Vývoj modulárního systému vytápění a přípravy teplé vody

Úvod

Možnosti využití kombinovaného systému přípravy teplé vody a vytápění jsou v praxi běžné ve spojení zdroje tepla s nepřímo ohřívaným zásobníkem teplé vody. Využití ohřívače teplé vody s akumulačním zásobníkem tak, aby byl zachován jeho komfort pro zásobování teplou vodou napřímo a zároveň plněny požadavky na dodávku tepla pro vytápění, již tak typické není. Tento způsob zapojení ohřívače je využíván zejména v USA a Kanadě v kombinaci s teplovodním (Obr. 1) [1] nebo teplovzdušným vytápěním (Obr. 2) [2], v Evropě prozatím není příliš rozšířen. Tento způsob zásobování teplem je určen zejména pro objekty s malou potřebou energie pro vytápění, ale výraznou potřebou energie pro přípravu teplé vody.

K mapování provozního chování tohoto systému byla použita simulační analýza, která se zaměřila na testování odběrových charakteristik takto zapojeného ohřívače vody při současné dodávce energie do obou připojených systémů. Byly provedeny testy výtoče teplé vody při samostatném odběru teplé vody a také při kombinovaném zatížení jak pro odběr teplé vody, tak i vytápění. Provoz ohřívače byl testován při různě náročných odběrových profilech teplé vody. S ohledem na omezený rozsah příspěvku jsou uvedeny pouze některé výsledky simulací a experimentů, které sloužily k verifikaci získaných dat. Hlavním cílem příspěvku je přiblížit tento netradiční systém zásobování teplem, který by mohl být uplatněn v objektech s vysokými nároky na přípravu teplé vody.

Koncept zapojení ohřívače teplé vody pro podporu vytápění

Jako společný zdroj tepla je v systému využit přímo ohřívaný plynový zásobníkový ohřívač s modulačním hořákem. Ohřívač je zapojen tak, aby teplou vodu dodával na odběrná místa přímo a energii do vytápění nepřímo, tj. prostřednictvím externího deskového výměníku. Pro vstup do výměníku je pro systém vytápění využívána tzv. „ostrá“ teplá voda v zásobníku teplé vody. Nutno zdůraznit, že u plynových ohřívačů vody lze tuto teplotu v zásobníku plynule nastavovat až na mezních 85 °C. Cirkulaci vody na primární straně výměníku vytápění zajišťuje oběhové čerpadlo v bronzovém provedení pro použití na systému pitné vody. Sekundární strana (tj. strana vytápění) je pak zapojena standardním způsobem dle potřeb odběru tepla. Na Obr. 1 se jedná o využití v otopné soustavě s kvalitativní regulací a vazbou na vnitřní teplotu. Na Obr. 2 pak o přímé napojení pro fancoil s teplovzdušným vytápěním. Splnění požadované teploty teplé vody je řešeno trojcestným ventilem na přívodu do vodovodního potrubí, který zároveň plní i ochrannou funkci proti opaření uživatele v případech, kdy by byla na zásobníku teplé vody nastavena vyšší požadovaná teplota vody v akumulaci, než je standardně teplota teplé vody, tj. pro t_SET ≥ 55 °C.

Obr. 1 Kombinovaný ohřívač pro přípravu teplé vody a teplovodní vytápění

Obr. 2 Kombinovaný ohřívač pro přípravu teplé vody a teplovzdušné vytápění

Cílem výzkumu těchto systémů je najít provozní limity použitelnosti přímo ohřívaného zásobníku teplé vody tak, aby byla zajištěna v každém provozním režimu dostatečná dodávka tepla jak pro systém vytápění, tak i pro potřeby odběru teplé vody. K řešení proto byla zvolena matematická simulace s verifikací dle experimentálně ověřených dat, aby takto vytvořený a následně i ověřený matematický model celého systému mohl matematicky testovat libovolné nastavení odběrů teplé vody a požadovaných parametrů pro systém vytápění. Výrobci daného typu plynového ohřívače teplé vody pak je možné poskytnout kompletní technické podklady dle daného využití ohřívače v konkrétním projektu.

Simulační model ohřívače s přímým ohřevem vody

Obr. 3 Princip zapojení pro verifikaci matematického modelu nabíjecích a odběrových charakteristik plynového ohřívače vody s přímým ohřevem

Podrobný popis matematického modelu vytvořeného v prostředí TRNSYS je uveden v [3]. Model byl vytvořen tak, aby bylo možné jeho verifikaci provést s ohledem na nabíjecí a odběrové charakteristiky.

Test nabíjecí charakteristiky byl proveden simulací jednorázového ohřevu vody v zásobníku z počáteční teploty t_SV = 10 °C na konečnou teplotu nabití zásobníku t_SET = 85 °C (Obr. 4). Sledována byla teplota na termostatu, který byl u matematického modelu umístěn ve 3/4 výšky zásobníku. Ukázka výstupů těchto testů byla zvolena s ohledem na získané výsledky z experimentu pro konkrétní ohřívač typu IR 20-200 (jmenovitý tepelný výkon 20 kW a objem zásobníku 200 litrů) [4]. Srovnání výsledku matematické simulace s kontrolními body od výrobce pro nabíjecí charakteristiku je znázorněno na Obr. 4. Výsledky ukazují dobrou shodu nastavení modelu ohřívače s naměřenými daty výrobce.

V testu odběrové charakteristiky stejného ohřívače (Obr. 5) byla sledována shoda nastavení modelu s experimentem pro trvalou dodávku teplé vody bez uvažování odběru energie do systému vytápění. Schopnost trvalé dodávky teplé vody t_MIX byla vyhodnocena po ustálení teploty na termostatu na požadované hodnotě. Provedené testy prokázaly také dobrou shodu numerického modelu ohřívače s daty výrobce, a proto byl takto sestavený model ohřívače následně využit pro navazující simulace provozního chování za dynamických podmínek. Další výsledky verifikace modelu pro různé ohřívače lze nalézt v [3] a [5].

Obr. 4 Porovnání nabíjecí charakteristiky ohřívače IR 20-200 s kontrolními body od výrobce

Obr. 5 Porovnání nabíjecí charakteristiky ohřívače s kontrolními body od výrobce pro odebíraný průtok 6,33 l/min

Analýza kapacity a provozních charakteristik ohřívače

Ke zjištění kapacity ohřívače pro pokrytí odběrové špičky teplé vody se provádí tzv. testování výtoče. Test výtoče podává informaci o tom, jak dlouho je ohřívač schopen pokrývat odběrovou špičku teplé vody, než dojde k poklesu teploty za termostatickým směšovacím ventilem teplé vody pod požadovanou hodnotu. V této fázi vývoje bylo důležité verifikovat zvolený matematický model a jeho nastavení s experimentem. Návrh experimentální trati byl proveden tak, aby bylo možné nezávisle testovat ohřívač jak pro samostatný odběr tepla v teplé vodě, tak i pro současný odběr tepla pro systém vytápění i teplé vody. Byl sestaven tzv. modul vytápění, který se skládá ze dvou deskových výměníků zapojených sériově, nabíjecího čerpadla a čtyř jímkových teplotních čidel Pt100 (2 ks pro stanovení teplot primární vody na vstupu a výstupu z výměníků tepla a 2 ks pro stanovení teplot otopné vody na vstupu a výstupu z otopné soustavy).

Modul vytápění je napojen na otopnou soustavu halové laboratoře Ú 12116 s potenciálně možným odběrem tepelného výkonu až 25 kW. Pro možnost plynulé regulace odebraného množství tepla v otopné soustavě byl přímo do otopné soustavy laboratoře za napojení měřicí stolice modulu vytápění instalován termostatický směšovací ventil, oběhové čerpadlo s proměnnou regulací otáček, dvě teplotní jímková čidla Pt100 (vstupní a výstupní teplota otopné vody do otopných těles), průtokoměr a regulační ventil STAD. Měřicí stolice modulu vytápění dále obsahuje samostatný kalorimetr pro měření množství odebraného tepla z ohřívače do výměníků systému vytápění a regulační ventil STAD pro regulaci průtoku primárního nabíjecího okruhu z ohřívače. Součástí měřicí stolice modulu vytápění je také instalace odběrného místa teplé vody z ohřívače. Jedná se o výtokové potrubí simulující odběr teplé vody. Odběr teplé vody má instalovaný dvoucestný časově ovládaný ventil, teplotní čidlo pro snímání teploty odebírané teplé vody (Pt100), průtokoměr a regulační ventil STAD (Obr. 6).

Každý testovaný přímo ohřívaný zásobníkový ohřívač teplé vody je vždy osazen celkem 7 ks povrchových čidel Pt100 pro stanovení průběhu teplot v zásobníku v závislosti na způsobu odběru tepla (Obr. 7). Prostupy povrchovou izolací pro teplotní čidla jsou zpětně tepelně izolovány. Na výstupu ze zásobníku ohřívače je osazen trojcestný směšovací ventil s příložným čidlem a automatickou regulací teploty vody v rozsahu od 5 do 90 °C. Součástí této sestavy je automatický odvzdušňovací ventil, pojistný ventil a jímkové teplotní čidlo Pt100 pro verifikaci nastavení trojcestného ventilu na požadovanou teplotu teplé vody odebírané do soustavy teplé vody. Další teplotní čidla jsou osazena na vstupu z vodovodního řadu a vstupu do zásobníku ohřívače. Veškeré měřené veličiny jsou zaznamenávány měřicí ústřednou Ahlborn v online režimu.

Obr. 6 Měřicí stolice pro modul vytápění

Obr. 7 Umístění povrchových čidel na zásobníku

Měření je prováděno dle následujících metodik.

1. Výtoč zásobníku 24h

Jedná se provozní o stav, kdy ohřívač po dobu 24 hodin nedodával žádné teplo pro potřebu teplé vody ani vytápění, ale byl v tzv. pohotovosti, tzn. zásobník je nabitý, podle nastavené požadované teploty v zásobníku a spínací hystereze nabíjecího čidla ohřívače. Následně dojde k vyčerpání tepelného obsahu zásobníku při jeho zapnutém stavu a trvalém odběru tepla. Je zjišťována teplota vody na výstupu ze zásobníku po ustálení provozu a maximální tepelná kapacita zásobníku ohřívače.

2. Okamžitá výtoč zásobníku (Ok)

Jedná se o provozní stav, kdy po úplném vyčerpání tepelného obsahu zásobníku dochází k jeho nabití (odběr tepla je zastaven) a následně jeho opětovnému vybití. Testována je tak provozní kapacita zásobníku ohřívače. K opětovnému odběru tepla ze zásobníku ohřívače dochází při vypnutí hořáku v nabíjecím režimu. Je zjišťována teplota vody na výstupu ze zásobníku po ustálení provozu (vybití, resp. nabití) a časové intervaly k dosažení jednotlivých spínacích režimů.

3. Hrubá výtoč zásobníku (HrV)

Jedná se o provozní stav, kdy je ze zásobníku ohřívače odebírán tepelný obsah na teplotní úrovni požadované nabitím zásobníku, tj. teplotou na výstupu ze zásobníku, nikoli požadovanou teplotou teplé vody (např. pro Obr. 8 je teplota nabití zásobníku t_SET = 80 °C). Měřen je pokles teploty vody v zásobníku a jeho čas do ustálení v závislosti na průtoku odebíraného množství vody.

Ve všech provozních stavech je snímán čas, jednotlivé teploty a množství teplé vody. Pojem vyčerpání tepelného obsahu zásobníku je stav, kdy je teplotním čidlem požadované teploty teplé vody indikována konstantní hodnota a zároveň je po celou dobu ohřívač zapnut. Tímto způsobem testování lze zjistit oblasti množství dodávané teplé vody v závislosti na požadovaném průtoku a teplotě teplé vody, spínací hysterezi a nastavené teplotě v zásobníku ohřívače. Tedy data potřebná k ověření simulačního výpočtu.

Měření byla prováděna pro hodnoty spínací hystereze čidla zásobníku ohřívače 2, 4, 6, 10 a 15 K, požadovanou teplotu nabití zásobníku t_SET = 80 a 60 °C a průtoky odběru teplé vody 6, 10 a 20 l/min. Grafy na Obr. 8 ukazuje výsledky měření ohřívače IR 20-200 [6]. Obr. 8 znázorňuje výstup měřených dat pro požadovaný průtok odběru teplé vody 10 l/min o teplotě teplé vody dodávané do vodovodu t_MIX = 55 °C (měřeno za trojcestným směšovacím ventilem zásobníku teplé vody), teplotu nabití zásobníku t_SET = 80 °C (měřeno na výstupu ze zásobníku) a spínací hysterezi čidla ohřívače 2, resp. 15 K.

Obr. 8 Měření výtoče zásobníku ohřívače IR 20-200 pro odběr teplé vody 10 l/min, teplotu nabití zásobníku t_SET = 80 °C, požadovanou teplotu teplé vody do vodovodu t_MIX = 55 °C a spínací hysterezi ohřívače 2 K (červené křivky) a 15 K (modré křivky)

Porovnání matematické simulace a experimentu

Na Obr. 9 je znázorněno srovnání výsledků matematické simulace a experimentu pro ohřívač IR 20-200 a odběr teplé vody 10 l/min. Na grafickém porovnání je v úvodní fázi výtoče patrná zřetelná odlišnost reálného chování trojcestného směšovacího ventilu (daná spojitou regulací), v porovnání s matematickou simulací, kdy chování trojcestného ventilu nastaveno na pevné spínací cykly. Porovnání dosažených výtoče tohoto zásobníku mezi simulací a reálným měřením pak vykazuje největší rozdíly pro nastavení vyšší teploty t_SET což je pravděpodobně způsobeno právě rozdílným chováním trojcestného ventilu v experimentu oproti základnímu nastavení výpočetního modelu. Další roli může hrát použitý matematický model zásobníku, který byl navržen pro zásobníky s nepřímým ohřevem vody. Velikost teplosměnné plochy, pozice čidla a způsob provozu je však u zásobníků s přímým ohřevem odlišný. Pro další srovnání proto bude matematický model upraven o model ohřívače s přímým ohřevem. Nicméně lze konstatovat, že i tento základní model zahrnutý v knihovnách TRNSYS vykazuje poměrně dobrou shodu s provedeným experimentem.

Obr. 9 Porovnání výsledků matematické simulace a experimentu výtoče zásobníku 24h u ohřívače IR 20-200 při odběru teplé vody 10 l/min, teplotu nabití zásobníku t_SET = 80 °C a 60 °C, s požadovanou teplotu teplé vody pro domovní vodovod t_MIX = 55 °C a spínací hysterezi ohřívače 2 a 15 K

Experimentální ověření provozu ohřívače s přímým ohřevem při současném odběru teplé vody a potřeby tepla pro vytápění

V době vzniku tohoto příspěvku probíhaly experimenty pro testování okrajových podmínek využití přímo ohřívaných zásobníků pro současnou dodávku teplé vody a podporu systému vytápění. Nastavení odběrů tepla je provedeno vždy takto:

1. Příprava teplé vody – odpovídá vždy danému odběrovému profilu teplé vody dle [6], [7], [8] a [9],
2. Vytápění – testováno pro teplotní spád otopné soustavy 55/45 °C (otopná tělesa) a 40/30 °C (podlahové vytápění).

S ohledem na omezený rozsah příspěvku jsou zde ukázány dosažené výsledky pro ohřívač IR 20-200 (Obr. 10), který je certifikován pro odběrový profil teplé vody XL, což odpovídá potřebě pro menší bytový dům cca 3 až 5 bytů. Pro tento z pohledu ohřívače jmenovitý odběrový profil teplé vody byly hledány možnosti pro v případě současného pokrytí potřeb otopné soustavy s otopnými tělesy (55/45 °C) a otopné soustavy s podlahovým vytápění (40/30 °C). Výsledky na Obr. 10 prezentuje 24hodinový záznam měření, kdy byla požadována trvalá konstantní dodávka tepla pro systém vytápění při spínání odběru teplé vody dle odběrového profilu XL (ten vykazuje výrazné odběrové špičky teplé vody v 7:15, 7:30, 17:00, 20:45 a 21:30, detailní informace o nastavení odběrových profilů teplé vody lze nalézt v [5], [6], [7], [8] a [9]). Jako hodnotícím kritériem pro splnění současné dodávky tepla pro přípravu teplé vody a tepla pro systém vytápění byl zvolen časový záznam teploty na vstupu t_w1 a výstupu t_w2 z otopné soustavy. Dále byla ve vytápěném prostoru snímána teplota kulového teploměru t_g jako zpětná vazba na splnění požadavku dosažení tepelné pohody vytápěného prostoru (v tomto případě haly laboratoře Ú 12116).

Obr. 10 24hodinový záznam průběhu teploty otopné vody na vstupu t_w1 a výstupu t_w2 z otopné soustavy a teplot kulového teploměru ve vytápěném prostoru haly laboratoře pro ohřívač IR 20-200 při nastaveném odběrovém profilu teplé vody XL, t_SET = 65 °C a spínací hysterezi 5 K

Je vidět, že případě nízkoteplotní otopné soustavy (40/30 °C čerchované křivky Obr. 10, trvale požadován tepelný výkon systému vytápění cca 4 kW) a nastavení odběrového profilu teplé vody XL nedošlo za 24 hodin k žádnému poklesu teploty otopné vody ani v odběrových špičkách profilu. Naopak při testování stejného odběrového profilu XL, ale pro požadavek teplotního spádu otopné soustavy 55/45 °C jsou právě v odběrových špičkách teplé vody vidět teplotní výkyvy. Zde se projevilo ovšem více faktorů. Je zřejmé, že při současném odběru teplé vody v odběrových špičkách není schopen ohřívač udržet požadovanou teplotu na vstupu do otopné soustavy, kde byl trvale po dobu 24 hodin požadován tepelný výkon cca 10 kW. Je vidět, že při odběrové špičce teplé vody (v 7:30, 20:45 a 21:30) dochází k poklesu teplot otopné vody t_w1 a t_w2. Nicméně dále se zde projevuje časová konstanta servopohonu trojcestného ventilu a podmínkami pro směšování trojcestného ventilu, resp. krajními hodnotami teplot pro směšování, kdy rozdíl mezi vstupem do trojcestného ventilu a požadavkem na výstupní teplotu z trojcestného ventilu je v ustáleném stavu 10 K, ale při současném odběru teplé vody a podpoře vytápění tento rozdíl výrazně klesá v závislosti na spínací diferenci ohřívače vody. Při pohledu na průběh teploty kulového teploměru ve vytápěném prostoru je ale zřejmé, že po celou dobu kombinovaného provozu ohřívače, tj. 24 hodin, byla tato teplota vyrovnaná. Proto lze konstatovat, že se výkyvy teplot otopné vody v odběrových špičkách teplé vody na tepelné pohodě vytápěného prostoru neprojevily. Je jasné, že pro výkonově nižší odběrový profil teplé vody, např. L, by schopnosti ohřívače dle Obr. 10 stran přeneseného tepelného výkonu pro otopnou soustavu byly vyšší. Zároveň také experiment nezohledňuje změnu potřeby tepla pro otopnou soustavu na základě změny venkovní teploty, dynamického chování budovy a dynamiky celé otopné soustavy jako celku. Je zřejmé, že časové prodlevy možného nezajištění požadované teploty otopné vody např. pro systém s podlahovým vytápěním by se s ohledem na výrazně vyšší časové konstanty této otopné plochy (setrvačnost chladnutí je např. u mokrého systému podlahové vytápění v řádech několika hodin) na poklesu teploty kulového teploměru ve vytápěném prostoru výrazně neprojevily. V dalším výzkumu bude tento verifikovaný matematický model použit pro testování na konkrétních typech budov, různých typech otopných ploch právě s ohledem na jejich dynamické provozní vlastnosti a ve vazbě na celoroční provoz s ohledem na reálné klimatické podmínky.

Závěr

Cílem příspěvku bylo seznámit s netradičním řešením pokrytí potřeb tepla pro přípravu teplé vody a vytápění v jednom společném zdroji tepla, kterým je plynový ohřívač teplé vody s akumulačním zásobníkem. Je jasné, že takové řešení není vhodné pro každý objekt, ale bude výhodné spíše tam, kde jsou vyšší energetické požadavky na zajištění teplé vody. Může se jednat například o menší bytové domy, autokempy, penziony, malé průmyslové závody apod. Výhodou sestaveného a verifikovaného matematického modelu je jeho další využití v závislosti na řešené aplikaci takového systému tak, aby bylo možné stanovit okrajové podmínky využití společné přípravy teplé vody a vytápění pro konkrétní budovu.

Seznam označení

t_g

teplota kulového teploměru [°C]

t_MIX

požadovaná teplota teplé vody [°C]

t_SET

požadovaná teplota vody v zásobníku [°C]

t_SV

teplota studené vody na vodovodním řadu [°C]

t_w1

teplota vody na přívodu do otopné soustavy [°C]

t_w2

teplota vody na zpátečce otopné soustavy [°C]

Literatura

1. SIEGENTHALER, J., Modern hydronic heating for residential and light commercial buildings, Clifton Park, NY: Delmar Cengage Learning, 2012. ISBN-13: 978-1428335158
2. SCHOENBAUER, B., BOHAC, D., MCALPINE, J., HEWETT, M. Retrofitting Forced Air Combi Systems: A Cold Climate Field Assessment. USDOE Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, 2017. Available at:
   https://doi.org/10.2172/1369136.
3. LANGEROVÁ, E., VAVŘIČKA, R., ZAVŘEL, V. Combined space and water heater performance analysis. In: Vytápění, větrání, instalace. 2021, Volume 64, Issue: 6, p. 324–327. ISNN 1210-1389.
4. Firemní podklady QUATUM a.s. Stacionární zásobníkový kondenzační ohřívač vody s uzavřenou spalovací komorou a nuceným odtahem spalin IR 20-200. Dostupné z: https://quantumas.cz/cs/ir.
5. LANGEROVÁ, E. Charakteristika přímo ohřívaného zásobníku. Praha, 2021. Diplomová práce. ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí.
6. Nařízení komise v přenesené pravomoci (EU) č. 811/2013: kterým se doplňuje směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/30/EU [online], 2013. Brusel. [cit. 2018-10-15]. Dostupné z:
   https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?qid=1559499852559&uri=CELEX:52014XC0703(01)
7. Nařízení komise v přenesené pravomoci (EU) 812/2013: kterým se doplňuje směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/30/EU [online], 2013, Brusel.[cit. 2018-10-15]. Dostupné z:
   https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?qid=1540490773594&uri=CELEX:32013R0812
8. Nařízení komise (EU) č. 813/2013: kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/125/ES, pokud jde o požadavky na ekodesign ohřívačů pro vytápění vnitřních prostorů a kombinovaných ohřívačů. [online],2013, Brusel. [cit. 2018-10-16]. Dostupné z:
   https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?qid=1540490895768&uri=CELEX:32013R0813
9. Nařízení komise (EU) č. 814/2013: kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/125/ES, pokud jde o požadavky na ekodesign ohřívačů vody a zásobníků teplé vody. [online], 2013, Brusel. [cit.2018-10-16]. Dostupné z: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?qid=1540490977111&uri=CELEX:32013R0814