Co přináší odstávka tepla na přípravu teplé vody v nočních hodinách?

3. září 2015

Pro posouzení energetické bilance přípravy teplé vody v bytovém domě je třeba znát nejen množství energie, která vstupuje do systému na přípravu teplé vody, ale i množství energie, která se skutečně využije při odběru teplé vody, a energie, která se ztratí v distribuci ve formě tepelných ztrát v distribučním systému.

V bytových domech dochází často k tepelným nočním útlumům na straně přípravy teplé vody. Obyvatelé domů nemají během těchto útlumů k dispozici teplou vodu, proto je třeba zjistit, jaké energetické úspory toto opatření přináší a zda je vůbec opodstatněné ho realizovat. Příspěvek srovnává tepelnou bilanci systému přípravy teplé vody ve vybraném bytovém domě během týdne bez tepelného útlumu a s tepelným útlumem.

Popis objektu

Předmětem analýzy byl bytový dům v Bratislavě (obr. 1), který má 12 nadzemních podlaží a 1 podzemní podlaží, přičemž v každém podlaží se nachází 8 bytů. V celém bytovém domě je tak celkem 96 bytů a bydlí v něm 167 obyvatel. V podzemním podlaží se nachází zrekonstruovaná odevzdávací stanice tepla (OST). Příprava teplé vody se zabezpečuje tlakově nezávislým systémem v deskovém výměníku tepla DECON s výkonem 500 kW. Systém vytápění je řešen jako tlakově závislý, když teplonosná látka jde z teplárny přímo do vytápěcích těles (obr. 2). Všechna potrubí v OST jsou kvalitně izolovaná, použit je tu zásobovací plastově-hliníkový systém Geberit Mepla. Horizontální a vertikální potrubí teplé vody a cirkulace mimo OST jsou v celém bytovém domě původní, izolované původní plstěnou izolací, která na mnoha místech chybí.

Obr. 2 Systém na přípravu teplé vody v OST

Metodika měření energetické bilance přípravy teplé vody

Experimentální měření energetické bilance přípravy teplé vody (TV) probíhalo během dvou týdnů ve dnech od 7. 4. 2014 do 20. 4. 2014 v OST bytového domu. Od 7. 4. 2014 do 14. 4. 2014 byl při přípravě teplé vody v bytovém domě spuštěn režim nočního útlumu, během něhož byl od 1.00 do 4.00 h odstaven přívod tepla do deskového výměníku tepla a v čase od 24.00 do 4.00 h byla vypnuta i cirkulace. V termínu od 15. 4. 2014 do 20. 4. 2014 probíhala dodávka tepla do výměníku na přípravu TV, jakož i cirkulace nepřerušeně.

Pro určení energetické bilance přípravy teplé vody v bytovém domě je nevyhnutelné znát: objemový průtok vytápěcí vody na primární straně, objemový průtok skutečně odebrané teplé vody, objemový průtok cirkulace, teplotu vody v přívodním potrubí na primární straně, teplotu vody ve vratném potrubí na primární straně, teplotu studené vody, teplotu teplé vody a teplotu vody v cirkulačním potrubí.
Teplota přívodní vytápěcí vody na primární straně θP se pohybovala na úrovni kolem 66 °C, teplota vratné vytápěcí vody na primární straně θV byla 45 °C, objemový průtok vytápěcí vody na primární straně V1P se pohyboval v závislosti na odběru na úrovni kolem 0,3 l/s, teplota cirkulační vody θC vstupující do systému na přípravu TV se pohybovala v závislosti na odběru TV od 40 °C do 48 °C, teplota studené vody θSV byla 11 °C, teplota teplé vody θTV vystupující po ohřevu z deskového výměníku tepla byla 50 °C.

Teplota teplé vody vystupující ze systému po ohřevu během vypnuté cirkulace a nočního útlumu byla velmi nízká, pohybovala se jen na úrovni od 25 °C do 20 °C. Objemový průtok studené vody vstupující do systému na přípravu TV (VSV) se měnil v závislosti na odběru TV od 0 do 0,25 l/s. Objemový průtok cirkulační vody vstupující do systému na přípravu TV (VC) byl kolem 0,4 l/s.

Energetická bilance přípravy teplé vody

Na základě experimentálních měření se pomocí matematické analýzy vycházející z kalorimetrické rovnice vypočítala jednotlivá množství energie v hodinových intervalech a následně na každý den.
V tab. 1 je uvedena energetická bilance systému na přípravu teplé vody v hodinových intervalech dne 7. 4. 2014. Když se srovná energie dodaná do systému na primární straně a energie potřebná na přípravu teplé vody na sekundární straně, zjistíme, že účinnost ohřevu v deskovém výměníku je u tohoto systému přibližně 95 %. V tab. 1 můžeme srovnat také velikost energie ztracené při cirkulaci a v distribučním systému teplé vody a energie potřebné na přípravu skutečně odebrané teplé vody. Z výsledků vyplývá, že čím je odběr teplé vody větší, tím je menší energetická ztráta při cirkulaci a v distribučním systému teplé vody a naopak.

Když srovnáme procentuální podíl energie ztracené při cirkulaci a v distribučním systému teplé vody a procentuální podíl energie skutečně odebrané teplé vody z energie dodané na přípravu teplé vody na sekundární straně, zjistíme, že v době největší odběrné špičky připadá kolem 80 % energie na přípravu skutečně odebrané teplé vody a 20 % na cirkulaci. Naopak, v době nízkých, resp. žádných, odběrů TV může připadnout až 100 % na energetickou ztrátu při cirkulaci a v distribučním systému teplé vody. V tab. 2 jsou uvedeny jednotlivé toky tepelné energie za den měřené během dvou týdnů. Ve dnech od 7. 4. 2014 do 14. 4. 2014 byl při přípravě teplé vody v bytovém domě spuštěn režim nočního útlumu, během něhož byl v čase od 1.00 do 4.00 h odstaven přívod tepla do deskového výměníku tepla a v čase od 24.00 do 4.00 h byla vypnuta i cirkulace. V termínu od 15. 4. 2014 do 20. 4. 2014 probíhala dodávka tepla do výměníku tepla na přípravu TV i cirkulace nepřerušeně.

Z výsledků vyplývá, že účinnost přípravy teplé vody v deskovém výměníku tepla byla po celé dva týdny kolem 95 %. V týdnu s nočním útlumem byla průměrná energie dodaná do systému na primární straně kolem 512 kWh a v týdnu bez nočního útlumu kolem 551 kWh. Procentuální denní podíl energie ztracené při cirkulaci a v distribučním systému teplé vody byl v týdnu s nočním útlumem a vypnutou cirkulací (v čase od 0.00 do 4.00 h) průměrně 34 % a 66 % energie se spotřebovalo na přípravu skutečně odebrané TV. V týdnu s nepřetržitou dodávkou tepla a nepřetržitou cirkulací byl podíl energie ztracené v distribuci 51 %, na přípravu skutečně spotřebované TV se spotřebovalo 51 % energie.

V tab. 3 je srovnání energie dodané do systému na primární straně v čase od 0.00 do 5.00 h s celkovou denní spotřebou energie dodané do systému na primární straně. Z tabulky je zřejmé, že ve dnech s nočním útlumem, kdy byla od 1.00 do 4.00 h přerušena dodávka tepla do systému na přípravu TV, se spotřebovalo do 5. hodiny ráno průměrně 5 % z celodenní spotřeby energie, zatímco ve dnech s nepřerušovaným provozem se do 5. hodiny ráno spotřebovalo průměrně 12 % z celodenní spotřeby energie. Z toho vyplývá, že tímto tříhodinovým nočním útlumem se ušetřilo 5 až 7 % celodenní spotřeby energie, což u tohoto měřeného systému představuje přibližně 50 kWh denně.

Diskuse

Experimentální měření prokázalo, že účinnost deskového výměníku u navrženého systému na přípravu teplé vody je přibližně 95 %. To potvrzuje i obecně deklarované údaje, že při průtokovém ohřevu pomocí deskových výměníků se v závislosti na jejich typu a konstrukci dosahuje účinnosti od 90 do 98 %. Využití deskového výměníku a průtokového způsobu přípravy teplé vody se tedy ukázalo jako správné a efektivní.

Experimentální měření podílů energie ztracené v distribuci TV k energii spotřebované na přípravu skutečně odebrané TV ukázalo, že s narůstajícím odběrem teplé vody klesá podíl energie ztracené v distribučním systému TV a naopak. Z toho vyplývá, že k odběrným místům je nutné vést co nejkratší a kvalitně izolovaná potrubí. U odběrných míst s velmi malým odběrem teplé vody by bylo vhodné připravovat teplou vodu průtokovým ohřevem, a to co nejblíže k odběrnému místu s cílem snížit ztráty v distribuci.

V bytovém domě byla měřena energie na přípravu TV během 2 týdnů, v jednom s nočními útlumy a v druhém bez nočních útlumů. Nevhodným řešením v tomto domě bylo, že cirkulace se vypínala už o hodinu dříve než dodávka tepla do deskového výměníku. Z hlediska úspor je správné, když je vypnutá dodávka tepla a současně i cirkulace. Když se cirkulace vypnula dřív, odběratelé měli snížený komfort odběru teplé vody už od půlnoci, čili v době, kdy bývá odběr TV ještě dost vysoký. Z měření vyplynulo, že spotřeba energie na přípravu TV se díky tříhodinovému nočnímu útlumu snížila o 5 %. Úspora spotřeby tepla o 5 % představuje v tomto případě hodnotu 50 kWh spotřebované energie za den. Uvažujeme-li průměrnou cenu tepla za 1 kWh (flexibilní složka 0,0695 €), snížení dodaného tepla denně o 50 kWh představuje úsporu 3,47 € za den. Úspora za celý rok při přerušení dodávky tepla na přípravu TV od 1.00 do 4.00 h bude u posuzovaného bytového domu 1 268,40 €. V bytovém domě se nachází 96 domácností, roční úspora na jednu domácnost tak představuje kolem 13,2 €, měsíčně je to úspora 1,1 € na domácnost.

Z uvedeného poměrně jasně vyplývá otázka, zda je efektivní mít pro úsporu 1,1 € na domácnost snížený komfort při dodávce teplé vody a místo nepřetržité dodávky teplé vody s požadovanou teplotou mít v době od 0.00 do 4.30 h teplou vodu s teplotou jen asi 20 ⁰C. V anketě, která umožnila se k této otázce vyjádřit, odpovídalo z 228 tázaných 64 %, že by chtěli mít k dispozici teplou vodu nepřetržitě, a 36 % si přálo noční útlum s cílem ušetřit finance.

Závěr

Při vyhodnocení energetické bilance systému přípravy a distribuce teplé vody v bytových domech je třeba zohlednit více parametrů. Příprava teplé vody v deskovém výměníku se podle naměřených údajů ukázala u měřeného bytového domu jako efektivní způsob přípravy. V systému je však velmi důležité zabezpečit i efektivní distribuci teplé vody, která může tvořit až 50 % tepelných ztrát. Zde je nevyhnutelné optimalizovat chod cirkulačního čerpadla a důkladně izolovat potrubí. Distribuční síť by měla být co nejkratší. V bytových domech na Slovensku je velmi diskutovaným tématem otázka, zda realizovat noční útlumy dodávky tepla a útlumy cirkulace při přípravě teplé vody. Měření prokázala, že noční útlumy skutečně šetří energií, z hlediska financí se však až tak výrazně neprojeví, přičemž zároveň snižují komfort dodávky teplé vody v nočních hodinách. Důležité je proto vyhodnotit systém přípravy a distribuce teplé vody individuálně u každého bytového domu už v rámci projektové přípravy.

Literatura
1. VALÁŠEK, J. a kol.: Zdravotnotechnické zariadenia budov. Bratislava: JAGA Group, 2005.
2. VINE, E. – DIAMOND, R. – SZYDLOWSKI, R.: Domestic Hot Water Consumption in Fourlow-in Comeapartmen Buildings. In: Energy roč. 12, č. 6, červen 1987.
3. HENDRON, R. and BURCH, J.: Development of Standardized Domestic Hot Water Event Schedules for Residential Buildings. Dostupné na http://www.osti.gov/bridge.
4. AGUILAR, C. – WHITE, D. J. – RYAN, D. L.: Domestic Water Heating and Water Heater Energy Consumption in Canada. CBEEDAC 2005-RP-02.
5. OČIPOVÁ, D. – Z. VRANAYOVÁ, Z. – ŠIKULA, O.: Experimental Analysis of a Hot Water Tank from the View Point of Microbiological Risk. 10th Rehva World Congress on Sustainable Energy Use in Buildings, 2010.
6. KOIV, T. – TOODE, A.: Calculation of Load of the DHW Heat Exchanger in Residential Buildings In: Proceedings of the Estonian Academy Engneering, roč. 6, č. 4, 2000, s. 278 – 283.
7. TOODE, A, T.: Trends in Domestic Hot Water consumption in Estonia Apartement Buildings. Proceedings of the Estonian Academy Engneering, roč. 12, č. 1, 2006, s. 72 – 80.
8. PAPAKOSTAS, K. T. – PAPAGEORGIOU, N. E. – SOTIROPOULOS, B. A.: Residential Hot Water Use Patterns in Greece. Process Equipment Design (PED) Laboratory, Energy Section, Department of Mechanical Engineering, Aristotle University of Thessaloniki, Thessaloniki, 1995.
9. STN EN 806-3 Technické podmínky na zhotovování vodovodních potrubí na pitnou vodu uvnitř budov. Část 3: Dimenzování potrubí – zjednodušená metoda, 2007.
10. STN 063020 Ohřívání užitkové vody. Navrhování a projektování. 1989.
11. Zákon č. 300/2012 Sb. z. z 18. září 2012, jímž se mění a doplňuje zákon č. 555/2005 Sb. z. o energetické hospodárnosti budov a o změně a doplnění některých zákonů ve znění pozdějších předpisů a jímž se mění a doplňuje zákon č. 50/1976 Sb. o územním plánovaní a stavebním řádu (stavební zákon).
12. Vyhláška č. 364/2012 Sb. z. MDVRR SR z 12. listopadu 2012, kterou se vykonává zákon č. 555/2005 Sb. z. o energetické hospodárnosti budov a o změně a doplnění některých zákonů ve znění pozdějších předpisů.
13. Zákon č. 321/2014 Sb. z. z 21. října 2014 o energetické efektivnosti a o změně a doplnění některých zákonů.

Text a obrázky: Ing. Zuzana Krippelová
Autorka působí na Katedře technických zařízení budov SvF STU v Bratislavě, přičemž experimentální měření, jejich výsledky a vyhodnocení použitá v článku jsou vybranou částí její dizertační práce.
Recenzovala: doc. Ing. Jana Peráčková, Ph.D.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.