Stanovenie energetickej triedy systému prípravy teplej vody v zmysle zákona č. 555/2005 o energetickej hospodárnosti budov

Systém prípravy teplej vody je v procese certifikácie budovy druhou oblasťou, pre ktorú sa stanovuje hodnota energie pre zabezpečenie jej energetickej náročnosti. V súčasnej dobe neustále rastú nároky človeka na kvalitu a komfort bývania, a s tým súvisí aj zvyšovanie nárokov človeka na hygienu. A nezvyšuje sa nám iba spotreba vody samotnej, ale aj spotreba energie na prípravu teplej vody. Teda cieľom energetického hodnotenia tohto systému je nielen vyčísliť našu spotrebu energie, ale zamyslieť sa aj nad možnosťou šetrenia. Samozrejme je potrebné vybrať také úsporné opatrenia, ktoré znížia spotrebu energie, ale na druhej strane nezhoršia kvalitu a bezpečnosť užívania.

S prípravou teplej vody sa uvažuje pri projektovaní zdravotno-technických inštalácií, rovnako ako aj pri projektovaní vykurovania. Keďže najbežnejším riešením ohrevu vody je priamy ohrev cez prietokový ohrievač alebo integrovaný zásobník teplej vody zabudovaný priamo v zdroji tepla, napr. v plynovom kotle alebo na iné palivo. Alebo druhou alternatívou je nepriamo ohrievaný zásobník, vhodne umiestnený v rámci dispozície budovy. Požiadavky pre teplú vodu sú známe z už platných právnych predpisov a technických noriem. Každý systém prípravy a distribúcie teplej vody má zabezpečiť vodu o požadovanej teplote v danom čase a na danom mieste výtoku. Základné normové požiadavky pre systém teplej vody (najmä požiadavky pre jej teplotu) zahŕňa norma STN 06 0320 Ohrievanie úžitkovej vody. Navrhovanie a projektovanie a sú súčasťou aj vykonávacej vyhlášky č.625/2006, ktorou sa vykonáva zákon o energetickej hospodárnosti budov č. 555/2005, tie sú:

• Výpočtová teplota teplej vody - teda teplota na výstupe z ohrievača alebo zásobníka teplej vody má byť 60 °C (ak je možnosť termickej dezinfekcie vody, v opačnom prípade má mať voda teplotu 70 °C).
• Teplota teplej vody v mieste výtoku má byť minimálne 55 °C, teda maximálny dovolený pokles teploty medzi zásobníkom a miestom odberu je 5 K.
• Teplá voda o požadovanej teplote má byť v mieste odberu k dispozícii v priebehu 30 sekúnd od otvorenia výtoku.
• Norma pripúšťa krátkodobý pokles teploty teplej vody v čase odberovej špičky na teplotu 45 °C.
• Tepelná strata distribučného rozvodu teplej vody nemá prekročiť 8 W/(m. K).

Teplotu vody nám neovplyvňuje len proces potrebného objemu teplej vody, ale aj jej samotné uskladnenie a rozvod k užívateľovi. Teplá voda je akumulovaná v zásobníkoch a rôznych akumulačných nádržiach, ktoré svojou konštrukciou a vlastnosťami poskytujú možnosť zachovať danú teplotu vody za určitý časový interval. Distribučný rozvod predstavuje ďalšiu časť celého systému, ktorý rovnako svojím konštrukčným prevedením, použitým materiálom rozvodov ako aj izolácie, ovplyvňuje výslednú teplotu vody v mieste užívania. Rozvod teplej vody je najčastejšie riešený so systémom cirkulácie alebo bez nej. Návrh cirkulácie závisí najmä od vzdialenosti posledného miesta výtoku, teda aby bola zabezpečená požiadavka na teplú vodu v intervale 30 sekúnd od otvorenia. A v neposlednom rade má svoj vplyv na teplotu vody aj umiestnenie všetkých súčastí systému prípravy teplej vody v konkrétnom priestore budovy, teda vo vykurovanej časti alebo v nevykurovanej časti.

Osobitnú kapitolu v spotrebe energie tohto systému predstavuje prídavná elektrická energie na činnosť zabudovaných elektrických zariadení, napr. energia na pohon cirkulačného čerpadla, pre regulačné a meracie armatúry, pre zariadenia na úpravu vody atď. a elektrická energia spotrebovaná priamo v zdroji tepla na ohrev.

Ak chceme dôsledne vyčísliť celkovú potrebu energie pre systém prípravy teplej vody, musíme stanoviť potrebu základnej energie na ohrev potrebného objemu vody na požadovanú hodnotu, vrátane stratovej energie v zdroji tepla, v zásobníkoch teplej vody, v distribučnej sústave a potreby energie, ktorú treba dodať v čase medzi otvorením výtoku a dosiahnutím požadovanej teploty vody. Náš výpočet teda môžeme rozdeliť do týchto štyroch podsystémov:

• podsystém potreby tepla na ohrev vody,
• podsystém distribúcie teplej vody,
• podsystém akumulácie teplej vody a
• podsystém zdroja tepla na ohrev teplej vody.

Obr. 1 Schéma podsystémov pre stanovenie potreby energie na prípravu TV

Potreba tepla na ohrev teplej vody

Stanovenie potreby tepla na ohrev normalizovaného objemu vody je pre účely energetickej certifikácie spracované v norme STN EN 15316-3-1. Norma umožňuje postupovať podľa zjednodušenej alebo podrobnejšej metódy. Celkovo vyčíslenie energie na ohrev TV pri všetkých metódach závisí na:

• type budovy,
• druhu vykonávanej činnosti v budove,
• type zóny v rámci budovy, ak sa v nej vykonáva viacero činností, a
• štandarde alebo triede vykonávanej činnosti, napr. kategória hotela (počet hviezdičiek) alebo stravovacieho zariadenia.

Zjednodušená metóda predstavuje stanovenie potreby tepla na ohrev TV na základe podlahovej plochy. Vyčíslime ju ako súčin špecifickej potreby energie na jednotku plochy pri definovanej teplote TV (60 °C) a teploty studenej vody (10 °C) a podlahovej plochy.

kde:

Q_w,A - špecifická potreba energie na jednotku plochy v kWh/m².rok
A - podlahová plocha v m²

Hodnoty špecifickej potreby energie sú stanovené na národnej úrovni vo vykonávacej vyhláške č. 625/2006 - Príloha 1., Tabuľka č. 3 ako "Teplo na prípravu TV" v kWh/m² podlahovej plochy podľa typu budovy. Pričom všetky hodnoty z tejto tabuľky sa vzťahujú na celkovú podlahovú plochu vypočítanú z vonkajších pôdorysných rozmerov.

Podrobnejšia metóda predstavuje stanovenie potreby tepla na ohrev TV na základe požadovaného objemu teplej vody.

kde:

V_w - požadovaný objem teplej vody v m³/rok
θ_w,del - teplota pripravovanej teplej vody v °C
θ_w,0 - teplota vstupnej studenej vody v °C

Už vyššie spomínané faktory, ktoré ovplyvňujú vyčíslenie hodnoty potreby tepla na ohrev teplej vody, sú zohľadnené pri tejto metóde práve vo výpočte potrebného objemu vody. Norma stanovuje pre jednotlivé typy budov, vykonávaný druh činnosti a triedy, napr. hotelových zariadení, funkčnú jednotku "f" a objem teplej vody vzťahujúci sa na túto funkčnú jednotku. Ak chceme vypočítať objem teplej vody pre hotel, funkčnou jednotkou je počet postelí a pre jednu posteľ je stanovený objem teplej vody. Samozrejme sa rozlišuje aj podľa triedy hotela, napr. pre trojhviezdičkový hotel bez práčovne je to 97 l/posteľ/deň a pre štvorhviezdičkovom hoteli to je už 118 l/posteľ/deň. Výpočtovým obdobím pri vyjadrení objemu je deň, to znamená že výslednú hodnotu musíme prepočítať počtom dní, vzťahujúcim sa k danej potrebe objemu teplej vody.

S väčším rozdielom vyjadrenia potrebného množstva vody sa stretneme pri rodinných a bytových domoch, kde sa s funkčnou jednotkou "f" uvažuje s podlahovou plochou.

kde:

x, y, z sú konštanty, rovnako ohraničujúce hodnoty podlahovej plochy sú stanovené podľa prílohy normy STN EN 15316-3-1
x = 39,5 litrov/deň
y = 90,2 litrov/deň
z = 1,49 litrov/m²deň

Nedostatkom tejto metódy je, že ani v norme a ani na národnej úrovni nie je určené, s akou podlahovou plochou sa má do tohto výpočtu vstupovať. Otázkou je, či uvažovať s celkovou podlahovou plochou, ako je to jednoznačne stanovené pri zjednodušenej metóde, alebo len s plochou miestností a priestorov, v ktorých sú odberné miesta teplej vody.

Distribúcia teplej vody

Distribučný systém svojím usporiadaním, veľkosťou, použitým materiálom rúrok, izolácie, konečným umiestnením rozvodov zvyšuje potrebu energie na prípravu teplej vody o hodnotu tepelných strát. Dôležité je aj poznať samotnú prevádzku distribúcie teplej vody.

V rámci výpočtu energie na krytie tepelných strát z rozvodov hovorí norma STN EN 15316-3-2 Vykurovacie systémy v budovách. Systém prípravy teplej vody, distribúcia. o viacerých možných metódach, sú to:

• Metóda na základe podlahovej plochy - nie sú potrebné podrobné informácie o dĺžkach a parametroch rozvodov. Zodpovedajúce hodnoty majú byť uvedené podľa normy v národnej prílohe, čo však v našej certifikácii nie je k dispozícii.
• Metóda na základe koeficientov efektívnosti - táto metóda je teda založená na odhade pomeru konečnej energie, ktorá sa dostane ku konečnému odbernému miestu pri určitých dĺžkach a priemeroch rozvodov. Je teda potrebné poznať aspoň orientačne dĺžku rozvodov a priemer rúr, nakoľko sa podľa týchto parametrov vyberá príslušný koeficient efektívnosti z tabuliek. Metóda je detailne spracovaná v prílohe B spomínanej normy.
• Metóda vychádzajúca z programu odberu vody - pri tejto metóde sa vychádza z odberových programov vody, ktoré sú uvádzané v predchádzajúcej časti normy STN EN 15316-3-1. Sú spracované tri programy pre byt, resp. rodinný dom, ktoré stanovujú množstvo odberu teplej vody a spotrebu energie na jej ohrev. Vychádza sa teda z energetickej požiadavky na ohrev vody podľa vhodne vybraného odberného programu a k nemu odpovedajúcemu faktoru strát energie. Metóda je podrobne spracovaná v prílohe C normy STN EN 15316-3-2. Je potrebné poznať aspoň dĺžky rozvodov teplej vody.

Dôležité je si uvedomiť, že pri týchto metódach sa uvažuje len zo základnými vstupnými poznatkami o distribučnej sústave a z tabuľkovo udaných hodnôt spracovaných na základe určitých meraní. A rovnako aj fakt, že žiadna z týchto metód nie je použiteľná v prípade, že máme navrhnutý systém s cirkuláciou. Najvhodnejšie je teda použiť metódu pre stanovenie tepelných strát z distribučného rozvodu, ktorá zahŕňa aj cirkulačné potrubie.

Pri tejto podrobnej metóde vychádzame z poznatkov o rozvodoch, teda ich dĺžky, priemerov, hrúbky izolácie a mieste umiestnenia, a poznatkov o samotnej prevádzke a činnosti systému. Najzložitejšie bude asi určiť aspoň odhadom režim prevádzka rozvodov, ako aj cirkulačného potrubia. Rozlišujeme dva prípady, a to:

1) keď sa teplá voda odoberá, teda dochádza k tepelným stratám len vplyvom materiálu rúrok, prípadne hrúbky a materiálu izolácie, a je potrebné určiť čas odberu teplej vody za deň. Na základe ktorého určíme tepelné straty rozvodov v čase odberu vody:

2) keď sa teplá voda neodoberá (môžeme hovoriť aj o čase stagnácie teplej vody), teda pri dlhšom časovom úseku dochádza k poklesu teploty vody na teplotu okolia. V tomto prípade sa už uvažuje len s tepelnou kapacitou vody a objemom stagnujúcej vody v rúrkach, keďže tepelná izolácia tento pokles neovplyvní. Z týchto východzích hodnôt vypočítame tepelné straty v čase stagnácie vody:

kde:

V_W,dis,i - objem vody v rúrkach v m³
θ_W,dis,avg,i - priemerná teplota vody v potrubí v °C
θ_amb - priemerná teplota okolia v °C
U_W,dis,i - lineárny stratový súčiniteľ prechodu tepla potrubím vo W/(m. K)
L_W,dis,i - dĺžka potrubia v m
c_W - tepelná kapacita vody v J/(kg. K)
t_W - čas odberu teplej vody v h/deň
N_tap - počet odberov teplej vody v x/deň

Pri cirkulačnom potrubí nám stanovenie času a počtu odberov zjednodušuje prevádzková doba čerpadla. Pri zjednodušenej bilancii týchto procesov (pri uvažovaní aj cirkulačného potrubia) nám vychádzajú 3 základné výsledné stavy:

Obr. 2 Schematické znázornenie času a počtu odberov teplej vody v distribučnom rozvode

Súčasťou podsystému distribúcie teplej vody je aj stanovenie prídavnej energie na cirkulačné čerpadlo. K dispozícii pre stanovenie jej hodnoty sú dve metódy, zjednodušená a podrobná metóda. Pri zjednodušenej metóde vychádzame zo stanoveného výkonu čerpadla a jeho prevádzkového času:

kde:

P_pump - stanovený výkon čerpadla v kW
t_pump - prevádzkový čas čerpadla v h/deň

Ak je k dispozícii presný návrh cirkulačného potrubia s jeho hydraulickou kapacitou, môžeme postupovať podľa podrobnejšej metódy:

kde:

W_w,pump - potrebná hydraulická energia v kW/deň
e_w,pump - koeficient výkonnosti cirkulačného čerpadla (-)

Presný postup výpočtu hydraulickej energie a koeficientu cirkulačného čerpadla je uvedený v prílohe F normy STN EN 15316-3-2 Vykurovacie systémy v budovách. Systém prípravy teplej vody, distribúcia.

Akumulácia teplej vody

V tomto podsystéme hovoríme o tepelných stratách zo zásobníka teplej vody. Tepelná strata z akumulácie teplej vody v nádobe zásobníka sa stanovuje z hodnoty pohotovostnej tepelnej straty s prispôsobením aktuálnemu teplotnému rozdielu:

kde:

θ_W,st,avg - priemerná teplota vody v zásobníku v °C
θ_amb,avg - priemerná teplota okolia v °C
Δθ_W,st,sby - teplotný rozdiel medzi teplotou vody v zásobníku a teplotou okolia pri meraní pohotovostnej tepelnej straty v °C
Q_W,st,sby - hodnota pohotovostnej tepelnej straty zásobníka v kWh/deň

Hodnotu pohotovostnej tepelnej straty by mal uvádzať výrobca, ako hodnotu zistenú meraním za určitých teplotných podmienok pre každý druh a veľkostný typ zásobníka podľa európskych alebo národných noriem, napr. EN 12 897.

Zdroj tepla na ohrev teplej vody

Zdroj tepla poskytuje teplo potrebné pre zabezpečenie požadovaného množstva vody a vyrovnanie tepelných strát ďalších podsystémov. Pri tomto podsystéme postupujeme rovnako ako pri zdroji tepla pre systém vykurovania. Rozdiel je len vo vstupných hodnotách potreby tepla a prevádzkového času zdroja. Pri spoločnom zdroji uvažujeme potrebu tepla pre ohrev vody a aj pre vykurovanie, pri osobitných zdrojoch vychádzame zo zodpovedajúcich vstupných údajov. V prípade, že zdroj tepla kryje potreby vykurovania, odporúča sa osobitne počítať tepelnú stratu zdroja vo vykurovacom období, keď sa aj vykuruje aj ohrieva teplá voda. A osobitne pre obdobie letné, keď je zdroj tepla využívaný len pre prípravu teplej vody. Postup pre určenie tepelných strát zdroja je spracovaný v norme prEN 15316-4 Space heating generation systems (podľa typu zdroja tepla vybrať príslušnú normu).

Spätne získaná energia systému prípravy teplej vody

V jednotlivých spomínaných podsystémoch systému prípravy teplej vody hovoríme o spätne získanej energii, ktorej časť predstavuje tepelný zisk pre vykurovaný priestor a tým vylepšuje energetickú bilanciu systému vykurovania. O navrátenej energii hovoríme pri:

• rozvodoch teplej vody vedených vo vykurovanom priestore,
• prídavnej energii z cirkulačného čerpadla - do vzduchu, ak sa čerpadlo nachádza vo vykurovanom priestore,
• akumulácii teplej vody, ak je zásobník umiestnený vo vykurovanom priestore.

O tepelnom zisku pre systém prípravy teplej vody hovoríme v prípade navrátenej energie z činnosti čerpadla - časť energie získaná do vody.

Záver

Výsledkom energetickej certifikácie systému prípravy teplej vody je stanovenie celkovej dodanej energie pre tento systém, ktorej hodnotu dostaneme ako súčet potreby energie pre jednotlivé podsystémy so zohľadnením spätne získaného tepla. Túto hodnotu je potrebné ešte podeliť podlahovou plochou a dostaneme hodnotu globálneho ukazovateľa potrebnú pre zaradenie systému do energetickej triedy. Spolu s ostatnými systémami spotreby energie možno určiť celkovú dodanú energiu budovy a jej zatriedenie do energetickej triedy.

Obr. 3 Príprava teplej vody ako súčasť energetického hodnotenia v energetickom certifikáte budovy

Recenzoval: doc. Ing. Zuzana Vranayová, PhD., Ing. Danica Košičanová, PhD.