Dimenzování ohřívačů vody

Autoři na základě měření spotřeb vody na dvou lokalitách v celkem devíti bytových domech fundovaně zobecňují trendy současného vývoje v zásobování pitnou vodou. Správně konstatují, že potřeba teplé vody 82 l na osobu a den je již dávno překonaná. Podílí se na tom hned několik faktorů: vybavení domácností, technologická vylepšení a podstatné zvýšení plateb za pitnou vodu.
V případě teplé vody bych jmenoval myčky nádobí, pračky, osazování promývaných expanzních nádob s membránou u ohřívačů vody, úsporné výtokové armatury s perlátorem a výrazný přechod obyvatel od vanových koupelí ke sprchování.

Recenzent: Vladimír Jirout

1. Úvod

Ohřívače vody se v současné době dimenzují podle ČSN 06 0320. Tato norma uvádí pro bytové domy potřebu teplé vody 82 l/obyvatel·den a příklad poměrné křivky odběru teplé vody. V poslední době však došlo k poklesu spotřeby vody v domácnostech způsobenému chováním jejich obyvatel, kteří s drahou teplou vodou dnes více šetří. Praxe stále více ukazuje, že hodnota normové potřeby 82 l/obyvatel·den neodpovídá dnešní spotřebě. Při dimenzování zásobníkových ohřívačů vody je třeba znát také rozložení spotřeby teplé vody během dne. Při dimenzování průtokových ohřívačů vody je třeba znát průtok teplé vody ohřívačem.

Proto je snahou autorů tohoto článku provádět při různých příležitostech měření průtoků a spotřeb vody. Systematická měření se u nás podařilo provést zejména v rámci výzkumného projektu „Měření spotřeby vody a špičkových průtoků v domovních vodovodech na Ostravsku“ podporovaného v rámci dlouhodobého koncepčního rozvoje vědy a výzkumu Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava pro rok 2015. Výsledkem těchto měření je množství změřených hodnot, které autoři článku zpracovali a vyhodnotili.

2. Měření průtoků vody

Měření průtoků se prováděla v Bohumíně a Českém Těšíně od 8. 9. 2015 do 23. 3. 2016 ve zděných i panelových bytových domech. V každém z těchto domů byl po dobu nejméně 14 dnů osazen magneticko- indukční průtokoměr OPTIFLUX 1000 s převodníkem IFC 100C DN 40 s měřicím rozsahem do 10 m³·h^–1 (obr. 1). Snímač měřil rychlost proudící vody a z ní počítal objemový průtok. Průtok byl snímán v sekundových intervalech. Průtokoměr disponuje dvěma výstupy. První – analogový výstup je signál 4 – 20 mA odpovídající hodnotě 0 až 100 % z rozsahu 0 až 10 m³·h^–1. Snímač byl připojen k datové ústředně AHLBORN 5690-2, popř. AHLBORN ALMEMO A 5690-2 TS, která obsahuje 24bitový A/D převodník. V ústředně se hodnota před zápisem dat přepočítala na litry za sekundu. Analogový výstup byl od výrobce zatlumen s časovou konstantou 3 s, a proto musely být naměřené hodnoty průtoků přepočítány. Druhý – impulzní výstup s hodnotou 1 impulz = 1 ml je určen pro malé průtoky do 0,67 l·s^–1. Maximální (špičkové) průtoky změřené za dobu měření jsou uvedeny v tab. 1.

Tab. 1 • Maximální průtoky a spotřeby vody v odběrových špičkách v různých bytových domech

Další měření byla prováděna v Brně průtokoměrem VT 4025 MSHNS000F DN 40 (obr. 2), popř. průtokoměrem FVA915VTH25 DN 25. I zde byl průtok snímán v sekundových intervalech. Naměřené průtoky zaznamenávala měřicí ústředna AHLBORN ALMEMO A 5690-2 TS. Získány byly také změřené spotřeby teplé vody ze Zlína (od firmy Teplo Zlín) a další změřené spotřeby z Brna (od doc. Dr. Ing. Zdeňka Pospíchala).

Měřily se průtoky v hlavním přívodním potrubí za vodovodní přípojkou, nebo na přívodu teplé vody do domu, popř. na přívodu studené vody k ohřívači, viz tab. 1. Byty v domech byly vybaveny záchodovou mísou s nádržkovým splachovačem, umyvadlem, vanou nebo sprchou, dřezem a některé také automatickou pračkou a myčkou nádobí.

3. Vyhodnocení výsledků měření průtoků a spotřeb vody

Vyhodnocení výsledků měření je uvedeno v tab. 1. Při vyhodnocování výsledků měření maximálních (špičkových) průtoků byla hledána závislost mezi počtem odběrných míst různých druhů (umyvadla, vany, sprchy, dřezy apod.) a maximálním průtokem naměřeným v průběhu doby měření.

V rámci vyhodnocování výsledků měření byly vyhodnocovány naměřené spotřeby studené i teplé vody a jejich nerovnoměrnost, viz obr. 3, 4, 5 a 6. Maximální změřená spotřeba teplé vody se pohybovala od 34 do 57 l/obyvatel·den. Spotřeby vody v jednotlivých hodinách jsou v obrázcích (grafech) uvedeny v procentech celodenní spotřeby. Z grafů je patrné, že rozložení spotřeby vody se v pracovních a volných dnech (sobota a neděle) výrazně liší. Během pracovních dnů se více projevují ranní a večerní odběrové špičky. Během volných dnů bývá určitý odběr vody i v noci a v neděli se výrazněji projevuje večerní špička. V tab. 1 jsou uvedeny spotřeby vody naměřené v největší odběrové špičce za dobu měření a jejich porovnání s údaji ze švýcarské literatury [1].

4. Dimenzování průtokových ohřívačů vody

Na základě změřených maximálních průtoků uvedených v tab. 1 by bylo možné výpočtový průtok Q_D [l·s^–1] v bytových domech stanovit podle následujícího vztahu:

(1)

kde je:

• SQ_A – součet jmenovitých výtoků [l·s^–1] uvedených v tab. 2.

Tab. 2 • Hodnoty jmenovitých výtoků Q_A studené nebo teplé vody pro odběrná místa používané při výpočtu podle vztahu (1)

Vztah (1) je platný pro SQ_A od 0,3 l·s^–1 do 60 l·s^–1 a bude i nadále ověřován měřením na dalších bytových domech. Výpočtové průtoky stanovené podle vztahu (1) vycházejí pro SQ_A < 0,6 l·s^–1 menší než jmenovitý výtok Q_A = 0,3 l·s^–1, což více odpovídá průtoku pouze teplé vody do směšovacích baterií, protože jmenovitý výtok Q_A = 0,3 l·s^–1 je uvažován jako průtok smísené vody z výtoku vanové směšovací baterie. Při SQ_A < 0,3 l·s^–1 je uvažován výpočtový průtok Q_D = SQ_A. Tento výpočtový vztah by bylo možné použít pro stanovení průtoku teplé vody průtokovým ohřívačem.

Na základě výpočtového průtoku je možné přibližně stanovit potřebný výkon průtokového ohřívače P_P[kW] podle vztahu:

(2)

kde je:

• Q_D – výpočtový průtok [l·s^–1] stanovený podle vztahu (1);
• c – měrná tepelná kapacita vody [kJ·kg^–1·K^–1];
• Dt – rozdíl mezi teplotou teplé a studené vody [K], např. Dt = 55 – 10 = 45 K;

K průtokovému ohřevu vody je třeba uvést, že má své výhody i nevýhody. Výhodou je nepotřebnost akumulace vody, ohřívá se vždy tolik vody, kolik se spotřebuje, čímž je zabráněno případné stagnaci akumulované vody, která může být příčinou množení bakterií. Nevýhodou je však velký výkon nutný k ohřevu vody, nutnost přesného ovládání přívodu tepla a větší ­tlaková ztráta při průtoku vody ohřívačem. U chybně navržených průtokových ohřívačů způsobuje jejich velká tlaková ztráta značné kolísání přetlaku teplé vody u výtokových armatur.

5. Dimenzování zásobníkových ohřívačů vody

Na základě změřené nerovnoměrnosti spotřeb vody v průběhu dnů bylo možné zjistit největší odběrové špičky a stanovit součinitele nerovnoměrnosti potřeby teplé vody. Při využití součinitelů nerovnoměrnosti potřeby teplé vody, je možné objem zásobníkového ohřívače nebo zásobníku teplé vody V_Z [l] stanovit podle vztahu:

(3)

kde je:

• q_{TV, max} – maximální specifická potřeba teplé vody na obyvatele a den [l·obyvatel^–1·den^–1], kterou je v bytových domech možné uvažovat hodnotou q_{TV, max} = 60 l·obyvatel^{–1·den–1;}
• n – počet obyvatel, pro které je ohřívač nebo zásobník určen [–];
• k_TV – součinitel nerovnoměrnosti potřeby teplé vody [obyvatel·den] (tab. 3),
• y – součinitel mrtvého prostoru [–] (tab. 4).

Tab. 3 • Součinitel nerovnoměrnosti potřeby teplé vody k_TV v závislosti na době ohřevu vody v ohřívači

Tab. 4 • Součinitel mrtvého prostoru y

Tento způsob dimenzování uvedený také v [2] předpokládá, že doba ohřevu vody v ohřívači je stejná, jako doba trvání odběrové špičky. Skutečná (navržená) doba ohřevu vody v ohřívači tedy nesmí být delší než doba trvání odběrové špičky. Výkon topné vložky ohřívače nebo deskového výměníku u zásobníku musí být takový, aby zajistil požadovanou dobu ohřevu vody a pokryl také tepelné ztráty při cirkulaci teplé vody.

Součinitel mrtvého prostoru y (tab. 4) zohledňuje vrstvení vody v zásobníkovém ohřívači nebo zásobníku (studená voda pod topnou vložkou ohřívače, nabíjení zásobníku teplou vodou oběhovým čerpadlem z průtokového ohřívače apod.) a jeho hodnoty vycházejí z českých [ČSN 06 0320:1987] a rakouských [3] zkušeností.

Na základě objemu zásobníkového ohřívače nebo zásobníku teplé vody a doby ohřevu vody v ohřívači, která nesmí být delší než doba trvání odběrové špičky, je možné nejmenší potřebný výkon topné vložky ohřívače P_Z [kW] stanovit podle vztahu:

(4)

kde je:

• V_Z – objem zásobníkového ohřívače nebo zásobníku teplé vody [l];
• c – měrná tepelná kapacita vody [kJ·kg^–1·K^–1];
• Dt – rozdíl mezi teplotou teplé a studené vody [K], např. Dt = 55 – 10 = 45 K;
• z – doba ohřevu vody v ohřívači [h];
• P_C – tepelné ztráty potrubí při cirkulaci teplé vody [kW].

Tepelné ztráty potrubí při cirkulaci teplé vody P_C [W] lze stanovit podle vztahu:

(5)

kde je:

• q – délková tepelná ztráta úseku potrubí v cirkulačním okruhu [W·m^–1];
• l – délka úseku potrubí v cirkulačním okruhu [m];
• m – počet úseků potrubí v cirkulačním okruhu.

Za úsek potrubí v cirkulačním okruhu se považuje část potrubí provedená z trubek o stejném průměru a ze stejného materiálu izolovaných tepelnou izolací o určité tloušťce a určitém součiniteli tepelné vodivosti a nacházející se v prostoru s určitou teplotou okolního vzduchu. Ke skutečné délce úseku potrubí je třeba přičíst délkové přirážky na armatury, spoje a podpěry nebo objímky pro uložení potrubí uvedené v tab. 5.

Tab. 5 • Délkové přirážky na armatury, spoje a uložení potrubí podle ČSN 75 5455

Délková tepelná ztráta úseku potrubí v cirkulačním okruhu q [W/m] se stanoví podle vztahu:

(6)

kde je:

• k – součinitel prostupu tepla stěnou potrubí s tepelnou izolací [W·m^–2·K^–1], viz tab. 6 nebo tab. 7;
• t_stř – střední teplota teplé vody v potrubí [°C];
• t_vzd – teplota vzduchu v okolí úseku potrubí [°C].

Tab. 6 • Součinitel prostupu tepla stěnou měděného potrubí s tepelnou izolací [1]

Tab. 7 • Součinitel prostupu tepla stěnou polypropylenového potrubí s tepelnou izolací [1]

Při dimenzování zdrojů tepla je třeba zohlednit také tepelné ztráty topného okruhu, které závisí na délce potrubí.

6. Závěr

Z předchozího textu je patrná snaha autorů o využití poznatků získaných z měření pro zlepšení a zjednodušení stanovení výpočtových průtoků vody a objemu zásobníkových ohřívačů a zásobníků teplé vody v bytových domech. Důležité je, aby nedocházelo ke zbytečnému předimenzování ohřívačů. Na základě dalších měření mohou být výpočtové metody dále zpřesňovány. Pokud budou prováděna další měření i v jiných, než obytných budovách, bude možné uvedené metody dimenzování rozšířit i na jiné druhy budov.

Poděkování

Článek je výstupem výzkumného projektu „Měření spotřeby vody a špičkových průtoků v domovních vodovodech na Ostravsku“ podporovaného v rámci dlouhodobého koncepčního rozvoje vědy a výzkumu Vysoké školy báňské – Technické univerzity Ostrava pro rok 2015.

Další poděkování patří městu Bohumín, firmám Hamrozi, HP trend Ludgeřovice, Teplo Zlín, doc. Dr. Ing. Zdeňku Pospíchalovi a všem majitelům a správcům domů, kteří měření umožnili.

Literatura

ČSN 06 0320 Tepelné soustavy v budovách – Příprava teplé vody – Navrhování a projektování.

ČSN 06 0320 Ohřívání užitkové vody. Navrhování a projektování. Dnes neplatná norma z roku 1987.

ČSN 75 5455 Výpočet vnitřních vodovodů.

[1] FUX, O., REIST, J., ZEENDER, E.: SI-Handbuch, Kapitel 2 Trinkwasser. VSSH 1998.

[2] VAVŘIČKA, R.; VRÁNA, J.; POSPÍCHAL, Z.: Příprava teplé vody. Sešit projektanta č. 3. Praha,STP 2017.

[3] DRAXLER, E.: Dimensionieren von Warmwasserbereitungsanlagen. 15. Medzinárodná konferencia SANHYGA 2010, zborník prednášok. Bratislava, SSTP 2010.

Poznámka recenzenta

Na přelomu let 2013 a 2014 vyšla změna právního přepisu, která zpoplatnila i stočné za vodu srážkovou. A i když tak nebyla doslova myšlena, řada majitelů rodinných domků si pořídila nádrže na srážkovou vodu, kterou nyní používají na zalévání, zatímco dříve zalévali vodou pitnou z veřejné sítě. Případnou přebytečnou vodu odvádějí trativody, aby nemuseli platit stočné a současně tak i snížili spotřebu studené vody pitné z veřejné sítě.

Podle průzkumu^*, který jsme provedli s několika dalšími projektanty je nevyšší celková spotřeba pitné vody u rodin s malými dětmi z veřejných vodovodních sítí mezi 100 a 110 l/osoba a den. Z toho pohledu mi připadá hodnota doporučená autorem TV 60 l/osoba a den sice reálná, avšak již na horní mezi a bude tedy značně záviset na způsobu přípravy TV.

Také prodej vodáren a vodovodního hospodářství zahraničním společnostem byl, z mého pohledu, krok nesprávným směrem. Zisky jsou vyváděny do zahraničí a noví majitelé zpravidla nejeví zájem o nutnou údržbu a opravu sítí. Podíl ztrát již upravené vody tak v sítích narůstá a účinnost dodávky vody klesá. V severních Čechách existují sítě, kde ztráty vody dosahují až 40 %.

Za této situace na příklad ve zlínské oblasti usilují o zpětný nákup vodního hospo­dářství, jak informuje server iDNES.cz a nejsou sami (https://ekonomika.idnes.cz/ vrchni-soud-veolia-0nx-/ekonomika.aspx?c =A161125_194951_ekonomika_cen)

Z tohoto důvodu by jeden ze závěrů měl znít: ohřev vody je nutné uskutečňovat co nejblíže spotřebě.

---

^* Je třeba mít na paměti, že hodnoty naměřené v rámci jednoho sídliště neplatí obecně v celé republice. O skutečné spotřebě vody významně rozhoduje věkové složení a také zaměstnání obyvatel. Ač to vypadá paradoxně, menší spotřeba vody je na sídlištích, kde žijí pracovníci těžkých provozů – horníci a pracovníci biologických a zoologických provozů. Ti se myjí ještě před odchodem ze zaměstnání domů.

---

Water heaters dimensioning

Based on the measurements of water consumption in two locations and nine residential buildings, the authors of the article generalize trends of the current development in drinking water supply.

They rightly state that the hot water demand of 82 liters per person and day has been outdated for a long time. There are several factors involved: household equipment, technological improvements and a substantial increase in drinking water payments.

In regard of hot water, several examples should be mentioned: dishwashers, washing machines, expansion valves being replaced by membrane pressure expansion vessels, water saving fittings with aerator and a significant customers move from bathtubs to showers.

Keywords: drinking water supply, hot water consumption, water heaters, flow measurement, maximum flow rate