Skúsenosti z návrhu a prevádzky sústav prípravy teplej vody v podmienkach Maďarska
Článek se zabývá historií a současností přípravy a rozvodu teplé vody v maďarských bytových domech a sídlištích. Jsou v něm popsány výsledky měření spotřeby teplé vody, metoda výpočtu jejího průtoku, problémy s vyregulováním cirkulace a s ocelovými pozinkovanými trubkami. Uvedena jsou zajímavá zapojení výměníků (průtokových ohřívačů) a zásobníků teplé vody, která nejsou v České republice známá.
Recenzent: Jakub Vrána
1. Zmeny požiadaviek na teplú vodu
Do roku 1991 boli SCZT štátom dotované. Spotreba TV sa počítala podľa vykurovaného objemu bytu, vodomery boli inštalované ojedinele len v malom množstve. Zrušenie dotácii malo za následok, že platby za spotrebu TV stúpli 2 až 3krát. Zavedenie meracej a regulačnej techniky malo za následok prudké zníženie spotreby TV. Na obr. 1 je uvedený príklad z mesta Debrecín, kde po nasadení meracej a regulačnej techniky prudko klesla spotreba TV.
Pokles odberu TV v rámci úsporných opatrení otvára ďalšie súvislosti. Zúčtovanie na základe odmeraného odobratého množstva predpokladá, že kvalita TV bude zodpovedať predpisom. Zle izolované rozvodné potrubia a nevyregulované sústavy dodávky TV s cirkulačným potrubím tieto požiadavky nezabezpečuje a oprávnená je nespokojnosť užívateľov. Poklesom spotreby TV sa zariadenia stávajú predimenzovanými, podstatne vzrastá tepelná strata v rozvodoch. Znížením rýchlosti prúdenia v rozvodných potrubiach dochádza k ich zanášaniu a zníženiu kvality dodávanej TV. Pokles odberu TV má za následok, že pôvodné výpočtové postupy sú zastaralé a spôsobujú značné problémy pri návrhu jednotlivých zariadení.
Na obr. 2 je znázornený priebeh skutočných odberov TV, podľa výpočtov FŐTÁV a podľa normy MSZM 09-85.0004, ktorá bola platná do poloviny 90. rokoch.
V roku 2004 dodávateľ tepla v Budapešti pripravil veľkolepý program rekonštrukcie tepelného hospodárstva. Veľké centralizované zdroje tepla sa nahradili malými blokovými kotolňami v každom vchode. Pri výpočtoch a návrhu zdrojov na vykurovanie nebol problém, ale príprava TV spôsobovala značné problémy. Otázkou bolo aké zapojenie má mať nový zdroj tepla, a aký má byť optimálny pomer tepelného výkonu výmenníka tepla a veľkosť akumulačnej nádoby na TV. Na akú potrebu tepla má byť navrhnutý zdroj tepla.
V období rokov 2003–2004 v rámci rekonštrukčného programu v Budapešti boli uskutočnené merania a monitoring odberu TV. Cieľom meraní bolo zistiť skutočný priebeh spotreby v 60 bytových domoch, pričom merania boli kontinuálne po dobu 30 až 45 dní. Každý z bytov, kde sa sledoval odber TV, disponoval zariaďovacími predmetmi: vaňou, umývadlom a kuchynským drezom.
Na základe týchto meraní boli s presnosťou 99 % vypracované výpočtové postupy na dimenzovanie jednotlivých prvkov prípravy TV. [1], [2], [obr. 2]:
Objemový prietok:
kde:
-
- t je doba trvania odberovej špičky
Pre bytový dom priemerná potreba vody za deň bude:
kde:
- N je počet bytových jednotiek
Vo vzťahu (5) za normálnych podmienok bol nutný zásah v podobe opravného súčiniteľa –0,6, bez ktorého by dochádzalo k predimenzovaniu zariadení. Vo vzťahoch 1 až 5 bol postup volený ako predpisovala pôvodná norma, kde sa vychádzalo z počtu bytových jednotiek. Uskutočnili sa pokusy, kde sa miesto počtu bytových jednotiek uvažovalo s výtokovými jednotkami, ale tieto pokusy nepriniesli očakávané výsledky.
Hodnota nebola stanovená z údajov nameraných na 60 bytových jednotkách, ale z viacročných hodnôt nameraných na takmer 4000 bytov počas niekoľkých rokov. Pôvodný predpoklad, že spotreba TV má sezonálny priebeh sa na základe výskumu nepotvrdil. Podobne aj rozdiely v priemernej spotrebe cez týždeň v pracovných dňoch a v dňoch odpočinku sa nepotvrdili. Jednoduché je vysvetlenie, lebo životný štýl obyvateľstva sa tak zmenil, že spotreba TV nie je rozdielna behom týždňa a v dňoch odpočinku.
Výpočtové vzťahy 1 až 5 sú vhodné pre obytné budovy s počtom bytov v rozsahu 10 až 350, kde sa predpokladá teplota distribuovanej TV +50 °C po dobu prevádzkovej špičky, ktorá trvá 1 až 180 minút. Tento časový interval bohato postačuje oproti pôvodným návrhom, keď sa uvažovalo s dvoma paralerne zapojenými akumulačnými zásobníkmi s pokrytím 15 až 60 minútovej špičky.
Tieto skúsenosti boli potvrdené nielen v Budapešti, ale aj v iných väčších mestách, kde sa potreba zabezpečovala zo SCZT, ale v takých budovách ktoré neboli napojené na SCZT. Po roku 2004 sme zaznamenali pokles spotreby TV cca o 15 %, čím sú zariadenia na prípravu TV čiastočne predimenzované, ale vyregulovaním systému sa tieto nedostatky dajú eliminovať.
2. Vyregulovanie rozvodov teplej vody s cirkuláciou
V Maďarsku v čase hromadnej bytovej výstavby sa aplikovali jednorúrové vykurovacie sústavy s horným rozvodom. Pri napojený viacerých bytov pri rovnakom objemovom prietoku dochádzalo k nerovnomerným teplotám v bytoch v rozpätí (28 až 16 °C). Z tohto dôvodu v 80. rokoch boli vyvinuté tzv. meracie a regulačné členy, ktoré môžeme považovať za regulačné prvky (armatúry).
Od polovice 80. rokov tieto regulačné prvky boli súčasťou vykurovacích sústav. Pozoruhodné je, že projektanti pri hydraulických prepočtoch vo vykurovaní počítali s regulačnými prvkami, ale pri rozvodoch TV tieto neaplikovali. Všetky rozvody TV a cirkulácie sa do 90. rokov navrhovali bez hydraulického vyregulovania, čo spôsobilo pre koncových užívateľov (odberateľov) nedostatočné parametre TV. V minulosti sa to riešilo odpúšťaním nevyhovujúcej TV, až kým nestúpla teplota na požadovanú úroveň. Pri meranej spotrebe TV užívateľ nebol ochotný zaplatiť vypúšťanú vodu v cene TV. Obrovské problémy nastali na tzv. štyridsaťročných rozvodoch, kde byty boli napojené na SCZT (Dunakeszi 2500 bytov, Szeged, Makkosháza 3500 bytov, Szolnok Szécsényiho obytná štvrť 7000 bytov).
Prevádzkovatelia sa pokúšali riešiť problémy rôznymi núdzovými riešeniami, ktoré ale neviedli k úspechu. Zvýšená teplota TV mala za následok zvýšenie tepelných strát a následne zanášanie rozvodov inkrustami hlavne tam, kde sa použila pitná voda s tvrdosťou 25 až 28 n°. Podporné čerpadlá spôsobili problémy na sacej strane, pre odberateľov, ktorým odčerpávali TV a znižovali tlak.
Tichelmanove zapojenie pomohlo vzdialenejším odberateľom, ale zhoršilo dodávku pre odberateľov ktorý boli bližšie ku zdroju tepla. Aplikácia výkonnejších obehových čerpadiel s vyšším objemovým prietokom a vyššou dopravnou výškou zlepšila dodávku k odberným miestam za cenu zvýšenej čerpacej práce. Ak chceme zabezpečiť požadované prietoky pre najvzdialenejšieho odberateľa na bližších odberných miestach pre nevyregulovanej sústave musí vzniknúť nadprietok.
Riešením celého problému je hydraulické vyregulovanie potrubných rozvodov. Korektné hydraulické vyregulovanie je nákladné a musí sa uskutočniť na jestvujúcej funkčnej sústave, keď k stúpacím potrubiam je veľmi ťažký prístup. V 90. rokoch sa používali menej nákladné škrtiace prvky (redukcie, clonky). V technickej praxi v poslednom desaťročí sú známe regulačné armatúry s termostatmi, ktoré sa v Maďarsku ani na nové sústavy neinštalujú.
Najčastejšie sa problém cirkulácie TV riešil výmenou cirkulačného čerpadla. Spokojnosť užívateľov bola za cenu neúmernej zvýšenej čerpacej práce. Prepočty a skúsenosti po roku 2000 potvrdzujú, že investície do regulačných armatúr sú opodstatnené s prijateľnou návratnosťou a zníženie čerpacej práce sa dosiahne návrhov úsporných obehových čerpadiel s vysokou účinnosťou.
Značný úsporný potenciál predstavuje dobrá tepelná izolácia rozvodov TV a cirkulácie TV. Energetické audity a štúdie jednoznačne vykazujú, že pre rozvody TV a cirkulácie TV v Maďarsku požívaná tepelná izolácia 9–13 mm, prípadne 18 mm, je nedostatočná. Riešenie by bolo podľa nemeckých predpisov použiť tepelnú izoláciu s hrúbkou aká je dimenzia potrubia, ktorá má návratnosť do jedného roka. Na základe výskumu na TU v Budapešti na katedre TZB a tepelných pochodov naznačuje, že najúspornejší spôsob rozvodu počas životného cyklu je v riešení rúra v rúre (inneliegende Zirkulation)[3]. Na jeseň 2015 sa inštaluje takýto rozvod v jednom bytovom dome.
3. Príprava teplej vody
Optimálnu sústavu prípravy TV môžeme vybudovať ak dokonale poznáme podmienky tak na primárnej, ako aj na sekundárnej strane. V rámci energeticky úsporných opatrení snahou je držať teplotu teplonosnej látky na nižšej úrovni, aby sa obmedzili straty v primárnej rozvodnej sieti a zároveň sa využila kondenzačná technika. Na sekundárnej strane sú to hygienické požiadavky a požadovaná teplota TV. Toto protirečenie si žiada prehodnotiť zaužívaný náhľad na riešenie problematiky. V minulosti sa zaužívalo zníženie objemového prietoku v primárnej sieti a sériové zapojenie najprv vykurovania a následne príprava TV. Pri nízkych teplotách vonkajšieho vzduchu prívodné primárne potrubie malo vysoké teploty a vstupovalo do výmenníka tepla vykurovania, a potom do výmenníka na prípravu TV. V prechodnom období pri nižších teplotách primárnej teplonosnej látky sa poradie výmenníkov obrátilo najprv príprava TV a potom vykurovanie.
Prináša to značné prevádzkové problémy. Tam, kde sú takéto odovzdávacie stanice tepla (ďalej OST), tam prevádzkovatelia na prvom mieste zapájajú výmenník tepla na prípravu TV. Tým pádom odpadá zložité riešenie prepojenia výmenníkov. Výmenník tepla na vykurovanie je spravidla predimenzovaný a je schopný spoľahlivo pracovať aj s nižšími teplotami teplonosnej látky na primárnej strane. Nedostatkom tohto riešenia je, že primárnu teplonosnú látku nedokážeme vychladiť na žiadanú hodnotu, v prechodných obdobiach je teplota vratnej primárnej vody príliš vysoká. Na výmenníku tepla na prípravu TV, ktorý je zapojený ako prvý v dôsledku vysokej teploty primárnej teplonosnej látky je zvýšené nebezpečie tvorby usadenín a inkrustov.
Na obr. 3 je zobrazený priebeh teplôt na výmenníku tepla na TV pre obytný dom s 100 bytovými jednotkami, za predpokladu že v cirkulačnom potrubí prúdi stály objemový prietok vo viacerých alternatívach. V prípade odberovej špičky prietok v cirkulačnom potrubí sa zníži prípadne zastaví. Ďalší poznatok je, že primárnu teplonosnú látku neochladíme na teplotu blízkej vstupujúcej studenej pitnej vody. Vysoký objemový prietok cirkulácie 0,38 l·s–1 miesto 0,153 l·s–1 spôsobí zníženie energetického potenciálu.
Štúdie z obdobia okolo roku 2000 preukázali, že optimálnu schému zapojenia zobrazuje obr. 4. Veľký vplyv na optimálne zapojenie má pomer potrieb tepla a teplotných pomerov na sekundárnej strane. Na obr. 4 sú dva paralerne zapojené výmenníky tepla VYK a TV. Výstup z VYK je napojený na druhý výmenník, ktorý je predohrevom TV.
Predohrev a dohrev TV sú zapojené za sebou, cirkulácia je zapojená medzi nich. Hoci toto zapojenie má nesporné prevádzkové prednosti, zložitá je regulácia a vysoké sú investičné náklady v súčasných podmienkach v Maďarsku sú uprednostnené jednoduchšie verzie s nižšími investičnými nákladmi, kde sa použijú dva výmenníky jeden na VYK a druhý na prípravu TV. Pre prípravu TV sa používajú spájkované nerozoberateľné doskové výmenníky tepla.
Na sekundárnej strane prípravy TV pred rokom 1990 sa výlučne aplikovalo sériové zapojenie výmenník tepla + akumulátor (akumulačný zásobník), v súčasnosti sa používa paralerné zapojenie výmenníkov VYK a TV. Z hľadiska dimenzovania sa používajú zásobníkové ohrievače so zabudovanými ohrevnými vložkami, ktoré sú energeticky náročné. Ak máme k dispozícii odberový diagram, dimenzovanie paralerne zapojených výmenníkov je jednoduché, ale vyžaduje energetickú súvahu.
Mnoho chýb sa môže vyskytnúť pri schéme zapojenia podľa obr. 5, kde jedno čerpadlo zabezpečuje cirkuláciu TV a nabíjanie tlakového akumulačného zásobníka teplej vody. Cirkulácia je neprerušovaná, takže nabíjanie akumulačného zásobníka je dlhodobé (24 hodín a viac). Na základe súčasných moderných metód dimenzovania je objem zásobníka malý, pre 100 bytových jednotiek má objem 500 litrov – takže doba ohrevu sa znižuje na obdobie 15 až 30 minút. Na znovu nabitie zásobníka máme k dispozícii 24 hodín mínus 15 až 30 minút. Na regulačnej armatúre RV-3 sa nastaví malý objemový prietok. Výhodou tohto riešenia je, že počas prevádzkovej špičky je cirkulácia vyradená (prerušená), a do výmenníka tepla po dobu 15 až 30 minút vstupuje studená voda z verejného vodovodu.
Veľmi dôležitú úlohu zastáva regulačný ventil RV-1, pomocou ktorého sa dá nastaviť objemový prietok výmenníkom tepla, resp. s ním sa dajú korigovať projektované a prevádzkové parametre. Absencia tohto ventilu, príp. vypustenie alebo nenastavenie v okruhu spôsobuje značné prevádzkové poruchy. Absencia prípadné vypustenie alebo nenastavenie regulačného ventilu RV-3 spôsobí prerušenie cirkulácie TV cez zásobník teplej vody. Návrh cirkulačného čerpadla je najzložitejší, lebo ho volíme na plné zaťaženie na objemový prietok výmenníkom tepla a na objemový prietok cirkulačným potrubím. Dimenzovanie má mnoho úskalí, zo skúseností z prevádzok v Maďarsku by sme mohli uviesť mnohé príklady.
4. Hygienické a korozívne problémy
Do 90. rokov minulého storočia, ale aj po tomto období teplota TV bola stanovená na hodnotu +45 °C. Táto teplota nezodpovedá teplote na ochranu pred baktériami legionely – v tom období tieto poznatky neboli známe. Nízka menovitá teplota TV a nedostatočná cirkulácia vytvorili priaznivé podmienky pre baktérie legionely. Pri kontrolách sústav zásobovania TV sa zistila koncentrácia legionel 1–100 KTJ·ml–1, teda v kritickom rozpätí.
Pri nedostatočne pracujúcich sústavách zásobovania TV boli zaznamenané mnohé infekcie končiace smrťou. Kvôli technickým problémom a vysokým prevádzkovým nákladom sa tieto nedostatky neodstránili: zvýšenie menovitej teploty TV, kvalitnou tepelnou izoláciou a vyregulovaním cirkulácie TV.
Riešením nedostatkov bol náhodný odber vzoriek, náhodná chemická úprava a dočasné zvýšenie teploty TV v sústave. Z hľadiska životného cyklu tento systém je náročnejší, ale nevyžaduje jednorázovú investíciu.
Môžeme konštatovať, že zahraničné firmy pôsobiace v Maďarsku dávajú veľký dôraz na bezpečnosť a boj proti baktériám legionely, kým v domácich obytných a občianskych budovách sa tento problém rieši až potom ako dôjde k infekcii a na základe zásahu hygienického a zdravotníckeho orgánu.
Do roku 1990 materiálom potrubných rozvodov boli oceľové pozinkované rúry. Po tomto roku sa objavili na trhu medené a plastové rúry. Pozinkované rúry aj v súčasnosti dominujú, rekonštrukcie a opravy sa výlučne realizujú medenými rúrami. Pri medených cirkulačných potrubiach sa nedá dodržať zásada toku resp. (predchádzanie elektrochemickej korózie – za medeným potrubí by nemalo nasledovať pozinkované oceľové potrubie), lebo by hrozila pravdepodobnosť korózie oceľového pozinkovaného potrubí.
Po roku 2000 sa hromadne vyskytli takéto prípady. Od tohto obdobia sa traduje vo veľkej miere zabudovanie oceľových pozinkovaných potrubí s pôvodom z ďalekého východu, ktoré už behom prevádzky niekoľkých rokov vykazujú veľkú poruchovosť – miestnu bodovú koróziu. V sústavách TV z minulých období (staršie rozvody), takéto príznaky nevykazujú, aj keď príležitostne sa objavujú. Z hygienických dôvodov v súčasnosti v Maďarsku oceľové pozinkované rúry nedisponujú certifikátom s použitím nad teplotu 30 °C. Inštalácia a aplikácia oceľových pozinkovaných rúr ešte v budúcnosti prinesie v Maďarsku mnoho problémov.
Použitá literatura
- NÉMETHI, B. – SZÁNTHÓ, Z.: Measurement Study on Demand of Domestic Hot Water in Residential Buildings; Proceedings of the 2nd IASME/ WSEAS International Conference on Energy & Environment, p. 68–73.; Portorose, Slovenia, 15.–17. 5. 2007.; ISSN:1790-5095
- GARBAI, L. – JASPER, A. – MAGYAR, Z.: Probablity theory description of domestic hot water and heating demands; Energy and Buildings 75 (2014) p. 483–492 Elsevier B. V.; ISBN 978-86-85409-96-7
- SZÁNTHÓ, Z. – HARGITA, K.: Sizing methods of domestic hot water recirculation systems; Express 2015 – 7th International Symposium on Expolation of Renewable Energy Sources and Effectivness; Subotica, Serbia 19.–21. 3. 2015, pp. 65–69.
Experience from Planning and Operation of Hot Water Preparation Systems in Hungary
The article deals with the history and the present situation of the preparation and distribution of hot water in Hungarian residential houses and housing estates.
It describes hot water consumption measuring results, the method of calculating its flow, problems with circulating regulation and with steel galvanized pipes.
There are interesting connections of heat exchangers (hot water heaters) and hot water storage tanks, which are not known in the Czech Republic.
Keywords: hot water preparation, Hungary, apartment houses, consumption, measurement, flow, regulation, instantaneous water heater, storage water heater