Reklama

Nová ČSN EN 12831-3 z pohledu zdravotní techniky

Ing. Jakub Vrána, Ph.D., Ústav TZB, Fakulta stavební VUT v Brně

Recenzovaný

Norma slouží k výpočtu výkonu a objemu ohřívačů vody, a také k výpočtu potřeby energie pro soustavy přípravy teplé vody (energetické hodnocení). Jedná se o jednu ze základních norem pro projektanty zdravotně technických instalací a vytápění.

Reklama

V prosinci 2018 byl vydán český překlad ČSN EN 12831-3 Energetická náročnost budov – Výpočet tepelného výkonu – Část 3: Tepelný výkon pro soustavy přípravy teplé vody a charakteristika potřeb, Modul M8-2, M8-3. K normě byla vydána technická zpráva zavedená do soustavy ČSN v anglickém znění jako ČSN P CEN/TR 12831-4 Energetická náročnost budov – Výpočet tepelného výkonu – Část 4: Vysvětlení a zdůvodnění EN 12831-3, Modul M8-2, M8-3 obsahující příklad výpočtu. Norma slouží k výpočtu výkonu a objemu ohřívačů vody, a také k výpočtu potřeby energie pro soustavy přípravy teplé vody (energetické hodnocení).

Jedná se o jednu ze základních norem pro projektanty zdravotně technických instalací a vytápění.

Rozdělení soustav pro přípravu teplé vody

Soustavy pro přípravu teplé vody se podle ČSN EN 12831 dělí na:

promíchávané zásobníkové soustavy s ústředním zásobníkovým ohřívačem s jednou nebo více topnými vložkami zásobovanými otopnou vodou přímo ze zdrojů tepla;
stratifikované zásobníkové soustavy s ústředním zásobníkem opatřeným průtokovým ohřívačem v obtoku, kterým bývá deskový výměník zásobovaný otopnou vodou přímo ze zdroje tepla;
soustavy s ústředním průtokovým ohřívačem (deskovým výměníkem) zásobovaným otopnou vodou ze zásobníku tepla, který se nachází v okruhu otopné vody;
soustavy s místními průtokovými ohřívači (deskovými výměníky) zásobovanými otopnou vodou z ústředního zásobníku tepla, který se nachází v okruhu otopné vody;
soustavy s ústředním průtokovým ohřívačem (deskovým výměníkem) zásobovaným otopnou vodou přímo ze zdroje tepla;
soustavy s místními průtokovými ohřívači (deskovými výměníky) zásobovanými otopnou vodou přímo ze zdroje tepla.

Výpočtové metody

Norma uvádí metody pro dimenzování zásobníkových ohřívačů, průtokových ohřívačů a průtokových ohřívačů se zásobníkem (smíšených ohřevů vody).

Výpočtová metoda pro dimenzování zásobníkových ohřívačů a smíšených ohřevů vody (zásobníků s průtokovým ohřívačem v obtoku)

Obr. 1 Příklad křivek dodávky a potřeby podle ČSN EN 12831-3
X – čas (h), Y – nárůst tepla [kWh], 1 – křivka potřeby, 2 – křivka dodávky, 3 – křivka zbytkové kapacity zásobníku, 4 – křivka minimální kapacity zásobníku, 5 – účinný výkon zdroje tepla, 6 – ztráty tepla, 7 – časové zpoždění, 8 – okamžik zapnutí, 9 – minimální kapacita zásobníku, 10 – maximální kapacita zásobníku, 11 – počáteční kapacita zásobníku

Pro dimenzování zásobníkových ohřívačů vody je v normě uvedena metoda součtových křivek, podobná metodě uvedené v ČSN 06 0320. Dimenzování ohřívačů je tedy založeno na křivkách potřeby a dodávky tepla. Křivka dodávky musí vždy ležet nad křivkou potřeby a u zásobníkových ohřívačů s topnou vložkou musí být udržována minimální kapacita zásobníku (obr. 1). Pro zkonstruování křivky se má používat profil odběru tepla pro přípravu teplé vody s časovým krokem 1 min, nebo 1 h. Ztráty tepla jsou v ČSN EN 12831-3, na rozdíl od ČSN 06 0320, zohledněny v křivce dodávky tepla.

Profily odběru tepla jsou založeny na odběru teplé vody v průběhu dne (obr. 2) a mohou být stanoveny měřením minutového průtoku teplé vody, statistickou metodou nebo použitím charakteristického odběrového profilu stanoveného na národní úrovni nebo v příloze B normy. V ČR zatím neexistuje předpis, ve kterém by byly uvedeny charakteristické odběrové profily pro různé budovy s časovým krokem 1 min. nebo 1 h. Rovněž měření minutového nebo hodinového průtoku teplé vody (studené vody na vstupu do ohřívače) není obvykle v silách projektanta a u budov, které ještě nebyly postaveny, není ani možné. Nezbývá tedy než použít informativní údaje uvedené v příloze B normy.

Obr. 2 Ukázka profilu odběru vody v bytovém domě v průběhu dne získaného měřením spotřeby vody (hodinové spotřeby jsou uvedeny v procentech celodenní spotřeby)

Minutovou potřebu tepla pro přípravu teplé vody Q_W,b,t [kWh/min] lze stanovit podle vztahu:

Q_W,b,t = V_t × ρ_w × c_w × (ϑ_w,draw − ϑ_w,c) × (1/3600)

kde je

V_t: objem vody [l] o teplotě ϑ_w,draw odebrané za minutu;
ρ_w: hustota vody [kg/l], uvažuje se ρ_w = 1,0 kg/l;
c_w: měrná tepelná kapacita vody [kJ/kg.K], uvažuje se c_w = 4,2 kJ/kg·K;
ϑ_w,draw: nejnižší teplota smíšené vody odebírané v odběrném místě (potřebná teplota) [°C];
ϑ_w,c: teplota studené vody [°C], uvažuje se ϑ_w,c = 10 °C.

Objem vody odebrané za minutu V_t [l] je možné přepočítat z hodinových odběrů vody podle vztahu:

V_t = (x_h × V_day) / (60 × 100)

kde je

V_day: celkový objem teplé vody odebrané za den [l];
x_h: poměrné množství teplé vody odebrané za hodinu z celodenní potřeby [%].

Výpočet objemu vody odebrané za minutu se provede pro každou hodinu dne. Potřeby teplé vody na spotřební jednotku a den mají být uvedeny v národních předpisech. Pro případ, kdy uvedeny nejsou, uvádí příloha normy potřeby teplé vody na spotřební jednotku a den v některých budovách (tabulka 1). Uvedené potřeby vody jsou průměrné. Protože odběr teplé vody během dne kolísá (viz obr. 2), jsou i odběry vody v různých minutách různé. Celková potřeba tepla pro přípravu teplé vody za určitý časový interval (obvykle 24 h) Q_W,b,i [kWh] se může stanovit z minutových potřeb tepla podle vztahu:

Q_W,b,i =

Q_W,b,t

kde je

Q_W,b,t: minutová potřeba tepla pro přípravu teplé vody [kWh/min];
t: časový krok, jedna minuta;
i: počet minut časového intervalu (obvykle i = 1440 min = 24 h).

Pro stanovení křivky dodávky tepla musejí být vyhodnoceny následující parametry:

maximální kapacita zásobníku teplé vody;
minimální kapacita zásobníku teplé vody;
ztráty tepla zásobníku;
ztráty tepla rozvodu teplé vody s cirkulací;
okamžik zapnutí a vypnutí ohřevu;
časové zpoždění dostupnosti plného výkonu zdroje tepla;
účinný výkon zdroje tepla pro opětovný ohřev.

Maximální kapacita zásobníku Q_sto,max [kWh] se stanoví podle vztahu:

Q_sto,max = V_sto × ρ_w × c_w × (ϑ_w,sto,max − ϑ_w,c) × f_l × (1/3600)

kde je

V_sto: objem zásobníku teplé vody [l]
ρ_w: hustota vody [kg/l], uvažuje se ρ_w = 1,0 kg/l;
c_w: měrná tepelná kapacita vody [kJ/kg.K], uvažuje se c_w = 4,2 kJ/kg.K;
ϑ_w,sto,max: nejvyšší návrhová teplota vody v zásobníku [°C], obvykle ϑ_w,sto,max = 55 °C;
ϑ_w,c: teplota studené vody [°C], uvažuje se ϑ_w,c = 10 °C;
f_l: faktor odběru (viz tabulku 1).

Tabulka 1 Potřeby teplé vody na spotřební jednotku a den podle ČSN EN 12831-3 (teplota teplé vody se předpokládá 60 °C a teplota přiváděné studené vody se předpokládá 13,5 °C)
Druh budovy	Měrná jednotka	`V`_w,f,day l/měrná jednotka·den
Objekty pro bydlení (prosté bydlení)	Obyvatel	25 až 60
Objekty pro bydlení (luxusní bydlení)	Obyvatel	60 až 100
Jednotlivé bytové jednotky	Obyvatel	40 až 70
Bytové domy	Obyvatel	25 až 30
Ubytování	Lůžko	28
Restaurace, 2 jídla za den, tradiční kuchyně	Jídlo	21
Restaurace, 2 jídla za den, samoobslužné	Jídlo	8
Restaurace, 1 jídlo za den, tradiční kuchyně	Jídlo	10
Restaurace, 1 jídlo za den, samoobslužné	Jídlo	4
Hotel, jednohvězdičkový, bez prádelny	Lůžko	56
Hotel, jednohvězdičkový, s prádelnou	Lůžko	70
Hotel, dvouhvězdičkový, bez prádelny	Lůžko	76
Hotel,dvouhvězdičkový, s prádelnou	Lůžko	90
Hotel, tříhvězdičkový, bez prádelny	Lůžko	97
Hotel, tříhvězdičkový, s prádelnou	Lůžko	111
Hotel, čtyř a vícehvězdičkový, bez prádelny	Lůžko	118
Hotel, čtyř a vícehvězdičkový, s prádelnou	Lůžko	132
Nemocnice, bez prádelny	Lůžko	56
Nemocnice, s prádelnou	Lůžko	88
Sportovní zařízení	Sprcha	101

U promíchávaných zásobníkových soustav (zásobníkových ohřívačů s topnou vložkou) musí být v okamžiku zahájení opětovného ohřevu vody zajištěna minimální kapacita zásobníku, aby vlivem promíchávání vody nedošlo k poklesu teploty vody v odběrných místech obvykle pod 42 °C.

Minimální udržovaná kapacita zásobníku Q_sto,min [kWh] se stanoví podle vztahu:

Q_sto,min = V_sto × ρ_w × c_w × (1 − (h_sensor / 2 × h_sto)) × (ϑ_w,draw − ϑ_w,c) × f_l × (1/3600)

kde je

V_sto: objem zásobníku teplé vody [l]
ρ_w: hustota vody [kg/l], uvažuje se ρ_w = 1,0 kg/l;
c_w: měrná tepelná kapacita vody [kJ/kg.K], uvažuje se c_w = 4,2 kJ/kg.K;
h_sensor: výška umístění teplotního čidla nade dnem zásobníku [m];
h_sto: výška zásobníku [m];
ϑ_w,draw: nejnižší teplota vody v odběrném místě [°C], uvažuje se ϑ_w,c = 42 °C;
ϑ_w,c: teplota studené vody [°C], uvažuje se ϑ_w,c = 10 °C;
f_l: faktor odběru (viz tabulka 2).

Tabulka 2 Faktory odběru
Druh zásobníkového ohřívače nebo zásobníku			Faktor odběru `f`_l
Promíchávané zásobníkové soustavy (zásobníkové ohřívače)	stojaté		0,96
	ležaté	do 400 l	0,94
	ležaté	nad 400 l	0,90
Stratifikované zásobníkové soustavy (zásobníky teplé vody s průtokovým ohřívačem v obtoku)			1,00

Ztráty tepla zásobníku Q_W,sto,t [kWh/min] se stanovují přepočtem z pohotovostní ztráty zásobníku udané jeho výrobcem nebo uvedené v tabulce 3 podle vztahu:

Q_W,sto,t = q_sb,sto × ((ϑ_w,sto,max − ϑ_a)/45) × (1/1440)

kde je

q_sb,sto: pohotovostní ztráta zásobníku [kWh/den];
ϑ_w,sto,max: nejvyšší návrhová teplota vody v zásobníku [°C], obvykle ϑ_w,sto,max = 55 °C;
ϑ_a: teplota v okolí zásobníku [°C].

Tabulka 3 Pohotovostní ztráta zásobníku
Objem zásobníku [l]	Pohotovostní ztráta zásobníku `q`_sb,sto [kWh/den]
300	1,91
400	2,20
500	2,46
600	2,69
800	3,11
1000	3,48
1500	4,26
2000	4,92

Ztráty tepla v rozvodech s cirkulací mohou při použití tepelných izolací podle vyhlášky č. 193/2007 Sb. činit přibližně:

7 W/m u stoupacího potrubí vedeného v instalačních šachtách, kde okolní teplota činí 25 °C;
10 W/m u ležatého potrubí vedeného v nevytápěném suterénu, kde okolní teplota činí 10 °C.

Účinný výkon pro ohřev vody Φ_eff [kW] se u stratifikovaných zásobníkových soustav (zásobníků s průtokovým ohřívačem v obtoku) stanoví podle vztahu:

Φ_eff = Φ_HG − Φ_W,sto Φ_W,dis

kde je

Φ_HG: jmenovitý výkon zdroje tepla [kW];
Φ_W,sto: ztráta tepla zásobníku [kW];
Φ_W,dis: ztráty tepla v rozvodech [kW];

U promíchávaných zásobníkových soustav (zásobníkových ohřívačů s topnou vložkou) se účinný výkon snižuje s narůstající teplotou vody v zásobníku, a proto se jmenovitý výkon zdroje tepla musí přepočítat.

Účinný výkon pro ohřev vody Φ_eff [kW] lze stanovit také podle vztahu:

Φ_eff = Q_eff / t

kde je

Q_eff: účinná energie (teplo) pro opětovný ohřev vody [kWh/min];
t: čas [min], t = 60 s/min.

Výpočtová metoda pro dimenzování průtokových ohřívačů vody

Účinný výkon průtokového ohřívače Φ_eff [kW] se stanoví přepočtem z návrhového průtoku vody ohřívačem podle vztahu:

Φ_eff = V_D × ρ_w × c_w × (ϑ_w,draw − ϑ_w,c)

kde je

V_D: návrhový průtok vody [l/s];
ρ_w: hustota vody [kg/l], uvažuje se ρ_w = 1,0 kg/l;
c_w: měrná tepelná kapacita vody [kJ/kg.K], uvažuje se c_w = 4,2 kJ/kg.K;
ϑ_w,draw: nejnižší teplota smíšené vody odebírané v odběrném místě (potřebná teplota) [°C];
ϑ_w,c: teplota studené vody [°C], uvažuje se ϑ_w,c = 10 °C.

Pro stanovení průtoku V_D [l/s] byla do normy převzata rovnice z DIN 1988-300 používané pro dimenzování potrubí vnitřních vodovodů:

V_D = a × (∑V_A)^b − c

kde je

V_A: průtok odebíraný v příslušných odběrných místech [l/s];
a, b, c: konstanty podle tabulky 4.

Tabulka 4 Konstanty pro výpočet průtoku vody průtokovým ohřívačem
Druhy budov	Konstanty
Druhy budov	`a`	`b`	`c`
Obytné budovy nebo domovy pro seniory	1,48	0,19	0,94
Oddělení pro pacienty v nemocnicích (lůžkové části nemocnic)	0,75	0,44	0,18
Hotely	0,70	0,48	0,13
Školy (bez sprch a umýváren u tělocvičen) nebo administrativní budovy	0,91	0,31	0,38
Domy s pečovatelskou službou	1,40	0,14	0,92

Objemové průtoky odebírané v příslušných odběrných místech se mají získat z ČSN EN 806-3, nebo mohou být stanoveny na národní úrovni. V ČR tyto průtoky stanoveny nejsou, proto je vhodné použít průtoky V_A z německé normy DIN 1988-300, které činí:

pro dřez, umyvadlo nebo bidet V_A = 0,07 l/s;
pro vanu nebo sprchu V_A = 0,15 l/s.

U výše uvedených objemových průtoků se předpokládá teplota teplé vody přibližně 55 °C.

Průtokový ohřev vody bez zásobníku vykazuje u nás časté závady, kterými jsou zejména:

nedostatečně dimenzovaný ohřívač mající při průtoku vody velkou tlakovou ztrátu;
nepohotová reakce dodávky tepla (řízené pouze na základě teploty teplé vody na výstupu ohřívače) na rychlé změny průtoku vody ohřívačem (obrázek 3).

Obr. 3 Ukázka kolísání průtoku teplé vody v domě s 60 byty

Uvedené závady způsobují kolísání teploty a tlaku teplé vody mající za následek kolísání teploty vody na výtocích směšovacích baterií.

Závěr

Na první pohled je patrné, že dimenzování zásobníkových ohřívačů vody podle ČSN EN 12831-3 je složité a pracné. Stanovení objemu zásobníkového ohřívače vody nebo zásobníku je v normě nejasné. Výpočtový vztah pro stanovení objemu lze odvodit, v normě však není uveden. Hodnoty veličin stanovené na národní úrovni v ČR i v některých zahraničních zemích zatím chybí. Proto zatím v souběhu s ČSN EN 12831-3 u nás, a např. v Rakousku, nebo Německu, platí národní normy.

Literatura

ČSN 06 0320 Tepelné soustavy v budovách – Příprava teplé vody – Navrhování a projektování
ČSN EN 12831-3 (06 0206) Energetická náročnost budov – Výpočet tepelného výkonu – Část 3: Tepelný výkon pro soustavy přípravy teplé vody a charakteristika potřeb, Modul M8-2, M8-3.
ČSN P CEN/TR 12831-4 (06 0206) Energetická náročnost budov – Výpočet tepelného výkonu – Část 4: Vysvětlení a zdůvodnění EN 12831-3, Modul M8-2, M8-3.
ČSN EN 806-3 (75 5410) Vnitřní vodovod pro rozvod vody určené k lidské spotřebě – Část 3: Dimenzování potrubí – Zjednodušená metoda.
Vyhláška č. 193/2007 Sb., kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při rozvodu tepelné energie a vnitřním rozvodu tepelné energie a chladu.
DIN 1988-300 Technische Regeln für Trinkwasser-Installationen – Teil 300: Ermittlung der Rohrdurchmesser; Technische Regel des DVGW.
Vyhláška č. 193/2007 Sb., kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při rozvodu tepelné energie a vnitřním rozvodu tepelné energie a chladu.
Albers, J.: Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. Band 2. DIV München 2017. ISBN 978-3-8356-7284-0.

Autor problematiku přednášel i na semináři Společnosti pro techniku prostředí Novinky ve zdravotní technice 2019 v dubnu v Praze a v Brně.

English Synopsis

New ČSN EN 12831-3 in terms of water installation

The standard is used to calculate water heaters and to evaluate the energy of hot water systems. It is one of the basic standards for designers of sanitary installations and heating.