Příprava teplé vody s prioritou konstantní teploty - příklad z praxe

Článek je zároveň pozvánkou na veletrh Aquatherm, kde vystavuje nejen firma Regulus, ale Provoz a údržba domů je téma konference TZB 2006 ve čtvrtek 23.11.2006. Řešení uvedené v článku bude tématem jedné z přednášek tohoto konferenčního dne.

REGULUS spol. s r. o.
Ing. Pavel Kučera - ředitel společnosti

Nový způsob ohřevu vody

Solární systém s průtokovým dohřevem - "online" na internetu.

Koncem loňského roku nás oslovil hlavní energetik firmy ETA a. s. Hlinsko s požadavkem na obnovu technologie přípravy teplé vody (dále jen TV) v jednom z výrobních objektů. Původně byla příprava TV realizována pomocí dvou zásobníkových plynových ohřívačů (2x 325 l/55 kW) a jedním akumulačním zásobníkem TV (4000 l). Plánem investora bylo rekonstruovat dosluhující stávající systém i s ohledem na snižování spotřeby energie a tím snížení provozních nákladů na ohřev vody.

Navrhli jsme tedy od základu změnit celou technologii přípravy TV. Ačkoli je odběr TV během roku prakticky neměnný a můžeme velmi dobře vysledovat časové úseky bez odběru TV i odběrové špičky, což nás směřovalo opět k zásobníkovému ohřevu, rozhodli jsme se úplně změnit koncepci ohřevu vody a nainstalovat namísto původních zásobníkových ohřívačů kaskádu pěti plynových průtokových ohřívačů Infinity REU2632. Jejich hlavní výhodou je totiž plynulá modulace výkonu, která zajišťuje (jak vyplývá již z názvu ohřívače Infinity) "nekonečný - nevyčerpatelný" průtok teplé vody, navíc o naprosto přesné konstantní teplotě bez ohledu na změny průtoku! Při případném nadměrném požadavku na TV (překročení kapacity výkonu ohřívačů) totiž neklesne teplota ohřívané vody vystupující z ohřívačů Infinity, ale ohřívače omezí průtok na hodnotu, při které jsou schopny dodržet nastavenou výstupní teplotu.

Jeden ohřívač disponuje výkonem od 3,5 kW do 44,5 kW. V paralelním zapojení pěti ohřívačů je tedy tento výkon znásoben až na hodnotu 222,5 kW, což je s ohledem na počet odběrných míst a vysledovanou současnost odběru dostačující. Minimální výkon 3,5 kW odpovídá průtoku 2,7 l/min. Tento průtok je tedy zároveň minimálním průtokem TV v odběrných místech. Maximální průtok samozřejmě závisí na rozdílu vstupní a výstupní teploty vody kaskády.

Každý ohřívač je vybaven vlastní řídicí mikroprocesorovou jednotkou, která vyhodnocuje údaje z několika teplotních čidel, průtokoměru, snímače otáček ventilátoru a dálkové ovládací jednotky. Rychlé reakce na změny průtoku dosahuje tím, že ve výměníku předehřívá vodu na vyšší než požadovanou teplotu, a za výměníkem ji pomocí krokově řízeného ventilu míchá na nastavenou teplotu. Velkého modulačního rozsahu hořáku dosahuje regulací tlaku plynu před hořákem. Ten je rozdělen na 3 sekce, které se mohou samostatně uzavírat. Navíc ventilátor dodávající spalovací vzduch je plynule řízený a pro optimální nastavení spalovacího procesu elektronika snímá jeho otáčky a vyhodnocuje i teplotu spalovacího vzduchu. Díky tomu ohřívač pracuje v celém rozsahu výkonu s účinností 82%.

Elektronický regulátor kaskády v závislosti na okamžitém odběru teplé vody připojuje či odpojuje další ohřívače, ohřívače se zapínají dle potřeby také cirkulačním čerpadlem teplé vody, aby teplá voda byla u spotřebiče okamžitě k dispozici.

Pro zvýšení životnosti celé kaskády zapíná kaskádní regulátor jednotlivé ohřívače podle vlastního algoritmu tak, aby jejich vytížení bylo stejné, tzn. aby celková práce byla rozdělena rovnoměrně mezi jednotlivé ohřívače. Díky obrovskému rozsahu výkonů je vždy ohříváno jen takové množství vody, které je okamžitě spotřebováno. Ohřívače umožňují prostřednictvím připojeného ovladače volit výstupní teplotu TV. Dostatečnou se ukázala teplota 43 °C, na kterou je v tuto chvíli kaskáda ohřívačů Infinity nastavena. Nižší výstupní teplota a ohřev pouze okamžitě spotřebované vody má za následek znatelnou úsporu ve spotřebě zemního plynu oproti předchozímu ohřevu. První měření investora vykazují 20-30% úsporu plynu. Data naměřená investorem jsou součástí online webové aplikace. Kaskáda ohřívačů Infinity byla uvedena do provozu 10. 2. 2006.

Ve druhé fázi rekonstrukce přípravy TV v závodě ETA Hlinsko jsme navrhli předehřívat vodu pomocí slunečních kolektorů. Na vstupu do kaskády plynových průtokových ohřívačů byl instalován nepřímotopný zásobníkový ohřívač o objemu 1000 l, který je ohříván výhradně solárním systémem. Na ploché střeše objektu je instalováno 10 kusů plochých kolektorů Regulus KPC2 BP. Kolektorová pole jsou dvě, každé s pěti kolektory.

Celková kolektorová plocha je 20 m². Solární systém je řízen samostatně pomocí diferenciálního regulátoru DeltaSol ES s možností online výstupu na počítač. Regulátor spíná a řídí otáčky oběhového čerpadla na základě rozdílu teploty v zásobníku a teploty na kolektorech. Otáčky jsou řízeny skokově v rozmezí 30-100%, krok je 10%. Pro zvýšení celkové účinnosti solárního systému jsme využili zásobníkový ohřívač se dvěma výměníky. Pomocí třícestného přepínacího ventilu regulátor rozhoduje, zda je dostatek sluneční energie k ohřátí teplejší horní časti zásobníku, nebo zda bude využit pouze spodní výměník v chladnější části zásobníku (to v případě málo intenzivního slunečního svitu). Plocha jednoho výměníku je 2,5 m², celková tedy 5 m². Solární systém byl uveden do provozu 30. 5. 2006.

Ideální spolupráci solárního systému s průtokovým dohřevem umožňuje sofistikovaný řídící systém Infinity. V momentě, kdy solární systém ohřeje vodu na teplotu alespoň 43 °C, není důvod vodu dohřívat, ohřívače se tedy nesepnou, ale zůstávají otevřené. Voda jimi tedy může volně protékat. Všechny ohřívače obsahují řízený by-pass, který je v tomto případě plně otevřen a teplá voda tak prochází přímo touto odbočkou a nikoli přes spalinový výměník ohřívače. Pokud sluneční energie vodu v solárním zásobníku ohřeje na více než 43°C (např. víkend), termostatické směšovací ventily zajistí výstupní požadovanou teplotu smícháním s přívodní studenou vodou.

Díky zmiňované znalosti provozu jsme přistoupili ještě ke dvěma trochu netypickým řešením. Prvním je orientace kolektorů vůči světovým stranám. Obě kolektorová pole jsou umístěna na ploché střeše budovy a jejich orientace může být libovolná. Ve vysledované křivce spotřeby TV dochází ke špičkovému odběru logicky vždy po ukončení směny, což je v našem případě ve 14:00. Kolektory jsou tudíž orientovány na jihovýchod a dodávají špičkový výkon již v dopoledních hodinách.

Pro případné zvýšení špičkových odběrů v budoucnosti je připraveno "druhé netypické řešení" - předehřátí zásobníku před 14. hodinou odpolední pomocí kaskády ohřívačů a cirkulačních čerpadel (zatím není využíváno). Jak již bylo řečeno, maximální průtok kaskádou závisí na teplotě vstupující vody. Systém cirkulace je doplněn o třícestný přepínací ventil, který je ovládán časovým spínačem a termostatem v zásobníku. Pokud tedy v určitou chvíli (cca 2 hodiny před plánovanou špičkou) není teplota v zásobníku alespoň 30 °C, ventil přepne a cirkulační čerpadlo dodává předehřátou vodu do zásobníku. Pokud tedy nesvítí slunce, můžeme vodu v zásobníku předehřát ohřívači Infinity a tím zvýšit maximální kapacitu (průtok) v době odběrové špičky.

Investor souhlasil s uveřejněním všech naměřených hodnot a online monitoringem, kde jsou pro jakéhokoli uživatele internetu k dispozici aktuální hodnoty průtoku (odběru) TUV v m³/h, teploty na obou kolektorových polích, venkovní teplota, teploty v zásobníkovém ohřívači, výkon oběhového čerpadla solárního okruhu v %, aktuální hodnota dopadu slunečního záření v kW/m², aktuální hodnota spotřeby zemního plynu v m³/h. Ve schématu, které je taktéž součástí internetové prezentace, je zobrazován celkový čas chodu oběhového čerpadla solárního systému. Na primárním okruhu solárního systému je nainstalován digitální průtokoměr, takže se zobrazuje také aktuální hodnota průtoku. Z hodnoty průtoku a rozdílu teplot před a za solárním výměníkem se průběžně vypočítává množství tepla dodaného solárním systémem. Nově přibude zobrazení teplot vody na vstupu do zásobníku a teploty vody vracející se z cirkulačního okruhu.

Zapojení s předehřevem solárního zásobníku cirkulačním okruhem M

Každou hodinu jsou automaticky aktualizována denní data. Údaje za jednotlivé dny zůstávají k dispozici a uživatel, resp. návštěvník webové stránky tak může zpětně dohledat celkové denní solární zisky a spotřeby vody a zemního plynu. Jako poslední údaj je uvedena průměrná venkovní teplota příslušného dne. Tyto údaje se pak sumarizují v poslední rubrice - roční statistika. Zde jsou údaje sečteny dle jednotlivých měsíců a let.

Tato internetová prezentace tedy může velmi dobře pomoci v rozhodování investorů, zda renovovat dožívající systémy s akumulačními zásobníky TV ohřívanými tradičními zdroji energie. Nebo spíše využít nové technologie ohřevu vody se zdrojem energie šetrným k našemu životnímu prostředí - slunečním zářením dopadajícím na povrch naší planety. Tato naše aplikace dokazuje, že cesta šetrná k životnímu prostředí je navíc ekonomická a investorovi přináší rychlou návratnost investice a nezanedbatelné úspory energie i v budoucích letech.