Vliv přenosu tepla mezi potrubím teplé a studené vody na množení bakterie Legionella

Článek byl vydán v rámci odborné konference doktorského studia Juniorstav 2021. Byl okomentován spolupracovníky redakce TZB Info.

1. Úvod

Článek prezentuje numerickou simulaci vedení tepla na potrubí vnitřního vodovodu, které je umístěno v příčce koupelny. Výzkum provádíme z důvodu možnosti špatné montáže vodovodních potrubí teplé a studené vody, které mohou zapříčinit množení této bakterie. Při špatné instalaci potrubí, může docházet k zvýšenému přenosu tepla z potrubí teplé vody do potrubí studené vody a následnému ohřevu studené vody v tomto potrubí. Při ohřívání studené vody v potrubí může vzniknout ideální prostřední pro rozmnožení bakterií legionelly, která následně může zapříčinit velké zdravotní problémy. V článku jsou provedeny numerické simulace různých variant.

2. Bakterie zvaná Legionella

Legionella je rod patogenních bakterií čeledi Legionellaceae. Pod pojmem Legionella dnes známe asi 60 různých bakterií, z nichž minimálně 20 je velice nebezpečných. Může přežít výhradně ve vodním roztoku, proto je pro člověka nebezpečná pouze pokud je vdechnuta ve formě vodní páry nebo mlhy s vysokou koncentrací bakterie [2].

Takzvaná legionářská nemoc [1] vyvolává akutní zápal plic, který může trvat i několik týdnů. Inkubační doba je přibližně 2 až 10 dnů. Mezi první příznaky patří rychlý nástup bolesti hlavy, svalů a celkový pocit malátnosti. Následuje mírný, převážně suchý kašel. Přibližně u 20 % případů začne nakažený vykašlávat krev. V nejtěžších případech onemocnění může dojít až k selhání dýchacího systému, k akutnímu selhání ledvin a případně jater. Legionářské nemoci podlehne přibližně 10 % nakažených osob. U osob s oslabeným imunitním systémem může úmrtnost dosáhnout až 70 % [3] a [4].

Bakterie rodu Legionella se vyskytují ve vodním prostředí, například rybnících, říčkách či jezerní vodě. Pro lidi jsou největším nebezpečím účelové vodní systémy, konkrétně ty, ve kterých jsou velké zásoby převážně stagnující vody. Patří mezi ně zvlhčovače, sprchy, odpařovací a chladicí systémy, okrasné fontánky a podobně. Legionella kromě vlhka potřebuje další specifické podmínky. Ideálním místem pro její množení jsou zařízení pro přípravu teplé vody [2].

V objektu nemocnice nebo zdravotnickém zařízení se bakterie nejvíce vyskytují ve vnitřním vodovodu, směšovacích bateriích, sprchách, zvlhčovačích, fontánách, inhalátorech, vířivých lázních, lékařských přístrojích diagnostických či terapeutických, vrtačkách v zubních ordinacích a dalších zařízeních, která generují aerosoly. V obytných a občanských budovách se bakterie nejvíce vyskytují v zásobníkových ohřívačích, rozvodech a armaturách teplé vody, bazénech s ohřívanou vodou, málo sterilizovaných domácích inhalátorech, vyústkách vzduchu z potrubí po delší časové přestávce, centrálních klimatizačních zařízeních. V průmyslových budovách se bakterie nejvíce vyskytují v chladicích věžích, mycích linkách aut a biologických čistírnách s provzdušňováním, rozstřikovačích vod od různých brusek, skrápěných filtrech [5].

Jednou z nejzajímavějších vlastností těchto bakterií je jejich citlivost na teplotu. Ve studené vodě se takřka nerozmnožují, vhodná je pro ně teplota od 20 do 45 °C. Postupně hynou při teplotách nad 50 °C [6].

Obr. 1 Vliv teploty na bakterii Legionella

V málo používaných úsecích vodovodu může voda začít stagnovat. Tento úsek následně slouží jako ohnisko opětovné rekontaminace [7]. Jednou z příčin stagnace vody může být špatná funkčnost cirkulace teplé vody způsobená použitím nevhodných cirkulačních čerpadel nebo nevyvážeností cirkulačních okruhů z hlediska tlakových ztrát. Předejít se tomu dá důsledným návrhem a dimenzováním vnitřního vodovodu teplé i studené vody. Aby nedocházelo ke dlouhodobé stagnaci, je žádoucí vodu z každé části vnitřního vodovodu rovnoměrně odebírat nebo všechny části vnitřního vodovodu propláchnout alespoň jednou za týden. Pro odbočky k uzávěrům nepoužívaných potrubí je doporučeno nepřesáhnout dvojnásobek vnitřního průměru potrubí. Nepoužívaná potrubí by měla být odstraněna [7]. Vhodnou teplotou pro množení bakterií je rozmezí 20 až 45 °C, proto je třeba zajistit u vnitřního vodovodu teplé vody minimální teplotu 55 °C. Tuto teplotu by měla teplá voda dosahovat také v cirkulačním okruhu. Za 30 vteřin po úplném otevření výtokové armatury teplé vody by teplota vytékající vody neměla být nižší než 60 °C [7] (ČSN 06 0320 doporučuje teplotu teplé vody 50 až 55 °C). Vnitřní vodovod teplé vody má být navržen tak, aby se dala provést termická dezinfekce. Jedná se o dezinfekci vodou o teplotě 70 °C, která musí být docílena i u výtokových armatur v nejvzdálenějších místech vodovodu [7].

Vliv teploty na legionellu je natolik zásadní, že v roce 2012 byla vydána technická zpráva CEN/TR 16355, jež uvádí doporučení k zamezení růstu legionelly ve vnitřních vodovodech. Doporučení pro prevenci zvyšování koncentrace bakterií ve vnitřních vodovodech podle TNI CEN/TR 16355 jsou:

• teplota studené vody nemá být vyšší než 25 °C,
• teplota teplé vody bez cirkulace v kterémkoli místě vodovodu by neměla klesnout pod 55 °C,
• teplota teplé vody v cirkulačním okruhu nemá klesnout pod 55 °C,
• 30 sekund po úplném otevření výtokové armatury musí vytékat voda o teplotě minimálně 60 °C, pokud národní předpis nestanoví jinak (ČSN 06 0320 doporučuje teplotu teplé vody 50 až 55 °C),
• vnitřní vodovod má být navržen tak, aby se dala provést termická dezinfekce vodou o teplotě 70 °C [8].

3. Metodika

Časově neustálené numerické simulace sdílení tepla byly provedeny v programu CalA 4.0 [12]. Tento software je založen na numerickém řešení diferenciální rovnice vedení tepla. Simulace byly provedeny na připojovacím vodovodním potrubí studené a teplé vody které je uloženo umístěno v drážce keramické příčky. Drážka v příčce je vyplněna maltou a jako povrchová úprava příčky je použita omítka. V drážce je umístěno plastové potrubí PPR PN20-25x3,5.

Teplota v místnosti je stanovena hodnotou 24 °C na obou stranách příčky, v simulaci reprezentována Newtnovou okrajovou podmínkou s hodnotou součinitele přestupu tepla 8 W/(m².K). Pro počáteční stav byla zvolena teplota teplé vody s hodnotou 55 °C a teplota studené vody v potrubí 10 °C. V numerické simulaci jsou hodnoty vyhodnoceny pro časový interval 0–300 minut v časovém kroku 5 minut. Simulace se skládá ze dvou fází. V prvních třech časových krocích je simulován nepřerušovaný odběr teplé a studené vody po dobu patnáct minut reprezentující sprchování. V simulaci je tento stav zjednodušeně reprezentován Dirichletovou okrajovou podmínkou v potrubí, která udržuje konstantní teplotu v potrubí. Po fázi odběru nastává fáze odstávky, ve které potrubím neprotéká voda a dochází k sdílení tepla mezi potrubím a jeho okolím. V tomto časovém období byl sledován nárust teploty studené vody, která je kritická pro růst Legionelly v potrubí.

Obr. 2 Simulační model s potrubím bez izolace (vlevo) a s izolací (vpravo)

4. Výsledky simulací

Bylo simulováno několik variant uložení potrubí v příčce. Jednotlivé varianty se liší v rozteči mezi potrubím teplé a studené vody a v tloušťce tepelné izolace potrubí. Příčka má tloušťku 150 mm, potrubí je ve všech variantách umístěno v hloubce 30 mm. Byly simulovány varianty s tepelnou izolací na obou potrubích a varianty s tepelnou izolací jen na potrubí teplé vody.

1. varianta

Obr. 3 Varianta 1 – průběh teploty studené vody v potrubí pro rozteč potrubí 40 mm (iz0 – bez tepelné izolace, iz6 – tloušťka tepelné izolace na potrubí SV a TV 6 mm, iz6t – tloušťka tepelné izolace 6 mm pouze na TV)

2. varianta

Obr. 4 Varianta 2 – průběh teploty studené vody v potrubí pro rozteč potrubí 60 mm (iz0 – bez tepelné izolace, iz6 – tloušťka tepelné izolace na potrubí SV a TV 6 mm, iz6t – tloušťka tepelné izolace 6 mm pouze na TV)

3. varianta

Obr. 5 Varianta 3 – průběh teploty studené vody v potrubí pro rozteč potrubí 80 mm (iz0 – bez tepelné izolace, iz6 – tloušťka tepelné izolace na potrubí SV a TV 6 mm, iz10 – tloušťka tepelné izolace na potrubí SV a TV 10 mm)

4. varianta

Obr. 6 Varianta 4 – průběh teploty studené vody v potrubí pro rozteč potrubí 100 mm (iz0 – bez tepelné izolace, iz6 – tloušťka tepelné izolace na potrubí SV a TV 6 mm, iz10 – tloušťka tepelné izolace na potrubí SV a TV 10 mm)

5. Diskuse

Z grafických výstupů můžeme vidět, že i pokud vodovodní potrubí studené vody není izolováno, teplota se v časovém intervalu 0–15 minut výrazně nemění od počáteční teploty 10 °C. Z toho můžeme vyhodnotit, že bakterie nemá při odběru vody dostatečně vhodné prostředí, aby se rozmnožila do zdraví nebezpečného množství.

Z výsledků vidíme, že v časovém intervalu 15–30 minut se u všech variant potrubí bez izolace teplota studené vody v potrubí zvýší natolik, že se v ní může bakterie po ukončení odběru a stagnaci vody v potrubí množit. Proto by u starších objektů, které ještě neprošly rekonstrukcí a nemají izolováno potrubí studené vody, měla provádět chemická dezinfekce nebo proplach potrubí.

Ve všech 4 variantách vidíme, že izolace potrubí velmi napomáhá k snížení přenosu tepla z potrubí teplé vody do potrubí studené vody. Dále vidíme, že širší rozestupy potrubí taktéž napomáhají k udržení nízké teploty v potrubí studené vody. Ovšem rozestupy potrubí ve variantách 3 a 4 jsou z praktického hlediska nepoužitelné, jelikož by musely provést dvě drážky ve stěnách. Ovšem při vedení potrubí v předstěnách, pod stropní konstrukcích nebo v podhledech by byly větší rozestupy vhodným řešením.

Ve variantách 1–4 u izolovaného potrubí studené i teplé vody z výsledků vidíme, že v časovém intervalu 0–30 minut nedochází k vytvoření vhodného prostředí pro rozmnožení bakterie. Ve variantách 1 a 2 u izolovaného potrubí pouze teplé vody z výsledků vidíme, že teplota studené vody vytváří vhodného prostředí pro množení bakterie. Při kontinuální spotřebě teplé vody v časovém intervalu 0–30 minut je správnou variantou řešení izolace potrubí návlekovou izolací minimálně tloušťky 6 mm.

Při delších časových intervalech spotřeby teplé vody nebo při cirkulaci teplé vody se správné řešení provede širšími rozestupy mezi potrubím teplé, studené vody a cirkulačním potrubím a následně přidáním silnější tloušťky návlekové izolace.

6. Závěr

Po vyhodnocení naměřených výsledků byly potvrzeny očekávané předpoklady. V případech, kdy dochází k častým a dlouhým pauzám mezi odběry teplé a studené vody musí být provedeno izolování potrubí návlekovou izolací, aby nebyla překročena teplota studené vody pro vznik bakterií rodu Legionella. Tloušťka tepelné izolace je závislá hlavně na rozestupech mezi jednotlivými trubkami, kdy se zvyšujícími se rozestupy se snižuje nutná tloušťka tepelné izolace. V případě umístění izolace pouze na potrubí teplé vody nedochází ke zvýšení maximální dosažené teploty oproti variantě s izolací na obou potrubích, ale dochází k výrazně rychlejšímu dosažení maximální teploty. Účelem této numerické simulace bylo potvrzení předpokládaných nedostatků, které mohou vznikat při montáži připojovacích potrubí.

Poděkování

Příspěvek vznikl s podporou projektu FAST-J-20-6522 Měření a analýza špičkových průtoků a spotřeb vody v budovách.

Použité zdroje

1. Legionářská nemoc. Vitalion [online]. [cit. 2017-05-10]. Dostupné z: https://nemoci.vitalion.cz/legionarska-nemoc/
2. VAVŘIČKA, R., J. VRÁNA a Z. POSPÍCHAL. Příprava teplé vody. Praha: Společnost pro techniku prostředí, 2017. ISBN 978-80-02-02713-3.
3. Legionella a zdraví: Legionářská nemoc. Legionella.cz [online]. [cit. 2017-05-10]. Dostupné z:
   https://legionella.cz/legionella-a-zdravi/
4. Legionella v pitné vodě. Měděné rozvody [online]. [cit. 2017-05-10]. Dostupné z:
   http://medenerozvody.cz/aplikacni-oblasti-medenych-trubek/studena-tepla-pitna-voda/legionella-v-pitne-vode
5. ŠAŠEK, J. Poznatky o Legionelle, její závažnosti a možnostech eliminace: Eliminace legionell z distribuční sítě pitné vody [online]. 2012 [cit. 2017-05-11]. Dostupné z:
   https://euroclean.cz/clanky/poznatky-o-legionelle-jeji-zavaznosti-a-moznostech-eliminace/#opatreni
6. BÁRTA, L. Zásobování budovy vodou: Legionely [online]. Brno, 2006 [cit. 2017-05-17].
7. ŠAŠEK, J. Eliminace legionel z distribuční sítě pitné vody-technické aspekty [online]. 2001 [cit. 2017-05-10]. Dostupné z: https://www.tzb-info.cz/469-eliminace-legionel-z-distribucni-site-pitne-vody-technicke-aspekty
8. [online]. 2014 [cit. 2017-05-21]. Dostupné z: http://www.szu.cz/uploads/documents/chzp/voda/pdf/tuv.pdf
9. ČSN 06 0320 Tepelné soustavy v budovách – Příprava teplé vody – Navrhování a projektování.
10. ČSN EN 806-2 Vnitřní vodovod pro rozvod vody určené k lidské spotřebě – Část 2: Navrhování.
11. TNI CEN/TR 16355 Doporučení pro prevenci zvyšování koncentrace bakterií rodu Legionella ve vnitřních vodovodech pro rozvod vody určené k lidské spotřebě.
12. Šikula, O., Plášek J., Software Calculation Area (CalA) version 3.2.6. In: . 2010.
    https://doi.org/10.13140/RG.2.2.13097.19042