Zpětné získávání tepla v oblasti přípravy teplé vody

11. srpna 2016

Partneři sekce:

Při současném trendu snižování energetické náročnosti budov ve vztahu k potřebě tepla na vytápění vystupuje stále více do popředí potřeba tepla pro přípravu teplé vody. Článek se zabývá možnostmi využití odpadního tepla z připojovacího potrubí zařizovacích předmětů domu. Popisuje základní možnosti lokální rekuperace používané především ve sprchách nebo ve sprchových koutech.

Teoretické předpoklady podporuje experimentální měření vybraného typu rekuperačního výměníku. S ohledem na hodnocení systémů rekuperace tepla bylo vyhodnocení měření vykonáno i podle standardů iPHA (International Passive House Association).

Možnosti využití odpadního tepla v odpadním potrubí

Přibližně posledních dvacet let se snaha o snížení energetické hospodárnosti budov upíná především ke snížení potřeby tepla na vytápění (například zateplení budovy, využití alternativních systémů zdrojů tepla, zpětného získávání tepla v oblasti větrání budov atd.). V souvislosti s touto snahou však roste i význam ostatních energií potřebných pro provoz domu. Tak jako je samozřejmostí dosažení tepelné pohody, ať už v zimním nebo v letním období, je samozřejmostí i zabezpečení teplé vody. Vývoj potřeb energií na vytápění a přípravu teplé vody lze ukázat na příkladu rodinného domu z roku 1995 s celkovou tepelnou ztrátou na vytápění 8,5 kW. Potřeba tepla na vytápění podle ČSN EN ISO 13 790 je přibližně 18 900 kWh/rok. Při čtyřech osobách žijících v domě a při poměrné ztrátě rozvodů teplé vody ve výšce asi 20 % je roční potřeba tepla na přípravu teplé vody přibližně 4 200 kWh/rok. Porovnání podílu potřeb energie na vytápění a teplou vodu je v grafu na obr. 1.

Obr. 1 Porovnání podílu potřeb energie na vytápění a teplou vodu

Zatímco v roce 1995 takový dům vykazoval potřebu tepla na vytápění a přípravu teplé vody na úrovni 23 100 kWh/rok, po zateplení (nejprve podle standardů nízkoenergetického domu) to bylo 14 300 kWh/rok (realizace v roce 2005). Následně v případě zateplení podle standardů pasivního domu (v roce 2015) včetně instalace nuceného větrání se zpětným využitím tepla (hZZT = 85 %) to bylo jen 7 300 kWh/rok. Potřeba teplé vody však zůstala stále stejná. Graf na obr. 1 ukazuje, jak se mění procentuální podíl potřeby tepla na vytápění a přípravu teplé vody podle výše uvedeného trendu potřeb energií.

Z pohledu potřeb energie k zabezpečení provozu domu se tak v moderních budovách dostává do popředí potřeba tepla pro zabezpečení přípravy teplé vody. Je důležité si uvědomit, že zatímco u vytápěcích soustav se využívají stále více nízkoteplotní systémy vytápění, při přípravě teplé vody jsme limitováni nejen hygienickými, ale i legislativními požadavky. Z technického hlediska je nevyhnutelné zabezpečit přípravu a návrh rozvodů teplé vody tak, aby byl splněn požadavek na teplotu vody v odběrném místě (například v umyvadlové baterii). Podle ČSN EN 806-2 nemá být při úplném otevření výtokové armatury teplota vody po uplynutí 30 s nižší než 60 °C, není-li v národních nebo místních předpisech uvedeno jinak. V ČR je teplota teplé vody vytékající z výtokové armatury stanovena ve vyhlášce MPO ČR č. 194/2007 Sb. (45 až 60 °C, krátkodobě v odběrových špičkách 45 °C), v ČSN 06 0320 (u staveb na bydlení 50 až 55 °C, opět krátkodobě min. 45 °C) a v ČSN 73 6660 (u ústřední přípravy teplé vody max. 55 °C, vyšší teplota jen u místní přípravy) [1].

V případě, že budeme počítat s teplotou studené vody tSV = 10 °C a teplotou teplé vody tTV = 55 °C, průměrnou dobou sprchování 5 až 6 minut, průměrnou teplotou vody na sprchování tMIX = 38 až 43 °C a s celkovou spotřebou vody na jednu sprchu v objemu 40 až 45 litrů (průtok míchané vody přibližně 7,5 až 9 l/min), dostaneme na základě smíchávacích rovnic potřebu energie na jednu sprchu v rozsahu Q1 = 1,3 až 1,84 kWh/sprcha. Pro srovnání – například v DIN 4708 se uvádí potřeba tepla pro sprchovou kabinu se směsnou baterií a úspornou sprchou 1,63 kWh, s normální sprchou 3,66 kWh a s luxusní sprchou 7,32 kWh. Tato energie, která je do přípravy teplé vody vložena, se obvykle už dále nevyužívá a připojovacím potrubím vnitřní kanalizace se odvádí mimo dům.

Obr. 2 Princip lokální rekuperace odpadní vody ve sprše: a) přímá rekuperace pro směsnou armaturu odběrného místa, b) rekuperace s využitím lokálního zdroje tepla pro přípravu teplé vody

Základní myšlenkou tak zůstává možnost využití rekuperace odpadní vody. V zásadě lze použít dva způsoby, a to lokální rekuperaci, nebo centrální. Lokální rekuperací je v podstatě přímé využití odpadní vody u jednotlivých zařizovacích předmětů, například u sprch (obr. 2a). Z pohledu zapojení jde o systém, v němž je rekuperační výměník přímo napojen na přívod studené vody k danému odběrnému místu a přispívá ke snížení spotřeby teplé vody ve směsné baterii a k dosažení požadované teploty na výtoku (obr. 2a). Další možností je využít nejen směsnou baterii odběrného místa, ale zapojit do okruhu rekuperace i zdroj tepla na přípravu teplé vody (obr. 2b). Nevýhodou v tomto případě je fakt, že při napojení více odběrných míst na jeden zdroj tepla na přípravu teplé vody je toto schéma složitější, přičemž je nutné vzít v úvahu i tlakové poměry v potrubí, nebudou-li odběrná místa použita současně. Podstatou však zůstává fakt, že lokální rekuperace se přímo váže na průtok vody odběrným místem se současným průtokem odpadní vody v připojovacím potrubí kanalizace, což znamená, že například při napouštění vany tento systém rekuperace nelze využít. Podobné je to i u systémů s rekuperačními výměníky instalovanými na odpadním (svislém) potrubí nebo na hlavním svodovém potrubí kanalizace.

Obr. 3 Princip centrální rekuperace s akumulací jedné bytové jednotky (domu)

Centrální rekuperace s využitím akumulační nádrže (obr. 3) nabízí v porovnání s první variantou možnost rekuperace tepla pro více zařizovacích předmětů v objektu (sprchy, vany, umyvadla, pračky, myčky nádobí apod.). Základní nevýhodou použití tohoto zařízení je nutnost rozdělit kanalizační potrubí v domě na tzv. šedou a černou vodu (podle ČSN EN 12056-2). Tzv. šedá voda je odpadní splašková voda, která neobsahuje fekálie a moč. To přináší zvýšení investice ve fázi výstavby domu a též nutnost řešit vhodnou dispozici domu s ohledem na využití tohoto systému. Konstrukční řešení akumulační nádrže musí umožňovat pravidelné čištění a vypouštění případných kalů a nečistot.

Experimentální měření sprchového výměníku

V laboratořích Ústavu techniky prostředí na ČVUT v Praze byla sestavena měřicí trať, která odpovídá standardům pro měření teplotní účinnosti a faktoru využití tepla. Postup měření a vyhodnocení první části experimentu (tzn. teplotní účinnost výměníku a hodnocení výměníku) se realizoval v souladu s požadavky iPHA (International Passive House Association) [3]. Základním hodnoticím kritériem podle PHi (Passivhaus Institut – Darmstadt) je tzv. stacionární účinnost výměníku h, která se stanoví jako

kde

Q je skutečně přenesený tepelný výkon výměníku na straně předohřevu studené vody (W),
Q_max maximálně možný přenášený tepelný výkon výměníku (W),
C_min menší z obou tepelných kapacit průtoku (W/K),
C_sv tepelná kapacita průtoku studené vody (W/K),
t_P teplota předehřáté studené vody (°C),
t_SV teplota studené vody přivedené do výměníku (°C),
t_max rozdíl teplot obou kapalin na vstupu do výměníku (K),
V_sv objemový průtok studené vody (na primární straně výměníku) (m3/s),
ρ_SV hustota studené vody (kg/m3),
c_SV měrná tepelná kapacita studené vody (J/kg . K),
t_MIX teplota odpadní vody (vystupující ze sprchové baterie = přiváděné z odpadu do výměníku) (°C).

V dokumentaci k certifikaci [3] jsou uvedeny okrajové podmínky, pod nimiž se má zkoušení rekuperačních výměníků realizovat. Standard PHi stanovuje pro vyhodnocení teplotu tMIX = 40 °C a objemový průtok VMIX = 8 l/min. Vypočítaná stacionární účinnost výměníku podle vztahu (1) se následně porovná s tab. 1, podle níž dosažená hodnota určuje klasifikaci daného výměníku. Na druhé straně si však musíme uvědomit, že teplotní účinnost výměníku není určující veličina pro stanovení dosažené úspory tepla. Vyhodnocení měření je proto vhodné vykonat na základě zákona zachování energie. Podle kalorimetrické rovnice se nejprve stanoví tepelný výkon přenášený na straně teplé vody na dosažení požadované teploty tMIX s instalovaným rekuperačním výměníkem. Ten se v případě zapojení podle obr. 2a vypočítá jako

Dále je nutné stanovit potřebný průtok teplé vody k dosažení stejné teploty tMIX za termostatickou baterií, ale bez použití rekuperačního výměníku. To je možné stanovit jako s výměníkem

bez výměníku

Průměrné sprchování trvá asi 5 až 6 minut. Za tuto dobu se ve sprše spotřebuje 40 až 45 litrů vody s teplotou od 38 do 43 °C. Počítáme-li s teplotou sprchy 40 °C a průtokem 8 l/min, lze potom podle vzorce (3) vypočítat průtok studené vody 2,67 l/min (10 °C) a průtok teplé vody 5,33 l/min (55 °C). Finanční náklady na dodávku tepla nese s sebou průtok teplé vody, je proto důležité si uvědomit, že při nasazení rekuperačního výměníku průtok teplé vody klesá, neboť roste teplota studené vody. Z poměru získaného tepelného výkonu s instalovaným rekuperačním výměníkem a bez něj se následně stanoví faktor využití tepla jako

Vyhodnocení měření rekuperačního výměníku

Pro ukázku vyhodnocení byl vybrán rekuperační sprchový výměník s označením NELA zapojený základním způsobem podle obr. 2a. Jde o jednopanelový výměník z nerezové oceli osazený v plastové vaničce (obr. 4) přímo pod sprchovou vaničkou daného odběrného místa. Výhodou tohoto rekuperačního výměníku je jeho jednoduchá konstrukce a nízká cena. Měření bylo realizováno u standardní verze výměníku, dále byla vykonána úprava umístění výměníku v plastové vaničce s ohledem na posouzení vlivu faktoru využití tepla.

Obr. 4 Rekuperační výměník NELA; zapojení v měřicí trati

Na obr. 5 je uvedena grafická závislost teplotní účinnosti výměníku NELA ve standardním vyhotovení, včetně vyhodnocení teplotní účinnosti podle vzorce (2). Pro vyhodnocení podle PHi lze z grafu vyčíst teplotní účinnost výměníku NELA η = 35,3 %. To řadí tento výrobek do hodnocení phC – certifikovaný výrobek (tab. 1). Další měření bylo vykonáno při jednoduché úpravě výšky umístění výměníku z nerezové oceli od dna plastové vaničky (pozn.: bližší informace nejsou možné z důvodu probíhající spolupráce mezi ČVUT a firmou, která vyrábí rekuperační výměník).

Obr. 5 Grafická závislost η výměníku NELA na teplotě tMIX a průtoku sprchovou hlavicí, zapojení podle obr. 2a

Výsledky, resp. změnu teplotní účinnosti lze vyčíst z obr. 6, v němž jednotlivé křivky ohraničují rozsahy účinnosti ηstacionar při teplotách tMIX od 30 až do 42 °C. Z pohledu certifikace podle PHi se touto jednoduchou úpravou zlepšila teplotní účinnost výměníku NELA z původních 35,3 % na 40,8 %, což posunulo tento výrobek do kategorie phB – základní výrobek. Na obr. 7 je uvedena grafická závislost faktoru využití tepla rekuperačního výměníku NELA ve standardním vyhotovení a po úpravě. Při objemovém průtoku VMIX = 8 l/min lze vyčíst faktor využití zpětného získávání tepla ΘZZT v rozsahu od 12,0 do 13,2 % při standardním vyhotovení a v rozsahu od 14,5 do 15,3 % po úpravě.

Obr. 6 Grafická závislost ηstacionar výměníku NELA na teplotě tMIX a průtoku sprchovou hlavicí; zapojení podle obr. 2a – porovnání vykonaných úprav na výměníku v plastové vaničce

Na základě statistických údajů a měření byla pro jednu sprchu zaznamenána spotřeba tepla 3,66 kWh (pozn.: podle DIN 4708 to odpovídá normální sprše se směsnou baterií). To při ceně 2 Kč/kWh (počítá se se situací ze zdroje CZT v ČR – 0,074 €/kWh) znamená přibližně 7 až 8 Kč/sprchu (0,26 až 0,30 €/sprchu). U rodiny se čtyřmi osobami a s průměrem 4,5 sprchy na den (víkendy více, pracovní dny 1 osoba = 1 sprcha) to za rok představuje přibližně 11 500 Kč až 13 200 Kč (425,5 až 488,4 €/rok). Cena výměníku je kolem 6 800 Kč (tedy asi 250 €). Při předpokládané úspoře v průměru 12,5 % (standardní vyhotovení rekuperačního výměníku) by byla čistá návratnost asi 4,6 až 5,3 roku. Při předpokládané úspoře v průměru 15 % by byla tato návratnost asi 3,9 až 4,5 roku. To jsou samozřejmě teoretické hodnoty, přičemž z obr. 7 je zřejmé, že návratnost závisí výrazněji na obvyklém průtoku sprchovou hlavicí VMIX než na teplotě odpadní vody tMIX (teploty vody ve sprše). Samozřejmě v závislosti na způsobu zapojení lze očekávat vyšší úsporu, například v případě zapojení předehřáté vody přímo na vstup do zdroje tepla (obr. 2b). Optimální varianta provozu i technického řešení rekuperačního výměníku bude předmětem dalšího výzkumu.

Obr. 7 Grafická závislost faktoru využití tepla ΘZZT výměníku NELA

Závěr

Je zřejmé, že pokud snižujeme energetickou náročnost budovy ve vztahu k potřebě tepla pro vytápění (například zateplení budovy, využití zpětného získávání tepla atd.), roste význam ostatních energií potřebných pro provoz domu. Do popředí zájmu tak vstupuje potřeba tepla na přípravu teplé vody, která se v závislosti na typu budovy může pohybovat v rozmezí od 50 do 70 % z celkové potřeby tepla domu. Jednou z možností, jak dále pracovat ve prospěch snižování energetické náročnosti budovy v oblasti přípravy teplé vody, je využít rekuperaci odpadní vody. Na relativně jednoduchém a levném zařízení náš článek ukázal, jaké úspory lze dosáhnout. Kromě uvedených výhod je u těchto systémů nutné zdůraznit dva zásadní problémy. V případě návrhu centrální rekuperace s možností využití odpadní vody od několika zařizovacích předmětů je nutností oddělená kanalizační síť v domě pro šedou a černou vodu. Druhým hlediskem jsou potom možné problémy s čištěním těchto rekuperačních systémů. V případě použití jednoduchého panelového výměníku jako lokálního rekuperátoru se však v praxi ověřilo, že tyto problémy jsou minimální a srovnatelné s touž potřebou čištění jako například u zápachového uzávěru sprchy.

Literatura

Vrána, J.: Nová evropská norma ČSN EN 806-2 pro navrhování vnitřních vodovodů (I). In: TZB-Info. 2005. Dostupné z: http://www.tzb-info.cz/2817-nova-evropska-norma-csn-en-806-2-pro-navrhovani-vnitrnich-vodovodu-i.
Vavřička, R.: Metody návrhu zásobníku teplé vody – 1. část. In: VVI, 2011, roč. 20, č. 3, s. 108–112.
Passivhaus Institut (PHi). Darmstadt, Germany. 2015. Dostupné z: http://www.passiv.de/downloads/03_zertifizierungskriterien_ww_wrg_de.pdf.
DIN 4708 Zentrale Wassererwärmungsanlagen, 1994; part 1 Begriffe und Berechnungsgrundlagen; part 2 Regeln zur Ermittlung des Wärmebedarfs zur Erwärmung von Trinkwasser in Wohngebäuden; part 3 Regeln zur Leistungsprüfung von Wassererwärmern für Wohngebäude.

Text: Ing. Roman Vavřička, Ph.D.
Autor působí v Ústavu techniky prostředí Strojní fakulty ČVUT v Praze.
Recenzovala: doc. Ing. Jana Peráčková, Ph.D.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.