TZB-2004: Hospodárný ohřev teplé užitkové vody

Pár slov úvodem
Vážení příznivci oborů technických zařízení budov, tento předkládaný článek je přepisem příspěvku, jenž byl součástí doprovodného programu Nízkoenergetická výstavba na veletrhu Aqua-therm Praha 2004. Cílem bylo seznámení návštěvníků s běžnou problematikou týkající se přípravy teplé užitkové vody, některých úskalí návrhu a provozu systémů s cílem hospodárné přípravy TUV. Součástí bylo rovněž přiblížení několika kdysi netradičních, nyní stále více rozšířených zdrojů tepla (např. tepelné čerpadlo, solární kolektor).

Aktuálně k terminologii: Správná nová terminologie je teplá voda, ohřívání vody nebo příprava teplé vody. Dříve používaný termín TUV, teplá užitková voda již neodpovídá legislativě a požadavkům.

Teplá užitková voda
Definici teplé užitkové vody lze najít v mnoha pramenech a v zásadě říká, že je to voda určená k přímé spotřebě vyjma pití a vaření. Z tohoto důvodu jsou na ni kladeny přísné požadavky, které musí splňovat jako pitná voda s výjimkou teploty. Obecný rámec požadavků je definován v zákoně č. 258/2000 Sb. (v pozdějším znění č. 274/2003 Sb.) o ochraně veřejného zdraví s prováděcí vyhláškou č. 252/2004 Sb. stanovující konkrétní hygienické požadavky na kvalitu pitné a teplé vody včetně prováděných kontrol. Zajímavé je, že poslední vyhláška pracuje s pojmem teplá voda, nikoliv jak bylo zvykem teplá užitková voda.

Systémy přípravy TUV
Každý navržený systém zajišťující přípravu TUV musí splňovat základní požadavky, které nejsou ničím novým. Splňuje je ale skutečně?

dodržet předepsané hygienické požadavky, zajistit požadované množství TUV na všech výtocích o předepsané teplotě (50°C - 55°C), provoz s maximálním využitím vstupní energie s minimem ztrát.

V současné době je pro návrh zařízení přípravy teplé užitkové vody stěžejní norma ČSN 06 0320 - Ohřívání užitkové vody. Navrhování a projektování s platností od března 1998 (s opravou v r. 1999). Při návrhu je nutné vycházet z detailního rozboru provozu v objektu. Objekty projektované v posledních letech jsou převážně multifunkční, což klade rozdílné nároky na provoz systému přípravy a rozvodu TUV od běžných monofunkčních objektů. V důsledku může být, že běžně používaná představa denního odběru TUV v bytovém domě nemusí vzhledem k odběrům v dalších provozech platit. Systém navržený bez ohledu na tuto situaci může být provozně neefektivní až dokonce nedostatečný z hlediska pokrytí potřeby TUV.

Z předchozího vyplývá, že správný návrh respektující všechny známé aspekty v uvažovaném objektu je nutnou podmínkou hospodárného provozu systému přípravy TUV. Tento fakt je jasný, ale v reálném objektu se vždy snažíme najít kompromisní řešení mezi mnoha rozdílnými pohledy. Vždy se dostaneme minimálně do rozporu s výší investičních nákladů a předpokládaných provozních nákladů.

Proto jsme se snažili shrnout několik postřehů týkajících se hlavně bytových domů, které jsme rozdělili do dvou skupin:

z pohledu odběratele teplé vody, z pohledu koncepce systému přípravy teplé vody,

Z pohledu odběratele:

zjištění režimu objektu, stanovení co nejpřesnějšího údaje potřeby teplé vody na člověka a den, množství a potřeba teplé vody je závislá na velikosti bytu - tato korelační závislost existuje a je ověřena dlouhodobým sběrem statistických údajů, závislost množství na počtu obyvatel je zřejmá, ale i na životním standardu uživatelů, který významně ovlivňuje jejich chování, motivace uživatelů navržením úsporných výtokových armatur, součástí musí být dostatečná informovanost uživatele - perlátory, - termostatické směšovací armatury, zvážit změnu návyků, zdali nestačí pro běžnou potřebu sprcha místo vany, příp. běžná vana místo luxusní, využití myčky nádobí, kterou lze prokazatelně dosáhnout úspory vody a většinou i energie oproti ručnímu mytí.

Z pohledu koncepce systému:

eliminace tepelných ztrát z rozvodů, tedy nutnost izolovat všechna zařízení, potrubí a armatury, rovněž i volba nejkratšího možného vedení rozvodů, koncentrované uspořádání míst odběru TUV, regulovat teplotu TUV - na vstupu do rozvodu maximálně 55°C, pozn.: v samotném zařízení přípravy TUV může být i vyšší teplota (likvidace bakterií), ale v rozvodu to není vhodné nestálost odběru je příčinou značné tepelné ztráty, představující až 40 %, provoz cirkulace navrhnout přerušovaný, podle odběru TUV, - časové řízení čerpadla - podle provozních hodin v objektu - řízení čerpadla podle teploty TUV - spínání pouze v případě poklesu teploty eliminace míst bez proudění vody, kde hrozí zhoršení kvality vody z hygienicko-bakteriologického hlediska, zajímavou variantou je oddělení přípravy TUV od vytápění, tzn. vytvořit samostatné zařízení na výrobu tepla, které připraví potřebné množství teplé vody - výhodné zejména pro letní provoz.

V případě již provozovaných systémů lze rovněž provést určitá zlepšení s cílem omezení spotřeby tepla na přípravu TUV. Každý ze stávajících systémů je nějakým způsobem zatížen obecným pohledem uplatňovaným na návrh a provoz systémů přípravy TUV v době svého vzniku. To samozřejmě neznamená, že všechny starší systémy jsou špatné a jen ty dnešní jsou energeticky úsporné (kéž by tomu tak bylo). Ale je potřeba si uvědomit, že omezení spotřeby tepla nebylo vždy jednou z hlavních priorit návrhu. Tudíž jde většinou o komplikovanější řešení a efektivita vynaložených prostředků je samozřejmě nižší než u nově realizovaných systémů.

• překontrolovat velikost ohřívačů a zásobníků vzhledem k množství využívané vody, předimenzované zařízení je využíváno pouze s minimem svého potenciálu a jeho provoz je tudíž neefektivní,
• kontrolovat a obnovovat izolace ohřívačů, rozvodů, vč. armatur,
• kontrola a regulace výstupní teploty TUV,
• důsledně zajišťovat těsnost výtokových uzávěrů, rozvodů - postupně je modernizovat,
• rovněž jako u nových systémů je vhodné zavést regulovaný provoz cirkulace a
• zajistit minimalizaci míst bez proudění vody, která jsou oprávněným strašákem všech provozovatelů.

U mnoha systémů se projevil zajímavý paradox, kdy se odběratelé s měřením spotřeby začali chovat racionálně a omezovali svojí spotřebu TUV. Snížením spotřeby se podstatně snížil pohyb vody v potrubí, čímž se zvýrazní vliv nedostatků cirkulačních soustav bez oběhového čerpadla. Čím nižší byla spotřeba TUV, tím větší byl pokles její teploty vlivem zdržení v potrubí a tím více ochlazené vody je třeba odpouštět, pokud její teplota není udržovaná v předepsaném rozpětí. Důsledkem je přímý nárůst spotřeby tepla na krytí ztrát v rozvodu a tudíž vyšší náklady. Paradoxně se koneční spotřebitelé nejen nedočkali finanční úspory, ale zaplatili i více.

Platí obecný vztah, že s poklesem průtoku TUV v rozvodu narůstají náklady na tepelnou energii. Mezní průtok, pod kterým má křivka závislosti strmý nárůst, je pro každý systém přípravy a rozvodu TUV jiný.

Všechny zmíněné a i mnohé další aspekty dohromady definují chování navrženého systému a skutečnou spotřebu tepla a vody pro přípravu TUV. V souvislosti s nízkoenergetickou výstavbou je potřeba si uvědomit, že dokážeme snadno eliminovat potřebu tepla na vytápění zlepšující se kvalitou obálky budovy, regulací zdrojů tepla ve velkém rozsahu výkonů apod. Ovšem v případě systémů TUV tak značných úspor dosáhnout nedokážeme.

Obr. 1 - Poměr mezi potřebou tepla na vytápění a přípravu TUV dříve a nyní

Dokonce lze říct, že vlivem rostoucího životního standardu spotřeba TUV (tedy voda + teplo) neklesá, ale někdy i mírně roste. Úspor v provozu systému samozřejmě lze dosáhnout, ale jsou do značné míry ovlivněny chováním spotřebitele. Zároveň je nutné si uvědomit, že nelze omezit spotřebu teplé vody pod určitou mez danou hygienickými požadavky a tudíž na rozdíl od vytápění máme velmi reálné omezení. Oproti stavu před 15 léty je v celkové bilanci bytového objektu potřeba tepla na přípravu TUV dominantní.

Několik zmínek o "netradičních" zdrojích tepla pro systémy přípravy TUV
Pokud nemůžeme přímo omezit spotřebu vody, musíme se zabývat druhou součástí TUV, tedy teplem a hledat zdroje, jenž nám dovolí snížit celkovou energetickou náročnost přípravy. Často jsou v této souvislosti zmiňovány solární kolektory, případně tepelná čerpadla.

Solární kapalinový kolektor
V podmínkách České republiky lze uvažovat maximální intenzitu dopadajícího slunečního záření 1000 W/m². Tato hodnota je při prvním pohledu vysoká, ovšem není v roce konstantní a tuto extrémní hodnotu lze uvažovat pouze v letních měsících.

Výrazným omezením z hlediska využití dopadající energie je účinnost kolektoru. Účinnost je ovlivněna mnoha faktory, nejvíce tepelnými ztrátami z kolektoru, jejichž hlavní hnací silou je rozdíl mezi teplotou absorbéru kolektoru a okolním prostředím. Z toho je patrné, že též není v průběhu roku konstantní (obr. 2).

Obr. 2 - Průběh účinnosti různých solárních kolektorů jako funkce rozdílu teploty
absorbéru a okolního vzduchu

Z toho plyne proměnný roční zisk energie z kolektoru, který je při návrhu potřeba uvést v souvislost s ročním průběhem potřeby energie (obr. 3). Na obrázku 3 je porovnání průběhu zisku energie z kolektoru a potřeby tepla pro přípravu TUV (křivky jsou idealizovány).

Obr. 3 - Zisk energie ze solárního kolektoru v porovnání s potřebou tepla na přípravu TUV

Předpokládáme-li průběh potřeby TUV v bytovém domě v roce jako téměř konstantní, dostáváme se při návrhu solárního kolektoru vždy do situace, že část potřeby v roce není pokryta, tudíž potřebujeme další zdroj tepla. Poměr mezi křivkami zisku a potřeby je nutno při návrhu sladit podle podmínek konkrétní situace. S tím souvisí i volba vhodného typu kolektoru, protože neplatí, že nejlepší kolektor je vždy tou optimální volbou. Pokud například předpokládáme provoz pouze v letních měsících, bude plně postačující základní plochý kolektor s jednoduchým zasklením, který bude nevhodný pro provoz v přechodném nebo zimním období. Instalace kolektoru s vakuovým absorbérem bude v takové situaci zbytečné plýtvání prostředků.

Jiná situace nastane, předpokládáme-li celoroční provoz, pro který musíme volit kolektor s minimálními ztrátami tepla do okolí s velice pečlivě navrženou orientací.

Předmětem návrhu musí být rovněž řešení tepelných zisků nadměrných nad potřebou tepla, pro které nemusíme mít využití.

Obr. 4 - Schéma zapojení solárního kolektoru v malém systému

Tepelné čerpadlo
Využití tepelného čerpadla pro ohřev TUV je často používanou variantou. Tepelné čerpadlo většinou slouží paralelně pro vytápění a přípravu TUV, přičemž vytápění objektu je častěji hlavní funkcí. Zdrojem tepla pro tepelné čerpadlo je tzv. nízkopotenciální teplo (v jakékoliv formě), které by nebylo možné přímo využít. Snahou je toto teplo "povýšit" na vyšší potenciál, nejčastěji prací kompresoru.

Problém při návrhu tepelného čerpadla pro přípravu TUV je požadovaná teplota. S rostoucím rozdílem teplot mezi kondenzátorem a výparníkem tepelného čerpadla klesá tzv. topný faktor, kdy v bilanci čerpadla narůstá práce na kompresoru (spotřebovaná elektrická energie). Z tohoto důvodu je vhodnější volit nižší teplotu TUV (topné vody) na kondenzátoru i za cenu dohřevu dalším zdrojem tepla.

Obr. 5 - Schéma využití tepelného čerpadla v otopné soustavě s průtočným ohřevem TUV

Problematika obnovitelných zdrojů tepla pro přípravu TUV je široká a velmi zajímavá, ovšem nechci v rámci rozsahu příspěvku zabíhat do podrobností. Snad jen zajímavost...

Termočlánek
Na University of Technology v Bangkoku (Thajsko) pokusně instalovali chladicí jednotku, jejíž jádro je tvořeno termočlánkem pracujícím na principu Peltierova efektu. Jednotka má primární funkci lokální chladicí jednotky vzduchu v daném prostoru (obr. 6). Odpadní teplo získané z ochlazovaného vzduchu a termočlánku je využíváno pro předehřev TUV. Dohřev je realizován v solárním kolektoru. Obdobně lze využít odpadní teplo např. z mikrokogenerační jednotky s palivovým článkem.

Obr. 6 - Schéma chladicí jednotky s termočlánkem využité pro předehřev TUV

Účet za dodanou TUV - nejlepší motivace k úsporám
Je skutečně nejlepší motivací spotřebitele k úsporám účet za dodanou TUV? Možná, že v současné době ještě nikoliv, ale je nutno uvažovat v delším časovém horizontu. Cena za dodanou TUV (na úrovni konečného spotřebitele) je složena z ceny vody, z níž byla připravena, a z ceny tepla použitého pro ohřev. Z širšího pohledu nelze očekávat pokles ani stagnaci cen. V části tepla může být nárůst různý s ohledem na primární palivo. V případě vody, jejíž důležitost je v celkové ceně často opomíjena, se jistě v blízké době dočkáme nemilých překvapení.

V případě staveb pro bydlení je způsob vyúčtování závislý na systému přípravy a rozvodu TUV od zdroje ke konečnému spotřebiteli. Máme-li lokální systém se zdrojem tepla v bytě (rodinném domě), rozpadne se nám celková cena za TUV do účtu za vodné a stočné a účtu za energii použitou jako zdroj tepla. V obou případech máme výhodu přesného měření, ačkoliv nedokážeme přesně specifikovat díl příslušný teplé užitkové vodě.

Systémy s centrální přípravou a rozvodem k jednotlivým spotřebitelům (např. byty) jsou z hlediska tvorby ceny ve většině případů odkázány na postup daný vyhláškou č. 372/2001 Sb. Skutečně málo systémů je v současné době vybaveno přesným měřením u každého spotřebitele. Důvodem jsou zejména vysoké investiční náklady na měření vzhledem ke spotřebovanému množství. U starších systémů je vzhledem k tvaru rozvodu nemožnost měření spotřeby pro byt v jednom bodě.

Ve vyhlášce č. 372/2001 Sb. jsou náklady na dodanou teplou užitkovou vodu rozděleny, jak bylo výše uvedeno, na náklady na tepelnou energii a studenou vodu nutnou k přípravě TUV. Voda je rozúčtována podle náměrů vodoměrů u konečných spotřebitelů. Tepelná energie se dělí na tzv. základní složku (30%) a spotřební složku (70%). Základní složka se dělí mezi konečné spotřebitele podle poměru podlahové plochy bytu k celkové podlahové ploše bytů. Toto kriterium souhlasí s výše zmíněnou korelací mezi velikostí bytu a spotřebou tepla. Spotřební složka se tvoří úměrně k náměrům vodoměrů instalovaných u konečných spotřebitelů.

Závěr
Závěrem dovolte shrnout, že úspor v přípravě a rozvodu teplé užitkové vody nelze dosáhnout bez motivovaných spotřebitelů, správně navrženého a provozovaného systému.

Literatura:

Zákon č. 258/2000 Sb. (v pozdějším znění č. 274/2003 Sb.) o ochraně veřejného zdraví, Vyhláška č. 252/2004 Sb., kterou se stanoví hygienické požadavky na pitnou a teplou vodu a četnost a rozsah kontroly pitné vody Vyhláška č. 372/2001 Sb., kterou se stanoví pravidla rozúčtování nákladů na tepelnou energii na vytápění a nákladů na poskytování teplé užitkové vody mezi konečné spotřebitele, ČSN 06 0320 - Ohřívání užitkové vody. Navrhování a projektování