Opatrenia pre zabezpečenie teploty a výmeny studenej pitnej vody v budovách

Příspěvek se věnuje hygieně studené pitné vody ve vodovodech uvnitř budov. K základním požadavkům hygieny pitné vody patří, kromě její hygienické nezávadnosti, i její teplota a dostatečná výměna v potrubí. V budovách můžeme pozorovat trend snižování spotřeby vody vlivem šetrení konečnými uživateli. V důsledku nižší spotřeby dochází k nedostatečné výměně vody v potrubí, voda proudí menší rychlostí a mezní hodnoty teploty jsou překračovány. Příspěvek uvádí základní technická opatření a možné technické řešení pro zajištění požadované teploty a výměny pitné vody ve vnitřním vodovodu.

Recenzent: Zdeněk Pospíchal

1. Úvod

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, tj. 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,
• nedostatočná izolácia potrubí studenej vody,
• sústreďovanie potrubí studenej vody v miestnostiach so zdrojmi tepla a v priestoroch v blízkosti teplovodných potrubí či svietidiel emitujúcich teplo,
• vysoká teplota studenej pitnej vody v potrubí vodovodu na vstupe do objektu.

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. 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]. Pri odbere vody je jej teplota konštantná, resp. sa znižuje. Ak však nedochádza k odberu vody v potrubí (voda stagnuje), studená voda sa ohrieva. 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.

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.

Tab. 1 • Minimálna hrúbka izolácie potrubia studenej vody pri l = 0,040 W·m^–1·K^–1 [5]

2. 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 1x za týždeň [1]. Ak sa nedá zabezpečiť výmena vody 1x za týždeň bežným otváraním 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 preplachovanie konfigurovať a spúšťať na základe času, spotreby alebo teploty vody. Príklad prevádzkového režimu podľa teploty je nasledovný:

Ak teplota studenej vody v potrubí presiahne napr. 20 °C, je nutné preplachovať pokiaľ neklesne teplota pod 15 °C.

Výhody tohoto nastavenia:

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

3. Cirkulácia studenej vody s chladením

Pri automatických jednotkách hygienického preplachovania sa za úcelom zabezpečenia dostatočnej výmeny vody v systéme voda vypúšťa do kanalizácie a dochádza k plytvaniu vzácnej pitnej vody. ­Tieto nevýhody sa dajú eliminovať 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 výmena a teplota. Cirkulačné potrubie studenej vody je vedené do technickej miestnosti, kde prebieha proces chladenia.

Na chladenie studenej pitnej vody možno použiť:

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

Vo vnútri budov je možné navrhnúť vodovod delený – samostatné potrubie vodovodu určené pre splachovanie WC a napr. pre napojenie práčok a samostatné potrubie ­vodovodu pre prívod vody napr. k umývadlám a drezom (obr. 3). V tomto prípade by sa studená pitná voda chladila a cirkulovala iba pre časť vodovodu pre umývadlá a drezy, aby bola zabezpečená čerstvá studená pitná voda na pitie a na varenie. Samozrejmosťou pri vnútornom vodovode je samostatné potrubie vody na hasenie požiaru, ktoré je od vodovodu pitnej vody oddelené ochrannou armatúrou.

3.1 Kompresorové chladenie studenej vody

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 distribuovaná 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, kde skondenzuje, 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. Ochladená studená voda môže dosahovať teploty v rozmedzí cca 10–15 °C.

Rovnaký princíp chladenia studenej pitnej vody platí aj pri chladení pomocou tepelného čerpadla – napr. použitím tepelného čerpadla typu zem-voda, kedy chladivo odovdzá nadbytočné teplo do primárneho okruhu tepleného čerpadla, tj. zemnému kolektoru.

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 sa privádza 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.

3.2 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), ktorý je doplnený chladiacim zariadením poháňaným teplom. 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. Výhodami Peltierovych článkov je ich kompaktná veľkosť a absencia chladiaceho média. Nevýhodou solárneho systému chladenia je nekontinuálna výroba elektrickej energia počas noci a počas zamračených dní.

4. Porovnanie – bežný vnútorný vodovod studenej vody (Alt. 1) a vodovod studenej vody s jej chladením a cirkuláciou (Alt. 2)

V rámci poslednej časti článku je uvedené porovnanie klasického bežného systému vodovodu v budove s vodovodom s chladením studenej vody a s jej cirkuláciou. Pre porovnanie bol vybraný menší 4podlažný objekt, s jedným podzemným podlažím a s jedným stúpacím potrubím vodovodu (obr. 7). Pri porovnaní nie je uvažované s požiarnym vodovodom, nakoľko pri oboch alternatívach je požiarny vodovod riešený rovnako, tj. samostatné potrubie vodovodu privedené k hadicovým navijákom na hasenie požiaru.

Alternatíva 1 – bežný vnútorný vodovod studenej vody

Vnútorný vodovod studenej vody je zvyčajne v budove navrhnutý a zrealizovaný nasledovne: Do objektu je privedená studená pitná voda. Potrubie studenej vody je obvykle vedené pod stropom najnižšieho podlažia. Z ležatého potrubia vedeného pod stropom sú následne napojené stúpacie potrubia vodovodu. V objekte je pre zjednodušenie uvažované jedno stúpacie potrubie. Zo stúpacieho potrubia sú napojené jednotlivé odberné miesta.

V uvažovanom objekte je ležaté potrubie studenej vody DN 50 inštalované v suteréne (cca 45 metrov). Pri stúpacom a pripájacom potrubí vodovodu sa dimenzia potrubia mení na základe počtu pripojených odberných miest. V objekte je uvažované: potrubie DN 40 s celkovou dĺžkou 4 m, potrubie DN 32 s celkovou dĺžkou 4 m, potrubie DN 25 s celkovou dĺžkou 45 m a potrubie DN 20 s celkovou dĺžkou 50 m.

Alternatíva 2 – vodovod studenej vody s jej chladením a cirkuláciou

Pri tejto alternatíve je uvažovaný delený vodovod – samostatný vodovod určený na hasenie požiaru, samostatné potrubie úžitkovej vody na splachovanie, a samostatné potrubie studenej pitnej vody určenej na zásobovanie ostatných odberných miest vodou, ktorá bude chladená pomocou chladiaceho zariadenia a bude cirkulovať pe všetky odberné miesta.

Vodovod studenej vody s chladením a cirkulácou je uvažovaný nasledovne: do objektu je privedená studená pitná voda a úžitková voda (napr. dažďová). Potrubia vodovodu sú vedené v suteréne.

Potrubie úžitkovej vody je privedené k odberným miestam (WC), dimenzie potrubia sa menia na základe uvažovaného prietoku nasledovne: uvažované je potrubie DN 20 s celkovou dĺžkou 30 m a potrubie DN 25 s celkovou dĺžkou 40 m.

Potrubie studenej pitnej vody je uvažované nasledovne: potrubie dimenzie DN 20 s celkovou dĺžkou 50 m, potrubie DN 25 s dĺžkou 45 m, potrubie DN 32 s dĺžkou 7 m a potrubie DN 40 s celkovou dĺžkou 35 m. Pri delenom vodovode nie je uvažované s potrubím dimenzie DN 50 ako v 1. alternatíve, nakoľko v porovnaní s prvou alternatívou je časť odberných miest vody zásobované vodou úžitkovou.

Studená pitná voda, ktorá je určená na chladenie, je na každom podlaží za posledným odberným miestom zokruhovaná do rozvodu cirkulácie. Cirkulačné potrubie studenej vody je dimenzie DN 20, dĺžky 60 metrov a je vedené od jednotlivých odberných miest do suterénu, kde prebieha proces chladenia vody pomocou výmenníka a vonkajšej klimatizačnej jednotky.

Základným rozdielom pri oboch alternatívach je zabezpečenie požadovanej teploty a výmeny vody v systéme. Hygienickú kvalitu vody je nutné zabezpečiť výmenou vody vo vnútornom vodovode aspoň 1x za týždeň. Pri výrobcami udávaných objemoch vody v potrubí pre každú dimenziu bolo stanovené, že pri bežnom riešení (Alt. 1) je v potrubí vodovodu približne 140 litrov studenej vody. Pri delenom vodovode s cirkuláciou studenej vody a s chladením (Alt. 2) je v potrubí vodovodu studenej pitnej vody približne 100 litrov. Výhodou pre zabezpečenie požadovanej výmeny vody je teda nižšia spotreba vody. Ďalšou výhodou navrhnutého riešenia je, že studená voda je do miesta spotreby dodávaná naozaj ako studená.

 

Pri druhej alternatíve je nutné uvažovať s vyššími investičnými nákladmi na:

• Delený vodovod: oproti bežnému vodovodu je vyššia cena za materiál potrubia, izolácie a montáž približne o 30 %. Vyššie investičné náklady na delený vodovod v budove v konečnom dôsledku budú maximálne šetrit vzácnou pitnou vodou najmä na splachovanie.
• Chladiace zariadenie: v navrhovanej alternatíve bol na základe požadovaného objemu vody na ochladenie z teploty 25 °C na 15 °C vypočítaný potrebný výkon chladiaceho zariadenia. Na chladenie bol navrhnutý výmenník v kombinácii s vonkajšou klimatizačnou jednotkou s výkonom 3 kW. Cenu zariadenia s príslušenstvom a montážou možno uvažovať minimálne 1500 €. Pri chladení tepelným čerpadlom by bola cena ešte mnohonásobne vyššia.
• Cirkulačné čerpadlo: pri cirkulácii studenej vody je nutnosť inštalácie cirkulačného čerpadla s výkonom v závislosti od dopravnej výšky a objemového prietoku. Cena čerpadla s prí­slušenstvom, so zabudovaným snímačom teploty a s možnosťou regulácie kvôli úspore elektrickej energie sa pohybuje cca od 300 €.
• Regulačné ventily cirkulácie: kvôli regulácii systému a zabezpečeniu požadovanej teploty studenej vody je nutnosť vyregulovania systému použitím regulačných ventilov cirkulácie. Cena ventilu závisí od toho, či sa uvažuje statická, dynamická alebo staticko–dynamická regulácia a od dimenzie potrubia, cenu jedného ventilu možno uvažovať cca 60 €.
• Elektrická energia: nemožno zabudnúť ani na elektrickú energiu potrebnú pre pohon chladiaceho zariadenia a pohon cirkulačného čerpadla. Táto spotreba sa nedá jednoznačne vyčísliť, dá sa však znížiť napr. použitím fotovoltického systému (viď kapitola 3.2).
• Systém merania a regulácie (MaR): súčasťou cirkulácie a chladenia studenej vody by mal byť systém MaR. Objem vody vo vnú­tornom vodovode, ktorý musí byť vymenený 1x za 7 dní je ­známy a je dosiahnuteľný kontrolou spotreby a jej riadením, napr. použitím preplachovacieho systému riadeného na základe objemu vody a teploty vody v potrubí. Možnosťou je aj sy­stém MaR so snímačom teploty a prietoku vody, s dvojcestným uzatváracím ventilom s pohonom a s reguláciou tak, aby sa teplota vody v cirkulačnom potrubí udržiavala na požadovanej hodnote. V závislosti od teploty vody v potrubí možno spínať aj cirkulačné čerpadlo. Cirkulácia vody a jej chladenie by sa spustila, ak by teplota vody v potrubí stúpla nad nastavenú hodnotu. Meranie objemu vymenenej vody a teploty vody v potrubí je možné napr. na päte stúpacieho potrubia cirkulácie alebo pred výmenníkom.

5. Záver

Pitná voda je zdravotne nezávadná ak pri jej používaní neohrozí zdravie prítomnosťou mikroorganizmov. Pri objektoch, kde nie je zabezpečený odber vody aspoň 1x 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. 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. Ďalšou možnosťou zabezpečenia kvality a hygieny pitnej vody je aj použitie tzv. špirálovej inštalácie potrubia vodovodu, podľa úžitkového vzoru č. 25082 autorov Zdeňka Pospíchala a Zdeňka Žabičky [12].

Poďakovanie

Príspevok bol podporovaný Ministerstvom školstva, vedy, výskumu a športu SR prostredníctvom grantov VEGA 1/0303/21 a KEGA č. 005STU-4/2021.

Literatúra

[1] STN EN 806 -2 Technické podmienky na zhotovovanie vodovodných potrubí na pitnú vodu vnútri budov – Časť 2: Navrhovanie.
[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] KRAFČÍK, M. Prietoky a spotreba vody v bytových domoch a využitie stratifikácie pri príprave teplej vody, 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].
[7] HEINECKE, O. Kaltwasser-Zirkulation mit Kühlung, Forum Wasserhygiene Kongres, Das trinkwasser buch, Wien, Austria, 2019, pp. 44–53.
[8] KEMPER GMBH + CO. KG, Kaltwasser-Zirkulation mit KHS CoolFlow [online].
[9] MICHALIČKOVÁ, S. Solárne chladenie v budovách s využitím slnečnej energie, ASB portál [online].
[10] LAIRD THERMAL SYSTEMS, Thermo­electric Coolers [online].
[11] MURGAŠ, M. Konštrukcia termoelektrického chladiaceho zariadenia, Bakalárska práca, Vysoké učení technické v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2015.
[12] Užitný vzor č. 25082 autorov doc. Zdeňka Pospíchala a Ing. Zdeňka Žabičky: Spirální rozvod potrubí vnitřního vodovodu. 2012.

Poznámka recenzenta:

Autorky předkládají v podstatě skrytý problém, se kterým se setkává řada uživatelů studené pitné vody z vnitřních vodovodů, a sice uživatelsky nevhodnou teplotu studené pitné vody. Celý přístup mne zaujal – jako technický stav systému distribuce studené pitné vody je toto dosud neřešené, řeší se pouze uživatelsky – prostě se voda odpouští, až „přiteče“ ta teplotně požadovaná. V čase snah, úvah a požadavků na úsporu vody je to opravdu kreativní přístup, který by mohl při realizaci nepochybně vést ke snížení spotřeby studené pitné vody. Je logické, že musíme jako základní požadavek na studenou pitnou vodu dát její mikrobiologickou kvalitu pro uživatele. Pak třeba diskuze o energetické náročnosti řešení, zvýšených nákladech na další potrubí atd. jsou doslova liché. Ze zkušenosti lze doložit, že odpouštění studené pitné vody pro vhodnou teplotu se může pohybovat denně na jednoho uživatele mezi 10 až 20 litry. Pak by mělo stačit násobit čísla kolem vody, potrubí a času používání. Takovou podloženou úvahou dojdeme k jasnému vyjádření – vyplatí se to! Takže to chce první realizaci a porovnání – jinak je to jen diskuze. Jak pravil Lord Kelvin – chceme-li srovnávat, používejme čísla. Neměl by to být problém!!

---

Measures to ensure potable water cold temperature and water exchange inside buildings

The paper deals with the requirements for the hygiene of potable water cold in water supply system inside buildings. The basic requirements for potable water quality include, in addition to its hygienic safety, its temperature and sufficient water exchange in the pipeline system. In buildings, we can observe a trend of reducing water consumption due to water saving by end users. Due to the lower potable water consumption, it is insufficiently exchanged water in the pipeline system, the water flows at a slower speed and limit values of the potable water temperature are exceeded. The paper presents the basic technical measures to ensure the required potable water cold temperature and water exchange in the internal water supply.

Keywords: potable water cold, potable water cold temperature, building water supply system, hygienic safety, water stagnation in pipes.