Návrh metodiky pro měření teploty vody ve vodárenských distribučních sítích

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

1. Úvod

Teplota vody je fyzikální ukazatel jakosti vody, který je součástí každého rozboru jakosti pitné vody, jejichž četnost a rozsah stanovuje vyhláška Ministerstva zdravotnictví č. 252/2004 Sb., v aktuálním znění. Tato vyhláška stanovuje doporučený interval hodnot teploty vody v distribuční síti na 8–12 °C. Status doporučeného intervalu (resp. hodnoty) udává možnost, aby byl tento interval (limitní hodnota) překročen nebo nedosažen, aniž by došlo ke ztrátě hygienické nezávadnosti pitné vody [1].

Z výročních zpráv Systému monitorování zdravotního obyvatelstva ČR ve vztahu k životnímu prostředí – Subsytém II: Zdravotní důsledky a rizika znečištění pitné vody je patrné, že k překročení doporučených hodnot teploty vody dochází pravidelně každý rok. V těchto zprávách jsou zveřejněny statisticky zpracované výsledky rozborů všech ukazatelů jakosti vody ze všech reálně naměřených hodnot ze všech oblastí České republiky za období daného roku v rámci pravidelných a povinných kontrol jakosti pitné vody. Jsou zde uvedena tato statistická data: minimální a maximální hodnota, aritmetický a geometrický průměr, medián, 10% kvantil a 90% kvantil a celkový počet hodnot, ze kterých byly tyto veličiny stanoveny. V roce 2019 byl ukazatel teplota měřen celkem při odběru 31 759 vzorků, což o více než 2500 odebraných vzorků víc, než tomu bylo v předchozích letech, kdy se celkový počet naměřených hodnot pohyboval v rozsahu od 26 917 (hodnota platná pro rok 2016) do 28 220 (hodnota platní pro rok 2018). V mezidobí se celkový počet hodnot mírně zvyšoval.

V následující tabulce jsou uvedeny maximální a minimální naměřené hodnoty a vypočítaná průměrná teplota stanovena jako aritmetický průměr.

Teplota pitné vody se může měnit v průběhu její distribuce od vodního zdroje až po kohoutek spotřebitele [7]. Snahou provozovatelů vodárenských systémů však je, aby se jakost (tedy všechny jakostní parametry pitné vody, včetně teploty) průtokem rozvodnou sítí neměnila a voda měla v ideálním případě stejné parametry, jako při odtoku z úpravny vody. Na jakost vody ovšem při její distribuci působí nespočet faktorů, mezi které řadíme například materiál a stáří potrubí, charakter vnitřních povrchů, se kterými je voda v dlouhodobém kontaktu a hydraulické podmínky ve vodovodní síti [8].

Ke změně teploty vody může dojít ve všech částech systému zásobování pitnou vodou. Ve zdrojích pitné vody nabývá voda počáteční teploty, která je odlišná v závislosti na typu vodního zdroje. Podzemní vody jsou obecně teplotně stálejší, zatímco povrchové zdroje jsou ve větší míře závislé na okolních klimatických podmínkách. V případě zvýšené teploty vody v povrchovém zdroji – je-li to technicky možné, výběrem horizontu odběru surové vody můžeme hodnotu teploty ovlivnit (snížit). Při akumulaci vody ve vodojemech, může být teplota ovlivněna v závislosti na technickém stavu vodojemu, především na úrovni tepelné izolace konstrukce, a také době zdržení. Svou roli může v tomto případě i sehrát typ konstrukce (jedná-li se o vodojem podzemní nebo nadzemní). V distribuční síti (přivaděčích, řadech a přípojkách) může být teplota vody negativně ovlivněna (zvýšena) těmito faktory: nedostatečnou výškou krytí zeminy, typem zeminy, ve které je potrubí uloženo, nedodržením vzájemných vzdáleností od antropogenních zdrojů tepla (horkovody, teplovody, parovody), nevyhovující technický stav potrubí a nevhodné hydraulické podmínky v síti (vysoká doba zdržení vody v potrubí v kombinace s výše uvedenými faktory) [7]. Ve vnitřních rozvodech pitné působí podobné faktory, jako v distribuční síti [9]. Významně se na zvýšení teploty vody ve vnitřních rozvodech pitné vody projevuje vliv nedostatečné tepelné izolace potrubí, které je kvůli tomu ohříváno teplým vzduchem vytápěných vnitřních prostor. Je prokázáno, že voda ve vnitřních rozvodech dosahuje teploty i nad 20 °C, a to i v případech, kdy je teplota vody v distribuční síti (přípojce nebo rozvodném řadu) výrazně nižší [10].

Negativní dopady zvýšené teploty vody na její jakost

Zvýšená teplota vody s sebou nese několik problémů, které v konečném důsledku mohou způsobit ztrátu statusu hygienické nezávadnosti pitné vody:

• Při konzumaci vody o teplotě blízké 0 °C dochází k potlačení sladké chuti [11].
• Při vyšších teplotách dochází ke zintenzivnění zápachu vody, který je způsoben obsahem odorantů ve vodě (tj. látek, které mají nepříjemný zápach za následek, jedná se například o vedlejší mikrobiologické produkty, dezinfekční činidla na bázi chloru a vedlejší produkty dezinfekce) [12].
• Při vyšší teplotě dochází k akceleraci průběhu chemických a biochemických reakcí [11].
• Zvýšením teploty vody dochází k urychlení procesu spotřeby a rozpadu chloru [11] a také k urychlení tvorby potenciálně zdraví škodlivých vedlejších produktů dezinfekce (trihalogenmethany a fenoly) [13].
• Voda o teplotě víc než 25 °C vytváří příznivější podmínky pro růst a rozvoj mikroorganismů, které jsou zachyceny v biofilmu na stěnách potrubí [14].
• Vyšší teploty mohou vytvářet příznivější podmínky také pro patogenní organismy, které se mohou zdržovat v jemném sedimentu na dně potrubí, a které se při náhle změně hydraulických podmínek (výrazné zvýšení průtočné rychlosti) mohou mobilizovat [15].

Nepříznivou kombinací zvýšené teploty vody s například vyšším obsahem organických látek způsobených nedokonalým procesem úpravy pitné vody může mít za následek zhoršení mikrobiologických ukazatelů.

2. Stávající metodika pro měření teploty vody

Metodika měření teploty vody při odběru vzorku pro stanovení jakosti pitné vody podléhá požadavků vyhlášky č. 252/2004 Sb., konkrétně § 7 Požadavky na odběr vzorků a metody rozboru [1], který se odkazuje na české technické normy:

• ČSN ISO 5667-5 Jakost vod. Odběr vzorků, část 5: Návod pro odběr vzorků pitné vody z úpraven vody a z vodovodních sítí [16].
• ČSN EN ISO 5667-3 Jakost vod. Odběr vzorků, část 3: Pokyny pro konzervaci vzorků a manipulaci s nimi [17].
• ČSN ISO 5667-14 Jakost vod. Odběr vzorků, část 14: Pokyny k zabezpečení jakosti odběru vzorků vod a manipulace s nimi [18].

Postup při stanovení vzorku teploty vody dle ČSN ISO 5667-5

ČSN ISO 5667-5 Jakost vod. Odběr vzorků, část 5 stanovuje zásady správného odběru vzorků pitné vody z vodovodních řadů a úpraven vody. Za zásadní část této normy z hlediska tématu práce je ta část, která popisuje proces čištění, dezinfekce a proplach před odběrem.

Čištění, dezinfekce a proplach před odběrem vzorků závisí na účelu odběru vzorku – pokud je kontrolována kvalita vody dodávána ke spotřebiteli proplach a čištění bodů odběru se provádí. Proplach se neprovádí, pokud je zkoumán například vliv materiálů na jakost vody nebo obecně změny jakosti průtokem vnitřními rozvody. Pak je vhodné odebírat vzorky po určité době stagnace, aby poskytly informace o stupni (resp. rychlosti), jakým materiály ovlivňují jakost vody nebo o maximálním pravděpodobném účinku [16].

Při odběru vzorků z vodojemů (podzemních i věžových) se před samotným odběrem nechá voda na 2–3 minuty volně odtékat, aby došlo k vypláchnutí stagnující vody ze vzorkovacího potrubí. Pokud by výše změněný interval nestačil, vypočítá se objem vody, který je nutné v potrubí vyměnit, odhadne se potřebná doba a vhodná rychlost a následně se použije pětinásobek vypočítané doby proplachu [16].

Při odběru vzorků z vodovodního kohoutku je postup obdobný jako při vzorkování vody z vodojemů. Pokud se nejedná o mikrobiologický odběr vzorku, tak se před odběrem odstraní všechny armatury, vyčistí se kohoutky (např. kusem látky smočené 2-propanolem nebo kartáčkem), a poté se provede proplach. Z kohoutku se po dobu 2–3 minut nechá odtékat konstantním průtokem stagnující voda. Proplach se ukončí až po ustálení teploty vytékající vody. Dále je v normě upozornění, že doba proplachu může trvat až 30 minut, a to například při odběru vzorku ze zaslepených odboček hlavní větve potrubí, kde může být usazený sediment, který je nutné před odběrem vzorku vypláchnout. Během odběru vzorku má být průtok vody kohoutkem stálý [16].

3. Popis navržené metodiky

V praxi dochází ke stanovování teploty vody v distribuční síti odběrem vzorku podle jasně stanovených pravidel daných vyhláškou č. 252/2004 Sb., která odkazuje na příslušné normy ČSN. Ovšem na reálné distribuční síti se nevyskytuje konstantní měření teploty.

Navržená metodika spočívá na principu měření teploty vody skrz vnější stěnu potrubí. Výhodou tohoto způsobu měření jsou nízké pořizovací náklady – použitá teplotní čidla nečinní výraznou finanční zátěž, a při měření nedochází k porušení integrity systému, tj. nedochází k žádnému zásahu do vnitřního prostoru potrubí.

Parametry experimentu

Pro záznam byla použita teplotní čidla sestávající z těchto komponentů: teplotní sonda, teploměr, datalogger a propojovací kabel s polyethylenovou úpravou povrchu. Pro potřeby měření byl nastaven časový krok záznamu 30 s. Při této velikosti časového kroku již docházelo k detekovatelným změnám měřené teploty v řádech setin °C.

Teplotní sondy byly na stěnu potrubí umístěny podle schématu: potrubí – vrstva teplovodivé pasty teplotní čidlo (připevněné na místě elektrotechnickou izolační páskou) – vrstva aluminiové fólie šířky 12 cm a tloušťky 15 μm pro zabránění přenosu vrstvy teplovodivé pasty na vnější vrstvu tepelné izolace – vrstva pěnové tepelné izolace.

Na měřeném úseku potrubí byla rozmístěna čidla vždy tak, aby alespoň 1 bylo:

• na vnější straně potrubí, nad úrovní hladiny vody uvnitř potrubí bez překrytí vrstvou vnější tepelné izolace (čidlo 1, v grafu STICK_1)
• na vnější straně potrubí, nad úrovní hladiny vody uvnitř potrubí a bylo překryto vrstvou vnější tepelné izolace (čidlo 2, v grafu STICK_2)
• na vnější straně potrubí, pod úrovní hladiny vody uvnitř potrubí a bylo překryto vrstvou vnější tepelné izolace (čidlo 3, v grafu STICK_3)
• na vnější straně potrubí, pod úrovní hladiny vody uvnitř potrubí bez překrytí vrstvou vnější tepelné izolace (čidlo 4, v grafu STICK_4)
• ponořeno pod hladinou vody uvnitř potrubí (čidlo 5, v grafu TEPLOTA VODY)

Obr. 1 Rozmístění teplotních čidel – schéma (vlevo), instalace teplotních čidel při laboratorním pokusu (vpravo)

Rozmístění čidel je patrné na schématu a fotografii z laboratoře (viz Obr. 1). Současně byla snímána i teplota vzduchu v laboratoři (zelená křivka na Obr. 2). Potrubí bylo proti vychýlení nebo pádu zajištěno kovovou opěrnou konstrukcí tvořenou objímkou a 3 opěrami. Přesné schéma rozmístění čidel je patrné z následujícího schématu.

4. Výsledky

Cílem experimentu bylo stanovení návrhových rozměrů tepelné izolace a vhodného umístění teplotního čidla, tak aby došlo k co nejmenšímu rozdílu v naměřených hodnot čidla STICK_3 a skutečné teploty vody. Současně bylo ověřeno, že zvolená teplotní čidla jsou použitelná pro účel měření teploty vody skrz vnější stěnu potrubí.

Na základě naměřených hodnot lze konstatovat, že nejvhodnější umístění teplotního čidla je takové, kde je čidlo umístěno na vnější straně potrubí, pod úrovní hladiny vody uvnitř potrubí a je překryto vrstvou vnější tepelné izolace. Při instalaci v praxi na reálné vodovodní síti to znamená, že je vhodné umístit čidlo do spodní části potrubí, kde nebude docházet k sice ojedinělému, ale přesto možnému hromadění vzduchu. Problém se zavzdušněním potrubí by mohl nastat v případě neznalosti reálné distribuční sítě a výškových poměrů trasy vodovodního řadu, na kterém by čidlo bylo aplikováno.

Výsledný průběh teplot zaznamenaných čidly je vidět na Obr. 2. Modrá plná křivka (VODA V POTRUBÍ) zobrazuje průběh teploty vody, fialová čárkovaná křivka (STICK_3) znázorňuje změnu teplot v čase snímaných čidlem umístěným pod tepelnou izolací v místě styku s hladinou vody. Toto umístění čidla je aplikovatelné pro případ reálné studie. Modrá čerchovaná křivka (STICK_4) znázorňuje teploty snímané čidlem umístěné ve spodní části měrného potrubí, v kontaktu s vodou přes stěnu potrubí, které nebylo opatřeno tepelnou izolací, pouze bylo ke stěně potrubí připevněno páskou pro zajištění celoplošné přilnavosti k povrchu potrubí. Červená čerchovaná křivka (STICK_1) zobrazuje průběh teploty čidla umístěného nad hladinou vody mimo vrstvu tepelné izolace. Její průběh je podobný relativně konstantnímu průběhu teploty vzduchu, který je znázorněn zelenou křivkou (VZDUCH). Dle původního předpokladu, tyto dvě křivky by měly být shodné. Jejich velikostní rozdíl je pravděpodobně způsoben nedokonalou kalibrací čidla měřícího teplotu vzduchu a také mohlo dojít k částečnému přenosu tepla skrz stěnu potrubí. To potvrzuje i průběh oranžové čárkované křivky (STICK_2), která zobrazuje průběh teplot čidla nad hladinou vody pod tepelnou izolací. Toto čidlo bylo nepřímo ovlivňováno teplotou vody, která část své teplené energie předávala potrubí.

Obr. 2. Průběh teplot vody v čase

5. Diskuse

Z výsledků vyplývá, že nejvhodnější umístění teplotního čidla je dle navržené metodiky, a sice na stěnu potrubí přes vrstvu teplovodivé pasty a opatření vnější tepelnou izolací, aby došlo k minimalizaci vlivu okolní teploty. Ovšem vrstva tepelné izolace nebyla dostačující, jelikož teplotní čidlo nebylo dostatečně izolováno od vnějšího prostředí. Rozdíl mezi skutečně naměřenou teplotou vody a naměřenou teplotou skrz stěnu potrubí je cca 1,5 °C.

Snímaná teplota čidla umístěného na stěně by se dle původního předpokladu měla v řádu několika minut přiblížit hodnotám teploty vody v potrubí a jejich rozdíl by neměl být větší, než jaká je velikost přijatelné odchylky těchto dvou parametrů.

Z praktického hlediska lze naměřený rozdíl považovat za přijatelný, ovšem jenom v případě, že tento způsob měření budeme brát pouze orientačně. Je patrné, že při stávajících parametrech pokusu (tj. s nedostatečnou tloušťkou vrstvy tepelné izolace) ukazuje čidlo nižší teplotu, než jaká je skutečná teplota vody. Takže pokud bychom vhodně zvolili referenční hodnotu teploty vody (např. 20 °C), jejíž dosažení by se dalo považovat za první upozornění možných následujících problémů, a předpokládali bychom, že při naměřené teplotě 21,5 °C je reálná teplota o cca 1,5 °C nižší, získali bychom tak hrubý přehled o reálném stavu. Pro potvrzení správnosti předpokladu by bylo následně vhodné odebrat vzorek (respektive změřit teplotu vody) z nejbližšího vodovodního kohoutku od místa umístění teplotních čidel vzorek pitné vody dle náležitostí vyhlášky č. 252/2004 Sb. a příslušných technických norem.

6. Závěr

Provedený experiment stanovil teoreticky nejlepší možnou aplikaci teplotního čidla na vodovodní potrubí. Dále bylo dokázáno, že vliv tepelné izolace, chránící teplotní čidlo od vlivu vnějšího prostředí není zanedbatelný a v provedeném pokusu nebyla vrstva izolantu dostačující. Teplota snímána čidlem z vnější strany potrubí měla v řádu několika hodin nabýt stejných hodnot jako teplota vody, což se nestalo ani po 2 hodinách měření.

Experiment nicméně prokázal vhodnost použití těchto teplotních čidel ve stávající instalaci pro orientační měření teploty vody na reálné distribuční síti.

Pro případ dalších studií se nabízí opakovat experiment s jiným rozmístěním čidel pro stanovení minimální velikosti přesahu tepelné izolace od čidla, pro stanovení potřebné tloušťky tepelné izolace, aby došlo k zabránění nebo alespoň výraznějšímu snížení vlivu vnějšího prostředí. Dále do sledování zahrnout také další trubní materiály, s jinou tepelnou vodivostí.

Poděkování

Tento článek byl vypracován v rámci projektu specifického výzkumu FAST-J-20-6431 s názvem „Aktuální problémy vodního hospodářství obcí“.

Použité zdroje

1. Vyhláška č. 252/2004 Sb., kterou se stanoví hygienické požadavky na pitnou a teplou vodu a četnost a rozsah kontroly pitné vody. In: Sbírka zákonů. 22. 4. 2004. ISSN 1211-1244.
2. Zpráva o kvalitě pitné vody v ČR za rok 2015. Praha: Státní zdravotní ústav, 2016.
3. Zpráva o kvalitě pitné vody v ČR za rok 2016. Praha: Státní zdravotní ústav, 2017.
4. Zpráva o kvalitě pitné vody v ČR za rok 2017. Praha: Státní zdravotní ústav, 2018.
5. Zpráva o kvalitě pitné vody v ČR za rok 2018. Praha: Státní zdravotní ústav, 2019.
6. Zpráva o kvalitě pitné vody v ČR za rok 2019. Praha: Státní zdravotní ústav, 2020.
7. Nováková, J.; Ručka, J. Teplota jako významný ukazatel jakosti vody ve vodovodní síti. In JUNIORSTAV 2020. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, 2020. s. 539–544. ISBN: 978-80-86433-73-8.
8. Liu, G., Zhang, Y., Knibbe W. J., Feng, C., Liu, W., Medema, G. and Van der Meer, W. Potential impacts of changing supply-water quality on drinking water distribution: A review. Water Research, March 2017, volume 116, pp. 135-148. ISSN 0043-1354.
9. Zlatanović, Lj., J.P. van der Hoek a J.H.G. Vreeburg. An experimental study on the influence of water stagnation and temperature change on water quality in a full-scale domestic drinking water system. Water Research [online]. 2017, 123, 761-772. https://doi.org/10.1016/j.watres.2017.07.019. ISSN 00431354.
10. Proctor C. R., Hammes F. (2015). Drinking water microbiology-from measurement to management. Curr. Opin. Biotechnol. 33C 87–94. 10.1016/j.copbio.2014.12.014.
11. Pitter, Pavel. Hydrochemie. 5. aktualizované a doplněné vydání. Praha: Vysoká škola chemickotechnologická v Praze, 2015. ISBN 978-80-7080-928-0.
12. Whelton, A. J. Temperature Effects on Drinking Water Odor Perception. Blacksburg, Virginia. Virgina Polytechnic Institute and State University, 2001.
13. Kooij, D. Microbial Growth on Drinking – Water Supplies, London: IWA Publishing. ISBN 978-17-8040-040-2.
14. Sasek, J. Biofilms and Water Distribution Systems. Heating, Ventilation, Installation, February 2009, pp. 87-88. ISSN 1210-1389.
15. Guidelines for Drinking-water Quality [online]. 4^th edition. Geneva: World Health Organization, 2011. ISBN 978-92-4-154815-1
16. ČSN ISO 5667-5 Jakost vod. Odběr vzorků, část 5: Návod pro odběr vzorků pitné vody z úpraven vody a z vodovodních sítí. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. 2008. Třídící znak 757051.
17. ČSN EN ISO 5667-3 Jakost vod. Odběr vzorků, část 3: Pokyny pro konzervaci vzorků a manipulaci s nimi. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. 2019. Třídící znak 757051.
18. ČSN ISO 5667-14 Jakost vod. Odběr vzorků, část 14: Pokyny k zabezpečení jakosti odběru vzorků vod a manipulace s nimi. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví. 2017. Třídící znak 757051.