Výpočet potřeby vody a tepla pro přípravu teplé vody podle ČSN EN 15316-3

1. Úvod

V případě, že je objekt po tepelnětechnické stránce zabezpečen podle požadovaných normových požadavků, nebo nad jejich rámec - v případě nízkoenergetického domu, potom se v kontextu celkové spotřeby dodané energie do budovy objeví jako rozhodující složka podíl připadající na dodanou energii pro přípravu teplé vody. U budov se sníženou spotřebou energie na vytápění tento podíl představuje cca 40 - 80 % celkové dodané energie do budovy. Naopak u administrativních budov může dodaná energie pro přípravu teplé vody představovat cca 10 % z celkové spotřeby dodané energie do budovy. Nicméně vzhledem k faktu, že dodaná energie na přípravu teplé vody nebyla doposud součástí žádného hodnocení, byla stanovována často chybně pouze za účelem získání parametru doplněného do technické zprávy nebo parametru potřebného pro dodavatele energie (media), je nutné připomenout základní princip výpočtu obsaženého v normě ČSN EN 15 316-3. Princip výpočtu postihuje zjednodušený roční provoz systému přípravy teplé vody z pohledu potřeby stanovení celkové roční dodané energie pro přípravu teplé vody.
Norma ČSN EN 15316-3 se skládá ze třech podčástí , které respektují nastavený postup výpočtu energetických spotřeb ve smyslu výroba tepla - distribuce tepla - sdílení tepla (potřeby tepla). Celková dodaná energie do systému přípravy teplé vody se stanoví podle vztahu

Kde Q_W,gen,out je celkový výkon zdroje tepla, [MJ/den]; Q_W potřeba tepla na ohřev teplé vody (viz EN 15316-3-1), [MJ/den]; Q_W,dis,ls ztráta tepla v rozvodu teplé vody (viz EN 15316-3-2), [MJ/den]; Q_W,st,ls ztráta tepla v zásobníku teplé vody (je-li použit), [MJ/den]; Q_W,p,ls ztráta tepla v potrubním okruhu zdroje tepla, (je-li použit) [MJ/den].

Obr. 1 - Schematické znázornění postupu výpočtu

• Potřebu tepla v teplé vodě, resp., potřebu teplé vody řeší ČSN EN 15316-3-1, kde jsou uvedeny charakteristiky potřeb (požadavky na odběr vody).
• Distribuci postihuje ČSN EN 15316-3-2, kde jsou řešeny rozvody teplé vody a způsoby distribuce.
• Výrobu tepla, resp. předání tepla v místě přípravy teplé vody postihuje ČSN EN 15316-3-3, příprava teplé vody.

2. Potřeba teplé vody, část 3-1

Jelikož spotřeba teplé vody V_W,z,j za j-tý časový úsek, ať už roční, nebo denní, je parametrem s nejvyšší citlivostí ve vztahu k výsledku výpočtu, je správné stanovení této hodnoty důležitým krokem ve fázi sběru dat pro provedení výpočtu. Prameny a zdroje pro stanovení této hodnoty jsou následující:

• ČSN EN 15316-3-1 Tepelné soustavy v budovách - Výpočtová metoda pro stanovení energetických potřeb a účinností soustavy - Část 3-1: Soustavy teplé vody, charakteristiky potřeb (požadavky na odběr vody).

V rámci této technické normy, která je v současnosti k dispozici pouze v angličtině, jsou uvedeny rámcové návrhové parametry pro stanovení spotřeby teplé vody v různých typech budov. Podrobně viz níže.

• vyhláška 428/2001 Sb., kterou se provádí zákon č. 274/2001 Sb., o vodovodech a kanalizacích pro veřejnou potřebu a o změně některých zákonů (zákon o vodovodech a kanalizacích) - podrobně příloha č. 12 k vyhlášce č. 428/2001 Sb.

Vyhláška 428/2001 Sb. v příloze č. 12 uvádí směrné roční spotřeby studené vody pro různé typy provozů. Za předpokladu, že v rámci budovy je možné paušálně stanovit procentuelní podíl spotřeby teplé vody ze spotřebované studené vody, lze velmi jednoduše odvodit z údajů uvedených v příloze č. 12 vyhlášky 428/2001 Sb. roční spotřebu teplé vody v daném objektu.

• DIN V 18 599-8: Endenergiebedarf von Warmwasserbereitungsanlagen

Pro doplnění přehledu uvádíme německý zdroj, kde je jako referenční hodnota brána měrné spotřeba energie obsažena v dodávané teplé vodě. Sekundárně lze z uvedených hodnot odvodit měrnou spotřebu teplé vody za předpokladu ideálního provozu systému distribuce teplé vody.

Pro domácnosti obývané jednou rodinnou lze měrnou denní spotřebu teplé vody v z-té zóně lze stanovit zjednodušeně podle ČSN EN 15316-3-1, kde f_z je celková podlahová plocha zóny A_z. Měrná denní spotřeba teplé vody V_W,f,z,j se stanoví, pro byty:

a) A_f,z > 27 m² podle vztahu

b) A_f,z ≤ 27 m² a současně A_f,z ≥ 14 m² podle vztahu

Kde A_f,z je celková podlahová plocha zóny (bytu) [m²], x je konstanta, uvažuje se 39,5 l/den, y je konstanta, uvažuje se 90,2 l/den, z je konstanta, uvažuje se 1,49 l/(m².den).

Pro ostatní typy budov lze určit hodnoty měrné spotřeby teplé vody v z-té zóně za j-tý časový úsek V_W,f,z,j podle hodnot viz tab. 1 podle ČSN EN 15316-3-1.

Tab. 1 Měrné spotřeby teplé vody pro nebytové budovy V_W,f,z,j

Zjednodušeně lze potřebu energie pro přípravu teplé vody v příslušné z-té zóně za den Q_W,nd,z,d v GJ stanovit podle DIN V 18599-10:

a) na základě obsazenosti zóny

b) nebo podle plochy zóny

Kde q_W,nd,f,z,d je měrná denní potřeba energie na přípravu teplé vody podle obsazenosti z-té zóny [kWh/(mj.den)], stanovená podle tab. 2, f_z je počet měrných jednotek z-té zóně ke které je vztažena hodnota parametru q_W,nd,f,z,d [mj.], q_W,nd,A,z,d je měrná denní potřeba energie na přípravu teplé vody podle plochy z-té zóny [kWh/(m².den)], stanovená podle Tab. A.4, A_f,z je celková plocha z-té zóny [m²].

Tab. 2 Měrná denní potřeba energie na přípravu teplé vody

V některých případech lze použít zjednodušený výpočetní postup, kdy se předpokládá, že roční spotřeba teplé vody za daný j-tý časový úsek (měsíc, rok) nekolísá, je konstantní a je vztažena k celé budově, případně určit spotřebu teplé vody v délce časového kroku jednoho měsíce. Potom lze pro stanovení potřeby energie na přípravu teplé vody Q_W,nd,j použít zjednodušený vztah

Kde V_W,j je měsíční (roční) spotřeba teplé vody v z-té zóně za [m³/měsíc(rok)], θ_W,h je průměrná roční teplota teplé vody v místě přípravy [°C], θ_W,c je průměrná roční teplota přiváděné studené vody [°C].

3. Distribuce teplé vody, část 3-2

Jednou ze součástí výpočtu energetické náročnosti budov ve smyslu stanovení celkové dodané energie do budovy je stanovení dílčí hodnoty dodané energie potřebné na přípravu teplé vody. Tuto problematiku podrobněji upravuje norma ČSN EN 15316-3-2, která uvádí princip výpočtu tepelných ztrát rozvodů na základě výpočtu tepelného toku z rozvodů teplé vody do okolí. Předmětem normy je normalizovat metody výpočtu

• ztrát tepla rozvodu teplé vody,
• využitelných ztrát tepla pro vytápění z rozvodu teplé vody,
• potřeby pomocné energie pro rozvod teplé vody.

Výpočet uvedený v ČSN EN 15316-3-2 vychází ze známých principů tepelného toku za časový úsek. Denní tepelná ztráta rozvodů [MJ/den] je uvažována jako tepelná ztráta rozvodů s cirkulací a bez cirkulace.

Kde ΣQ_W,dis,ls,ind je součet tepelných ztrát jednotlivých přívodních potrubí, která nejsou opatřena cirkulačním potrubím [MJ/den], Q_W,dis,ls,col je tepelná ztráta přívodního potrubí s cirkulačním potrubím [MJ/den].

Norma uvádí čtyři principy výpočtu tepelných ztrát rozvodů za určitý časový úsek, výpočet ztrát tepla potrubím je rozlišen na základě:

• délky potrubí a počtu odběrů za den (příloha A),
• délek potrubí a účinností rozvodu (příloha B),
• délek potrubí a profilů odběrů teplé vody (příloha C).

Samostatnou částí je výpočet ztrát tepla cirkulačním okruhem uvedený v příloze D. Všechny přílohy normy jsou informativní a lze je doplnit o národní přílohy - nebylo učiněno.

Rozvody, které nejsou opatřeny cirkulací, vykazují tepelnou ztrátu [MJ/den] závislou v čase a na počtu jednotlivých odběrů a tepelná ztráta těchto rozvodů se vyjádří podle vztahu

Kde ρ_W je hustota vody [kg/m³], c_W je měrná tepelná kapacita vody [kJ/(kg.K)]; V_W,dis je objem vody v potrubí [m³]; θ_amb je průměrná okolní teplota potrubí [°C]; θ_W,dis,nom je teplota teplé vody přiváděné do potrubí [°C]; n_tap je počet odběrů teplé vody v průběhu dne.

Výpočetní vztah (7) předpokládá úplnou ztrátu tepla z objemu vody a mezi odběry voda dosáhne teploty okolí. Vzhledem k současným požadavkům na tepelné izolace rozvodů tento vztah pro nové budovy a některé případy nelze prakticky použít.

Pro rozvody bez cirkulace lze použít vztah pro cirkulační rozvod, kdy je cirkulace mimo provoz (cirkulační čerpadlo je vypnuté, pozn. z hygienických důvodů by tento stav neměl nastat). Rozdíl oproti uvažovanému předchozímu vztahu je rozdílný teplotní gradient, kdy teplota je uvažována průměrnou hodnotou, viz níže.

Kde θ_W,dis,avg,i je teplota teplé vody přiváděné do úseku potrubí [°C]; n_norm je počet provozních cyklů cirkulačního čerpadla v průběhu dne.

Cirkulační rozvody, u kterých se předpokládá z hygienických důvodů nepřetržitá cirkulace, mají tepelnou ztrátu [MJ/den] stanovenou podle následujícího vztahu

Kde U_W,i je součinitel prostupu tepla úseku potrubí [W/(m.K)]; L_W,i je délka úseku potrubí včetně délkových přirážek [m], θ_W,dis,avg,i je průměrná teplota teplé vody v úseku potrubí [°C]; θ_amb,i je průměrná teplota v okolí úseku potrubí [°C]; t_W je doba provozu cirkulačního čerpadla [h/den].

Tento výpočetní postup by mohl vézt k výpočtu neodpovídajícímu skutečnosti. U výpočtu tepelné ztráty v rozvodu, v případě necirkulující a především cirkulující vody, by mohlo být uvažováno, že celý objem vody v potrubí se musí dostat na teplotu okolí - tímto teplotním gradientem je vyjádřena tepelná ztráta v distribuci. Pochopitelně toto v časovém úseku jednoho dne, ke kterému je výpočet vztažen, nikdy nenastane - pokud je potrubí dobře izolováno a voda je odpouštěna.

V případě, že je potrubí cirkulační, uvažuje se teplota taková jaká je ve zdroji přípravy teplé vody. V případě, že cirkulační čerpadlo není neustále v provozu, jak připouští norma (z pohledu hygienických předpisů - nepřípustné), pak je třeba opět uvažovat s problémem, který je uveden výše. Resp. přizpůsobit gradient teploty vody v rozvodech ((θ_W,dis,avg,i - θ_amb,i) - viz rovnice (10)) stavu, který skutečně teoreticky nastane. Lze předpokládat stav, kdy u zaizolovaného potrubí, že by teplota vody během 5ti hodin dosáhla teploty okolí 20 °C. Tento problém lze principielně popsat pomocí přestupu tepla v čase, za předpokladu že je nějaký objem vody a teplosměnná plocha s daným tepelným odporem. Výpočet je v tomto případě upravit tak aby teplotní gradient odpovídal, teoreticky vzniklé situaci. V německé normě DIN V 18599 lze najít, že pro rozvody teplé vody bez cirkulace se uvažuje průměrná teplota teplé vody θ_W,dis,avg podle vztahu

V normě ČSN EN 15 316-3-2, informativní příloha D, kapitola D.2.6 Stanovení průměrné teploty teplé vody v úseku potrubí je uvedeno, že průměrná teplota teplé vody v úseku potrubí může být uvedena v národní příloze. Není-li národní příloha k dispozici nebo neobsahuje-li tuto hodnotu, použije se jako normová průměrná teplota vody 32 °C v samostatné hlavní větvi. Což v případě uvážení součinitele prostupu tepla např. ve výši U = 0,2 W/m.K činí podle vztahu (8) θ_W,dis,avg = 31,73 °C. Ve většině případů lze pak uvažovat θ_W,dis,avg = 32 °C.

4. Příprava teplé vody, část 3-3

Třetí podčást normy řeší přípravu teplé vody a zdroj přípravy z pohledu energetických potřeb. Jsou uvedeny empirické fyzikální vztahy určené pro výpočet tepelných ztrát

• přímo ohřívaných a nepřímo ohřívaných zásobníků,
• okruhů zdroje tepla,
• pomocné energie, apod.

Podle vztahu (1) je Q_W,ls,st celková tepelná ztráta zásobníku, které se pro přímo ohřívaný zásobník pomocí plynu stanoví podle normy ČSN EN 15316-3-3, pro elektricky ohřívaný zásobník s časově průběžným ohřevem se stanoví podle normy ČSN EN 15316-3-3, resp. přílohy D pro časově programovatelnou přípravu teplé vody.

Alternativně lze při stanovení Q_W,ls,st postupovat podle zjednodušeného postupu uvedeného v DIN 18599-8, kde pro přímo ohřívané zásobníky přípravy teplé vody platí vztah

Kde θ_i,gen,sys je průměrná vnitřní teplota v místě přípravy teplé vody [°C], t_use,j je roční doba provozu zásobníku přípravy teplé vody [d], qgen.ls.sys je průměrná denní ztráta tepelné energie příslušného systému přípravy TV [GJ], která se stanoví pro:

Kde V_W,gen,sys je objem zásobníku přípravy teplé vody [l].

5. Závěr

Problematiku účinnosti ohřevu a distribuce teplé vody lze vyjádřit pomocí faktoru účinnosti (pozn. efficiency faktor, viz ČSN EN 15316-3-2 a ČSN EN 15316-3-3). Vstupem do výpočtu, který je nezbytné stanovit, je výpočtové množství spotřebované teplé vody o předpokládané teplotě. Roční spotřeba teplé vody je většinou spojována s technickou normou ČSN 06 0320 Tepelné soustavy v budovách - Příprava teplé vody - Navrhování a projektování. V této normě jsou uvedeny tzv. návrhové parametry pro dimenzování a návrh systémů přípravy teplé vody a pro dimenzování a návrh systémů je také norma určena. Norma však není určena pro popis chování budovy v průběhu celého roku. Návrhové parametry uvedené v ČSN 06 0320, zejména parametry spotřeby teplé vody (např. 80 l/(os.den) pro bytové stavby) nelze použít pro výpočet roční dodané energie ve smyslu vytvoření matematického model typické ročního provozu budovy.

Prezentovaná výpočetní metoda představuje základní postup, v případě některých detailů systémového řešení přípravy teplé vody je nutné postupovat podle příslušných technických norem, např. ČSN 15 316-3 a především logického technického myšlení. Z uvedeného výpočetního postupu je patrné, že stanovení dodané energie pro přípravu teplé vody může představovat složitý výpočet. Výpočet podle ČSN EN 15 316 je v mnoha ohledech vzdálen od projekční praxe z pohledu dostupnosti údajů potřebných pro výpočet. Příspěvek upozorňuje především na správné použití okrajových podmínek a doplňuje popsaný postup v normě ČSN EN 15316-3.

Poděkování

Příspěvek vznikl v rámci výzkumného záměru CEZ MSM 6840770003.

Literatura

[1] ČSN EN 15316-3-1 Tepelné soustavy v budovách - Výpočtová metoda pro stanovení energetických potřeb a účinností soustavy - Část 3-1: Soustavy teplé vody, charakteristiky potřeb (požadavky na odběr vody)
[2] ČSN EN 15316-3-2 Tepelné soustavy v budovách - Výpočtová metoda pro stanovení energetických potřeb a účinností soustavy - Část 3-2: Soustavy teplé vody, rozvody
[3] ČSN EN 15316-3-3 Tepelné soustavy v budovách - Výpočtová metoda pro stanovení energetických potřeb a účinností soustavy - Část 3-3: Soustavy teplé vody, příprava
[4] DIN V 18599-8 Energetische Bewertung von Gebäuden - Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung - Teil 8: Nutz- und Endenergiebedarf von Warmwasserbereitungsanlagen, platnost v Německu od 2005.
[5] VRÁNA, J. Potřeba vody a tepla pro přípravu teplé vody. [online]. c2010, poslední revize 14. 3. 2011.
[6] URBAN, M., KAREL, K., ADAMOVSKÝ, D., KABRHEL, M. Princip výpočtu dodané energie pro přípravu teplé vody. VVI 04/2010, st. 170-173, Praha, ISSN 1210-1389
[7] KABELE, K., URBAN, M., ADAMOVSKÝ, D., KABRHEL, M. Národní kalkulační nástroj NKN [počítačová aplikace]. Ver. 2.066 Praha, 2010. Dostupné z http://tzb.fsv.cvut.cz/projects/nkn/. Výpočetní nástroj pro stanovení energetické náročnosti budov, 61 MB.