Ohřev vody, aneb příprava teplé vody, III. díl

Rozdělení ohřevu vody

Rozdělení se rozlišuje podle několika hledisek. Je to podle způsobu předávání tepla, místa ohřevu, konstrukce zařízení, možnosti ohřevu z různých zdrojů tepla a podle zdroje energie.

1. Podle způsobu předávání tepla: přímý a nepřímý

Přímý způsob předávání tepla vodě se provádí přímým směšováním studené vody s horkou nebo teplou vodou, případně i párou. Mícháním dochází ke snížení kvality vody možným přimícháním nečistot z teplejšího média. Tento způsob ohřevu vody nesmí být používán pro zásobování domácností nebo pro potřebu osob. Používá se v průmyslu.

K nepřímému ohřevu dochází prostřednictvím výměníku tepla. Při tomto způsobu ohřevu nedochází ke zhoršení kvality ohřáté vody. Tento způsob ohřevu vody je běžný a využívá se běžně v domácnostech, administrativních budovách, v průmyslu apod. Využívá se k tomu různých výměníků, trubkových, deskových, výměník může být vytvořen i zdvojením válcové části pláště zásobníku.

2. Podle místa ohřevu: místní, centrální, dálkový

U místního ohřevu se ohřátá voda spotřebovává v místě ohřevu. Nejčastěji se jedná o ohřívač, který vodu ohřívá pouze pro jeden zařizovací předmět, nejčastěji umyvadlo nebo dřez. Množství ohřívané vody je malé. Pro místní ohřev vody slouží ohřívače zásobníkové i průtokové.

Obr. 6 Místní ohřev elektrickým zásobníkovým ohřívačem o objemu 10 litrů

Obr. 7 Centrální ohřev vody elektrickým zásobníkovým ohřívačem pro jeden byt

Centrální ohřev je charakteristický větším ohřívačem, který ohřívá vodu pro celý byt nebo dům, případně několik bytů připojených ke společnému rozvodu teplé vody. Ohřátá voda se vede ke všem výtokům potrubím, které se tepelně izoluje. Podle délky a světlosti potrubí se pak rozhoduje o případném zřízení cirkulace.

U dálkového ohřevu se voda ohřívá mimo objekt ve výměníkové stanici. U některých činžovních domů jsou výměníky tepla umístěny v technickém podlaží, kde se nalézá domovní výměníková stanice. Soustava je složitější, má vždy primární okruh (nejčastěji s horkou vodou) a sekundární okruh s ohřátou vodou. Délka potrubí i průměry jsou větší a potrubí se musí vždy izolovat, řádně upevnit a musí mít možnost dilatace. Potrubí primárního okruhu může být dlouhé až několik kilometrů. Potrubí v sekundárním okruhu by mělo být pokud možno co nejkratší podle možností nemovitosti. V těchto soustavách je použití cirkulace zpravidla nutné.

3. Podle konstrukce zařízení: akumulační, průtočný

Obr. 8 Akumulační plynový průtokový ohřívač vody pro zavěšení na stěnu vlevo, stacionární vpravo [8]

Účelem akumulačního ohřevu vody je získat potřebné množství teplé vody v daném čase, když z nejrůznějších důvodů není v daném čase k dispozici dostatečně vydatný zdroj tepla. Proto se voda ohřívá v zásobníku TV. Doba ohřevu vody je různá v závislosti na množství ohřívané vody, tepelně technických vlastnostech přenosové plochy výměníku, požadované teplotě vody a aktuálních možnostech zdroje tepla, které se mohou v čase ohřevu i velmi výrazně měnit. Tímto způsobem se voda ohřívá pro spotřebu v bytech, rodinných domech, velkých i menších budovách. V budovách, kde je potrubí dlouhé se zapojuje do okruhu také cirkulační potrubí teplé vody.

Obr. 9 Elektrický průtočný ohřívač vody

Akumulační (zásobníkové) ohřívače se rozlišují podle umístění. Jsou buď závěsné na zdi, nebo stacionární na podlaze. Ohřívače stacionární mají objem většinou od 120 litrů více.

Průtočný ohřev znamená okamžité ohřívání vody při průtoku přes výměník tepla umístěný v ohřívači. Ohřátá voda se ihned spotřebovává. Průtočné ohřívače se běžně umísťují nad zařizovacím předmětem a slouží k místnímu ohřevu. Mohou však sloužit také pro ohřev vody v celém bytu. Ohřívače pro průtokový ohřev mají mnohem menší rozměry než zásobníkové. Rozvodné potrubí bývá často tak krátké, že se nemusí izolovat. Průtokový ohřívač je vhodný pro nárazovou potřebu sprchování či umývání těla nebo nádobí např. v rekreačních objektech apod.

4. Podle způsobu ohřevu: jednostupňový a vícestupňový

Jednostupňový ohřev znamená ohřívání vody pouze z jednoho zdroje tepla – nejčastěji elektrického nebo plynového zásobníkového ohřívače. V domácnostech, ale i jinde jde o nejběžnější způsob ohřevu vody pro užitkové účely. S přibývajícími solárními systémy a tepelnými čerpadly se bude v budoucnu více používat ohřevů vícestupňových.

Obr. 10 Vícestupňový ohřev vody slunečními kolektory a plynovým kotlem

U vícestupňového ohřevu se voda z provozních nebo ekonomických důvodů ohřívá z několika zdrojů tepla zapojených do jednoho zásobníku. K ohřevu vody na požadovanou teplotu dochází postupně. Možností kombinovaného ohřevu je mnoho. Mezi běžné kombinace patří předehřev pomocí solárních panelů nebo tepelného čerpadla (nízkoteplotního zdroje) a dohřívání vody na potřebnou teplotu energií ze záložního nebo dalšího zdroje tepla.

Existuje i sériové řešení vícestupňového ohřevu vody, při kterém se v zásobníku voda například předehřeje solární soustavou a pro spotřebu se na požadovanou teplotu dohřívá průtokovým způsobem. Protože do průtokového ohřívače pak nevstupuje voda o teplotě studené pitné vody, ale předehřátá, musí být použitý průtokový ohřívač na tuto funkci přizpůsoben.

5. Podle zdroje energie: elektrický, plynový, na tuhá paliva, s netradičními zdroji tepla

Elektrické ohřívače vody jsou zásobníkové i průtokové. Oba druhy mají své výhody i nevýhody a oba se běžně používají. Jejich používání závisí na možnostech a omezeních v dané nemovitosti.

Zásobníkové mají objem 50–200 litrů. Voda se v nich může ohřívat zvýhodněnou distribuční sazbou platnou po dobu 8 hodin, nebo u plně elektrifikovaných domácností po dobu 20 hodin. Tuto výhodnou sazbu lze využívat také pro provoz dalších domácích spotřebičů – pračka, sporák, vařič, myčka atp. Zásobníkový ohřívač se umísťuje nejčastěji do koupelny, WC, zádveří, chodby atp., ale potrubí od něj vedené k výtokům by nemělo být delší než 3 metry.

Průtokové ohřívače nemají možnost zapojení na výhodnější sazbu elektrické energie, pokud je požadována jejich činnost bez časového omezení. Musí mít dostatečně velký potřebný příkon, kterému odpovídá dostatečná kapacita přívodu elektřiny a velikost proudového jističe. Výkonově nejmenším postačí běžná zásuvka na okruhu s jističem 16 ampér. Pokud však má jít například o ohřev vody pro sprchu, tak je zapotřebí výkon až 24 kW, a to znamená trojfázové zapojení a jistič minimálně 3 × 32 A. Toto je obvykle základní překážka pro jejich četnější využití v domácnostech, rodinných domech. Něco jiného jsou například administrativní objekty, kde je elektrická přípojka dimenzována dostatečně a decentralizovaný ohřev vody jen pro kuchyňky, či toalety významně snižuje nároky na vnitřní vodovod.

Podrobnosti k přípravě teplé vody elektrickými ohřívači uvádí https://voda.tzb-info.cz/priprava-teple-vody/8273-ohrev-vody [9].

Plynové ohřívače mohou používat jako palivo zemní plyn (ZP) nebo propan-butan (PB). Ohřívače na PB se dnes používají již jen zřídka, nejpoužívanější ohřívače jsou na ZP. V nabídce jsou jak průtočné, tak i zásobníkové ohřívače ve velkém sortimentu. Zásadní rozdíl je v době ohřevu a z toho vyplývajícím příkonu. Výhodou plynových ohřívačů oproti elektrickým je snadná dostupnost většího příkonu potřebného pro průtokový způsob ohřevu, neboť na plynové přípojce není tak zásadní omezovač odebíraného množství plynu, tj. energie, jaký představuje elektrický jistič.

Obr. 11 Ohřívač mobilní na propan-butan [10]

Údaje v tabulce jsou informativní, u různých ohřívačů mohou být jiné. Účelem bylo ukázat velkou odlišnost některých technických parametrů mezi zásobníkovým a průtočným ohřívačem vody.

Netradičními výrobky jsou přenosné (mobilní) plynové ohřívače vody. Připojují se na PB láhev a nesmí být provozovány uvnitř budov, ale jen na otevřeném prostranství. Mají nastavitelnou teplotu a také množství protečené vody. Ohřívač na obrázku umí ohřát až 10 litrů vody za minutu na teplotu 66 °C. Ohřívač je vybavený automatickým zapalováním dvěma bateriemi. Další informace k tomuto ohřívači – viz http://www.karavan3nec.cz/plyn/prenosny-prutokovy-ohrivac-vody-na-pb-5-litru-50mbar/ [10].

Obr. 12 Historická lázeňská kamna na tuhá paliva pro ohřev 80 litrů vody slouží nejen pro ohřev vody, ale rovněž jako zdroj tepla pro vytápění koupelny. Podmínkou bezpečné funkce je zajištění přívodu dostatečného množství vzduchu ke spalování paliva. Toto dříve nebyl problém vzhledem k netěsnosti oken a dveří [2].

I do plynových ohřívačů vody vstoupila kondenzační technologie, tedy vyšší využití energie obsažené v plynu a zvýšil se jejich regulační rozsah výkonu až na poměr 1:10. Toto umožňuje neřešit ohřev vody větších výkonů jen akumulačním způsobem, ale kombinovat průtokový způsob s akumulačním, což významně snižuje požadavky na prostor, omezuje investiční a provozní náklady.

Ohřívače na tuhá paliva nejsou zcela běžné. Používají se zejména tam, kde je k dispozici levné palivo – dřevo, dřevěné brikety nebo dřevní odpad. Dalším palivem může být také uhlí. Uživatel musí používat palivo předepsané výrobcem. Používání jiného paliva je spojeno s porušením Zákona o ochraně ovzduší a je tedy postižitelné.

Obr. 13 Ohřívač vody se 60litrovou nádobou známý pod názvem Brutar [11]

Typickým příkladem ohřívače na tuhá paliva jsou lázeňská kamna. Ve spodní části lázeňských kamen se nalézá topeniště. Voda se ohřívá ve válci. Nejčastěji používaná lázeňská kamna mají objem 80–100 litrů vody. Výkon kamen je přibližně 8 kW. Střed tělesa kamen tvoří kouřovod. Umístění kamen musí být blízko komína a vany.

Ohřívač/kotlová souprava Brutar. Výrobci i prodejci používají pro tento výrobek různé názvy. Jedná se o ohřívač vody, ve kterém je vložen 60litrový „kotel“. Využívá se např. při zabíjačkách na ohřev velkého množství vody.

Dalšími výrobky, které ohřívají vodu při spalování tuhého paliva, jsou krbová kamna s výměníkem tepla, sporáky s výměníkem tepla nebo krbové vložky. Všechny tyto zdroje tepla mohou dodávat teplou vodu do zásobníku a většina z nich jsou lokální zdroje tepla určená primárně pro vytápění. Ve starších konstrukcích některých kotlů na tuhá paliva byl připraven prostor, do kterého se dala vložit vložka – teplovodní výměník – pro ohřev vody.

Obr. 14 Sporák s výměníkem tepla s výkonem 15 kW do vody [2]

Ohřev vody netradičními zdroji tepla zahrnuje využívání tepelných čerpadel a energie slunce. Často se tyto zdroje tepla kombinují buď navzájem, nebo s kotlem, s elektrickými topnými spirálami. Při nepříznivém počasí zejména v zimě by tyto zdroje tepla provozované samostatně vodu neohřály na dostatečnou teplotu.

Obr. 15 Příklad zapojení TČ a využití slunečního záření do systému ohřevu TV 1 – vnitřní jednotka TČ typ vzduch/voda, 2 – vnitřní jednotka TČ typ vzduch/voda, 3 – oběhová čerpadla, 4 – výstup TV, 5 – otopná soustava, 6 – solární systém, 7 – zásobník TV, 8 – expanzní nádoby

Tepelná čerpadla (TČ) odebírají teplo obsažené v půdě, ve vody nebo ve vzduchu. Takto získané teplo předávají vodě. Vlastnosti tepelných čerpadel se neustále vylepšují vývojem a zdokonalováním po technické stránce. Nové systémy TČ používají invertovanou technologii s regulací výkonu. Díky tomu se výkon TČ do určité míry přizpůsobuje okamžité potřebě dodávky ohřáté vody, čímž je zajištěn hospodárný provoz. Jednoznačně zde vítězí ohřev vody do zásobníku. Provoz TČ je možné kombinovat s kotlem nebo s fototermikou či fotovoltaikou. Takto propojené TČ se nazývá multivalentní.

Každé TČ má vnitřní a venkovní jednotku. Vnitřní jednotka v tzv. systémovém provedení má 3 varianty:

• prostorově úsporné kompaktní řešení s integrovaným zásobníkem teplé vody,
• monoenergetické provedení s elektrickým dohříváním,
• bivalentní provedení se směšovací armaturou pro kombinaci s kotlem.

Další podrobnosti k tomuto tématu uvádí https://vytapeni.tzb-info.cz/117091-ekonomicky-ohrev-teple-vody [12]

Graf 4 Dosavadní a předpokládaný vývoj vyrobené energie z různých zdrojů

S ohřevem vody pomocí slunečního záření se budeme setkávat stále častěji. Výroba solárních panelů neustále roste a jejich cena klesá. Podíl využití sluneční energie v porovnání s jinými zdroji energie významně roste.

V ČR je využití slunečního svitu ve srovnání se severně položenými státy na dobré úrovni. Množství využitelného slunečního svitu je v jižních oblastech větší než na severu. Nejvhodnější místa pro využívání sluneční energie je v oblastech jižní Moravy. Zde je intenzita dopadajících slunečních paprsků nejvyšší.

Obr. 16 Množství sluneční energie dopadající na území ČR [13]

Fototermický ohřev vody zahrnuje zapojení solárních tepelných panelů, čerpadlové skupiny a akumulační nádrž do jednoho celku. Ve slunečních panelech se ohřívá kapalina, která předá teplo přes výměník tepla vodě v akumulační nádrži. Využití v létě je velmi široké a takto ohřátá voda může nahradit většinu teplé vody odebírané z klasického ohřívače vody. Bohužel v zimním období je výkon a účinnost této samostatné sestavy malá.

Obr. 17 Jednoduchá sestava solárního (fototermického) ohřevu vody

Obr. 18 Ohřev velkého množství vody fototermickým způsobem [14]

Ohřev vody pomocí slunečního záření ve velkém množství může být problém. Pro tento účel byly vyvinuty například speciální bazénové kolektory. Mají 8 různých výstupů, kterými je zajištěna jednoduchá montáž ve vertikálním i horizontálním směru. Absorpční plocha činí 2,22 m². Materiál absorbéru je vyroben ze dvou různých vrstev, čímž je zajištěna vysoká stabilita při náhlých změnách počasí a vysoká životnost. Při návrhu a výpočtu potřebného výkonu pro ohřev velkého množství vody se bere v úvahu mnoho proměnných – působení větru, zastínění, frekvence a délka užívání bazénu atp. Pro zjednodušení se uvažuje, že plocha kolektorů by měla být přibližně 70 % plochy bazénu. Podrobnosti uvádí https://voda.tzb-info.cz/bazeny/12984-ohrev-bazenove-vody-se-solarnimi-absorbery-roth-heliopool [14].

Obr. 19 Jednoduchá sestava fotovoltaického (elektrického) ohřevu vody

Graf 5 Hospodárnost provozu fotovoltaických a fototermických ohřívačů vody [15]

Ohřev vody fotovoltaikou je podobný fototermickému. Fotovoltaické panely přemění sluneční záření v elektrickou energii, která pak ohřívá vodu v zásobníku. V zimním období se voda nemusí vždy ohřát na požadovanou teplotu a dohřívá se topným tělesem zapojeným do standardní elektrické sítě.

Ohřev vody fototermický versus ohřev vody fotovoltaický. Ohřev vody s využitím slunečního záření je možný třemi způsoby:

• fotovoltaický ohřev (bez sledovače maximálního výkonu, MPPT off),
• fotovoltaický ohřev (se sledovačem maximálního výkonu, MPPT on),
• fototermický ohřev – solární tepelná soustava.

Každý má své výhody a nevýhody. Z hlediska hospodárnosti provozu je možné všechny tři porovnat s klasickým ohřevem vody elektrickou energií ze sítě. Srovnání klasického elektrického ohřívače a ohřevu solárními kolektory: ohřev vody fototermicky je hospodárnější po 14 letech provozu. Podobně můžeme porovnat fotovoltaiku. Podrobnosti viz – https://oze.tzb-info.cz/solarni-kolektory/11103-porovnani-solarniho-fototermickeho-a-fotovoltaickeho-ohrevu-vody [15].

6. Podle možností zabezpečení ohřevu z různých zdrojů: ohřívání jednoduché a kombinované

Jednoduché ohřívání vody představuje pouze použití jednoho ohřívače pro ohřev vody na požadovanou teplotu. Takových ohřívačů je velké množství a některé byly v článku již stručně popsány. Kombinovaný ohřev vody se používá také běžně. Ohřívač (zásobník) je napojen na elektrickou síť a současně se v něm může voda ohřívat pomocí výměníku tepla. Teplá nebo horká voda do výměníku tepla teče ze zdroje tepla, což bývá nejčastěji kotel.

Obr. 20 Kombinovaný ohřívač vody pro svislou montáž 1 – plášť ohřívače, 2 – tepelná izolace, 3 – ocelová nádoby ohřívače, 4 – hrdlo cirkulace, 5 – hořčíková anoda, 6 – trubka s ohřátou vodou, 7 – trubka se studenou vodou, 8 – kryt elektroinstalace, 9 – jímka termostatu, 10 – termostat, 11 – teploměr, 12 – výměník tepla, 13 – jímka topného tělesa, 14 – elektrické topné těleso