Způsoby přípravy teplé vody

Autoři se v článku věnují různým způsobům nepřímé centrální přípravy teplé vody a rozebírají výhody a nevýhody jednotlivých zapojení. Technicky vzato, nejvyšší uživatelský komfort a bezproblémový provoz přináší v článku uvedené poslední zapojení, nicméně při dnešním tlaku na snižování investičních nákladů, a to nejen technologických, ale i nákladů na obestavěný prostor, které jsou z pohledu např. developera „mrtvé“, stojí projektant před nelehkou volbou, jakou koncepci zvolit, aby byla zachována dobrá funkčnost při pokud možno kompaktních rozměrech a co nejnižších nákladech. V tom je úloha kvalitního projektu nezastupitelná a článek dává orientační vodítko k volbě způsobu vhodného zapojení.

Recenzent: Jiří Doubrava

Úvod

Ohřívače vody jsou součástí většiny kotelen a výměníkových stanic. Přípravu teplé vody můžeme rozdělit podle způsobu ohřevu na průtočnou (průtokovou), zásobníkovou nebo smíšenou (kombinace průtokového ohřívače a zásobníku) a podle umístění ohřívače na místní nebo ústřední. K ústřední přípravě patří také příprava okrsková (ústřední příprava teplé vody pro více domů), která byla často ­realizována na sídlištích stavěných před rokem 1989 a při dnešních rekonstrukcích bývá často rušena a nahrazována ústřední přípravou v jednotlivých domech. Podle energie na ohřev je možné rozdělení přípravy teplé vody na přímou, spalováním plynu, elektrickou energií apod. nebo nepřímou prostupem tepla z teplonosné látky do pitné vody přes dělicí stěnu (topnou vložku, výměník).

Tento článek se zabývá různými způsoby nepřímé ústřední přípravy teplé vody a uvádí jejich výhody a nevýhody z hlediska tepelných soustav i zdravotně technických instalací.

Průtočná příprava teplé vody

Průtočný ohřev vody se při ústřední přípravě teplé vody provádí pomocí deskového výměníku, viz obr. 1. Napojení výměníku na tepelnou soustavu lze řešit buď napojením z primární části výměníkové stanice, kde výkon výměníku je řízen pomoci regulačního ventilu. Napojení z primární části pomocí směšování je v řadě případů vyloučené s ohledem na teplotní a tlakové parametry vnější tepelné sítě. Proto se nejčastěji provádí napojení ze sekundární strany výměníkové stanice, kde je vzhledem k odlišným teplotním požadavkům ostatních napojených odběrů (otopná tělesa apod.) ohřev vody řízen směšovacím ventilem.

Pokud jsou teplotní parametry na primární straně výměníku přípravy teplé vody v průběhu celého roku nižší než teplota způsobující zarůstání výměníku, a je k dispozici dostatečný tepelný výkon, lze ve spolupráci se specialistou v oboru měření a regulace řešit přípravu teplé vody průtočným způsobem. Pravděpodobnou filozofií firem, zabývajících se vývojem regulační techniky pro průtočné aplikace, je takové technologické uspořádání, řešení algoritmů a hlavně volba příslušných komponent, které umožní vlastně v předstihu reagovat na značné a velice rychlé změny požadovaného tepelného výkonu pro ohřev vody průtočným způsobem. Některé systémy měření a regulace však na rychlé změny požadovaného tepelného výkonu reagovat nedokážou, a to bývá příčinou kolísání teploty teplé vody na výstupu z výměníku.

Výhodou průtočného ohřevu vody je minimalizace nákladů (odpadá zásobník a nabíjecí čerpadla), vhodnost pro použití do kompaktních výměníkových stanic, minimalizace podmínek pro množení bakterií. Využití bude zřejmě v oblasti malých výměníkových stanic.

Nevýhodou je tlaková ztráta výměníku, která je součástí tlakových ztrát potrubí pro rozvod a cirkulaci teplé vody. Při nevhodném dimenzování výměníku může jeho tlaková ztráta způsobit velký pokles přetlaku teplé vody před směšovací baterií. Přetlak teplé vody je potom při špičkových průtocích před směšovací baterií výrazně nižší než přetlak vody studené, a protože jsou špičkové průtoky krátkodobé, přetlak teplé vody výrazně kolísá, což se projevuje kolísáním teploty vody na výtoku ze směšovací baterie. Rovněž může při tomto způsobu ohřevu při špičkových odběrech teplé vody a nevhodně zvolené velikosti výměníku tepla dojít k uzavření zpětné armatury u cirkulačního čerpadla, které je způsobeno rozdílem přetlaků studené a teplé vody (z důvodu tlakové ztráty výměníku tepla může mít teplá voda výrazně nižší přetlak než voda studená). Uzavření zpětné armatury způsobí zastavení průtoku cirkulačním čerpadlem, což může vyvolat jeho poruchu. Výměník je proto nutno dimenzovat na odběrovou špičku (průtok teplé vody, výkon potřebný pro ohřev vody) včetně všech dopadů na tepelné sítě a zdroje tepla. Stanovení výpočtového průtoku pro určení tlakové ztráty výměníku by se mělo provést podle ČSN 75 5455. Takto stanovený průtok však převyšuje skutečné hodnoty špičkových průtoků, proto není vhodný pro výpočet výkonu výměníku. ČSN 75 5455 totiž předpokládá extrémní stav, kterým je zásobování všech směšovacích baterií buď pouze teplou vodou, nebo pouze studenou vodou. Výkon výměníku by měl být stanoven na menší průtok buď podle ČSN 06 0320, nebo v bytových domech na výpočtový průtok Q_D [l·s^–1] přepočtený ze součtu jmenovitých výtoků SQ_A [l·s^–1] (viz tab. 1) podle vztahu:

Tab. 1 • Hodnoty jmenovitých výtoků SA teplé vody pro odběrná místa pro výpočet podle vztahu (1)

Vztah (1) je platný pro SQ_A od 0,3 do 60 l·s^–1 a bude i nadále ověřován měřením na dalších bytových domech. Na tomto místě upozorňujeme čtenáře na chybný koeficient uvedený v lit. [1], kde je vztah (1) uveden s koeficientem 0,357. 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 = 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.

Zajímavý je výpočet průtoku průtokovým ohřívačem v bytových domech uvedený ve starší rakouské literatuře [2], kde se výpočtový průtok Q_D [l·min^–1] stanoví podle vztahu:

kde je

• q – potřeba teplé vody v l·min^–1 na jednoho obyvatele;
• n – počet obyvatel zásobovaných teplou vodou z ohřívače.

Potřebu teplé vody se doporučuje uvažovat podle vybavení bytů q = 8 až 12 l·min^–1 na obyvatele. Při vybavení bytů běžnými vanami je možné uvažovat průměrnou hodnotu q = 10 l·min^–1 na obyvatele.

Výpočtové průtoky stanovené podle vztahů (1) a (2) se však od sebe příliš neliší a odpovídají změřeným hodnotám průtoků v potrubí uvedeným v [1]. Při porovnání se změřenými hodnotami byla ve vztahu (2) uvažována potřeba teplé vody 10 l·min^–1 na obyvatele.

U průtočného ohřevu je problematické také měření spotřeby tepla z důvodu velkého rozsahu příkonu pro ohřev vody od hodnot blížících se 0 až po max. příkon potřebný pro průtočný ohřev. Rovněž při dvousložkové sazbě za teplo je z důvodu vysokého příkonu výměníku nutné sjednat vysoký tepelný příkon (tzv. sjednaný příkon), který je příčinou vysoké platby za teplo.

Průtočná příprava teplé vody se zásobníkem otopné vody

V poslední době se v zahraničí z hygienických důvodů průtočná příprava teplé vody propaguje, protože je při ní výrazně omezen výskyt bakterií Legionella. Také na našem trhu začínají být nabízena zařízení tvořená průtokovým ohřívačem (deskovým výměníkem), oběhovým čerpadlem otopné vody a systémem měření a regulace. Teplonosnou látkou potřebnou k ohřevu vody je otopná voda odebíraná ze zásobníku na primární straně výměníku, viz obr. 2. Pro ohřátí otopné vody v zásobníku mohou být využívány různé zdroje tepla, jako kondenzační kotel, kotel na dřevo, tepelné čerpadlo nebo horká voda z tepelné sítě. Jako doplňkový zdroj tepla se mohou ideálně využít solární kolektory nebo přebytečné teplo z technologie. V zařízení s průtokovým ohřívačem je instalováno průtokové nebo teplotní čidlo (mikroprocesorová regulace). Pokud tato čidla zareagují, čerpá oběhové čerpadlo otopnou vodu z horní části zásobníku otopné vody přes deskový výměník. Zpětné potrubí otopné vody je zaústěno do spodní části zásobníku otopné vody. U některých typů se zpětné potrubí zaúsťuje do dvou míst zásobníku a opatřuje trojcestnou armaturou. Při odběru teplé vody proudí otopná voda ke dnu zásobníku. Pokud není teplá voda odebírána a proudí pouze cirkulací, proudí otopná voda do spodní třetiny zásobníku. S tímto novým řešením průtočné přípravy teplé vody však zatím u nás nejsou žádné zkušenosti. Díky akumulaci na primární straně je částečně eliminován požadavek na max. příkon proti průtočné přípravě teplé vody. I u tohoto způsobu ohřevu je však třeba výměník správně dimenzovat, aby jeho tlaková ztráta nebyla při výpočtovém průtoku příliš vysoká. Nutné je tedy mít přesné informace o tlakové ztrátě výměníku (např. graf závislosti tlakové ztráty na průtoku výměníkem). Tlakové a teplotní parametry otopné vody jsou naprosto zásadní pro to, zda je možno případně tento způsob ohřevu vody použít.

Průtočná příprava teplé vody s vyrovnávacím zásobníkem jako rozšířené potrubí

Pro tento způsob průtočného ohřevu vody, viz obr. 3, platí z hlediska zapojení primární strany deskového výměníku pro ohřev vody shodné požadavky jako pro přímý průtočný ohřev. Malý zásobník o objemu do 200 l (u nejvýkonnějších zařízení), zapojený sériově do rozvodného potrubí teplé vody, slouží v podstatě k eliminaci toho, co sy­stém měření a regulace není schopen zvládnout, a to udržet stabilní výstupní teplotu vody za výměníkem při krátkodobých odběrových špičkách. Díky malému zásobníku, kde dochází k mísení chladnější vody, která proudí z výměníku při krátkodobé odběrové špičce s teplou vodou, je zabráněno tvoření tzv. „špuntů“ teplé či chladné vody v rozvodném potrubí teplé vody, které by se mohly dostat až ke směšovací baterii. Zároveň u tohoto zapojení většinou nedochází k překročení teploty za zásobníkem, v jehož důsledku by čidlo přehřátí způsobilo odstavení přívodu tepla do výměníku.

Výhodou průtočného ohřevu vody se sériově řazeným zásobníkem jsou příznivé pořizovací náklady, vhodnost pro použití do kompaktních výměníkových stanic, omezení podmínek pro množení bakterií. Zařízení lze využít i pro velké výkony potřebné k ohřevu vody.

Nevýhodou je tlaková ztráta výměníku, která je součástí tlakových ztrát potrubí pro rozvod a cirkulaci teplé vody. Při nevhodném dimenzování výměníku může jeho tlaková ztráta způsobit velký pokles přetlaku teplé vody před směšovací baterií. Přetlak teplé vody je potom při špičkových průtocích před směšovací baterií výrazně nižší než přetlak vody studené, a protože jsou špičkové průtoky krátkodobé, přetlak teplé vody výrazně kolísá, což se projevuje kolísáním teploty vody na výtoku ze směšovací baterie. Např. v jednom dvanáctipodlažním bytovém domě byly při tomto způsobu ohřevu vody zjištěny poklesy přetlaku teplé vody až o 125 kPa. Výměník je i u tohoto zapojení nutno dimenzovat na odběrnou špičku včetně všech dopadů na tepelné sítě a zdroje tepla, jelikož zásobník za výměníkem může vyrovnat jen krátkodobý průtok chladnější vody v odběrné špičce. Rovněž měření spotřeby tepla je problematické. Dále vzhledem k tomu, že je směšována cirkulace se studenou vodou, nelze pro návrh velikosti výměníku brát teplotu vstupní vody do sekundární strany výměníku 10 °C a výměník tak bude vycházet větší, zvláště při předimenzovaných cirkulačních čerpadlech. Dále docházelo při tomto způsobu zapojení k poruše cirkulačních čerpadel. Tento jev byl vysvětlován tak, že v době špičkového odběru teplé vody byl, díky tlakové ztrátě sekundární strany výměníku, přetlak teplé vody oproti tlaku studené vody o tolik nižší, že došlo k uzavření zpětného ventilu u cirkulačního čerpadla a k přerušení průtoku cirkulací, které v důsledku vedlo až k následnému spálení cirkulačního čerpadla. Tento jev lze eliminovat takovým návrhem výměníku, který bude mít i při špičkových odběrech teplé vody tlakovou ztrátu sekundární strany v rozumné výši, a to nižší, než je dopravní výška použitého cirkulačního čerpadla. Další nevýhodou je nemožnost odkalení některých typů zásobníků (viz obr. 3).

V praxi jsme se setkali i s kuriózním zapojením zásobníku v místě spojení přívodního potrubí studené vody a cirkulačního potrubí teplé vody před výměníkem. Takové zapojení ovšem nemá oproti průtočnému ohřevu žádné výhody.

Zásobníková příprava teplé vody ve stojatých či ležatých zásobníkových ohřívačích

Ohřev vody v zásobníkových ohřívačích patří k nejstarším a tradičním řešením přípravy teplé vody. Dnes se používají především stojaté zásobníkové ohřívače s topnou vložkou, viz obr. 4, umístěnou tak, aby byl jejich mrtvý prostor (studená voda pod topnou vložkou) omezen na minimum (15 % objemu zásobníku) nebo zásobníkové ohřívače tvořené zásobníkem teplé vody umístěným v zásobníku otopné vody (typ nádoba v nádobě), viz obr. 5. Oproti průtočnému ohřevu je výhodou zásobníkového ohřevu menší výkon potřebný k ohřevu vody, protože odběrové špičky jsou kryty objemem ohřáté vody v zásobníku. Další výhodou zásobníkových ohřívačů je jednoduché a vesměs bezproblémové řízení ohřevu systémem měření a regulace. U zásobníků typu nádoba v nádobě je však nutné regulovat výstupní teplotu teplé vody mísením s vodou studenou pomocí termostatické směšovací armatury, protože při umístění teplotního čidla níže než u vrcholu zásobníku může teplota teplé vody v horní části zásobníku překročit nastavenou nejvyšší teplotu. Tlaková ztráta zásobníkového ohřívače je malá, a proto je přetlak teplé i studené vody před směšovací baterií téměř stejný.

Důvody, pro které bývá od tohoto způsobu ohřevu vody upouštěno, jsou poměrně vysoké ceny zásobníkových ohřívačů, relativně nízký výkon jejich topných vložek a dále možnost množení bakterií Legionella, zejména v předimenzovaných zásobnících. Proto je nutné zásobníkové ohřívače dimenzovat optimálně, např. podle zásad uvedených v článku [1]. Rovněž prostor potřebný pro zásobníkové ohřívače je značně větší než při použití např. deskového výměníku se zásobníkem.

Pokud má být rozhodnuto o tomto způsobu přípravy teplé vody, je nutno z projekčních podkladů zásobníkových ohřívačů zjistit, jaká maximální teplota otopné vody je přípustná a tomuto požadavku uzpůsobit napojení topné vložky ohřívače.

Smíšená příprava teplé vody

Smíšený ohřev vody spočívá v kombinaci průtočného ohřívače a zásobníku teplé vody. Průtočný ohřívač tvořený deskovým výměníkem je zapojen v obtoku zásobníku, viz obr. 6. Tento ohřev má výhody zásobníkového ohřevu vody, což znamená, že odběrové špičky jsou kryty akumulačním objemem zásobníku. Díky oddělenému výměníku pro ohřev vody lze toto zařízení na rozdíl od zásobníkových ohřívačů, u kterých je výkon topné vložky limitován, v podstatě navrhnout a provozovat na značný tepelný výkon převyšující až řádově výkony topných vložek v zásobníkových ohřívačích. Díky tomuto efektu vychází akumulační objem zásobníku podstatně menší než u zásobníkových ohřívačů. Rovněž u tohoto způsobu ohřevu vody dochází k výrazně vyššímu vychlazení otopné vody, než u zásobníkových ohřívačů s topnou vložkou.

Další výhodou tohoto zapojení je to, že přetlak teplé i studené vody před směšovacími bateriemi je přibližně na stejné výši, protože tlaková ztráta při průtoku vody zásobníkem je malá. Při umístění výměníku v obtoku zásobníku nemůže tlaková ztráta výměníku ovlivnit tlakové ztráty rozvodu teplé vody. U tohoto způsobu zapojení lze při návrhu výměníku počítat s teplotou studené vody, což ve svém důsledku způsobí nejvyšší možné vychlazení zpátečky primární strany. Podmínky pro návrh výměníku jsou přesně definovány, protože nabíjení probíhá pomoci nabíjecího čerpadla s konstantním průtokem. Neméně významným dopadem tohoto způsobu zapojení je to, že nabíjení probíhá vždy s plným tepelným výkonem prakticky po celou dobu cyklu nabíjení a naopak při nabitém zásobníku není výměník v provozu. Toto má zásadní dopad na měření patním měřidlem tepla, u kterého je vyloučeno, aby pracovalo mimo svůj rozsah měření.

Jedinou známou nevýhodou tohoto způsobu přípravy teplé vody jsou dvě oběhová čerpadla (cirkulační na cirkulačním potrubí a nabíjecí v okruhu výměníku), která mohou být zdrojem poruch.

Pokud je však při výběru komponent tato skutečnost brána v úvahu a jsou voleny kvalitní a osvědčené typy, je tento nedostatek do značné míry eliminován. Obtokové potrubí vedoucí vodu přes výměník má být napojeno co nejníže u dna zásobníku nebo přímo na přívod studené vody a na horní část zásobníku. Při napojení obtokového potrubí přímo na výstupní potrubí teplé vody ze zásobníku může pomalý náběh výkonu výměníku (při pomalé reakci systému měření a regulace) způsobit snížení teploty teplé vody ve výstupním potrubí, protože po určitou dobu může z výměníku téct chladnější, nebo dokonce studená voda.

Ohřev vody je většinou řešen pomoci deskového výměníku s tím, že výstupní teplota teplé vody je řízena pomoci třícestného ventilu s konstantním průtokem otopné vody na primární straně výměníku s možností omezení teploty přívodní otopné vody do 70 °C a tím vytvoření ochrany proti zarůstání sekundární strany výměníku. Pro vyrovnání požadavku na odběr teplé vody je použito zásobníku. Volbou vzájemného poměru příkonu na ohřev vody, objemu zásobníku a plného či částečného upřednostnění ohřevu vody lze docílit stavu, kdy koncový odběr tepla není zatížen nárůstem výkonu potřebného právě pro přípravu teplé vody. Řídicí automatika (většinou volně programovatelná centrála) zajišťuje pomoci čidel v zásobníku neustále jeho cyklické dobíjení teplou vodou a zásobník po nabití neobsahuje mrtvý prostor se studenou vodou. Dále je do zásobníku zaústěno cirkulační potrubí teplé vody s vlastním oběhovým čerpadlem. Havárie, což je v tomto případě překročení teploty teplé vody nad 65 °C, je indikována čidlem v horní části zásobníku či na výstupním potrubí teplé vody a na základě jejího překročení je provedeno vypnutí jak oběhového čerpadla nabíjení zásobníku, tak i oběhového čerpadla otopné vody na primární straně výměníku.

Tento způsob přípravy teplé vody je provozně vyzkoušen a ověřen jako velice stabilní a bezproblémový z hlediska systému měření a regulace. V současné době je tímto způsobem úspěšně ohřívána voda v bytové výstavbě, plaveckých bazénech, lázních, hotelech, ubytovnách, školách, apod. Ve všech těchto aplikacích je i při rozdílných nárocích na provoz přípravy teplé vody vyplývajících z druhu objektu provoz bezproblémový a spolehlivý.

Tlakové a teplotní parametry teplonosné látky

Tlakové a zvláště teplotní parametry teplonosné látky v průběhu celého roku rozhodují spolu s typem výměníku a jeho necitlivostí k zarůstání při kvalitě studené vody v dané lokalitě o způsobu jeho zapojení. Pokud teplota otopné vody na primární straně výměníku překračuje hodnotu určenou jeho výrobcem, je nutno její teplotní parametry upravit, a to nejčastěji směšováním. Z tohoto vyplývá, že přímé napojení deskového výměníku tepla pro přípravu teplé vody např. na horkovodní síť a řízení výkonu škrcením (dvoucestným ventilem) je vyloučené. Např. u deskových výměníků Alfa-Laval výrobce doporučuje nepřekračovat při ohřevu vody teplotu na primární straně výměníku 80 °C, při vyšší tvrdosti studené vody je vhodnější nepřekračovat teplotu 65 až 70 °C vyjma případného jednorázového přehřátí teplé vody za účelem termické dezinfekce. Dvoucestných ventilů lze použít bez nebezpečí zarůstání výměníků jen tam, kde jsou parametry primární strany nižší, než výrobce výměníku povoluje.

K termické dezinfekci je třeba uvést, že její účinnost je problematická, protože vydezinfikování celého rozvodu teplé vody vyžaduje, aby se teplá voda o vyšší teplotě dostala do všech jeho částí, tedy i do všech potrubí, která nejsou součástí cirkulačních okruhů. Při termické dezinfekci je tedy nutný postupný odběr teplé vody o vyšší teplotě u všech výtokových armatur, což může být při velkém počtu odběrných míst nemožné.

Závěr

O přípravě teplé vody by mohlo být napsáno daleko více. Protože rozsah článku v časopise je omezen, bylo provedeno porovnání různých způsobů ohřevu vody z hlediska vlivu na tepelné soustavy a zdravotně technické instalace a uvedena úskalí jednotlivých způsobů ohřevu. Speciální případy ohřevu vody a málo obvyklé typy ohřívačů nejsou zmíněny. Článek není vyčerpávající také vzhledem k tomu, že problematice přípravy teplé vody byly v časopise Topenářství instalace v nedávné minulosti věnovány i jiné články. Veškeré obrázkové přílohy, vztahující se k tomuto příspěvku, jsou předkládány pouze jako schémata zapojení, z nichž je zřejmý princip ohřevu vody.

Literatura

1. VRÁNA, J.; JAROŇ, Z.; KUCHARIK, M.: Dimenzování ohřívačů vody. Topenářství instalace, 2017, č. 7, s. 36–41.
2. BRÜNNER, H.: Der Zentralheizungs­bauer. Wien, Bohmann Verlag 1981.
3. DOUBRAVA, J. a kol.: Regulace ve vytápění. Sešit projektanta 6. Praha, STP 2000. 155 s.
4. ČSN 06 0320 Tepelné soustavy v budovách – Příprava teplé vody – Navrhování a projektování.
5. ČSN 75 5455 Výpočet vnitřních vodovodů.

---

Hot water preparing method

The authors devote themselves to different ways of indirect central hot water preparation and discuss the advantages and disadvantages of individual connections. Technically speaking, the highest user comfort and trouble-free operation brings the last mentioned method, but with today’s pressure to decrease investment costs (not just technological) in mind, the designer faces the difficult choice of the concept to choose from to maintain good functionality with the most compact dimensions possible and lowest cost. In this, the role of a project quality is irreplaceable and the article provides an indicative guide to choose the right way of connection.

Keywords: hot water preparation, central hot water preparation, regulation of hot water preparation