Príprava teplej vody: Čo hovoria európske smernice a ako sa na ne pripraviť?

Aké zariadenia sa budú v blízkej budúcnosti využívať na ohrev vody a ktoré z nich budú naozaj dostatočne efektívne?

Poznáte výhody Klubu ASB? Stačí bezplatná registrácia a získate sektorové analýzy slovenského stavebníctva s rebríčkami firiem ⟶

Tak ako autori koncepcií zásobovania teplom spred 50 až 70 rokov nemohli ani tušiť, aký stav bude v súčasnosti, tak aj naše predstavy o budúcnosti, v horizonte možno budúcich 50 rokov – čo by mala byť technická životnosť nových budovaných sústav distribúcie tepla – môžu byť nanajvýš hmlisté.

Môžeme si byť však istí, že spaľovacie technológie ako zdroje tepla budú na ústupe. Budú sa stupňovať požiadavky na znižovanie spotreby plynu ako fosílneho paliva v záujme znižovania produkcie CO₂, skleníkových plynov, ktoré urýchľujú globálne otepľovanie. Je pravdepodobné, že využitie plynu na spaľovanie v kotloch sa bude v blízkej budúcnosti pokladať za barbarstvo. Podobne ako sú postupne vytláčané spaľovacie motory z dopravy.

Pri budovaní nových domov sa už v súčasnosti požadujú domy s nulovou spotrebou energie. Podobné princípy sa budú uplatňovať aj v starších domoch – zatepľovaním neboli vyčerpané všetky možnosti zvyšovania energetickej hospodárnosti budov.

Európska smernica ukladá distribútorom energií prijímať a distribuovať energiu z obnoviteľných zdrojov. Na Slovensku je zatiaľ implementovaná len v elektroenergetike, ale jej platnosť je všeobecná a je len otázkou času, kedy sa bude vzťahovať aj na tepelnú energetiku.

Bolo by mrzuté budovať koncepcie zásobovania teplom len na báze doterajších skúseností a o 10 až 15 rokov zistiť, že distribučné sústavy svojou nehospodárnosťou a environmentálnou záťažou nespĺňajú sprísnené kritériá na ďalšiu prevádzku. Z uvedených dôvodov rozoberám požiadavky na distribúciu tepla aj z nových pohľadov.

Opis lokality

Ide o sídliskovú zástavbu vybudovanú v rokoch 1973 až 1979. Bytové domy sú zásobovanie teplom zo sídliskových kotolní. Rozvody sú členené na primárne a sekundárne. Teplá voda sa pripravuje v jednotlivých zásobovaných domoch s veľkosťou 28 až 72 bytov. Pôvodná technológia pozostávala zo stojatých zásobníkových ohrievačov, na reguláciu ohrevu sa používali priamočinné regulátory Mertik (niečo ako termostatické hlavice s externým ponorným snímačom pre použitie na prírubových regulačných ventiloch).

Tieto zariadenia sa do súčasnosti nezachovali. Postupne sa nahrádzali novými zariadeniami, v každom dome inak, bez jednotnej koncepcie. V súčasnosti je najbežnejším technickým riešením prietočný rýchloohrev v doskových výmenníkoch, prostredníctvom malých, kompaktných odovzdávacích staníc tepla (OST).

Chcem upozorniť na fakt, že nadobúdacie náklady na technológiu domovej OST a spotreba tepla nameraná na merači tepla v OST nie sú jedinými relevantnými údajmi pre výber technológie domovej OST.

Domové OST sú súčasťou väčšieho komplexu – okruhu sídliskovej kotolne. Faktor, ktorý sa doteraz nezohľadňoval, je účinnosť celej sústavy výroby a distribúcie tepla. Nie izolovane, len na strane odberateľa alebo dodávateľa tepla, ale komplexne, v súvislostiach. Parametrom, ktorý reprezentuje účinnosť a hospodárnosť zariadenia na distribúciu tepla, je teplota vratnej ohrevnej vody. Čím je vratná teplota nižšia, tým môže byť zariadenie hospodárnejšie.

Súvislosti

• Vysoká vratná teplota znamená, že zariadenie nedokáže využiť teplotu ohrevnej vody. Zariadenie preto vyžaduje vyššiu teplotu prívodnej ohrevnej vody.
• Dochladzovanie vratnej vody znamená, že zariadenie dokáže na ohrev využiť aj nižšiu teplotu ohrevnej vody.
• Nižšia teplota ohrevnej vody v rozvodoch = nižšie tepelné straty.
• Nižšia teplota vratnej vody = účinnejšia výroba tepla, lepšie využitie kondenzačných kotlov.
• Vysoké nároky na výstupnú teplotu ohrevnej vody sa dajú kryť takmer výlučne len spaľovacími technológiami na výrobu tepla.
• Nižšie nároky na výstupnú teplotu ohrevnej vody vytvárajú podmienky pre využitie aj takých zdrojov tepla, ktoré dokážu ohrievať len na nižšie teploty, resp. ich účinnosť s rastúcou výstupnou teplotou výrazne klesá – nespaľovacie zdroje tepla, solárne zariadenia, tepelné čerpadlá.
• Čím nižšia je vratná teplota ohrevnej vody, tým väčší podiel sa dá vykryť nízkoteplotným zdrojom tepla – aspoň vo forme predohrevu.
• Čím nižšia je žiadaná výstupná teplota, tým menšia je potreba využitia vysokoteplotného spaľovacieho zdroja tepla a stúpa miera využitia nízkoteplotných zdrojov.
• Na to, aby sa dala znížiť žiadaná výstupná teplota z tepelného zdroja, je určujúca „najhoršia“ OST, ktorá požaduje najvyššiu prívodnú teplotu ohrevnej vody.
• Najhoršia OST blokuje dosiahnutie účinnejšej a hospodárnejšej výroby a distribúcie tepla pre všetky ostatné časti spoločnej sústavy – ostatných odberateľov a dodávateľa tepla.

Z hľadiska nárokov na prívodnú teplotu ohrevnej vody je určujúca príprava teplej vody. Okrem toho, že vykurovanie je sezónnou záležitosťou, teplota vykurovacej vody je ekvitermicky regulovaná a len počas malej časti roka je potrebná vyššia teplota vykurovacej vody v porovnaní s teplotou ohrevnej vody pre teplú vodu.

Kompaktné OST s prietokovým spôsobom prípravy teplej vody v doskových výmenníkoch

Tieto zariadenia sú charakteristické nasledujúcimi vlastnosťami:

• k ohrevu dochádza bezprostredne v čase spotreby teplej vody;
• spotreba teplej vody je nerovnomerná. Počas väčšiny prevádzkového času je spotreba veľmi nízka. K stredne veľkým odberovým špičkám dochádza denne počas niekoľkých málo hodín. K najväčším odberovým špičkám dochádza veľmi zriedkavo 1- až 2-krát za rok počas niekoľkých hodín; Technológiu je však nevyhnutné nadimenzovať tak, aby bola schopná vykryť aj tie veľmi zriedkavé ročné odberové špičky;
• počas 99 % prevádzkového času je inštalovaný výkon technológie nevyužitý;
• predimenzovanosť: vzhľadom na bežný nízky odber robí problémy udržiavať požadovanú teplotu teplej vody armatúrami nadimenzovanými na špičkový vysoký výkon. Je prakticky nemožné udržiavať stálu, vyrovnanú teplotu teplej vody. Preto sa za doskovými výmenníkmi používajú aj zásobné nádrže v prietočnom zapojení na vyhladenie výstupných teplôt TV. Takéto zapojenie nemá žiadny vplyv na teplotu vratnej ohrevnej vody;
• vratná teplota ohrevnej vody nemôže byť nižšia ako teplota cirkulácie v budove spotreby. Na 100 % to platí pri nízkom odbere, čo je počas väčšiny prevádzkového času. Ak by rozvodné sústavy TV v budove spotreby boli hydraulicky vyvážené, bolo by možné priblížiť sa vratnou teplotou k 45 °C. Avšak vzhľadom na to, že hydraulická vyváženosť nie je pravidlom a aj v deklarovaných prípadoch ide väčšinou o formálne, a nie funkčné riešenia, z domov sa vracia cirkulujúca voda s vyššou teplotou. Preto býva vratná teplota ohrevnej vody bežne na úrovni viac ako 50 °C;
• výmenník nie je perpetuum mobile. Ak je vratná teplota ohrevnej vody vysoká, prívodná teplota musí byť tomu adekvátne ešte vyššia. Preto sa na prípravu TV vyžaduje vysoká prívodná teplota ohrevnej vody, po veľkú väčšinu prevádzkového času prevyšujúca požiadavky vykurovacej sústavy.
• pravdepodobnosť súdobosti ročnej odberovej špičky TV a maximálnych požadovaných výkonov pre vykurovanie spôsobuje, že rozvodná sústava tepla sa musí nadimenzovať na súčtový výkon vykurovania a teplej vody;
• vysoké požiadavky na výkony tepelných zdrojov pre prípad súbehu špičiek vykurovania a teplej vod. Čas súbehu špičiek je veľmi krátky, po ostatný prevádzkový čas sú výkonové kapacity nevyužité. Napriek nízkemu využitiu vysokovýkonné zdroje na seba viažu fixné náklady zodpovedajúce maximálnym výkonom;
• pulzná prevádzka rozvodnej sústavy a zdrojov tepla je nehospodárna (ekvivalent jazdy spôsobom brzda – plyn). Pri zvyšovaní aj znižovaní výkonov dochádza k energetickým stratám. Čím vyššie a kratšie sú odberové špičky, tým horšie je to z hľadiska energetickej hospodárnosti;
• prietokový spôsob prípravy teplej vody je možno lacný z hľadiska vlastnej ceny výmenníkov a OST, na druhej strane však vyžaduje vyššie náklady na rozvodnú sústavu, dimenzie potrubí, disponibilné výkony tepelných zdrojov a vysoké prevádzkové náklady počas celej životnosti takéhoto riešenia.

Čo s vysokou vratnou teplotou ohrevnej vody?

Vratná teplota ohrevnej vody z prípravy teplej vody býva pomerne vysoká, bežne okolo 50°C, menej len veľmi výnimočne. Dá sa s tým niečo robiť?

Inšpirácia skúsenosťami z iných sústav

• Pôvodné zapojenie OST (obr. 1) v Petržalke bolo trojstupňové so stálym prietokom na primárnej strane a s trojcestnými ventilmi usmerňujúcimi primárny prietok do blokov: teplá voda 2. stupeň (dohrev), vykurovanie, teplá voda 1. stupeň (predohrev).
• Pôvodné výmenníky teplej vody (obr. 2) boli stavebnicové rúrkové protiprúdové VV-RH.
• Po roku 1991, keď vznikla potreba merať spotrebu tepla na teplú vodu, bolo zapojenie zmenené: 1. a 2. stupeň teplej vody sa na primárnej strane zapojil do série za sebou (obr. 3). Výmenníky ostali pôvodné, rovnako aj zapojenie na sekundárnej strane – zaústenie cirkulácie medzi 1. a 2. stupeň ohrevu.
• V neskoršom období boli postupne staré výmenníky vymieňané za doskové, jednostupňové (obr. 4). Vtedy sa zmenilo aj zapojenie na sekundárnej strane, cirkulácia bola pred vstupom do výmenníka zaústená do potrubia studenej vody.

Čo stojí za pozornosť

• Teplota vratnej ohrevnej vody z jednostupňových doskových výmenníkov sa pohybuje počas väčšiny dňa na úrovni 50 °C a viac. Pod 50 °C klesá len výnimočne a krátkodobo počas odberových špičiek.
• Teplota vratnej ohrevnej vody zo starých výmenníkov sa pohybovala počas väčšej časti dňa na úrovni 25 až 35 °C, nad 40 °C stúpala len výnimočne a krátkodobo počas odberových špičiek.

Čo spôsobuje nižšiu teplotu vratnej ohrevnej vody zo starých výmenníkov?

• zapojenie cirkulácie medzi 1. a 2. stupeň;
• dochladzovacia schopnosť studenej vody, do ktorej nie je primiešavaná teplá cirkulácia;
• väčší objem starých rúrkových výmenníkov oproti novým doskovým, predovšetkým v časti neovplyvnenej teplotou cirkulácie.

Dá sa niečo z toho uplatniť v nových OST?

• Skúsme dvojstupňový ohrev teplej vody pomocou doskových výmenníkov so zaústením cirkulácie medzi prvý a druhý stupeň. Čo sa stane pri nízkom až nulovom odbere? Zo stupňa finálneho dohrevu bude z dôvodu vysokej teploty cirkulácie odtekať vratná ohrevná voda s teplotou približne 45 až 50 °C. Pomôže stupeň predohrevu dochladiť vratnú teplotu? Nie, pretože ak nie je odber, nepriteká do výmenníka žiadna studená voda. Toto riešenie ničomu nepomôže.
• Je potrebné dosiahnuť, aby bol aj v čase nízkeho až nulového odberu teplej vody k dispozícii v stupni predohrevu dostatočný objem studenej vody, ktorá dokáže dochladzovať ohrevnú vodu.
  • Na to je potrebný zásobníkový ohrievač vo funkcii predohrevu v pasívnom zapojení (bez ďalšieho regulačného ventilu). Jeho funkcie sú:
• dochladzovanie vratnej ohrevnej vody, ktorá je „odpadom“ z doskového výmenníka na dohrev na finálnu teplotu a dohrev cirkulácie;
• priebežné dopĺňanie „chladiacej“ studenej vody odberom TV;
• predohrev studenej vody na teplotu cca 40 až 45 °C;
• zásoba predohriatej vody = nižšie výkonové nároky na krytie odberových špičiek a spomalenie zmien požadovaných výkonov (pomalšie zmeny prietokov ohrevnej vody);
• výrazne menší rozdiel medzi najvyšším a najnižším prietokom ohrevnej vody cez regulačný ventil = väčšia presnosť regulácie, menšie prekmity, vyrovnaná výstupná teplota TV aj bez vyrovnávacej zásobnej nádrže.
• Zásobník predohrevu je potrebné dimenzovať na prevádzkové stavy:
• priemerná denná spotreba teplej vody s priebežným dohrevom cirkulácie;
• nulový odber teplej vody s priebežným dohrevom cirkulácie.

Vstupnými údajmi sú: tepelný výkon pre dohrev cirkulácie, priebeh odberu TV, priemerný denný odber TV, trvanie odberových špičiek TV, trvanie nízkych až nulových odberov TV.

Ako predohrev TV je možné využiť buď zásobníkové ohrievače s vnútornými výhrevnými rúrkami, alebo prázdne zásobníky s externými nabíjacími výmenníkmi a nabíjacím čerpadlom.

Výhody zásobníkového predohrevu teplej vody

1. Teplá voda sa z „odpadného“ tepla po ohreve cirkulácie vyrába „do zásoby“ aj v čase nízkeho alebo nulového odberu teplej vody. Ohrev je rozložený v čase, s predlžujúcim sa časom ohrevu klesá potrebný výkon. Čím viac objem zásobníka predohrevu kryje spotrebu počas odberovej špičky, tým nižší tepelný výkon je postačujúci.
2. Pri zásobníkovom predohreve je možné využiť stratifikáciu, vrstvenie ohrievanej vody. Vďaka tomu je možné až do 90 % použiť ohrevné médium s teplotou nižšou, ako je žiadaná teplota ohrievanej vody. Len 10 % ohrevného média na finálny dohrev musí mať vyššiu teplotu.
3. Dochladzovanie ohrevnej vody znižuje potrebnú prívodnú teplotu ohrevnej vody a umožňuje využiť nízkoteplotné (obnoviteľné) zdroje tepla.
4. Ustálenosť požadovaných výkonov pre rozvodnú sústavu umožňuje optimalizovať prevádzku tepelných zdrojov; postačujúce sú podstatne nižšie inštalované výkony ako pre pulznú prevádzku; nie sú potrebné strmé výkonové nábehy, ktoré by bolo treba vykrývať rýchlymi plynovými kotlami; lepšie sa dajú využiť zariadenia, ktoré majú pomalšie nábehy a väčšiu teplotnú zotrvačnosť – napríklad štiepkové kotly alebo obnoviteľné zdroje tepla.
5. Na ohrev teplej vody možno vo väčšej miere využiť nízkoteplotné a obnoviteľné zdroje tepla.

TEXT: Ing. Juraj Šmelík, THERMO-ECO-ENGINEERING, s. r. o.
FOTO: Ing. Juraj Šmelík, THERMO-ECO-ENGINEERING, s. r. o; Shutterstock

Článok bol uverejnený v časopise Správa budov 3/2024