuchyněJídlo10
Restaurace, 1 jídlo za den, samoobslužnéJídlo4
Hotel, jednohvězdičkový, bez prádelnyLůžko56
Hotel, jednohvězdičkový, s prádelnouLůžko70
Hotel, dvouhvězdičkový, bez prádelnyLůžko76
Hotel,dvouhvězdičkový, s prádelnouLůžko90
Hotel, tříhvězdičkový, bez prádelnyLůžko97
Hotel, tříhvězdičkový, s prádelnouLůžko111
Hotel, čtyř a vícehvězdičkový, bez prádelnyLůžko118
Hotel, čtyř a vícehvězdičkový, s prádelnouLůžko132
Nemocnice, bez prádelnyLůžko56
Nemocnice, s prádelnouLůžko88
Sportovní zařízeníSprcha101

U promíchávaných zásobníkových soustav (zásobníkových ohřívačů s topnou vložkou) musí být v okamžiku zahájení opětovného ohřevu vody zajištěna minimální kapacita zásobníku, aby vlivem promíchávání vody nedošlo k poklesu teploty vody v odběrných místech obvykle pod 42 °C.

Minimální udržovaná kapacita zásobníku Qsto,min [kWh] se stanoví podle vztahu:

Qsto,min = Vsto × ρw × cw × (1 − (hsensor / 2 × hsto)) × (ϑw,draw − ϑw,c) × fl × (1/3600)
 

kde je

Vsto
objem zásobníku teplé vody [l]
ρw
hustota vody [kg/l], uvažuje se ρw = 1,0 kg/l;
cw
měrná tepelná kapacita vody [kJ/kg.K], uvažuje se cw = 4,2 kJ/kg.K;
hsensor
výška umístění teplotního čidla nade dnem zásobníku [m];
hsto
výška zásobníku [m];
ϑw,draw
nejnižší teplota vody v odběrném místě [°C], uvažuje se ϑw,c = 42 °C;
ϑw,c
teplota studené vody [°C], uvažuje se ϑw,c = 10 °C;
fl
faktor odběru (viz tabulka 2).
 

Tabulka 2 Faktory odběru
Druh zásobníkového ohřívače nebo zásobníkuFaktor odběru fl
Promíchávané zásobníkové soustavy (zásobníkové ohřívače)stojaté0,96
ležatédo 400 l0,94
nad 400 l0,90
Stratifikované zásobníkové soustavy (zásobníky teplé vody s průtokovým ohřívačem v obtoku)1,00

Ztráty tepla zásobníku QW,sto,t [kWh/min] se stanovují přepočtem z pohotovostní ztráty zásobníku udané jeho výrobcem nebo uvedené v tabulce 3 podle vztahu:

QW,sto,t = qsb,sto × ((ϑw,sto,max − ϑa)/45) × (1/1440)
 

kde je

qsb,sto
pohotovostní ztráta zásobníku [kWh/den];
ϑw,sto,max
nejvyšší návrhová teplota vody v zásobníku [°C], obvykle ϑw,sto,max = 55 °C;
ϑa
teplota v okolí zásobníku [°C].
 

Tabulka 3 Pohotovostní ztráta zásobníku
Objem zásobníku [l]Pohotovostní ztráta zásobníku
qsb,sto [kWh/den]
3001,91
4002,20
5002,46
6002,69
8003,11
10003,48
15004,26
20004,92

Ztráty tepla v rozvodech s cirkulací mohou při použití tepelných izolací podle vyhlášky č. 193/2007 Sb. činit přibližně:

  • 7 W/m u stoupacího potrubí vedeného v instalačních šachtách, kde okolní teplota činí 25 °C;
  • 10 W/m u ležatého potrubí vedeného v nevytápěném suterénu, kde okolní teplota činí 10 °C.

Účinný výkon pro ohřev vody Φeff [kW] se u stratifikovaných zásobníkových soustav (zásobníků s průtokovým ohřívačem v obtoku) stanoví podle vztahu:

Φeff = ΦHG − ΦW,sto ΦW,dis
 

kde je

ΦHG
jmenovitý výkon zdroje tepla [kW];
ΦW,sto
ztráta tepla zásobníku [kW];
ΦW,dis
ztráty tepla v rozvodech [kW];
 

U promíchávaných zásobníkových soustav (zásobníkových ohřívačů s topnou vložkou) se účinný výkon snižuje s narůstající teplotou vody v zásobníku, a proto se jmenovitý výkon zdroje tepla musí přepočítat.

Účinný výkon pro ohřev vody Φeff [kW] lze stanovit také podle vztahu:

Φeff = Qeff / t
 

kde je

Qeff
účinná energie (teplo) pro opětovný ohřev vody [kWh/min];
t
čas [min], t = 60 s/min.
 

Výpočtová metoda pro dimenzování průtokových ohřívačů vody

Účinný výkon průtokového ohřívače Φeff [kW] se stanoví přepočtem z návrhového průtoku vody ohřívačem podle vztahu:

Φeff = VD × ρw × cw × (ϑw,draw − ϑw,c)
 

kde je

VD
návrhový průtok vody [l/s];
ρw
hustota vody [kg/l], uvažuje se ρw = 1,0 kg/l;
cw
měrná tepelná kapacita vody [kJ/kg.K], uvažuje se cw = 4,2 kJ/kg.K;
ϑw,draw
nejnižší teplota smíšené vody odebírané v odběrném místě (potřebná teplota) [°C];
ϑw,c
teplota studené vody [°C], uvažuje se ϑw,c = 10 °C.
 

Pro stanovení průtoku VD [l/s] byla do normy převzata rovnice z DIN 1988-300 používané pro dimenzování potrubí vnitřních vodovodů:

VD = a × (∑VA)b − c
 

kde je

VA
průtok odebíraný v příslušných odběrných místech [l/s];
a, b, c
konstanty podle tabulky 4.
 

Tabulka 4 Konstanty pro výpočet průtoku vody průtokovým ohřívačem
Druhy budovKonstanty
abc
Obytné budovy nebo domovy pro seniory1,480,190,94
Oddělení pro pacienty v nemocnicích (lůžkové části nemocnic)0,750,440,18
Hotely0,700,480,13
Školy (bez sprch a umýváren u tělocvičen) nebo administrativní budovy0,910,310,38
Domy s pečovatelskou službou1,400,140,92

Objemové průtoky odebírané v příslušných odběrných místech se mají získat z ČSN EN 806-3, nebo mohou být stanoveny na národní úrovni. V ČR tyto průtoky stanoveny nejsou, proto je vhodné použít průtoky VA z německé normy DIN 1988-300, které činí:

  • pro dřez, umyvadlo nebo bidet VA = 0,07 l/s;
  • pro vanu nebo sprchu VA = 0,15 l/s.

U výše uvedených objemových průtoků se předpokládá teplota teplé vody přibližně 55 °C.

Průtokový ohřev vody bez zásobníku vykazuje u nás časté závady, kterými jsou zejména:

  • nedostatečně dimenzovaný ohřívač mající při průtoku vody velkou tlakovou ztrátu;
  • nepohotová reakce dodávky tepla (řízené pouze na základě teploty teplé vody na výstupu ohřívače) na rychlé změny průtoku vody ohřívačem (obrázek 3).
Obr. 3 Ukázka kolísání průtoku teplé vody v domě s 60 byty
Obr. 3 Ukázka kolísání průtoku teplé vody v domě s 60 byty
 

Uvedené závady způsobují kolísání teploty a tlaku teplé vody mající za následek kolísání teploty vody na výtocích směšovacích baterií.

Závěr

Na první pohled je patrné, že dimenzování zásobníkových ohřívačů vody podle ČSN EN 12831-3 je složité a pracné. Stanovení objemu zásobníkového ohřívače vody nebo zásobníku je v normě nejasné. Výpočtový vztah pro stanovení objemu lze odvodit, v normě však není uveden. Hodnoty veličin stanovené na národní úrovni v ČR i v některých zahraničních zemích zatím chybí. Proto zatím v souběhu s ČSN EN 12831-3 u nás, a např. v Rakousku, nebo Německu, platí národní normy.

Literatura

  1. ČSN 06 0320 Tepelné soustavy v budovách – Příprava teplé vody – Navrhování a projektování
  2. ČSN EN 12831-3 (06 0206) Energetická náročnost budov – Výpočet tepelného výkonu – Část 3: Tepelný výkon pro soustavy přípravy teplé vody a charakteristika potřeb, Modul M8-2, M8-3.
  3. ČSN P CEN/TR 12831-4 (06 0206) Energetická náročnost budov – Výpočet tepelného výkonu – Část 4: Vysvětlení a zdůvodnění EN 12831-3, Modul M8-2, M8-3.
  4. ČSN EN 806-3 (75 5410) Vnitřní vodovod pro rozvod vody určené k lidské spotřebě – Část 3: Dimenzování potrubí – Zjednodušená metoda.
  5. Vyhláška č. 193/2007 Sb., kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při rozvodu tepelné energie a vnitřním rozvodu tepelné energie a chladu.
  6. DIN 1988-300 Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 300: Ermittlung der Rohrdurchmesser; Technische Regel des DVGW.
  7. Vyhláška č. 193/2007 Sb., kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při rozvodu tepelné energie a vnitřním rozvodu tepelné energie a chladu.
  8. Albers, J.: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. Band 2. DIV München 2017. ISBN 978-3-8356-7284-0.

Autor problematiku přednášel i na semináři Společnosti pro techniku prostředí Novinky ve zdravotní technice 2019 v dubnu v Praze a v Brně.

English Synopsis
New ČSN EN 12831-3 in terms of water installation

The standard is used to calculate water heaters and to evaluate the energy of hot water systems. It is one of the basic standards for designers of sanitary installations and heating.