Nový způsob navrhování vnitřních vodovodů
New method to design domestic water systems
Pomocí modelu SIMDEUM lze simulovat denní vzorce spotřeby studené i teplé vody ve specifických nerezidenčních budovách. Model předpovídá dobře denní vzorce spotřeby studené i teplé vody. Tímto návrhem lze významně snížit objem vody v potrubí i v místě přípravy teplé vody a tím dosáhnout úspor energie a omezit hygienická rizika.
Úvod
V posledních desetiletích jsme získali přehled o užívání vody v rezidenčních i nerezidenčních budovách. Nicméně až do nedávna byly nizozemské předpisy týkající se rozvodů pitné vody založeny na měřeních provedených v letech 1976 až 1980 a neexistovaly žádné předpisy pro rozvody teplé vody. Na obrázku 1 vidíte přehled používání předpisů pro vodovody v Nizozemsku pro rezidenční i nerezidenční budovy.
Obrázek 1. Přehled dostupných metod a metodických pokynů pro konstrukci vodních systémů v Nizozemsku.
I když byla aktualizace předpisů značně náročná, z dlouhodobého hlediska byla přínosem nejen pro zákazníky, ale také pro životní prostředí a pro subjekty zabývající se instalacemi příslušných systémů. Od roku 2002 Výzkumný ústav vodního cyklu KWR a holandské instituty zabývající se vodními systémy (Uneto-VNI, TVVL a ISSO) spolupracovaly na vytvoření nových pravidel pro návrh vodovodů v nerezidenčních budovách. Tato pravidla nejsou založena na měřeních, ale na simulacích provedených systémem SIMDEUM.
Predikce používání studené a teplé vody pomocí systému SIMDEUM
Zkratka SIMDEUM znamená „SIMulation of water Demand, an End-Use Model“ (Model pro simulaci spotřeby vody a jejího konečného užití). Jedná se o stochastický model založený na statistických informacích o spotřebičích vody a o uživatelích (Blokker et al., 2010). SIMDEUM modeluje používání vody na základě chování lidí a bere v úvahu rozdíly v nainstalovaných zařizovacích předmětech (armaturách a zařízeních). To znamená, že v každé budově, bez ohledu na to, jestli se jedná o rezidenční nebo nerezidenční budovu, jsou zvažovány charakteristiky aktuálně používaných armatur (např. průtok, délka používání, frekvence používání a požadovaná teplota), včetně chování přítomných uživatelů spojeného s používáním vody (tj. přítomnost, čas použití, frekvence používání), viz obrázek 2.
Obrázek 2. Schematické zobrazení simulací prováděných pomocí modelu SIMDEUM.
Model SIMDEUM pro spotřebu vody v nerezidenčních budovách je založen na modulárním přístupu. Každá budova se skládá z funkčních místností charakteristických svými typickými uživateli a zařizovacími předměty (Blokker et al. 2011). Pomocí tohoto přístupu lze simulovat denní vzorce spotřeby studené i teplé vody ve specifických nerezidenčních budovách. Z těchto denních vzorců spotřeby vody byly odvozeny charakteristické hodnoty špičkové spotřeby studené i teplé vody v různých časových obdobích. Tyto charakteristiky tvoří základ nových metodických pokynů z roku 2013.
Odvozování nových pravidel pro návrh pomocí „návrhově-poptávkových rovnic“
Pro návrh systému rozvodu pitné vody je klíčová špičková hodnota celkové spotřeby vody, okamžitá spotřeba a maximální okamžitý průtok (MOPstudená) (Loureiro et al., 2010; Blokker and van der Schee, 2006). Pro výběr správného typu zdroje pro přípravu teplé vody a pro návrh kapacity zařízení pro ohřev vody je dále vyžadována hodnota maximálního okamžitého průtoku (MOPteplá) a hodnota spotřeby teplé vody (STV) v různých časových intervalech. V roce 2010 byl sestaven postup odvození návrhově-poptávkových rovnic pro hodnoty špičkové spotřeby studené i teplé vody pro různé typy nerezidenčních budov, např. kanceláří, hotelů a pečovatelských domů (Pieterse-Quirijns et al., 2010).
Cílem těchto návrhově-poptávkových rovnic je předpovídat hodnoty špičkové spotřeby (MOPstudená, MOPteplá a STV v různých časových intervalech) pro různé typy a velikosti budov. Tyto nové návrhově-poptávkové rovnice předpovídají hodnoty špičkové spotřeby jako funkci té nejdůležitější (dominantní) proměnné. Dominantní proměnnou pro hotely je počet pokojů, které mohou být, podle typu hotelu, obsazeny 1 nebo 2 hosty, u kanceláří se jedná o počet zaměstnanců a u pečovatelských domů o počet lůžek.
Pro specifickou hodnotu dominantní proměnné byla vytvořena standardní budova, ve které byla každá funkční místnost osazena spotřebiči a uživateli. Počet spotřebičů a uživatelů byl pro tento účel stanoven jako funkce dominantní proměnné pro každý typ nerezidenční budovy. Ze 100 stochastických vzorců spotřeby simulovaných pomocí modelu SIMDEUM při různých hodnotách dominantní proměnné byly odvozeny hodnoty špičkové spotřeby, tj. maximální okamžité průtoky (MOPstudená a MOPteplá) a maximální spotřeba teplé vody (STV) pro různé časové intervaly: 10 minut, 1 hodina, 2 hodiny a 1 den. Tyto hodnoty špičkové spotřeby a hodnoty spotřeby teplé vody pro několik budov lze popsat jednoduchými lineárními vztahy jako funkci dominantní proměnné. Tyto lineární vztahy tvoří konstrukčně-poptávkové rovnice.
Testování a ověřování platnosti „návrhově-poptávkových rovnic“
Ověření platnosti nových pravidel pro návrh bylo provedeno ve dvou krocích. První krok se zaměřil na ověření provedené standardizace budov pomocí funkčních místností. Toto ověření bylo provedeno pomocí měření a průzkumů. Vzorce denní spotřeby studené i teplé vody byly naměřeny (v sekundách) pro tři kategorie maloprostorových nerezidenčních budov, tj. kanceláří, hotelů a pečovatelských domů.
Pomocí průzkumů byly získány informace o počtech a charakteristikách uživatelů a spotřebičů a také o chování uživatelů, například o frekvenci používání záchodů nebo používání kávovarů.
Obrázek 3. Porovnání průměrné naměřené a simulované spotřeby a) studené vody a b) teplé vody v hotelu.
Druhý krok byl zaměřen na ověření platnosti konstrukčně-poptávkových rovnic porovnáním simulovaných a naměřených špičkových průtoků. U hotelů bylo odvození špičkových hodnot z naměřených vzorců spotřeby vody obzvláště obtížné z důvodu kolísající obsazenosti pokojů. Pomocí navržené metody lze hodnotu MOPstudená nicméně předvídat poměrně přesně.
Obrázek 4. Porovnání naměřeného a simulovaného maximálního průtoku a) studené vody a b) teplé vody v hotelu.
Důsledky pro návrh rozvodů studené a teplé vody
Nové návrhově-poptávkové rovnice založené na modelu SIMDEUM udávají přesnější odhad hodnoty MOPstudená než staré pokyny. Pomocí funkčních místností lze navíc snadno stanovit vzorec používání vody v různých typech budov. Rovnice založené na modelu SIMDEUM snižují konstrukční kapacitu ohřívačů dvou až čtyřnásobně v porovnání s návrhy dodavatelů, a to při zachování požadované potřeby i pohodlí. Tyto vylepšené rovnice tedy povedou k energeticky úspornější volbě systémů pro ohřev vody a tedy k úspoře energie. Menší zásobníky navíc omezí možnost výskytu stojaté vody a povede tedy ke snížení výskytu možných hygienických problémů.
Zvolené průměry potrubí jsou nejen menší než průměry používané v praxi, ale také než průměry určované existujícími výpočty. Tato skutečnost naznačuje, že běžné postupy vedou k budování nadměrných systémů s odpovídajícími potenciálními problémy v oblasti kvality. Tato tendence k nadhodnocování potřebných kapacit systémů se může vyskytovat i v zahraničí. Díky fyzickému základu modelu SIMDEUM lze výše představený postup snadno přenést i do jiných zemí, pokud jsou k dispozici určité specifické informace o uživatelích a spotřebičích.
I když oficiálně neexistují žádné mezinárodní metodické pokyny, mezinárodní výměna znalostí v oblasti zásad návrhu pro rezidenční i nerezidenční budovy významně přispěje k lepší znalosti o spotřebě pitné vody. Taková výměna informací může navíc přispět ke konstrukci účinnějších a dlouhodobě udržitelnějších vodních systémů. Díky neustále stoupajícímu zájmu o dlouhodobou udržitelnost by tento přístup mohl podpořit také vývoj metodických pokynů pro konstrukci specifických vodních systémů, jako jsou například systémy sběru dešťové vody, nebo metod získávání energie, například z vodních toků.
Závěr
Ověření platnosti prokázalo, že tento model předpovídá dobře denní vzorce spotřeby studené i teplé vody. Korelace mezi simulovanými vzorci a naměřenými hodnotami ukazuje, že základ rovnic je v pořádku. Díky modulárnímu přístupu modelu SIMDEUM a jeho fyzickému základu lze sestavit specifickou budovu a simulovat její spotřebu vody. Tímto způsobem byl model SIMDEUM použit k vytvoření denních profilů pro řadu různých budov, například škol, obchodů, restaurací, sportovních zařízení, atd. (Pieterse-Quirijns a Van de Roer, 2013).
Tyto nové návrhově-poptávkové rovnice byly použity při sestavování přepracované verze nizozemských metodických pokynů publikovaných v roce 2013. Nizozemsko je v této oblasti v čele světového vývoje, protože je jedinou zemí na světě, která má specifické předpisy pro používání vody v nerezidenčních budovách. Proto je tato země o krok napřed v přechodu k trvale udržitelnějším budovám.
Reference
- Blokker, E.J.M. a Van der Schee, W.: Simulation of water demands provides insight, Water Supply and Drainage for Buildings, CIB W062, Tchaj-pej, Tchaj-wan, 18. - 20. září 2006.
- Blokker, E.J.M., Vreeburg, J.H.G. a Van Dijk, J.C.: Simulating residential water demand with a stochastic end-use model, J. Water Res. Pl.-ASCE, 136, 19–26, 2010.
- Blokker, E.J.M., Pieterse-Quirijns, E.J., Vreeburg, J.H.G. a van Dijk, J.C.: Simulating non-residential water demand with a stochastic end-use model, J. Water Res. Pl.-ASCE, 137, 511-520, 2011.
- ISSO-55: ISSO - publicatie 55; Tapwaterinstallaties voor woon- en utiliteitsgebouwen, Stichting ISSO, Rotterdam, Nizozemsko, 2013. 2nd Ed.
- Loureiro, D., Coelho, S.T., Rebelo, M., Ramalho, P., Alegre, H., Covas, D.I.C. a Pina, A.: Correlating water consumption behaviour with billing, infrastructure and socio-demographic factors, in: Integrating Water Systems CCWI 2009, CRC Press/Balkema Leiden, Sheffield, UK, 105–111, 2010.
- Pieterse-Quirijns, E.J., Blokker, E.J.M., Van der Blom, E. a Vreeburg, J.H.G.: Modelling characteristic values for non-residential water use, Water Distribution System Analysis, WDSA 2010, Tuscon, AZ, USA, 12. - 15. září, 2010.
- Pieterse-Quirijns, E.J. a Van de Roer, M.: Verbruikspatronenbibliotheek, KWR, Nieuwegein, Nizozemsko, 2013.
- Scheffer, W.J.H.: Het ontwerpen van sanitaire installaties, Misset uitgeverij bv, Arnhem, Nizozemsko, 1994 (2e druk).
Článek v originále New method to design domestic water systems
The validation shows that the model predicts the cold and hot water daily demand patterns reasonably well to good. The correlation of the simulated patterns with the measured patterns indicates that the basis of the design-demand equations is solid. Due to the modular approach of SIMDEUM and its physical basis, it is possible to construct a specific building and simulate its water demand. In this way, SIMDEUM was used to develop diurnal profiles for several different buildings, like schools, shops, restaurants, sporting facilities etc. (Pieterse-Quirijns and Van de Roer, 2013). The new design-demand equations have been adopted in a revised version of the Dutch guidelines, which were released in 2013. The Netherlands is a frontrunner, being the only country in the world with specific regulations for water use in non-residential buildings. Therefore, they are a step ahead in the transition to more sustainable buildings.