Distribúcia teplej vody v bytových budovách pri prerušovanej prevádzke

V bytovej budove uvažujem s najčastejšie vyskytujúcim sa distribučným systémom TV s dolným rozvodom (obrázok 1) zásobujúci rôzny počet bytov.

Obrázok 1: Dolný rozvod

Distribučný systém TV môže byť v bytovej budove nasledovný:

• Systém bez distribučného rozvodu TV. TV je pripravovaná v prietokovom ohrievači umiestnenom priamo v mieste odberu nad (resp. pod) zariaďovacím predmetom. Pri ekonomickom posudzovaní je uvažované len s distribučným rozvodom studenej vody v celej budove.
  
  
• Systém s distribučným rozvodom TV bez udržiavania predpísanej teploty TV na odbernom mieste. TV je pripravovaná v zásobníkovom (prietokovom) ohrievači inštalovanom priamo v byte v blízkosti zariaďovacích predmetov a je distribuovaná rozvodným potrubím k odbernému miestu. Pri ekonomickom posudzovaní je uvažované s distribučným rozvodom studenej vody v celom objekte a rozvodom TV v byte.
  
  
• Systém s distribučným rozvodom TV s udržiavaním predpísanej teploty TV. TV je pripravovaná v zásobníkovom (prietokovom) ohrievači inštalovanom na začiatku distribučného rozvodu TV v objekte a je distribuovaná rozvodným potrubím do jednotlivých bytov k odbernému miestu. Udržiavanie predpísanej teploty TV je zabezpečené cirkuláciou TV a jej opätovným dohrevom v ohrievači vody. Udržiavanie predpísanej teploty TV môže byť zabezpečené aj ohrievaním potrubia samoregulačnými elektrickými ohrevnými káblami. Udržiavanie predpísanej teploty TV môže byť neprerušované, alebo prerušované.

Pri návrhu a posudzovaní technicky a ekonomicky optimálneho distribučného systému je nutné predpokladať jednotné okrajové podmienky. Popis jednotlivých posudzovaných distribučných systémov je uvedený v tabuľke 1.

Označenie distribučného systému	Charakteristika distribučného systému
POTV-EL	TV je pripravovaná v elektrickom prietokovom ohrievači nainštalovanom pri každom odbernom mieste. Distribučný rozvod TV je zanedbateľný.
ZOTV-EL	TV je pripravovaná v elektrickom zásobníkovom ohrievači vody nainštalovanom v byte v blízkosti odberného miesta. Distribučný rozvod TV je v byte jednoduchý a krátky (dĺžka rozvodu je max. 2 m).
ZOTV-PL	TV je pripravovaná v zásobníkovom ohrievači vody na plynné palivo nainštalovanom v byte v blízkosti odberného miesta. Distribučný rozvod TV je v byte jednoduchý a krátky (dĺžka rozvodu je max. 2 m).
UPTV-EL	TV je pripravovaná ústredne v bytovej budove, v kotolni situovanej mimo bytu v elektrickom zásobníkovom ohrievači vody. TV je z kotolne dopravovaná distribučným rozvodom do jednotlivých bytov. Udržiavanie predpísanej teploty TV je zabezpečené cirkuláciou TV.
UPTV-PL	TV je pripravovaná ústredne v bytovej budove, v kotolni situovanej mimo bytu v zásobníkovom ohrievači vody na plynné palivo. TV je z kotolne dopravovaná distribučným rozvodom do jednotlivých bytov. Udržiavanie predpísanej teploty TV je zabezpečené cirkuláciou TV.
CPTV	TV je pripravovaná centralizovane mimo bytovej budovy. TV je pripravovaná pre viacej bytových budov. Posudzovaný distribučný rozvod TV je vedený od päty budovy do jednotlivých bytov. Udržiavanie predpísanej teploty TV je zabezpečené cirkuláciou TV.
UPTV-EL+TK	TV je pripravovaná ústredne v bytovej budove v kotolni situovanej mimo bytu v elektrickom zásobníkovom ohrievači vody. TV je z kotolne dopravovaná distribučným rozvodom do jednotlivých bytov. Udržiavanie predpísanej teploty TV je zabezpečené elektrickým samoregulačným termokáblom.
UPTV-PL+TK	TV je pripravovaná ústredne v bytovej budove v kotolni situovanej mimo bytu v zásobníkovom ohrievači vody na plynné palivo. TV je z kotolne dopravovaná distribučným rozvodom do jednotlivých bytov. Udržiavanie predpísanej teploty TV je zabezpečené elektrickým samoregulačným termokáblom.
CPTV+TK	TV je pripravovaná centralizovane mimo bytovej budovy, kde je TV pripravovaná pre viacej bytových budov. Posudzovaný distribučný rozvod TV je vedený od päty budovy do jednotlivých bytov. Udržiavanie predpísanej teploty TV je zabezpečené elektrickým samoregulačným termokáblom.

Tabuľka 1: Posudzovaný distribučný systém TV

Z technického hľadiska je potrebné v distribučnom systéme zabezpečiť menovitý výtok vody podľa STN 73 6655 [1] pre batériu umývadlovú a drezovú q_v = 0,2 l/s a pre batériu vaňovú q_v = 0,3 l/s. Podľa [1] musí byť uvedená hodnota menovitého výtoku použitá pri dimenzovaní potrubia studenej vody aj TV.

Okrajové podmienky spracované pri návrhu distribučného systému sú nasledovné:

• teplota TV na začiatku distribučného systému je 55°C,
• teplota TV pri najvzdialenejšom odbernom mieste je 50°C,
• teplota okolia rúr je navrhnutá 20°C,
• tepelná vodivosť tepelnej izolácie λ = 0,04 W/(m.K),
• materiál potrubného rozvodu - oceľové závitové pozinkované rúry,
• spotreba TV na 1. obyvateľa je 17,28 m³ za rok,
• v jednom byte je uvažované s bývaním 3. osôb,
• v jednom byte je nainštalované 1 umývadlo, 1 drez a 1 vaňa

Pre jednotlivé posudzované distribučné systémy uvedené v tabuľke 1 v bytových budovách s počtom bytov 1 až 16 bola vypočítaná pre každú bytovú budovu:

• predpokladaná spotreba teplej vody,
• množstvo tepla, ktoré sa šíri z distribučného rozvodu do okolia,
• objem zásobníkového ohrievača vody podľa STN 06 0320 [2].
• množstvo tepla potrebné na ohrev vody podľa [2],
• množstvo tepla, ktoré sa šíri z povrchu zásobníkového ohrievača vody,
• spotreba elektrickej energie resp. plynu na výrobu tepla,
• investičné náklady,
• prevádzkové náklady podľa - Energetický audit budov 3,
• náklady na vodu a energie (podľa platných cenníkov VSE, SPP a VS-KE)
• celkové náklady na prevádzku distribučného systému.

Náklady na vodu a energiu boli vypočítané podľa aktuálnych cenových relácií dodávateľov VSE, SPP a Vodárenskej spoločnosti ku mesiacu jún 2005. Investičné náklady sú počítané podľa aktuálneho cenníka materiálov a prác k mesiacu jún 2005.

Výpočet distribučného rozvodu teplej vody

Výpočet a návrh rozvodov TV je spracovaný podľa STN 73 6655 1. Návrh a výpočet hrúbky tepelnej izolácie je prevedený podľa STN EN ISO 12241 4. Vypočítané hodnoty svetlostí rúr a hrúbky tepelnej izolácie sú uvedené v tabuľke 2. Pre jednotlivé distribučné systémy boli vypočítané samostatne distribučné rozvody studenej vody, teplej vody a cirkulácie teplej vody.

Svetlosť prívod. potrubia TV DN (mm)	Hrúbka tepelnej izolácie prívod. potrubia (mm)	Lineárna hustota tepelného toku prív. potrubia (W/m)	Svetlosť cirkul. potrubia TV DN (mm)	Hrúbka tepelnej izolácie cirkul. potrubia (mm)	Lineárna hustota tepelného toku cirk. potrubia (W/m)	Lineárna hustota tepelného toku spolu (W/m)
15	15	8,1	15	15	8	16,1
20	15	9,4	15	15	8	17,4
25	20	8,8	15	15	8	16,8
32	20	10	20	15	9,3	19,3
40	25	9,8	25	20	8,7	18,5
50	30	10,4	32	20	9,8	20,2
65	40	10,6	40	25	9,7	20,3
80	50	10,3	50	30	10,3	20,6
100	60	10,5	65	40	10,5	21

Tabuľka 2: Svetlosť distribučného rozvodu TV a hrúbka tepelnej izolácie

Množstvo tepla potrebné na ohrev teplej vody v distribučnom systéme

Na obrázku 2 je znázornená lineárna hustota tepelného toku prívodného a cirkulačného potrubia TV spracovaná pre jednotlivé svetlosti distribučného rozvodu. Z analýzy je zjavné, že cirkulačné potrubie má priemerne 48%-ný podiel na celkových tepelných stratách distribučného systému TV.

Obrázok 2: Lineárna hustota tepelného toku prívodného a cirkulačného potrubia TV (W/m).
Hrúbka izolácie podľa tabuľky 2.

V distribučnom systéme s cirkuláciou TV pri neprerušovanej prevádzke množstvo tepla potrebné na nepretržité udržiavanie predpísanej teploty TV v rúre zákonite narastá s dĺžkou časového úseku prevádzky - viď obrázok 3.

Obrázok 3: Merná potreba tepla potrebná na nepretržité dohrievanie TV v rúre

Pri návrhu optimálneho distribučného systému TV je potrebné brať do úvahy investičné náklady, prevádzkové náklady, náklady na energiu, náklady na vodu, charakter bývania a komfort bývania. Pri zohľadnení komfortu bývania môže byť navrhnutý ako optimálny distribučný systém TV aj taký, ktorý nie je z ekonomického hľadiska najvýhodnejší.

Porovnaním vypočítaných investičných, prevádzkových nákladov a nákladov na energiu a vodu jednotlivých distribučných systémov TV uvedených v tabuľke 1 je možné navrhnúť optimálny systém distribúcie TV v bytových budovách.

Porovnanie investičných a prevádzkových nákladov (bez uvažovania energie a vody) jednotlivých distribučných systémov v prepočte na jeden byt je znázornené na obrázku 4.

Obrázok 4: Porovnanie distribučných systémov TV z hľadiska investičných a prevádzkových
ročných nákladov na byt bez uvažovania nákladov na energiu a vodu

Najvýhodnejší systém z hľadiska investičných a prevádzkových nákladov sa javí systém s centrálnou prípravou TV mimo objektu. Pri tomto systéme je však uvažované len s cenou rúr a jej tepelnej izolácie v objekte. Cena rozvodov TV mimo objektu ako aj zariadenia na jej prípravu je zahrnutá v cene dodávanej energie a vody.

Najnevýhodnejší systém je z hľadiska investičných a prevádzkových nákladov systém s prietokovým elektrickým ohrevom TV. Uvedený systém je možné použiť v jednobytových budovách, kde ohrievač vody vzhľadom na jeho dostatočný elektrický výkon bude zásobovať viacej zariaďovacích predmetov sústredených blízko seba a kde nebude možné zabezpečiť udržiavanie predpísanej teploty TV v zásobníkovom ohrievači v krátkom požadovanom čase z prevádzkových dôvodov.

Porovnanie nákladov na energiu a vodu jednotlivých distribučných systémov v prepočte na jeden byt je znázornené na obrázku 5. Porovnanie celkových nákladov jednotlivých distribučných systémov v prepočte na jeden byt je znázornené na obrázku 6.

Obrázok 5: Porovnanie distribučných systémov TV z hľadiska ročných nákladov na energiu a vodu na byt

Obrázok 6: Porovnanie distribučných systémov TV z hľadiska celkových ročných nákladov na byt

Lokálna príprava TV (ZOTV-PL) je vhodná prevažne do bytových budov s 1 až 4 bytmi, kde TV je pripravovaná osobitne v jednotlivých bytoch. Straty tepla v rozvodoch tvoria z celkových ročných nákladov približne 0,35%.

Pre budovy s 5 a viac bytmi je z technického hľadiska potrebné ohrievať TV v zásobníkovom ohrievači vody teplonosnou látkou privedenou z vykurovacieho kotla na plynné palivo. Vykurovací kotol môže slúžiť zároveň aj na vykurovanie objektu.

Pri navrhovaní distribučného systému TV v novej bytovej budove s viac ako 5 bytmi sa javí najvhodnejší z ekonomického a technického hľadiska pri dodržaní všetkých okrajových podmienok distribučný systém s ústrednou prípravou TV so zdrojom na plynné palivo s cirkuláciou TV (UPTV-PL). Straty tepla v rozvodoch pri použití cirkulácie TV tvoria z celkových ročných nákladov približne 10%.

Distribučný systém s centrálnou prípravou TV zaizolovaný podľa STN EN ISO 12241 4 je nákladnejší o približne 10% oproti systému s ústrednou prípravou TV v zásobníkovom ohrievači vody na plynné palivo v bytovej budove.

Udržiavanie predpísanej teploty TV samoregulačným termokáblom (UPTV-PL+TK) je drahšie o 19% oproti systému TV cirkuláciou, čo je spôsobené zvýšenými investičnými a prevádzkovými nákladmi (cena elektriny je väčšia ako plynu).

Distribučný systém s ústrednou prípravou teplej vody v zásobníkovom ohrievači vody na plynné palivo pri neprerušovanej prevádzke

Na základe technicko - ekonomického vyhodnotenia distribučného systému s ústrednou prípravou TV v zásobníkovom ohrievači vody na plynné palivo určenom pre 1 až 16 bytov je vyhotovený priebeh spotreby tepla na ohrev vody na 1 byt a za 1 rok v závislosti na počte zásobovaných bytov zobrazený na obrázku 7. Pomocou metódy regresnej analýzy je možné vypočítať spotrebu tepla na ohrev vody pre rôzny počet zásobovaných bytov. Trend spotreby tepla má polynomický charakter a je vyjadrený vzorcom 1.

Obrázok 7: Priebeh spotreby tepla na ohrev vody v závislosti na počte bytov

(kWh/rok.byt)   (1)

kde:

Q - spotreba tepla na ohrev vody (kWh/rok.byt)
n - počet bytov (-)

Z priebehu je možné konštatovať, že bytové budovy s menej ako 4 bytmi majú väčšiu spotrebu tepla na byt ako budovy s viacerými ako 5 bytmi. Je to spôsobené veľkosťou zásobníkových ohrievačov vody. Pri väčšom počte bytov je použitý pri výpočte iný koeficient súčasnosti a zároveň pri rastúcom počte bytov pripadá menší podiel spoločných rozvodov TV na jeden byt.

Na obrázku 8 je znázornený priebeh podielu investičných a prevádzkových nákladov (bez uvažovania nákladov na energiu a vodu) z celkových nákladov v závislosti na počte bytov. S rastúcim počtov bytov v bytovej budove sa podiel investičných a prevádzkových nákladov na jeden byt zmenšuje. Uvedený podiel je možné vyjadriť pomocou vzorca:

(%)   (2)

kde:

I - podiel investičných a prevádzkových nákladov z celkových nákladov (%)
n - počet bytov (-)

Obrázok 8: Priebeh podielu investičných a prevádzkových nákladov (bez uvažovania nákladov na energiu a vodu)
z celkových nákladov v závislosti na počte bytov

Na obrázku 9 je znázornený priebeh celkových nákladov v závislosti na počte bytov. Porovnaním grafov na obrázkoch 8 a 9 je možné konštatovať, že investičné náklady značne ovplyvňujú celkové náklady. V bytových budovách s bytmi viac ako 10 bytov sú investičné náklady na 1 byt najnižšie a predstavujú približne 7% z celkových nákladov na 1 rok. Z analýzy vyplýva, že v bytových budovách s 10 a viac bytmi (UPTV-PL) sú celkové náklady najnižšie a pri cenách ku mesiacu jún 2005 sú približne 9700 Sk.

Obrázok 9: Priebeh celkových nákladov v závislosti na počte zásobovaných bytov

Literatúra

[1] STN 73 6655 - Výpočet vnútorných vodovodov
[2] ČSN 06 0320 - Ohrievanie úžitkovej vody
[3] DAHLSVEEN T., PETRÁŠ D.: Energetický audit budov, Jaga group, s.r.o., Bratislava 2005
[4] STN EN ISO 12241 (730556): Tepelná izolácia technických zariadení budov a priemyselných prevádzok - Výpočtové pravidlá (apríl 2001).
[5] KALAŠ Juraj, KAPALO Peter: Analýza efektívnosti realizácie decentralizovanej prípravy teplej úžitkovej vody v okruhu odovzdávacej stanice OST541, Stavebná fakulta, TU Košice, KTZB, Košice, 2002
[6] KAPALO Peter: Výskum nestacionárnych procesov v systémoch distribúcie teplej vody za účelom zníženia energetickej náročnosti, Dizertačná práca, Stavebná fakulta, TU Košice, KTZB, Košice, 2005