Návrh optimálnych distribučných systémov teplej vody pre bytové budovy

Úvod

Vnútorný vodovod je jedným z rozhodujúcich článkov v systéme zásobovania budov vodou. Jeho optimálny návrh prináša úsporu vody, energie a zaručuje ekonomickú prevádzku vodovodu vrátane údržby.

Neustále stúpajúce ceny energií, médií a zariadení spôsobujú nárast nákladov spojených s užívaním bytov. Vzhľadom na skutočnosť, že z celkových prevádzkových nákladov významnú časť tvoria náklady na prípravu a distribúciu teplej vody (prevažne spotrebu energie), opatrenia smerujúce k optimalizácii jej prípravy a distribúcie pri zachovaní užívateľského komfortu majú mimoriadny celospoločenský význam.

Návrh a posúdenie distribučných systémov TV v bytových budovách

Pri návrhu distribučného systému TV v budove je potrebné zohľadniť účel objektu a spôsob jeho prevádzkovania. V bytových budovách má veľký vplyv aj veková a sociálna štruktúra obyvateľov. Je nutné dodržať požiadavky na kvalitu TV a zohľadniť investičné náklady, prevádzkové náklady a dosiahnutý komfort bývania.

Distribučný systém TV môže byť v bytovej budove prevedený ako:

• 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 celom objekte.
  
  
• Systém s distribučným rozvodom TV bez zabezpečenia požadovanej teploty TV v rozvodnom potrubí (bez cirkulácie TV). 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 celej budove a rozvodom TV v bytoch.
  
  
• Systém s distribučným rozvodom TV so zabezpečením požadovanej teploty TV v rozvodnom potrubí (s cirkuláciou 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. Zabezpečenie požadovanej teploty TV v rozvodnom potrubí je zabezpečené cirkulovaním TV a jej opätovným dohrevom v ohrievači vody. Zabezpečenie požadovanej teploty TV v rozvodnom potrubí môže byť zabezpečený aj ohrievaním potrubia samoregulačnými elektrickými ohrevnými káblami. Dohrev TV môže byť neprerušovaný, alebo prerušovaný.

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

Označenie distribučného systému	Charakteristika distribučného systému
POTV-EL	TV je pripravovaná v elektrických prietokových ohrievačoch nainštalovaných pri každom odbernom mieste. Distribučný rozvod TV je zanedbateľný.
ZOTV-EL	TV je pripravovaná v elektrických zásobníkových ohrievačoch vody nainštalovaných v byte v blízkosti odberných miest. Distribučný rozvod TV je v byte max. 2 m.
ZOTV-PL	TV je pripravovaná v plynových zásobníkových ohrievačoch vody nainštalovaných v byte v blízkosti odberných miest. Distribučný rozvod TV je v byte max. 2 m.
UPTV-EL	TV je pripravovaná ústredne v bytovej budove v kotolni situovanej mimo bytu v elektrickom zásobníkovom ohrievači vody. Distribučný rozvod TV je vedený z kotolne do jednotlivých bytov. Udržiavanie predpísanej teploty TV je zabezpečené cirkuláciou.
UPTV-PL	TV je pripravovaná ústredne v bytovej budove v kotolni situovanej mimo bytu v plynovom zásobníkovom ohrievači vody. Distribučný rozvod TV je vedený z kotolne do jednotlivých bytov. Udržiavanie predpísanej teploty TV je zabezpečené cirkuláciou.
CPTV	TV je pripravovaná centralizovane mimo bytovej budovy. TV je pripravovaná pre viacej bytových budov. Distribučný rozvod TV je vedený od päty budovy do jednotlivých bytov. Udržiavanie predpísanej teploty TV je zabezpečené cirkuláciou.
UPTV-EL+TK	TV je pripravovaná ústredne v bytovej budove v kotolni situovanej mimo bytu v elektrickom zásobníkovom ohrievači vody. Distribučný rozvod TV je vedený z kotolne do jednotlivých bytov. Udržiavanie predpísanej teploty TV je zabezpečený elektrickým samoregulačným termokáblom.
UPTV-PL+TK	TV je pripravovaná ústredne v bytovej budove v kotolni situovanej mimo bytu v plynovom zásobníkovom ohrievači vody. Distribučný rozvod TV je vedený z kotolne do jednotlivých bytov. Udržiavanie predpísanej teploty TV je zabezpečený elektrickým samoregulačným termokáblom.
CPTV+TK	TV je pripravovaná centralizovane mimo bytovej budovy. TV je pripravovaná pre viacej bytových budov. Distribučný rozvod TV je vedený od päty budovy do jednotlivých bytov. Udržiavanie predpísanej teploty TV je zabezpečený elektrickým samoregulačným termokáblom.

Tabuľka 1: Charakteristika posudzovaných distribučných systémov TV

Z technického hľadiska je potrebné v distribučnom systéme zabezpečiť menovitý výtok vody podľa STN 73 6655 [1] pre batériu umývadlovú a drezovú q = 0,2 l/s a pre batériu vaňovú q = 0,3 l/s. Podľa STN 73 6655 [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 bol vypočítaný pre každú bytovú budovu:

• objem zásobníkového ohrievača vody podľa [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 (podľa platných cenníkov k mesiacu jún 2005),
• prevádzkové náklady bez nákladov na energiu a vodu 3 ,
• náklady na vodu a energie (podľa platných cenníkov VSE a SPP k mesiacu jún 2005).

Návrh optimálnych distribučných systémov TV v bytových budovách

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 celkových nákladov jednotlivých distribučných systémov v prepočte na jeden byt je znázornené na obrázku 1.

Najvýhodnejší systém z hľadiska investičných a prevádzkových nákladov je systém s centrálnou prípravou TV mimo objektu (boli použité ceny tepla v meste Košice). Pri tomto systéme je uvažované 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 (rodinných domoch), kde ohrievač vody vzhľadom na jeho dostatočný elektrický výkon bude zásobovať viacej zariaďovacích predmetov sústredených blízko seba a kde nebude možné zabezpečiť dohrev TV v zásobníkovom ohrievači v krátkom požadovanom čase z prevádzkových dôvodov.

Z porovnania rôznych distribučných systémov TV z hľadiska celkových ročných nákladov na byt zobrazenom na obrázku 1 je zjavne ekonomicky najvýhodnejší distribučný systém s lokálnou prípravou TV a následne s ústrednou prípravou TV v plynovom zásobníkovom ohrievači vody. 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. Štandartne sa málo vyrábajú 250 a viac litrové zásobníkové ohrievače 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 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%.

Obrázok 1: Porovnanie rôznych distribučných systémov TV z hľadiska celkových ročných nákladov na byt

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.

V bytových budovách s počtom viac ako 10 bytov sú investičné náklady najnižšie a predstavujú približne 7% z celkových nákladov. Z analýzy vyplýva, že v bytových budovách s 10 a viac bytmi (UPTV-PL) sú celkové náklady najnižšie.

Ekonomická efektívnosť distribučného systému

Ekonomická efektívnosť distribučného systému s ústrednou prípravou TV s cirkuláciou TV so zdrojom na plynné palivo pri porovnaní s distribučným systémom s centrálnou prípravou TV mimo objektu je vypočítaná podľa 5. Vypočítaná čistá dynamická súčasná hodnota NPV_D (Net Present Value) (vzorec 1) nám zohľadňuje mieru zvyšovania cien energie a infláciu. Vo výpočte je zohľadnený aj rozdielny rast investičných nákladov a cien energie.

kde:

NPVD	- čistá dynamická súčasná hodnota     (Sk)
q	- úročiteľ q=1+z     (-)
z	- diskontná sadzba     (-)
N	- doba prevádzkovania systému (15-30 rokov)
eE	- faktor zvyšovania cien energie eE=1+rE      (-)
rE	- miera ročného nárastu cien vody a energie (0 až 10% ročne)     (-)
eP	- faktor zvyšovania prevádzkových nákladov eP=1+rP      (-)
rP	- miera ročného nárastu prevádzkových nákladov (0 až 4%)     (-)
ΔE	- rozdiel cien energie a vody medzi posudzovaným distribučným systémom a referenčným systémom     (Sk/rok)
ΔP	- rozdiel prevádzkových nákladov medzi posudzovaným distribučným systémom a referenčným systémom     (Sk/rok)
ΔB	- rozdiel investičných celkových nákladov medzi posudzovaným distribučným systémom a referenčným systémom     (Sk)

Vzhľadom na skutočnosť, že čistá súčasná hodnota pre bytovú budovu so 16. bytmi vyšla v každom uvažovanom prípade kladná (obrázok 2) je možné konštatovať ekonomickú výhodnosť distribučného systému s ústrednou prípravou TV na plynné palivo v budove.

Obrázok 2: Znázornenie analýzy citlivosti nákladov distribučného systému s prípravou TV
v zásobníkovom ohrievači vody na plynné palivo určenom pre 16 bytov.

Záver

Z posudzovania jednotlivých distribučných systémov, ktoré boli navrhnuté pre rovnaké okrajové podmienky je z technického a ekonomického hľadiska pre jednobytové až štvorbytové budovy najvhodnejší distribučný systém s lokálnou prípravou TV v zásobníkovom plynovom ohrievači vody (ZOTV-PL), ktorý je inštalovaný v blízkosti odberných miest.

Pre bytové budovy s viac ako 5. bytmi je najvhodnejší distribučný systém s ústrednou prípravou TV v plynovom zásobníkovom ohrievači vody s cirkuláciou TV. V bytových budovách s 10. a viac bytmi (UPTV-PL) sú celkové ročné náklady najnižšie.

Pre bytové budovy situované v mestách, kde je centralizovaná príprava TV mimo objekt už zrealizovaná, je potrebné previesť modernizáciu systému. Pri modernizovanom systéme a súčasných cenách je CPTV drahšia od systému UPTV-PL približne o 10%.

Literatúra:

[1] STN 73 6655 - Výpočet vnútorných vodovodov
[2] STN 06 0320 - Ohrievanie úžitkovej vody.
[3] DAHLSVEEN T., PETRÁŠ D.: Energetický audit budov, Jaga group, s.r.o., Bratislava 2005
[4] KALAŠ Juraj, KAPALO Peter: Analýza efektívnosti realizácie decentralizovanej prípravy teplej úžitkovej vody v okruhu odovzdávacej stanice OST541, Stavebná fakulta, TU Košice, KTZB, Košice, 2002
[5] BOSZORMÉNYI Ladislav, BOSZORMÉNYI Gabriel: Hybridný paroplynový zdroj s geotermálnou podporou, Košice, 2003