Revoluce v rozvodech elektrické energie, teplé vody a ve spotřebičích

Návrh projektu je inovací přes půl století staré původní myšlenky nezbytnosti zvýšení napětí elektrické sítě v domácnostech při jejich vybavování stále silnějšími elektrickými spotřebiči s vyšším příkonem, kterým již tehdejší stávající elektrická síť 120 V přestávala kapacitně stačit.

Tehdy se však šlo cestou zvýšení tzv. fázového napětí (tedy toho mezi fázovým a pracovním/nulovým vodičem) ze 120 na 220 V, a nikoliv využitím tzv. sdruženého napětí (mezi fázemi, tehdy 210 V, pak 380 V, resp. nově 400 V).

Tato cesta byla velmi zdlouhavá, neboť znamenala nejen výměnu drtivé většiny spotřebičů (jen část z nich, pokud měla vstupní trafo, šla přepnout na vyšší napětí) anebo zakoupení několika transformátorů, ale i úplnou výměnu většiny instalací, která nedostačovala především z důvodů izolačních (skutečné zvýšení napětí ze 120 na 220 V), ale i kapacitních, a byla tehdy vedena většinou ve zdech nebo v oplechovaných instalačních trubkách, takže jejich výměna byla velmi komplikovaná a finančně náročná.

Tomu i odpovídala doba, po kterou byla tato změna postupně prováděna (v Praze to trvalo skoro 50 let), a proto se nikomu v současné době do podobné akce nechce – ani výrobcům, ani spotřebitelům, byť současná situace je obdobná jako před 50 lety a stávající instalace opět přestávají kapacitně vyhovovat dále se zvyšujícím příkonům nových spotřebičů (od elektrických kamínek přes automatické pračky a sušičky až k mobilním klimatizacím či průtokovým ohřívačům vody). Nedávné zvýšení napětí z 220 V na 230 V nutnost radikální změny jen oddálilo, a je proto jen dočasné.

Řešení bez zásahu do instalací

Navrhovaná řešení oproti minulému využívají tzv. sdružené napětí (400 V v Evropě, 200 V v Americe), které je už nyní přivedeno do každého domu až k elektroměru, a jen ho protahují až do spotřebičů. Toto řešení tedy nevyžaduje žádný zásah do stávající instalace a rozvodů před elektroměry, ale jen nenáročnou úpravu rozvodů za nimi, tedy v místnostech.

Ty jsou většinou provedeny v instalačních kanálech, lištách či trubkách, takže stačí k současnému třížílovému kabelu jednoduše přidat dvoužílový kabílek nebo ten stávající rovnou vyměnit za pětižílový a případně vyměnit dle potřeby stávající klasické elektrické zásuvky za nově navržené třífázové (obr. 1), které se snadno vejdou i do stávajících elektroinstalačních krabic.

Jak návrh náhrady jednofázových rozvodů třífázovými, tak i náhrada jednofázových zásuvek trojfázovými plně respektují platné ČSN pro trojfázové rozvody, které na rozdíl od ČSN pro bytové jednofázové rozvody mimo jiné například neurčují ani maximální počet zásuvek pro každý obvod, ani jejich závaznou podobu.

Úpravy spotřebičů buď nejsou potřeba žádné (při využívání napětí 230 V), nebo pro využívání sdruženého napětí 400 V stačí v některých případech jen přepojení vnitřních kontaktů (např. u elektrických trub, bojlerů, vařičů).

Do budoucna pak stačí, aby výrobci elektrických spotřebičů využili tuto možnost a vyráběli spotřebiče na obojí napětí 230/400 V s možností přepojení (ostatně většina topných tyčí či varných desek se tak již vyrábí i nyní), což pro ně neznamená žádné náklady navíc, spíše jen úspory (např. menší, levnější a úspornější motory).

Nahrazení jednofázového vedení k stávajícím zásuvkám třífázovým

Velké možnosti úspor elektrické energie jsou ve snížení ztrát v elektrických rozvodech maloodběratelů, kde se podle Joule-Lenzova zákona na ztrátové teplo přeměňuje až kolem 4 % vyrobené elektrické energie. Vyjdeme-li ze vzorce elektrické práce A = R I² t, tak vidíme, že největší vliv na tvorbu ztrát má právě velikost proudu, neboť ztráty rostou s jeho druhou mocninou.

Snížit tento proud (a s ním i ztráty) můžeme především tím, že zvýšíme napětí dle vzorce A = U I t. Velko- a středoodběratelé to vědí již dávno, a plně proto využívají velmi vysoké a vysoké napětí.

Nyní tedy jde o to, využít tuto skutečnost i v běžných budovách (např. v domácnostech, úřadech, školách, podnicích apod.) a nejít při tom bolestnou a dlouhou cestou dosavadní klasické přeměny jednofázového napětí nejdříve ze 120 V na 220 V a nedávno až na 230 V.

Snadno realizovatelnou cestou je zmiňované pouhé prodloužení třífázového rozvodu ve vnitřních rozvodech budov od elektroměrů na chodbě jen o pár metrů až do obytných místností.

Napětí mezi fázovými vodiči je 1,73 x vyšší (400 V), tedy na stejný přenášený výkon nám pak stačí 1,73x menší proud, a protože ztráty teplem podle Joule-Lenzova zákona klesají s druhou mocninou proudu, budou 1,73² = 3x nižší při stejném přenášeném výkonu.

Zde lze s výhodou využít skutečnosti, že dle platných norem musí každý byt mít nejméně 4 zásuvkové obvody (na každý obvod je možno připojit maximálně 10 zásuvek, přičemž spotřebiče s výkonem nad 2 kW jako pračka, sušička musí mít vlastní obvod), tedy je nutné od elektroměru na chodbě vést do bytu 4 svazky 3 vodičů (2 pracovní + 1 ochranný, tedy celkem 12 vodičů) minimálního průřezu 2,5 mm², což je dáno délkou vedení a s ní souvisejícím dovoleným úbytkem napětí a možnostmi jejich chlazení.

Pokud bychom ale využili výhod třífázového rozvodu, který bychom navíc zokruhovali (tzv. vedení napájené ze dvou stran), pak by stačil jediný 5žílový kabel (u třífázového obvodu není maximální počet zásuvek omezen) s vodiči o průřezu jen 1,5 mm² pro všechny zásuvky (obr. 3).

Jen úspory drahé a energeticky náročné mědi a izolace z plastu na tyto rozvody (jen 5 vodičů oproti 12 vodičům) jsou kolem 60 %! Co se komfortu týče, při původním zapojení je v každé místnosti k dispozici pouze max. 3,7 kW možného příkonu a pro celý byt pak 4 x 3,7 = 14,8 kW.

To je však pouze teoretická hodnota, protože pak by hlavní jistič musel mít hodnotu 4 x 16 = 64 A a majitel by se nedoplatil na měsíčních platbách za velikost hlavního jističe, takže hlavní jistič mívá s ohledem na soudobost možného zatížení v tomto případě maximálně 25 A, což dovoluje příkon jen 25 x 230 = 5,75 kW.

Při navrhovaném zapojení je to ale pro celý byt skoro dvojnásobně více – 11,1 kW oproti 5,75, ale navíc pro každou místnost dokonce 3krát více možného příkonu (3 x 3,7 = 11,1 kW oproti 3,7 kW)!

Další výhodou je, že při případném vypadnutí jističe či proudového chrániče stačí jen zasunout vidlici spotřebiče do jiné zásuvky v místnosti a vše opět funguje, a dokonce ani při přerušení některého z vodičů nedojde díky zokruhování k přerušení dodávky elektřiny.

Důležité rovněž je, že zatímco při původním zapojení z těch celkem 12 zásuvkových vodičů prochází proud 8 pracovními vodiči, při navrhovaném třífázovém zapojení prochází stejný proud pouze 3 fázovými vodiči (při symetrické zátěži středním vodičem žádný proud neprochází), a díky zokruhování navíc se vždy rozdělí do dvou vodičů, takže celkové energetické ztráty teplem mohou tak být při srovnatelném příkonu oproti původnímu zapojení až o 50 % nižší.

Pro uživatele nejpodstatnější informace – napětí v zásuvkách zůstává i nadále běžných 230 V, neboť vyšší fázové napětí 400  V je jen mezi fázovými vodiči v kabelu, a nikoliv v zásuvce.

A mít strach z tohoto vyššího napětí není na místě, protože abychom mohli být zasaženi tímto vyšším napětím, museli bychom nejprve stát na dokonalém izolantu, pak se chytit jedné fáze a pak i druhé fáze, což je v běžném životě zcela nereálné.

Zavedení tohoto rozvodu do praxe u nových staveb a u rekonstrukcí přitom nebrání vůbec nic – do stávajících klasických zásuvek připojíme vždy jen jednu z 3 fází (a pracovní a ochranný vodič) a postupně u dalších zásuvek střídáme fáze. Kabely příslušných menších průřezů (5 x 1,5 mm²) se všude běžně vyrábějí.

Nahrazení stávajících jednofázových zásuvek a spotřebičů novými třífázovými

Další možnosti úspor elektrické energie jsou ve snížení ztrát tentokráte v běžných elektrických spotřebičích v domácnostech. Jde zde jednak o ztráty podle Joule-Lenzova zákona v elektrických šňůrách od zásuvky ke spotřebiči a dále o ztráty teplem přímo v domácích spotřebičích.

Konkrétně např. u běžné automatické pračky se při každém praní jen v 1,5 m dlouhém přívodním kabelu ztrácí kolem 0,03 kWh elektrické energie a při vyvářce se kondukcí a konvexí (sáláním a prouděním) pračky ztrácí další minimálně 1 kWh elektrické energie (jde vlastně o nechtěná přímotopná elektrická kamínka o výkonu přes 1 kW, neboť pračka jde jen s obtížemi kvůli vysoké teplotě, vlhkosti, otřesům a stísněnému prostoru uspokojivě tepelně zaizolovat).

Přesto tyto ztráty můžeme výrazně snížit právě využitím vyššího, tzv. sdruženého napětí přivedeného až do spotřebiče, tedy třífázového přívodu (viz výše), k čemuž ale je nutná i třífázová zásuvka. Ty se zatím vyrábějí spíše pro průmyslové účely (a v domácnostech především pro spotřebiče s třífázovými motory), takže do nich nelze použít stávající vidlice běžných domácích spotřebičů.

Není ale žádný problém vyrábět nově třífázové zásuvky i pro domácnosti (tedy se sdruženým napětím 400 V), které se nejen svými rozměry a vzhledem podobají těm klasickým na běžné napětí 230 V, ale je možné do nich připojovat bez problémů i dosavadní běžné vidlice spotřebičů na 230 V.

Takové zásuvky (obr. 1) pak dokážou přenést ke spotřebiči bez problémů trojnásobný výkon (přes 11 kW), a navíc ještě s podstatně menšími ztrátami a bez nebezpečí přehřátí. Tento třífázový přívod energie až ke spotřebiči je též předpokladem pro významné úspory v samotných spotřebičích.

Vyjdeme-li opět ze vzorce elektrické práce A = R I² t, tak vidíme, že vliv na tvorbu ztrát v domácnostech má kromě velikosti proudu a odporu vodičů též čas t, po který je spotřebič v provozu. Takže snížit ztráty lze i zkrácením doby jeho provozu na nutné minimum jeho rychlejším zahřátím na požadovanou teplotu, což právě umožňuje uvedené dosažení vyššího příkonu těchto spotřebičů.

Pak bude např. pračka prát (a tím současně zbytečně topit do vzduchu) jen po poloviční dobu, stejně jako myčka nádobí či sušička prádla nebo hrnec s vodou na brambory, kávovar a podobné spotřebiče. I zde je možné jít snadno realizovatelnou cestou využití třífázového rozvodu i v rozvodech od zásuvek ke spotřebičům a v nich samotných, tedy napětí 400 V místo dosavadních 230 V.

Zavedení tohoto třífázového rozvodu do praxe u výrobců elektrických spotřebičů nic nebrání (u některých spotřebičů ho již běžně používají, viz domácí vodárny či domovní větší pračky či pece a mandly nebo elektrické trouby a varné desky) a tuto možnost jen uvítají.

Třífázové motory mají navíc oproti jednofázovým větší účinnost, a tím nižší spotřebu, a jsou navíc lehčí a jednodušší (a bez poruchových a drahých rozběhových kondenzátorů).

U menších akumulačních spotřebičů by navíc bylo možné lépe využít rozdělení pásem s nižší sazbou (na více kratších úseků), čímž by se mohla snížit jejich akumulační hmota (dokázala by se častěji a rychleji zvýšeným příkonem dostatečně nahřát).

To vše by umožnilo další velké úspory investic do akumulačních systémů, pohonů a ohřevů a s tím související další úspory energií na jejich výrobu.

Možné nevýhody zapojení teoreticky jsou: vybavovací proud pro jednofázové chrániče je 30 mA, zatímco pro třífázové je 100 mA, tedy více jak 3x vyšší, čímž se eliminuje vyšší počet fází, resp. větší délka chráněného vedení, a při zkratu sice vypadnou zpravidla všechny fáze, ale u jednofázového jištění je známou skutečností, že málokdy je ten zkrat tak malý, aby vyhodil jen nejnižší jistič, takže většinou též vypadne nadřazený jistič a s ním všechny zásuvkové a často i světelné obvody.

Zrušení přípravy a rozvodů teplé vody

Obrovský potenciál úspor se nově nachází u tolik populárních malých průtokových elektrických ohřívačů vody, které mohou mít nyní příkon jen max. 3 kW, čímž dokážou malý pramínek vody ohřát z 8 ^oC jen na 38 ^oC, což sice na opláchnutí rukou stačí, ale na sprchování, nebo dokonce na napouštění vany rozhodně ne.

Při trojnásobném příkonu 9 kW by to už žádný problém nebyl a ušetřil by se investičně i provozně nákladný dvojí rozvod vody – studené a horké, protože nyní by stačil rozvod pouze studené vody až k umyvadlu, sprše či vaně, a ta by se v případě potřeby během několika vteřin ohřála na požadovanou teplotu v potřebném množství.

A v neposlední řadě by došlo k obrovským úsporám tepelné energie, která se nyní ztrácí v bojlerech a v trubkách ve zdech bytů, domů a budov.

Masivní podpora elektromobility u občanů

A konečně realizace tohoto návrhu by silně podpořila i zavádění elektromobility pro běžné užití občany, neboť navrhovaná domácí třífázová zásuvka by umožnila jejich nabíjení třikrát rychleji, než současné domovní zásuvky, a navíc vyšší možnost využívání levnější elektřiny přes signál HDO (hromadného dálkového ovládání) v době její vyšší výroby než spotřeby, tedy když příliš svítí slunce nebo fouká vítr.

Tím by jistě došlo k vyššímu využívání především elektromobilů občany, což by dále silně omezilo emise ze spalovacích motorů.

Náklady a využití

Při nových instalacích a kompletních rekonstrukcích nejsou náklady žádné, spíše půjde o úspory na materiálu a práci (méně vodičů a s nižší cenou). Při úpravách pak jde jen o přidání vodičů nebo jejich výměnu za nový kabel, což při lištových a trubkových rozvodech je finančně i časově nenáročné.

Pro plné využití je pak vhodná ještě výměna stávajících jednofázových zásuvek za navržené třífázové, což je otázka několika minut a cca 100 Kč. Pro výrobce též nejde v mnoha případech o žádné nové úpravy (varné desky, bojlery apod.), u jiných jsou úpravy minimální.

Zde je třeba mít na paměti, že využívání třífázového rozvodu je sice především vhodné pro výkonové spotřebiče (např. tepelné – pračky, varné desky, myčky, sušičky, konvice, klimatizace apod.), ale týká se i těch s menší spotřebou (např. fény, dobíječky, rychlovarné konvice, světla apod.), které i když budou i nadále pracovat s napětím 230 V, při zapojení do třífázové sítě budou přesto přispívat k úsporám energie v rozvodech budov podobně jako ty třífázové.

Pro stavební firmy a následně uživatele bytů a domů a kanceláří či firem by pak vypuštění přípravy (bojlery, ohřívače, kotle) a rozvodů teplé vody znamenalo nejen podstatné zjednodušení výstavby, ale především investiční a provozní úspory v řádu desítek či stovek tisíců Kč na byt či dům a milionů Kč na kancelářské a provozní budovy, takže celosvětově by šlo jistě ročně o miliardy € nebo dolarů.

Závěry

Při využití navrhovaných třífázových rozvodů v budovách a třífázových přívodů ke spotřebičům s možností zvýšení jejich příkonu na trojnásobek současných možností lze celkové ztráty teplem snížit zhruba o polovinu a souhrnné úspory elektrické energie všude na světě (a zvláště pak v Americe, kde se používá napětí dokonce jen 110  V) lze s velkou dávkou jistoty odhadovat minimálně v řádu stovek TWh elektrické energie ročně.

To je opravdu obrovský potenciál úspor, který lze navíc po dohodě s výrobci poměrně jednoduše a rychle realizovat a který by umožnil okamžitě uzavřít stovky tepelných elektráren a razantně tak bez námahy snížit emise skleníkových plynů.

A minimálně 50% úspory plastů a mědi, jejichž výroba je obzvláště energeticky náročná, na bytové rozvody elektrické energie či rozvody teplé vody jsou ještě dalším bonusem navíc.

K tomu lze připočítat i nezanedbatelnou úsporu času, neboť pračka nám vypere za poloviční dobu, v myčce nádobí se voda ohřeje za třetinu doby stejně jako voda v kávovaru. A navíc by to byl další impulz pro využívání obnovitelných zdrojů elektrické energie a elektromobility.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 4/2019.