Ak sú zásobníky a zásobníkové ohrievače TV neefektívne navrhnuté a vyhotovené, môžu sa významne podieľať na spotrebe tepla.
Ing. Michal Krajčík, PhD., Ing. Zuzana Čermanová, PhD.
M. Krajčík pôsobí na Katedre technických zariadení budov SvF STU v Bratislave. Z. Čermanová pracuje v spoločnosti Termocom, s. r. o., Bratislava.
Recenzovala: doc. Ing. Jana Peráčková, PhD.
Akumulácia tepla sa tradične využíva v systéme prípravy teplej vody (TV) vo forme zásobníkového ohrevu, keď sa voda ohrieva do zásoby tak, aby bolo možné vyrovnať nerovnomernosti v jej spotrebe. Stále častejšie sa však stretávame s využitím akumulácie tepla aj pri vykurovacích systémoch.
S využitím akumulácie tepla sa stretávame aj pri vykurovacích systémoch, a to z dvoch dôvodov. Po prvé, akumulácia tepla umožňuje prekonať obdobie, keď odber tepla prevyšuje jeho dodávku. S týmto sa možno stretnúť pri obnoviteľných zdrojoch energie, napríklad pri zníženom množstve slnečného žiarenia pri solárnych kolektoroch či pri veľmi nízkej teplote vonkajšieho vzduchu pri tepelnom čerpadle vzduch/voda. Druhým dôvodom môže byť kombinácia vysokoteplotného zdroja tepla (kotol na tuhé palivo) a nízkoteplotného odovzdávacieho prvku (podlahové vykurovanie). V takomto prípade zásobník tepla vyrovnáva teplotný rozdiel medzi vysokou teplotou na zdroji tepla a nízkou teplotou odovzdávacieho prvku a zabraňuje častému spínaniu zdroja tepla, resp. tepelnej nepohode vplyvom horúcej podlahy. V tomto príspevku sa venujeme najmä stanoveniu tepelnej straty zo zásobníkov a zásobníkových ohrievačov TV. Ak sú neefektívne navrhnuté a vyhotovené, môžu sa významne podieľať na spotrebe tepla.
Energetická účinnosť systému akumulácie tepla
Pri výpočte strát energie na vykurovanie, resp. prípravu TV sa postupuje od potreby tepla na vykurovanie cez straty pri odovzdávaní tepla, straty pri rozvode tepla až po straty pri akumulácii a výrobe tepla [1, 2]. Tento postup je znázornený na obr. 1, pričom akumulácia tepla je naznačená ako tretia položka zľava. Účinnosť podsystému akumulácie sa vypočíta ako podiel energie, ktorá z tohto podsystému vychádza, a energie, ktorá doň vstupuje [3]:
ηs = Qs,out/Qs,in (–) (1)
kde
Qs,out je potreba tepla na vykurovanie, resp. prípravu teplej vody, plus tepelné straty zo systémov odovzdávania a rozvodu tepla (kWh),
Qs,in – teplo, ktoré treba dodať systému akumulácie tepla, teda potreba tepla plus tepelné straty zo systémov odovzdávania, rozvodu a akumulácie tepla (kWh).
Obr. 1 Postup výpočtu tepelných strát zo systému vykurovania, resp. prípravy TV. Straty energie sa zvyšujú smerom od výroby k odovzdávaniu (sprava smerom doľava), výpočet však prebieha od odovzdávania k výrobe tepla (zľava smerom doprava).
Spôsoby zásobovania budov teplou vodou
Podľa konštrukcie zariadenia možno zásobovanie budov teplou vodou rozdeliť takto [4]:
Zásobníkový ohrev teplej vody
Je zobrazený na obr. 2. Voda sa ohrieva do zásoby tak, aby bolo možné vyrovnať nerovnomernosti jej spotreby. Na tento typ ohrevu sa používajú zásobníkové ohrievače a zásobníky TV. Zásobníkový ohrievač predstavuje nádobu so zabudovanou teplovýmennou plochou, prostredníctvom ktorej sa ohrieva voda v nádrži. Nádrž sa obyčajne vyrába z ocele, medi alebo z plastu. Oceľové nádrže sú nehrdzavejúce alebo sa proti korózii chránia vrstvou smaltu. Medené nádrže sa používajú pri malých zásobníkoch. Plastové nádrže nie sú vzhľadom na pevnostné a teplotné nároky zatiaľ veľmi rozšírené.
Prietokový ohrev teplej vody
Voda sa ohrieva iba pri prietoku prietokovým ohrievačom. Ohrev sa uskutočňuje stykom s teplovýmennou plochou, ktorú tvorí rúrkovnica, súprava dosiek s prelismi alebo iné usporiadanie. Prietokový ohrev charakterizuje potreba veľkého príkonu energie, ktorý musí byť kedykoľvek k dispozícii. V porovnaní so zásobníkovým ohrevom je prietokový ohrev podstatne menej náročný na priestor.
Obr. 2 Bytový dom a jeho odovzdávacia stanica tepla so zásobníkovými ohrievačmi s objemom 4 000 l [5]
Obr. 3 Bytový dom a jeho odovzdávacia stanica tepla s doskovým výmenníkom tepla a 500-litrovým zásobníkom [5]
Zmiešaný ohrev teplej vody
Predstavuje kombináciu prietokového a zásobníkového ohrevu (obr. 3). Zväčša ide o prietokový ohrev doplnený zásobníkom na pokrytie krátkodobých odberových špičiek, ktoré nepresahujú 20 až 60 minút. Zariadenia, ktoré sa používajú na tento ohrev, sa konštrukčne zhodujú s výlučne zásobníkovými zariadeniami. Rozdiel je len v menšom objeme zásobníka a vo väčšom tepelnom príkone ohrievača. Z toho vyplývajú menšie nároky na priestor a relatívne malý potrebný príkon, ktorý však musí byť k dispozícii kedykoľvek počas dňa.
Príklad systému so zásobníkovým ohrevom TV
Príklad systému so zásobníkovým ohrevom TV je na obr. 2. Ide o bytový dom s 80 bytmi, ktorý je napojený na sústavu centralizovaného zásobovania teplom. Ohrev TV sa zabezpečuje v odovzdávacej stanici tepla. Merania preukázali, že systém dodávky TV má v tomto konkrétnom prípade účinnosť len okolo 74 %, pretože ide o neobnovenú, predimenzovanú sústavu z roku 1986, v ktorej zabezpečovali prípravu TV dva paralelne zapojené 4000-litrové zásobníkové ohrievače. Ak by bol zásobníkový ohrievač nový a menší, účinnosť zásobníkového ohrevu TV by bola určite vyššia. Na obr. 3 je príklad zmiešaného ohrevu TV v bytovom dome s 84 bytmi, ktorý je napojený na sústavu centralizovaného zásobovania teplom. Príprava TV sa zabezpečuje v odovzdávacej stanici tepla pomocou doskového výmenníka tepla s výkonom 180 kW. Teplá voda sa následne akumuluje v 500-litrovom zásobníku.
Faktory ovplyvňujúce tepelné
straty zo zásobníkového ohrievača teplej vody Na tepelné straty zo zásobníkového ohrievača vplýva viacero faktorov, z ktorých najdôležitejšími sú požiadavky na dodávku TV, veľkosť ohrievača a úroveň jeho tepelnej izolácie.
Požiadavky na dodávku teplej vody
Požiadavky na teplotu a čas dodávky TV ovplyvňujú požadovanú teplotu vody v zásobníku, resp. v zásobníkovom ohrievači, a tým aj tepelné straty prechodom tepla cez steny zásobníkového ohrievača. Podľa vyhlášky MDVRR SR č. 364/2012 Z. z. [6] treba distribučnú sústavu novej budovy alebo významne obnovenej budovy navrhnúť tak, aby: výpočtová teplota TV s možnosťou termickej dezinfekcie bola 60 °C, výpočtová teplota TV bez možnosti termickej dezinfekcie bola 70 °C, maximálny rozdiel teplôt TV medzi výstupným a vratným otvorom zásobníka bol najviac 5 K, z výtoku od otvorenia TV vytekala do 30 sekúnd voda s výpočtovou teplotou 50 °C a tepelná strata z potrubia neprekročila hodnotu 10 W/(m . K). Ďalší predpis, STN EN 806-2 [7], požaduje zabezpečiť, aby rozdiel teplôt TV od výstupu z ohrievača po vstup cirkulačného potrubia do ohrievača nepresiahol 5 K. Vyhláška MH SR č. 152/2005 Z. z. o určenom čase a určenej kvalite dodávky tepla pre konečného spotrebiteľa [8] zase vyžaduje, aby mala TV na výtoku u konečného spotrebiteľa teplotu najmenej 45 °C a najviac 55 °C, pričom TV sa musí dodávať denne od 5:00 do 23:00 h. Vyššia teplota vody v zásobníkovom ohrievači vedie k vyššej potrebe tepla na ohrev TV a ovplyvňuje aj tepelnú stratu z distribúcie a ohrievača. Na druhej strane, nižšia teplota vody v zásobníkovom ohrievači môže viesť k nedostatočnej teplote vody na výtoku a k nespokojnosti užívateľov s teplotou TV.
Veľkosť zásobníkového ohrievača teplej vody
Veľkosť zásobníkového ohrievača významne ovplyvňuje energetickú účinnosť systému dodávky TV. Predimenzovaný ohrievač, ako napr. na obr. 2, vedie k zvýšeným tepelným stratám. Naopak, príliš malý ohrievač by mohol mať nedostatočnú kapacitu na krytie požiadaviek užívateľov. V súčasnosti neexistuje jednotná európska norma na návrh zásobníkových ohrievačov. Na Slovensku stále platí pri návrhu zásobníkových ohrievačov STN 06 0320 [9], ktorá však nezodpovedá skutočným požiadavkám na odber TV v bytových domoch. Preto sa na návrh zásobníkových ohrievačov často využívajú iné metodiky, napríklad nemecká norma DIN 4708 [10]. Na obr. 4 je návrh požadovaného objemu a príkonu zásobníkového ohrievača pre bytový dom s 200 obyvateľmi podľa troch rôznych predpisov. Z porovnania výsledkov na obr. 4 je zrejmé, že vypočítané objemy podľa STN [9] a ČSN [11] sa napriek odlišnému spôsobu výpočtu veľmi nelíšia. V porovnaní s DIN 4708 [10] sú však objemy ohrievačov podľa STN [9] aj ČSN [11] príliš veľké. Na správny návrh systému dodávky TV je kľúčové poznať odber TV. Na obr. 5 je zobrazený priemerný hodinový odber TV nameraný počas celého roka v troch rôzne veľkých bytových domoch. Bytový dom A má nahlásených 156 obyvateľov, bytový dom B 196 a bytový dom C 306 obyvateľov. Na grafe je zobrazený priebeh odberu TV v bytových domoch. Graf treba čítať tak, že ak sa stĺpec s hodnotou odberu TV nachádza napríklad nad hodinou 1:00, znamená to, že ide o priemerný odber TV v čase od 0:00 do 1:00 h.