Mikrobiologická rizika a hydraulika rozvodů teplé vody

Teoretický základ

Výpočtový průtok v rozvodném potrubí se určuje v České republice podle ČSN 73 6655 [1] a je závislý na druhu budovy, druhu, počtu a současnosti používání jednotlivých výtokových armatur a technologických zařízení a potřebě požární vody. Ke stanovení výpočtového průtoku pro dimenzování potrubí vnitřního vodovodu jsou budovy rozděleny do tří základních skupin:

a) obytné budovy,
b) ostatní budovy s převážně rovnoměrným odběrem vody,
c) ostatní budovy s převážně hromadným a nárazovým odběrem vody

Pro každou skupinu budov nebo jejich částí je stanovena rovnice, podle které se určí výpočtový průtok Q_d, l.s^-1 v příslušném úseku rozvodného potrubí vnitřního vodovodu:

a) obytné budovy

         (1)

b) ostatní budovy s převážně rovnoměrným odběrem vody

           (2)

c) ostatní budovy s převážně nárazovým odběrem vody

         (3)

kde:

Při dimenzování části vnitřního vodovodu, který současně slouží pro zásobování objektu a pro požární vodovod, se předpokládá, že při odběru požární vody se neodebírá voda pro zásobování objektu. Za výpočtový průtok se v těchto úsecích považuje větší z obou průtoků.

Je-li v objektu odběr vody pro technologické účely společný s rozvodem vody pro zásobování nebo požární vodovod, je nutno, aby současnost odběru byla určena technologickými podmínkami provozu.

Výpočtový průtok pro cirkulaci teplé vody se stanoví za předpokladu, že odběry teplé vody ve výtokových armaturách jsou nulové. Při tomto provozním stavu systému rozvodu teplé vody musí být zaručen nejméně takový průtok v systému, který zaručí udržení takového provozního stavu, aby nedocházelo k plýtvání vodou nebo energií a zabezpečí minimalizaci mikrobiologického rizika za provozu systému.

Pro hydraulické posouzení se v České republice používá explicitní vztah Colebrook-Whitův, který je uveden i návrhu PrEN 806 [2].

Výpočtový průtok v cirkulačním potrubí se stanoví na základě tepelných ztrát přívodního potrubí. Tepelné ztráty v cirkulačním potrubí se při výpočtu průtoku neuvažují. Při správně navrženém systému rozvodu teplé vody nesmí dojít ke zpětnému proudění vody v cirkulačním potrubí, a proto nemá teplota vody v cirkulačním potrubí vliv na udržení výše uvedeného stavu.

Výpočtový průtok v jednom úseku rozvodu teplé vody se vypočítá ze vzorce

           (4)

přičemž

    (5)

a
   (6)

kde:

Při určení délkové tepelné ztráty potrubí pro rovnici (6) není ve vzorci zahrnut vliv tepelných ztrát armatur, spojovacích elementů a uložení potrubí, proto se doporučuje zvýšit vypočítané tepelné ztráty o cca 15% i s ohledem na vliv provádění.

V současné době se navrhují pouze systémy s nucenou cirkulací teplé vody. Tyto systémy spolehlivě zaručí dodržení požadavků na teplotu vody u odběrných míst. Hospodárným návrhem rozsahu systému, izolace a cirkulačního průtoku lze tyto systémy provozovat bez velkých energetických ztrát. Systémy vnitřního vodovodu TV s nucenou cirkulací se doporučuje vybavit automatickými termoregulačními ventily, které zajistí hydraulické i termické vyrovnání systému TV.

Soustavu vnitřního vodovodu teplé vody je nutno provozovat tak, aby byl na nejvyšším podlaží rozdíl teploty vody za standardního odběru (plný průtok po dobu 60s) do 4K. Z toho vyplývá požadavek na řádné provedení tepelné izolace a dodržení výpočtového množství cirkulační vody ve všech úsecích vnitřního vodovodu.

Pokles teploty vody způsobený nevhodným návrhem nebo nesprávným provozováním má významný vliv na odběrateli požadovanou službu.

Rychlost proudění vody v potrubí je rozhodujícím faktorem, který při dimenzování vnitřního vodovodu rozhoduje o spolehlivosti dodávky vody spotřebiteli a má vliv i na akustickou pohodu prostředí, životnost potrubí a v neposlední řadě i na mikrobiologické vlastnosti vody.

Proudění vody v potrubí vnitřního vodovodu při průtocích blízkých výpočtovému průtoku má charakter turbulentního proudění. Při průtoku vody v potrubí vzniká hluk. Příčiny jeho vzniku jsou různé a závisí na mnoha faktorech. Je to především tlak a rychlost proudění vody v potrubí a zejména v armaturách, způsob uchycení potrubí, materiál potrubí a v neposlední řadě i kvalita vody a její schopnost vytvářet v potrubí inkrustace. V místech, kde dochází ke změnám v rychlosti proudění vody a tím i tlaku vody, dochází k chaotickému pohybu vody, při kterém se mění rychlost vody v jednotlivých místech průřezu potrubí. Vznikající víry zvyšují vyzařování hluku z potrubí a současně dochází ke kavitaci, která je příčinou snižování životnosti kovových potrubí, zejména měděných. V případě, kdy navíc voda vytváří v potrubí inkrustaci nepravidelného tvaru, se kavitace projevuje i v místech přímých úseků potrubí, kde původně k vytváření vírů nedocházelo. Narůstáním inkrustů v potrubí dochází ke snižování volného průřezu potrubí a tím k zvyšování rychlosti. Zvyšováním rychlosti vody se jednak zvyšuje hluk v potrubí, jednak se urychluje kavitace.

Výše uvedené argumenty by mohly vytvořit domněnku, že je velmi výhodné snížit rychlosti co nejvíc a dosáhnout při výpočtovém průtoku laminárního proudění vody v potrubí. Snížení rychlosti vody v potrubí vnitřního vodovodu zejména u rozvodů pitné vody, ale i u rozvodů teplé vody, by mohlo poněkud prodloužit životnost potrubí, ale na druhé straně by přineslo vážné závady ve změně kvality vody. Pomalý pohyb vody v potrubí přispívá k vylučování unášených kalových částic, což může podporovat možnost množení mikroorganismů. Současně ubývá koncentrace aktivního biocidu v pitné vodě. Těmto podmínkám pomáhá i vzrůst teploty studené vody a ochlazování teplé vody. Studená voda se dlouhým stykem s teplejším prostředím okolí ohřívá, a tím se mění i organoleptické vlastnosti vody.

Přitom teplota v rozmezí 25°C až 40°C je optimální teplota, při které dochází k intenzivnímu množení mikroorganismů ve vodě, zvyšovaného tím, že se většinou jedná o koncové části rozvodů vody s nízkou koncentrací zbytkového biocidu. Příliš malá návrhová rychlost (tedy větší průměr potrubí) celý proces zhoršuje, protože nadměrně zvětšuje objem vody v potrubí a prodlužuje dobu zdržení vody v potrubí.

Popis původního stavu

Sledovaný lůžkový objekt nemocnice s rehabilitací v Ivančicích, ČR, byl postaven v 70. letech minulého století. Objekt je dlouhá šestipodlažní budova. V přízemí objektu byla zřízena vodoléčba. Ohřívání vody je centrální s výměníkovou stanicí poblíž jednoho štítu objektu. Rozvod vody je veden v technickém podlaží pod objektem. Po uvedení do provozu se okamžitě objevily problémy s pravidelnou dodávkou vody, zvláště teplé. Přímé napojení vodoléčby z potrubí stoupacího vedení způsobovalo dokonce přerušení dodávky vody do vyšších podlaží při napouštění van. Kromě toho docházelo při poklesu tlaku i k přetékání studené vody do teplé vody a naopak, v závislosti na velikosti odběru vody.

Teplota teplé vody v nejvzdálenějších místech vnitřního vodovodu klesala pravidelně až pod 35°C. Dodatečně byl na soustavu teplé vody připojen objekt pro noční službu vzdálený asi 30m od hlavní budovy. V noci nemohl lékař odebrat vodu teplejší než 30°C. Přidáním cirkulačního čerpadla v místě připojení se tento problém vyřešil.

Proto byl proveden důkladný průzkum a přepočet hydraulických poměrů stávajících rozvodů vody, současně bylo provedeno i mikrobiologické šetření.Návrhy změn byly koncipovány pod tímto komplexním pohledem.

Návrh a provedení úprav

Na základě výsledků průzkumu byla provedena rekonstrukce rozvodů vody v celém objektu. Podkladem technického řešení byl hydraulický výpočet celé soustavy.

Na základě doporučení průzkumu bylo provedeno nové napojení vodoléčby přímo z výměníkové stanice.
Veškeré páteřové rozvody vnitřního vodovodu byly demontovány a nahrazeny novým rozvodem vody. Od rozdělovače je voda vedena polypropylenovým a ocelovým pozinkovaným potrubím po objektu.

Příprava teplé vody je centrální a byla ponechána. Cirkulaci zajišťuje oběhové čerpadlo. (Parametry hlavního čerpadla: Q = 1 l/s, H = 3,8 m, N = 300W/400V).
Pro vyregulování cirkulace na 21 stoupačkách jsou použity termoregulační ventily pro vyvážení cirkulačního systému.
Pro zajištění cirkulace v objektu noční služby je osazeno pomocné cirkulační čerpadlo na vzdálenějším štítu objektu. (Parametry pomocného čerpadla: Q = 1 l/s, H = 2,3 m, N = 50W/230V.)

Proti původnímu stavu byly zrušeny dvě stoupačky teplé vody včetně cirkulace, které v tomto objektu zásobovaly WC na chodbách pro návštěvníky - zde prakticky nebyla teplá voda používána a tedy veškerá vodorovná připojení obsahovala "mrtvou" vodu.

Na páteřových rozvodech studené, teplé vody i cirkulace byly instalovány odkalovací ventily, a to na obou koncích páteřového rozvodu v technickém suterénu, současně byla instalována odstředivka na cirkulaci před zaústěním do opětovného ohřevu. Tyto rozvody a odstředivka jsou pravidelně 1x za týden odkalovány, současně s odkalením zásobníkových ohřívačů (střídavě na obou koncích).

Odkalování probíhá systematicky tak, aby bylo možno zjistit stav rozvodů a ohřívačů: v daném místě se nejprve odpustí 10 l do bílého plastového kbelíku, poté následuje odpouštění po dobu jedné minuty.

Po promíchání se z těchto 10 litrů odebere vzorek vody na zjištění zákalu a celý objem 10 litrů se ponechá 24h sedimentovat, poté se odstraní čistá voda, cca 2 litrová část u dna se přeleje do vzorkovací láhve. Tento vzorek se přefiltruje a po vysušení se zjišťuje obsah nerozpuštěných látek u daného vzorku.

Za týden je - při týdenní spotřebě kolem 70 m³ - zachyceno následující množství nerozpuštěných látek:

Tato sledování ukazují, že pro zajištění kvality dodávané vody je nutno odstraňovat zachycené kaly z cirkulačního potrubí a zařízení pro ohřev vody.

Závěr

Systém vnitřního vodovodu musí být navržen tak, aby cirkulace vody ve vnitřním vodovodu teplé vody byla rovnoměrná. Rychlost vody v cirkulačním potrubí musí být taková, aby nedocházelo k sedimentaci kalu v potrubí. V systému musí být osazeno zařízení pro zachycování kalu a na páteřovém potrubí vhodné armatury pro snadné odstraňování kalu. Odstraňování kalů musí být umožněno všude, kde lze předpokládat silné vylučování kalů, tedy jak ze zařízení pro ohřev vody, tak zejména páteřových potrubí.

Výsledkem souhrnu úprav a změn bylo jak zajištění požadované služby - dodávka teplé vody o potřebné teplotě a množství do distribučních míst, tak i snížení mikrobiologického rizika.

[1] ČSN 73 6655 Výpočet vnitřních vododů
[2] prEN 806, Specifications for installations inside buildings conveying water for human consumption