Zabezpečenie požadovanej teploty studenej pitnej vody vo vodovode v budove

Článek byl vydán v rámci odborné konference doktorského studia Juniorstav 2021. Byl oceněn odbornou porotou konference a okomentován spolupracovníky redakce TZB Info.

1. Úvod

K základným požiadavkám kvality pitnej vody patrí okrem hygienickej nezávadnosti aj jej teplota. V budovách môžeme pozorovať trend znižovania spotreby vody vplyvom šetrenia vody konečnými užívateľmi. Neuvážené šetrenie pitnou vodou umožňujú aj úsporné výtokové armatúry, môže to však byť spojené s určitými hygienickými rizikami. V dôsledku nižšej spotreby pitnej vody dochádza k jej nedostatočnej výmene v potrubí, voda prúdi menšou rýchlosťou a limitné hodnoty teploty studenej pitnej vody vo vodovode sú prekračované.

2. Popis súčasného stavu

Výmena vody v potrubí je definovaná ako úplná výmena objemu vody obsiahnutého v príslušnej časti potrubia odobratím vody alebo jej vypustením. Systém by mal byť navrhnutý tak, aby bola zabezpečená dostatočná výmena vody v potrubí – vtedy bude zabezpečená aj vhodná teplota pitnej vody. Optimálna teplota studenej vody je dôležitá nielen z pohľadu komfortu konečných užívateľov, ale aj z hľadiska možného rizika rozmnožovania baktérií. Podľa STN EN 806-2 [1] nesmie byť po otvorení výtokovej armatúry studenej pitnej vody po 30 sekundách jej teplota vyššia ako 25 °C. Vyhláška MZ SR č. 247/2017 Z. z. [2] udáva ako odporúčaný rozsah teploty studenej vody od 8 do 12 °C. Aby sa zabránilo kolonizácii Legionelly, teplota vody musí byť v takom rozsahu, v ktorom sa baktéria nebude vôbec rozmnožovať, t.j. teplota vody musí byť nižšia ako 25 °C [3]. Pri dnešných kvalitných izoláciách potrubí by malo byť zabezpečenie správnej teploty pitnej vody samozrejmosťou. V systémoch vodovodu je stále častejšie, že teploty studenej vody sú neprípustne vysoké, čo môže viesť k šíreniu baktérií. Medzi príčiny vysokej teploty studenej vody vo vodovode vnútri budovy patria:

• fázy stagnácie vody v potrubí,
• nepravidelný odber vody z výtokových armatúr,
• sústreďovanie potrubí studenej vody v miestnostiach so zdrojmi tepla a v inštalačných priestoroch a šachtách v blízkosti teplovodných potrubí či svietidiel emitujúcich teplo,
• nedostatočná izolácia potrubí studenej vody,
• vysoká teplota studenej pitnej vody v potrubí vodovodu na vstupe do objektu.

Stagnácia vody v potrubí a jej vplyv na teplotu studenej vody

Pri distribúcii studenej pitnej vody v budove dochádza k jej stagnácii. Na to, aby bola zabezpečená požadovaná teplota pitnej vody je nutné zabezpečiť čo najčastejšiu výmenu v potrubí. Na Obr. 1 je zobrazený priebeh teploty a prietoku studenej vody pri experimentálnom meraní denného odberu vody v bytovom dome [4], ktorý poukazuje na priamu závislosť teploty studenej vody od jej prietoku. Pri odbere vody je jej teplota konštantná, resp. sa znižuje. Ak však nedochádza k odberu vody v potrubí (voda stagnuje), studená voda sa ohrieva. Veľmi dôležitá je teplota studenej vody na vstupe do objektu. Ak je teplota studenej vody na vstupe do objektu 20 °C, k prekročeniu limitnej hodnoty 25 °C dochádza veľmi rýchlo. Najkritickejšie sa to pri meraní v bytovom dome na Obr. 1 prejavilo v čase od 13:30 do 16:30, kedy teplota studenej vody stúpla zo 14 na 25 °C.

Obr. 1 Priebeh teploty a prietoku studenej pitnej vody v bytovom dome A, meranie vykonané pre 1 stúpacie potrubie pre 12 bytov, 30 obyvateľov [graf spracovala autorka na základe poskytnutých údajov zo zdroja [4]]

Nedostatočná výmena pitnej vody v kombinácii s nedostatočnou hrúbkou izolácie potrubia vodovodu pitnej vody spôsobuje prekračovanie prípustnej teploty studenej pitnej vody. Odporúčané hrúbky tepelnej izolácie potrubí studenej pitnej vody sú uvedené v Tab. 1.

3. Automatické preplachovacie jednotky

Jedným z možných technických opatrení na zabezpečenie požadovanej výmeny a teploty vody v potrubí je návrh automatických preplachovacích jednotiek vodovodu. Voda v distribučnom systéme by mala byť vymenená minimálne 1× za týždeň [1]. Ak sa nedá zabezpečiť výmena vody 1× za týždeň otváraním jednotlivých výtokových armatúr, možnosťou je použitie automatickej preplachovacej jednotky (Obr. 2). Súčasťou systému je riadiaca jednotka, ktorá spustí prepláchnutie určitého úseku potrubia vodou podľa nastaveného programu. Technológia umožňuje preplachovacie jednotky konfigurovať a preplachovanie spúšťať na základe času, prietoku, teploty a spotreby vody. Príklad prevádzkového režimu podľa teploty je nasledovný:

Ak teplota v potrubí presiahne 25 °C, preplachovať pokiaľ teplota neklesne pod 20 °C. Výhody nastavenia automatického preplachovania na základe teploty pitnej vody sú nasledovné:

• zabezpečenie požadovanej výmeny a teploty studenej vody,
• spoľahlivá kontrola teploty pitnej vody.

a)

b)

Obr. 2 Automatická preplachovacia jednotka (APJ)
a) konštrukčné vyhotovenie [6], b) schéma umiestnenie preplachovacej jednotky [autor]

4. Cirkulácia studenej vody s chladením

Pri automatických jednotkách hygienického preplachovania sa za účelom zabezpečenia dostatočnej výmeny vody v systéme voda vypúšťa do kanalizácie a dochádza k plytvaniu vzácnej pitnej vody. Tieto nevýhody sa dajú odstrániť návrhom systému cirkulácie studenej vody s jej chladením. Na Obr. 3 je principiálna schéma cirkulácie studenej vody v budove. Potrubie studenej vody je zokruhované do cirkulačného rozvodu, studená voda v tomto okruhu pomocou obehového čerpadla cirkuluje a udržuje sa jej požadovaná teplota. Inak by po čase stagnácie studenej pitnej vody dochádzalo k jej nahrievaniu. Cirkulačné potrubie studenej vody je vedené do technickej miestnosti, kde prebieha proces chladenia. Na chladenie studenej pitnej vody možno použiť:

• vonkajšiu jednotku klimatizácie (Obr. 3a),
• tepelné čerpadlo (napr. zem–voda, Obr. 3b),
• v závislosti od využitia budovy môžu byť už existujúce chladiace systémy v budove použité aj pre chladenie studenej vody [7].

Návrh systému cirkulácie studenej vody závisí od:

• zvolenej požadovanej výstupnej teploty studenej vody po ochladení,
• teploty studenej vody pri vstupe do objektu,
• teploty prostredia v okolí potrubia studenej vody a cirkulácie,
• dĺžok a dimenzií potrubia [7].

a)

b)

Obr. 3 Principiálna schéma systému cirkulácie studenej pitnej vody v budove
a) s výmenníkom a vonkajšou klimatizačnou jednotkou [7, autor], b) s tepelným čerpadlom [autor]
1 – potrubie studenej vody, 2 – cirkulačné potrubie studenej vody, 3 – cirkulačné čerpadlo, 4 – výmenník, 5 – klimatizačná jednotka, 6 – chladivo, 7 – tepelné čerpadlo typu ZEM–VODA, 8 – zemný kolektor.

4.1 Kompresorové chladenie studenej vody

Obr. 4 Schéma kompresorového chladenia studenej vody s klimatizačnou jednotkou a výmenníkom [autor]
1 – potrubie studenej pitnej vody, 2 – cirkulačné potrubie studenej vody, 3 – cirkulačné čerpadlo, 4 – výmenník, 5 – vonkajšia klimatizačná jednotka

Na Obr. 4 je zobrazený princíp kompresorového chladenia studenej vody pomocou vonkajšej klimatizačnej jednotky a výmenníka. Do výmenníka je pomocou cirkulačného čerpadla privádzaná studená pitná voda s nežiadúcou teplotou. Do výmenníka, z opačnej strany, je privádzané chladivo. Medzi studenou vodou a chladivom dochádza k výmene tepelnej energie, studená pitná voda sa ochladí a je distribuovaní do jednotlivých odberných miest. Chladivo, ktoré odovzdá svoju energiu studenej vode sa nahrieva, zvýši svoju teplotu a zmení skupenstvo z kvapalného na plynné. Prostredníctvom kompresora je chladivo stlačené, zvýši sa jeho tlak a teplota a je privedené do vonkajšej klimatizačnej jednotky. V klimatizačnej jednotke chladivo skondenzuje a vyzráža nadbytočné teplo do vonkajšieho prostredia čím zníži svoju teplotu. Prostredníctvom expanzného ventilu sa zníži tlak chladiva, skupenstvo chladiva sa zmení na kvapalné a následne je privádzané do výmenníka, kde ochladzuje studenú vodu. Na výstupe z výmenníka môže studená pitná voda dosahovať teploty v rozmedzí cca 10–15 °C.

Obr. 5 Principiálna schéma kompresorového chladenia studenej pitnej vody s klimatizačnou jednotkou, výmenníkom a akumulačnou nádobou [autor]
1 – potrubie studenej pitnej vody, 2 – potrubie cirkulácie studenej vody, 3 – cirkulačné čerpadlo, 4 – výmenník, 5 – vonkajšia klimatizačná jednotka, 6 – primárny chladiaci okruh (chladivo), 7 – akumulačná nádoba technologickej vody, 8 – prívod technologickej vody do akumulačnej nádoby, 9 – okruh technologickej vody.

Rovnaký princíp chladenia studenej pitnej vody platí aj pri chladení pomocou tepelného čerpadla – napr. použitím tepelného čerpadla typu zem–voda chladivo odovdzá nadbytočné teplo nie do ovzdušia, ale do primárneho okruhu tepleného čerpadla – zemnému kolektoru (Obr. 3b).

Na Obr. 5 je zobrazený princíp kompresorového chladenia studenej vody pomocou vonkajšej klimatizačnej jednotky, výmenníka a akumulačnej nádoby [8]. Do akumulačnej nádoby sa napúšťa studená voda, ktorá je chemicky upravená, aby mala lepšiu schopnosť udržať chlad (voda v akumulačnej nádobe sa ďalej nazýva ako voda technologická). Do akumulačnej nádoby technologickej vody je distribuované chladivo, v chladiacom okruhu. Technologická voda je pomocou chladiva schladená a z akumulačnej nádoby privádza sa uzavretým okruhom do výmenníka. Do výmenníka je z opačnej strany privádzaná studená cirkulovaná voda s počiatočnou teplotou napr. 25 °C, ktorá sa ochladí v závislosti od výkonu klimatizačnej jednotky o 10 až 15 K.

4.2 Solárne chladenie studenej vody

Ďalším spôsobom chladenia studenej pitnej vody môže byť solárne chladenie. Systémy solárneho chladenia sa rozdeľujú na:

• tepelne riadené solárne chladiace systémy,
• elektricky riadené solárne chladiace systémy.

Pri tepelne riadenom solárnom chladiacom systéme sa využíva tepelná energia získaná zo solárnych kolektorov na pohon chladiacich systémov. Tento systém pozostáva z fototermálneho systému (slnečné kolektory, zásobník, výmenník, riadiaca jednotka, potrubia), ktorý je doplnený chladiacim zariadením poháňaným teplom. V tomto procese sa slnečné teplo akumuluje a využíva na tepelno-riadený chladiaci proces v budove. Druhom solárneho tepelného chladenia je chladenie absorpčné. Princíp absorpčného chladenia sa podobá na klasické kompresorové chladenie popísané vyššie, rozdiel je len v spôsobe získavania vyššieho tlaku pár chladiva potrebného na kondenzáciu. Pri kompresorovom chladení sa vyšší tlak dosahuje stlačením pár chladiva v kompresore (väčšinou elektricky poháňaný), ktorý je energeticky najnáročnejšou súčasťou chladiaceho zariadenia. Pri systéme absorpčného chladenia sa kompresia pár chladiva dosahuje termickým princípom s využitím solárneho tepla [9].

Pri elektricky riadených systémoch rozlišujeme fotovoltický kompresorový a fotovoltický Peltier systém. Pri fotovoltickom kompresorovom systéme sa využívajú fotovoltické panely na výrobu elektrickej energie, ktorá poháňa elektrický kompresor chladiaceho zariadenia. Vyrobená elektrická energia z fotovoltických článkov môže slúžiť aj na pohon cirkulačného čerpadla studenej pitnej vody. Pri fotovoltickom Peltier systéme sa využívajú Peltierove články (Obr. 6a). Peltierov článok je elektronický prvok, ktorý pri pretekaní elektrického prúdu vyvinie rozdielne teploty na stykových plochách dvoch vodičov – ak sa privedie na vyvedené vodiče jednosmerný prúd, začne sa jedna strana ochladzovať a druhá zahrievať (Obr. 6b). Na studenej strane môže byť umiestnená napr. akumulačná nádoba studenej vody za účelom jej chladenia. Teplo sa bude odovzdávať na druhej strane, napr. prostredníctvom chladiča, ktorý stratové teplo odvádza ventilátorom do priestoru. Ďalšou možnosťou je inštalácia zostavy termoelektrického chladenia typu L-L (liquid to liquid, Obr. 6c), ktorej vrchnú časť tvorí výmenník, kde by sa na vstupe privádzala cirkulovaná studená pitná voda a na výstupe z výmenníka by bola studená pitná voda ochladená, určená k distribúcii konečným užívateľom. Stratové teplo je pri tomto type zostavy odvedené teplovodnou kvapalinou v spodnom výmenníku. Fotovoltické panely by v tomto prípade slúžili na dodávku energie pre napájací zdroj Peltierových článkov. Výhodami Peltierovych článkov je ich kompaktná veľkosť a absencia pohybujúcich sa častí resp. chladiaceho média. Nevýhodou solárneho systému chladenia je nekontinuálna výroba elektrickej energia počas noci a počas zamračených dní.

Rovnaký princíp chladenia studenej pitnej vody platí aj pri chladení pomocou tepelného čerpadla – napr. použitím tepelného čerpadla typu zem–voda chladivo odovdzá nadbytočné teplo nie do ovzdušia, ale do primárneho okruhu tepleného čerpadla – zemnému kolektoru (Obr. 3b).

a)

b)

c)

Obr. 6 Peltierov článok na účely chladenia [10]
a) pohľad [10], b) princíp činnosti [11], c) zostava termoelektrického chladenia typu L-L (liquid to liquid) [10]

5. Diskusia

Pitná voda je zdravotne nezávadná ak pri jej používaní neohrozí zdravie prítomnosťou mikroorganizmov. Potrubia je nutné navrhovať tak, aby nedochádzalo vzájomnému prechodu tepla medzi studenou vodou a teplovodnými potrubiami či okolitým prostredím. Všetky potrubia je nutné dôkladne tepelne izolovať. Pri objektoch, kde nie je zabezpečený odber vody aspoň 1× za týždeň sa odporúčajú navrhovať automatické preplachovacie jednotky. Ak je na vstupe do objektu vysoká teplota studenej vody, vhodné je navrhnúť systém cirkulácie a chladenia studenej pitnej vody a distribuovať konečným užívateľom studenú pitnú vody v dostatočnej kvalite.

6. Záver

Vysoká teplota studenej pitnej vody vo vodovode na vstupe objektu v kombinácii s nedostatočnou tepelnou izoláciou potrubia a s nízkym prietokom studenej vody spôsobuje prekračovanie limitných hodnôt teploty pitnej vody v budove. Systém cirkulácie studenej vody s jej chladením u nás doposiaľ nie je rozšírený, tento systém by však vyriešil všetky problémy spojené s nedostatočnou výmenou a teplotou studenej pitnej vody. Na chladenie studenej pitnej vody v objekte je možné využiť niekoľko obnoviteľných zdrojov popísaných v príspevku.

Poďakovanie

Príspevok bol podporovaný Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu SR prostredníctvom grantov VEGA 1/0847/18 a KEGA 044STU-4/2018.

Použité zdroje

1. STN EN 806 -2: Technické podmienky na zhotovovanie vodovodných potrubí na pitnú vodu vnútri budov, časť 2 – Navrhovanie. 2005.
2. Vyhláška MZ SR č. 247/2017 Z. z., ktorou sa ustanovujú podrobnosti o kvalite pitnej vody, kontrole kvality pitnej vody, programe monitorovania a manažmente rizík pri zásobovaní pitnou vodou.
3. TNI CEN/TR 16 355: Preventívne opatrenia proti rozmnožovaniu baktérie Legionella vo vodovodných potrubiach na pitnú vodu vnútri budov
4. M. Krafčík: Prietoky a spotreba vody v bytových domoch a využitie stratifikácie pri príprave teplej vody. In: Dizertačná práca, Stavebná fakulta STU v Bratislave, 2019.
5. DIN 1988-200, Technische Regeln für Trinkwasser – Installationen. Tabelle 8.
6. GEBERIT – Hygienické prepláchnutie Geberit [online: https://www.geberit.sk/domov/]
7. HEINECKE, O.: Kaltwasser-Zirkulation mit Kühlung. In: Forum wasserhygiene Kongres, 2019.
8. KEMPER GMBH + CO. KG: Kaltwasser-Zirkulation mit KHS CoolFlow [online: https://www.kemper-olpe.de/de/geschaeftsbereiche/gebaeudetechnik/fach-und-produktwissen/khs-trinkwasserhygiene/kaltwasser-zirkulation-khs-coolflow/?L=0]
9. MICHALIČKOVÁ S.: Solárne chladenie v budovách s využitím slnečnej energie, ASB portál [online].
10. LAIRD THERMAL SYSTEMS: Thermoelectric Coolers [online: https://www.lairdthermal.com/]
11. M. Murgaš: Konštrukcia termoelektrického chladiaceho zariadenia. In: Bakalárska práca, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2015.