Stratifikační akumulační zásobníky

Příprava teplé vody a vytápění budov představují asi 40 % celkové spotřeby tepelné energie. V nových budovách a ostatních stavbách se proto v současnosti musí navrhovat jen energeticky úsporné systémy podle směrnice EP a Rady č. 2010/31/EU o energetické hospodárnosti budov. Vyžaduje se projektovat a realizovat optimální řešení způsobu přípravy a distribuce teplé vody až  na odběrné místo. Pro zabezpečení maximální energetické účinnosti, snížení energetických nákladů na minimum a splnění vysokých požadavků na hygienu přípravy teplé vody se v zemích EU stále častěji navrhují vysoce efektivní systémy z obnovitelných zdrojů tepla. Jeden z nich představuje i přípravu teplé vody a vytápění prostřednictvím stratifikace v akumulačních zásobnících.

Požadavky na hygienu přípravy teplé vody

Kvalitě vody je třeba věnovat dostatečnou pozornost, tj. při jejím trvalém používání se nesmí změnit zdraví uživatelů přítomností mikroorganismů, organismů nebo látek ovlivňujících zdraví akutním, chronickým nebo pozdním působením. Kvalitativní vlastnosti vody vnímatelné smysly zároveň nemohou zabraňovat jejímu požívání. To, že pitná voda by neměla způsobovat uživateli žádné zdravotní problémy, se hodnotí podle ukazatelů kvality a jejich hygienických limitů [4].

Znečištění pitné vody a vznikající zdravotní riziko může hlavně u nemocných lidí a lidí se sníženou imunitou (např. v nemocnicích nebo léčebných objektech) zapříčinit i úmrtí postižených osob – v důsledku legionelózy. Kontaminaci vodovodních systémů bakterií Legionella zapříčiňuje teplota vody mezi 20 až 45 °C, nízký tlak vody, stagnující úseky vodovodní sítě, resp. úseky sítě s malým průtokem vody.

Akumulace organické hmoty se může zvětšovat ve vodovodních armaturách, ve slepých ramenech, neregulovaných systémech rozvodu vody a v dlouhých potrubních systémech, kde stagnuje proudění vody, kde je těžká dostupnost dezinfekční látky a též nedostatečná údržba. Velké zásobníkové ohřívače a akumulační nádrže mají také tendenci ke stagnaci vody, například při malých odběrech a velkém objemu. Živnou půdou pro Legionellu jsou biofilmy, sedimenty, kal a možné inkrusty ve spodní části ohřívačů a akumulačních nádrží.

Vrstvení tepelné energie v akumulačním zásobníku – stratifikace

Podstata ukládání tepelné energie se rozlišuje podle zvoleného fyzikálního principu. Pro zvýšení využití energie ze solárních kolektorů a jiných zdrojů tepla se využívá princip tzv. teplotní stratifikace, tj. ukládání po vrstvách, například ve stratifikačním akumulačním zásobníku. V něm dochází ke gravitačnímu rozvrstvení vody podle objemové hmotnosti vody v závislosti na její teplotě.

Způsob oběhu vody ve stratifikačních akumulačních zásobnících závisí na teplotě vytápěcích okruhů od jednotlivých zdrojů tepla, to znamená, že způsob oběhu vody závisí například na tom, zda jde o nízkoteplotní systém (40 – 60 °C) nebo vysokoteplotní systém (60 – 90 °C). Teplotní stratifikace představuje vrstvení objemu zásobníku podle teploty řízeným ukládáním tepelné energie do vrstev s touž nebo podobnou teplotou.

Chladnější a těžší voda se drží u dna, teplejší stoupá směrem nahoru, tj. voda s hustotou ρ je přiváděna vždy pod vrstvu, která má nižší hustotu. Jednotlivé teplotní vrstvy si dále udržují rozdílné teploty. Tepelná vodivost vody je nízká. Využívají se většinou vertikální akumulační zásobníky na podporu přirozeného udržení teplotních vrstev objemu zásobníku vlivem vztlakových sil.

K řízení teplotního rozvrstvení se využívají speciální samočinné stratifikační vestavěné prvky nebo regulační prvky v akumulačních zásobnících (obr. 1, 2). Trubkové prvky jsou jednoduché prvky z PVC potrubí (obr. 1a, 2a) [5]. Kuželové prvky mají tento problém vyřešený vlastní konstrukcí, tzv. přirozenou gravitační zpětnou klapkou. Odbočky tvoří velmi lehké zpětné klapky, které zabraňují změně teploty přiváděné teplé vody přisáváním vody z dolní chladnější části akumulačního zásobníku (obr. 1b, c, obr. 2b).

Obr. 1 Různé typy řízeného teplotního vrstvení teplé vody [7]
a – samočinné vrstvení pomocí plastové trubky s otvory, b – horizontální vrstvení přes kužele přesměrováním průtoku, c – horizontální vrstvení přesměrováním průtoku s gravitační zpětnou klapkou

Pro správnou funkci vrstvení tepelné energie je nutné vytvořit nejen vrstvení podle teploty, ale hlavně ji udržet s cílem, aby vrstvení tepelné energie v akumulačním zásobníku nedegradovalo. Kvalita teplotního vrstvení objemu ve stratifikačním akumulačním zásobníku bude totiž ovlivňovat provozní parametry celé soustavy. Teplotní vrstvení je ovlivňováno hlavně způsobem přívodu a odběru pracovní látky v akumulačním zásobníku.

Obr. 2 Způsoby teplotního vrstvení v zásobnících [7]
a – konvekční vrstvení teplé vody pomocí plastové trubky, b – horizontální vrstvení teplé vody přes kužele přesměrováním průtoku, c – konvekční ohřev vody

Z výše uvedeného vyplývá základní rozdíl mezi klasickým akumulačním a stratifikačním zásobníkem: v klasickém zásobníku dochází k výraznému promíchávání teplé vody v celém objemu a výstupní teplota vody nedosahuje požadovaných parametrů odběrného místa, zatímco stratifikační zásobník má vnitřní usměrňované teplotní vrstvení teplé vody stratifikačními prvky (samočinné zpětné klapky, plastové kuželovité nebo talířové regulační prvky), což umožňuje odebírat teplou vodu ze zásobníku s různou teplotou podle potřeby jejího využití.

Příprava teplé vody s využitím stratifikačního akumulačního zásobníku

Základním principem systému je vrstvení tepelné energie, která se přednostně získává z obnovitelných zdrojů energie, primárně ze solárního systému, v součinnosti s kombinací dalšího zdroje, jako například kotle na plynné palivo, příp. tepelného čerpadla nebo rekuperačního systému (obr. 3).

Obr. 3 Schéma alternativ zapojení systému na ohřev pitné vody z různých zdrojů tepla pomocí stratifikačního akumulačního zásobníku [7]
1 – tepelné čerpadlo, 2 – kotel na plynné palivo, 3 – stratifikační akumulační zásobník, 4 – solární systém, 5 – přívod studené vody, 6 – distribuce teplé vody, 7 – podlahové vytápění

Získaná tepelná energie z výše uvedených zdrojů ve formě teplé vody se v důsledku změny teploty a hustoty vody ukládá v jednotlivých vrstvách zásobníku, přičemž tyto teplotní oblasti se vzájemně nepromíchávají. Dochází k velmi rychlému ohřevu pitné vody ve velmi krátkém časovém úseku její přípravy (obr. 4).

Obr. 4 Stratifikační akumulační zásobník [7, 8]
a – schéma akumulačního zásobníku s kuželovými prvky, b – pohled dovnitř zásobníku

Výhody přípravy teplé vody ve stratifikačních akumulačních zásobnících můžeme shrnout takto:

• efektivní vrstvení a ukládání tepelné energie,
• efektivní odebírání tepelné energie na přípravu teplé vody proti standardním akumulačním ohřevům,
• zvýšení efektivnosti využití tepelné energie při kombinaci různých způsobů vytápění (např. konvekční, podlahové apod.) a přípravy teplé vody,
• kombinování s různými druhy obnovitelných zdrojů tepla (tepelné čerpadlo, solární systém a jiné) nebo jiných tepelných zdrojů,
• nejvyšší účinnost získávání tepelné energie z obnovitelných zdrojů energie,
• minimální doba ohřevu vody v porovnání s jinými zásobníkovými ohřívači TV,
• odstranění a eliminace tvorby bakterie Legionella v zásobníku na ohřev pitné vody.

Mezi nevýhody tohoto systému patří:

• náročná montáž a umístění pro prostorové nároky, velké objemy zásobníků pro velké spotřební množství teplé vody v objektu,
• potřeba dodržet prevenci filtrace vody – tvrdost vody,
• nedostatečné znalosti a zkušenosti využívání těchto systémů přípravy teplé vody u slovenské odborné veřejnosti – projekční podklady (návrh, realizace a uvedení do provozu).

Příprava teplé vody kombinací stratifikačního akumulačního zásobníku a odevzdávací stanice

Během procesu přípravy teplé vody je stratifikační akumulační zásobník zdrojem tepelné energie směrem k odevzdávací stanici, kde se připravuje teplá voda prostřednictvím průtokového ohřevu. Tento proces se uskutečňuje v momentu požadavku spotřebitele, což přináší nízké ztráty a vysoké hygienické nároky. Nikde v soustavě se teplá voda neskladuje.

Deskový výměník v odevzdávací stanici ohřívá přiváděnou studenou vodu průtokovým ohřevem bez toho, aby docházelo k přímému kontaktu s teplonosnou látkou, resp. teplou vodou ze stratifikačního akumulačního zásobníku. Jde tak o přenos tepelné energie z jednoho zdroje do druhého, který slouží k přípravě teplé vody v souladu s hygienickými a biologickými potřebami spotřebitele (obr. 5).

Obr. 5 Schéma zapojení solárního energetického systému se stratifikačním zásobníkem a jeho připojení na různá odběrová místa [7]
1 – tepelné čerpadlo, plynový kotel, 2 – stratifikační akumulační zásobník, 3 – solární systém, 4 – přívod studené vody, 5 – odevzdávací stanice/distribuce teplé vody, 6 – konvekční vytápění, 7 – podlahové vytápění

Závěr

Stratifikační akumulační systémy slouží pro různé druhy vytápění a na přípravu teplé vody ve všech typech objektů. Jejich význam narůstá při efektivním využití tepelné energie v nízkoenergetických budovách a v budovách s nulovou spotřebou energie, kde mohou sloužit pro společné využití teplé vody s různou teplotou (50 – 60 °C) na vytápění (např. podlahové, konvekční apod., 25 – 60 °C).

Nejvhodnější je kombinovat stratifikační zásobníky (tzv. stratifikátory) se solárním systémem ohřevu, případně s tepelným čerpadlem nebo kotlem. Každý objekt se musí posuzovat individuálně z hlediska požadavků na vytápění a způsob přípravy a distribuce teplé vody. Zároveň se musí zohlednit možnost využití obnovitelného zdroje energie v řešeném objektu.

Literatura
1.    Lulkovičová, O. a kol.: Progresívne systémy výstavby a vykurovania rodinných domov, Bratislava, 2011.
2.    Petráš, D. – Lulkovičová, O. – Takács, J. – Füri, B.: Obnoviteľné zdroje energie pre nízkoteplotné systémy, Bratislava, 2009.
3.    Košičanová, D. –  Vranayová, Z.: Príprava a distribúcia teplej vody, Technická univerzita v Košicích, 2009.
4.    Šašek, J.: Možnosti odstranění legionel z distribuční sítě pitné vody. roč. 9, č. 5. 2000.
5.    Matuška, T.: Zásobníky tepla s řízeným teplotním vrstvením (stratifikací). Dostupné na http://oze.tzb-info.cz/solární kolektory.
6.    STN EN 806-2 Technické podmínky na zhotovování vodovodních potrubí pro pitnou vodu uvnitř budov. Navrhování.
7.    Firemní podklady společnosti SAILER. Dostupné na www.sailer.sk.

Text: Ing. Milan Krafčík, doc. Ing. Jana Peráčková, Ph.D.
Autoři působí na Katedře TZB SvF STU v Bratislavě.
Obrázky: Ing. Milan Krafčík
Recenzovala: doc. Ing. Otília Lulkovičová, Ph.D.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB Haustechnik 1/2017.