Okrajové podmínky návrhu zásobníku teplé vody z pohledu typu zdroje tepla

Úvod

Návrh zásobníku teplé vody by měl v prvé řadě odpovídat použitému zdroji tepla a předpokládanému profilu odběru. Základní vstupní podmínky pro správný návrh lze, ale shrnout do následujících otázek.

• KOLIK? => Jakou potřebu teplé vody daný objekt vyžaduje?
• KDY? => V jakém čase bude nutné teplou vodu dodávat?
• ČÍM? => Jaký zdroj tepla bude pro teplou vodu použit?
• JAK? => Co umožňuje použitý zdroj tepla a regulace?

Ať již v případě novostavby či rekonstrukce nebo rozšíření již stávajícího provozu přípravy teplé vody jsou tyto informace nutné pro jakýkoli další výpočet, a to nezávisle na použité metodě návrhu. Projektant musí mít od investora nebo v ideálním případě z měření (u stávajících zařízení) podrobné informace o předpokládaném provozu přípravy teplé vody. V současné době, kdy jsou stále více podporovány obnovitelné zdroje energie, které mají výraznou závislost na venkovním prostředí (tepelná čerpadla vzduch-voda, termické či fotovoltaické panely atd.), je právě znalost těchto okrajových podmínek zcela zásadní a je nutné je doplnit právě i o klimatická data či další podklady s ohledem na uvažovaný zdroj tepla.

1. KOLIK? => Jakou potřebu teplé vody daný objekt vyžaduje?

Celkovou potřebu teplé vody lze stanovit jednoduše na základě kalorimetrické rovnice se zahrnutím předpokládaných tepelných ztrát systému přípravy teplé vody jako

(1)

kde je

Q_TV,celk

teplo dodané ohřívačem TV [kWh/periodu],

Q_TV,teor

teplo pro ohřev vody [kWh/periodu],

Q_TV,ztráty

teplo ztracené při ohřevu a distribuci TV [kWh/periodu],

z

poměrná ztráta tepla při ohřevu a distribuci TV [–],

V_i

celková potřeba teplé vody [m³/periodu],

ρ

hustota vody při střední teplotě zásobníku [kg/m³],

c

měrná tepelná kapacita [J/kg∙K],

t_SV

teplota studené vody (obvykle 10 °C) [°C],

t_TV

teplota teplé vody (obvykle 55 °C) [°C].

Z pohledu projektanta je proto nutné zjistit či zvážit návrh následujícího:

• Typ budovy – Co je rozhodující měrnou jednotku odběru teplé vody?
• Navržený systém přípravy teplé vody – dispozice systému rozvodů teplé vody, navržené cirkulace a zapojení systému pro nabíjení zásobníku či akumulace teplé vody

Z pohledu co bude určující pro celkové množství potřeby teplé vody lze využít požadavky např. normy ČSN EN 12831-3 (stejně tak STN) [1]. Dále jsou uvedeny základní tabulky pro obytné budovy (Tab. 1) a pro ostatní typy budov (Tab. 2).

Jak je zřejmé pro stanovení množství přípravy teplé vody není vždy rozhodující počet osob, ale měrnou jednotkou může být, u jiných než obytných budov, také počet lůžek (hotely, nemocnice apod.) nebo také množství instalovaných odběrných míst (sportovní zařízení). Zajímavostí normy [1] je to, že pro kancelářské budovy, divadla, posluchárny, obchody, skladovací prostory apod požadavky na potřebu teplé vody nejsou specifikovány. Dle mého názoru je podle mě vhodné v těchto případech vycházet z údajů projektu zdravotechniky a reálného počtu a typu případných odběrných míst.

2. KDY? => V jakém čase bude nutné teplou vody dodávat?

Obr. 1 Křivky odběru pro budovy s výraznou ranní a večerní odběrovou špičkou [6]

Časové rozložení odběru teplé vody hraje důležitou roli zejména v případech objektů s trvalejším charakterem odběru teplé vody. U objektů s výraznými odběrovými špičkami lze návrh soustředit právě do okamžiků vysoké odběru teplé vody, protože pro tyto případy je nutné zajistit dostatečné množství teplé vody s odpovídající teplotou vody. Na Obr. 1 a Obr. 2 jsou znázorněny typické odběrové diagramy pro bytové a kancelářské budovy.

Obr. 2 Křivka odběru pro kancelářské budovy (červená křivka vychází z požadavků [2], [3], [4] a [5], modrá křivka z reálného měření [6])

Obr. 1 ukazuje, jak rozdílné můžou být předpoklady odběrových špiček (modré křivky ukazují jednu odběrovou křivku buď v ranních nebo večerních hodinách, červená křivka pak obě odběrové špičky v jeden den). Právě pro takto výrazně vyšší nároky pro zásobování teplé vody v relativně krátkém čase je nutné jak ohřívač, tak i zásobník dimenzovat.

Na Obr. 2 je zajímavé si všimnout, že u tzv. multifunkčních budov, v tomto případě modrá křivka je průběh potřeby dodávky teplé vody v podstatě rovnoměrně rozložen během denních hodin (v rozmezí mezi cca 6:00 až 22:30).

Obr. 3 Typická odběrová křivka bytového domu (100 bytů), s váhou na průměrování pracovního týdne, víkendových dnů a celého týdne [7]

Na Obr. 3 je pak znázorněn kumulativní sběr dat u bytového domu v rozmezí 11 měsíců a odběrové křivky ukazují jednak vyhodnocení pouze pro pracovní dny v týdnu (žlutá), pro soboty (červená), neděle (černá), tak i celý týden průměrově (modrá). Je vidět, že v případě většího bytového domu k výrazným odběrovým špičkám nemusí docházet, nicméně je zřejmé, že tento odběr je silně závislý na obyvatelích a jejich časových zvyklostech. Vyšší nárůst spotřeby teplé vody lze samozřejmě vždy očekávat ve večerních hodinách v důsledku večerní hygieny většiny obyvatelů domu.

3. ČÍM? => Jaký zdroj tepla bude pro teplou vodu použit?

Obvyklá situace stran přípravy teplé vody je, že zdroj tepla je většinou již navržen jinou profesí (velmi často dle požadavku na vytápění). V případě konvenčních zdrojů tepla jako jsou například plynové kondenzační kotle, kotle na tuhá paliva nebo dodávka tepla ze systémů centrálního zdroje tepla lze většinou návrh přípravy teplé vody přizpůsobit danému zdroji. Zcela odlišná situace nastává ale u zdrojů tepla, které jsou závislé na okolních podmínkách, což jsou tzv. místní obnovitelné zdroje. Nejvíce se jedná o tepelná čerpadla (vzduch-voda), fotovoltaické elektrárny, solární kolektory či využití systémů odpadního tepla (kanalizace, VZT a dalších technologií).

Prvním problémem využití těchto alternativních zdrojů tepla může být požadavek na výstupní teplotu, resp. na teplotu nabití zásobníku teplé vody (tj. 55 °C nebo 60 °C). Z pohledu technologických možností např. tepelných čerpadel je tato teplota vody sice dosažitelná, ale zásadní otázkou zůstává, jaký je pak skutečný topný faktor resp. tepelný výkon tepelného čerpadla v daných podmínkách. Druhým problémem totiž je a na něj projektant či energetický specialista velmi často v honbě za co nejlepší sezónním topným faktorem v rámci vyčíslení ekonomických přínosů zapomíná, že tak jak klesá topný faktor tepelného čerpadla, samozřejmě klesá také tepelný výkon.

Obr. 4 Křivky odběru a dodávky tepla pro nevhodně zvolený provoz nabíjení zásobníku teplé vody s tepelným čerpadlem vzduch-voda

Na Obr. 4 je typická ukázka reálného provozu tepelného čerpadla vzduch-voda při přípravě teplé vody, kdy projektant předpokládal při návrhu systému přípravy teplé vody konstantní tepelný výkon tepelného čerpadla a neuvědomil si, že při nižších venkovních teplotách vzduchu, než při kterých tento tepelný výkon stanovil, bude skutečný tepelný výkon tepelného čerpadla nižší.

Obr. 4 ukazuje, že zejména v ranních (cca od 6:00 do 8:30) a večerních hodinách (cca od 19:00 do 22:00) má tepelné čerpadlo výrazný problém se zajištěním potřeby přípravy TV. Je zřejmé tzv. cyklování tepelného čerpadla, kde regulace vyhodnotí, že teplota vody v zásobníku teplé vody i při nabíjení buď stagnuje nebo dokonce klesá a sepne záložní zdroje tepla. Tato situace se pak cyklicky opakuje, protože při dalším nebo déle trvajícím odběru tepla ze zásobníku teplé vody jako první pro zapnutí reaguje primární zdroj tepla, což je tepelné čerpadlo. Celou situaci navíc pak může komplikovat fakt, že takto navržený zdroj tepla je společný jak pro přípravu teplé vody, tak i vytápění, a tudíž jeho časové možnosti nabíjení zásobníku teplé vody jsou omezeny s ohledem na dynamiku navržené otopné soustavy či použitých akumulační schopnosti stavebních matriálů daného domu.

Obr. 5 Křivky odběru a dodávky tepla respektující reálné provozní podmínky tepelného čerpadla vzduch-voda (upravená křivka dodávky tepla, zadání shodné s Obr. 4)

Řešením je návrh dostatečné akumulace teplé vody respektující právě u tepelných čerpadel podmínku, aby nabíjení zásobníku probíhalo pokud možno v časových úsecích, kdy lze očekávat sníženou potřebu tepla pro otopnou soustavu a zároveň lze očekávat minimální odběr teplé vody. Pro obytné budovy to prakticky odpovídá časovým požadavkům nejčastěji mezi 10:00 až 15:00. Druhou neméně důležitou podmínkou pak je, že regulace zdroje tepla by měla být schopna reagovat na aktuální podmínky uvnitř domu, např. ekvitermní regulace s vazbou na vnitřní teplotu. Tím je možné upravovat dobu nabíjení zásobníku TV, tzn. mít možnost vyššího časového využití provozu TČ, aniž by byla narušena tepelná pohoda vytápěného prostoru. Návrh splňující uvedené předpoklady je ukázán na Obr. 5.

4. JAK? => Co umožňuje použitý zdroj tepla a regulace?

V souvislosti s volbou zdroje tepla je vhodné vyřešit také způsob regulace celého systému. V případě jediného společného zdroje tepla je velmi častou volbou tzv. přednostní příprava teplé vody. Tato regulace na základě poklesu teploty v zásobníku teplé vody nebo akumulaci, přepne zdroj tepla do jmenovitého módu (tj. maximální možný dosažitelný tepelný výkon v daný okamžik) a veškerou vyráběnou tepelnou energii pak dodává pouze pro přípravu teplé vody. Důležité je si uvědomit, že v případě společného zdroje např. s vytápěním, není a ani nemůže být po celou dobu nabíjení systému teplé vody tepelná energie pro vytápění k dispozici. Zde je proto důležité zohlednit také dynamické chování budovy a otopné soustavy. V případě klasické dřevostavby s otopnou soustavou tvořenou konvektory, reálně hrozí v zimním období, že při časově delším ohřevu zásobníku teplé vody může dojít k poklesu výsledné teploty vzduchu ve vytápěném prostoru. Naopak u tzv. konstrukčně těžké stavby, nebo při použití otopných ploch s vysokou akumulací (podlahové vytápění, článková litinová otopná tělesa, stavebně tzv. těžké konstrukce), může doba nabíjení zásobníku teplé vody být delší, aniž by hrozilo nedodržení tepelné pohody v budově.

Dalším problémem regulace může být i typ navrženého zásobníku teplé vody a také typ použitého čidla nebo jeho pozice v zásobníku. U nepřímo ohřívaných zásobníků teplé vody hrozí, že projektantem uvažovaný tepelný výkon není plocha navrženého výměníku tepla v zásobníku přenést. Resp. je vždy nutné ověřit u výrobce přenosový výkon integrovaného výměníku v zásobníku a v případě nedostatečného tepelného výkonu pak navrhnout jiné řešení např. externí výměník a akumulační nádrž.

Obr. 6 Příklady umístění teplotního čidla t_TV pro spínání systému nabíjení zásobníku teplé vody

Právě s tím pak velmi úzce souvisí i pozice čidla s vazbou na řízení přípravy teplé vody. Na Obr. 6 jsou znázorněny tři pozice čidla u nepřímo ohřívaného zásobníku teplé vody. Nutno připomenout, že v tomto případě regulace pracuje s tzv. spínací diferencí čidla. Pokud nastane odběr teplé vody, teplota vody v zásobníku t_TV začne klesat. Po dosažení spínací teploty vody t_TVmin, regulace zdroje tepla přepne provoz zdroje tepla pro nabíjení zásobníku teplé vody. V okamžiku, kdy je teplota vody v zásobníku dostačující, regulace celý systém vypne nebo přepne zpět pro dodávku tepla do jiného systému např. vytápění. Je tedy zřejmé, že čím bude spínací diference (Δt_TV = t_TV − t_TVspin) větší, tím bude čas pro dobití zásobníku τ_a delší. Spínací diference se obvykle volí 5 K až 15 K podle typu zásobníku teplé vody.

Pozice 1 (čidlo v horní části zásobníku) znamená, že během odběru teplé vody čidlo reaguje až v době, kdy je většina objemu zásobníku již výrazně chladnější, než je spínací diference čidla. Pokud do celého procesu regulace zahrneme ještě dopravní zpoždění systému nabíjení (sepnutí zdroje tepla, přestavení regulačních armatur, sepnutí nabíjecího čerpadla, dynamiku nabíjecího potrubí a výměníku tepla) znamená to, že pokud je odběr teplé vody trvalejšího charakteru (např. napouštění van, sprchování apod.) dojde tak k poklesu teploty teplé vody odebírané ze zásobníku, což znamená že není zajištěno dostatečné množství teplé vody daného odběru.

Pozice 2 (čidlo v dolní části zásobníku a blízko výměníku tepla) je nevýhodná ze dvou důvodů. Prvním je, že čidlo je velmi blízko aktivní plochy výměníku tepla, která v době nabíjení může mít i velmi výrazně vyšší povrchovou teplotu (při použití zdroje tepla na tuhá paliva to může být i 80 °C a více) než je teplota vody v zásobníku. To může způsobit rychlé zvýšení teploty vody v okolí čidla a následný pokyn pro regulaci k vypnutí přípravy teplé vody, protože bylo dosaženo požadované teploty, ačkoli v celém objemu zásobníku jsou pak výrazné teplotní rozdíly. Druhým problémem této pozice čidla je, že i při velmi malém odběru teplé vody (např. mytí rukou v umyvadle apod.) dochází k doplnění zásobníku studenou vodou, a to může způsobit opačný efekt. Tzn. že v okolí takto nízko položeného teplotního čidla dochází k výraznějšímu ochlazení objemu vody, než je reálná teplota ve zbylém objemu zásobníku, ale čidlo přesto dá pokyn k zapnutí nabíjení zásobníku. V konečném důsledku se pak celá soustava stává regulačně nestabilní a dochází k cyklování zdroje tepla. Dosahovaná teplota vody v zásobníku vykazuje po výšce výrazné teplotní rozdíly.

Pozice 3 (1/2 až 2/3 výšky zásobníku teplé vody) je velmi často i samotnými výrobci nepřímo ohřívaných zásobníků doporučována. Tato pozice eliminuje výše uvedené nedostatky. Vyšší hodnota spínací diference, tj. > 10 K a více, je vhodnější pro spíše krátkodobější odběry teplé vody. Naopak nižší hodnota spínací diference, tj. < 10 K je vhodnější pro časově delší odběry teplé vody nebo pro časté případy tzv. odběrových špiček teplé vody.

Závěr

Cílem příspěvku bylo ukázat, co všechno ovlivňuje návrh systému přípravy teplé vody. Každá ze čtyř vytyčených oblastí je v podstatě samostatný projekční úkol. Není možné s ohledem na rozsah příspěvku podrobněji rozebrat jak výpočetní, tak návrhovou stránku. Důležité je, aby čtenář pochopil vazby systému přípravy teplé vody na ostatní profese TZB včetně systémů měření a regulace. Vzájemná koordinace a respektování požadavků jednotlivých profesí je základní stavební kámen projektu přípravy teplé vody, aby byl zajištěn nejen komfort v případě teplé vody, ale dodrženy i ostatní projekční předpoklady dané budovy.

Literatura

1. ČSN EN 12831-3: Energetická náročnost budov – Výpočet tepelného výkonu – Část 3: Tepelný výkon pro soustavy teplé vody a charakteristika potřeb, Modul M8-2, M8-3. 1. vyd. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2018.
2. Nařízení komise v přenesené pravomoci (EU) č. 811/2013: kterým se doplňuje směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/30/EU [online], 2013. Brusel. [cit. 2018-10-15]. Dostupné z:
   https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?qid=1559499852559&uri=CELEX:52014XC0703(01)
3. Nařízení komise v přenesené pravomoci (EU) 812/2013: kterým se doplňuje směrnice Evropského parlamentu a Rady 2010/30/EU [online], 2013, Brusel.[cit. 2018-10-15]. Dostupné z:
   https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?qid=1540490773594&uri=CELEX:32013R0812
4. Nařízení komise (EU) č. 813/2013: kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/125/ES, pokud jde o požadavky na ekodesign ohřívačů pro vytápění vnitřních prostorů a kombinovaných ohřívačů. [online],2013, Brusel. [cit. 2018-10-16]. Dostupné z: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?qid=1540490895768&uri=CELEX:32013R0813
5. Nařízení komise (EU) č. 814/2013: kterým se provádí směrnice Evropského parlamentu a Rady 2009/125/ES, pokud jde o požadavky na ekodesign ohřívačů vody a zásobníků teplé vody. [online], 2013, Brusel. [cit.2018-10-16]. Dostupné z: https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?qid=1540490977111&uri=CELEX:32013R0814
6. LANGEROVÁ, E.: Zátěžový profil ohřívačů teplé vody. Bakalářská práce, ČVUT v Praze, Fakulta strojní, Ústav techniky prostředí, 2019, 70 s.
7. VAVŘIČKA, R., a kolektiv: Příprava teplé vody, Sešit projektanta č. 3. STP – OS 02 – Vytápění. Praha 2017, 182 s. ISBN 978-80-02-02713-3.