Hydraulicko-teplotné vyváženie cirkulačných sústav teplej vody
Od 1. januára 2009 platí na Slovensku zákon o efektívnosti pri používaní energie (zákon o energetickej efektívnosti) č. 476/2008 Z. z., ktorým sa ukladajú povinnosti pri spotrebe energie v budovách. Okrem iného je podľa tohto zákona vlastník veľkej budovy s centrálnou prípravou teplej vody povinný zabezpečiť a udržiavať hydraulicky vyregulované rozvody teplej vody. Čo to znamená pre vlastníkov budov a ostatných účastníkov distribúcie tepla? Aký zmysel má toto opatrenie?
Na ilustráciu možno uviesť príklad: Konečný spotrebiteľ potrebuje pripraviť 100 litrov vody s teplotou 37 °C. Ak je v mieste spotreby (na výtoku teplej vody v byte) k dispozícii teplá voda s teplotou 45 °C (najnižšia dovolená teplota podľa vyhlášky MH SR č. 152/2005 Z. z.), potrebuje 75 litrov teplej vody a 25 litrov studenej vody. Ak má k dispozícii teplú vodu s teplotou 55 °C (najvyššia dovolená teplota podľa vyhlášky MH SR č. 152/2005 Z. z.), potrebuje 57 litrov teplej vody a 42 litrov studenej vody, to znamená o 24 % teplej vody menej. Ak má k dispozícii teplú vodu s teplotou len 37 °C (v dôsledku nedostatočnej funkčnosti distribučnej sústavy), potrebuje 100 litrov teplej vody a žiadnu studenú vodu, to znamená o 33 % teplej vody viac.
Ako ukazuje príklad a graf na obr. 1, na to, aby rozpočítanie nákladov na prípravu a distribúciu teplej vody bolo korektné, nestačí splniť podmienku vyhlášky č. 152/2005 Z. z. o požadovaných teplotách od 45 do 55°C. 24-percentný rozdiel v platbách za odobratie teplej vody s rovnakým tepelným obsahom je príliš veľký. Preto treba zabezpečiť čo najväčšiu vyrovnanosť teplôt teplej vody pre všetkých konečných spotrebiteľov v okruhu tepelného zdroja.
Obr. 1: Spotreba teplej vody v závislosti od jej teploty
Cirkulačná sústava
Teplá voda podlieha na trase medzi zdrojom a miestom spotreby chladnutiu. Rýchlosť chladnutia závisí od tepelných izolácií potrubných úsekov a od rýchlosti prúdenia vody v potrubí. Chladnutie je tým rýchlejšie, čím je rýchlosť prúdenia vody v potrubí nižšia.
Zariadením, ktorého cieľom je zabezpečiť dostatočnú teplotu TV počas jej dodávky, je cirkulačná sústava. Je to sústava potrubí, spravidla vedených súbežne s prívodnými potrubiami teplej vody, ktoré sú s prívodnou sústavou spojené v koncových bodoch, obyčajne na vrcholoch stúpacích potrubí teplej vody. Úlohou cirkulačnej sústavy je odvádzať chladnúcu vodu z prívodného potrubia na opätovné dohriatie do zdroja TV a udržiavaním vody v pohybe brániť jej nadmernému vychladnutiu v prívodnom potrubí. Obeh vody zabezpečuje cirkulačné čerpadlo v mieste prípravy teplej vody.
Samotná existencia cirkulačnej sústavy a chod cirkulačného čerpadla na udržiavanie požadovanej teploty v rozvodoch nestačí. Voda sa v cirkulačnej sústave musí pohybovať – a jej prietoky v každom úseku musia zodpovedať požiadavkám na zabezpečenie rovnakej teploty v celej rozvodnej sústave.
Obr. 2: Cirkulačná sústava
Nevyrovnanosť teplôt
Napriek tomu, že prakticky všetky domy s centralizovanou prípravou teplej vody sú vybavené cirkulačnou sústavou, vyskytujú sa v rozvodných sústavách teplej vody veľké teplotné rozdiely (charakteristický príklad je na obr. 3). Zatiaľ čo stabilita teploty TV je veľmi dobrá v blízkosti tepelného zdroja, vo vzdialenejších objektoch a ich koncových častiach je teplota TV nevyhovujúca. Teplota v priebehu dňa padá až na úroveň 20 °C, vyššia teplota sa dosahuje len počas odberových špičiek a za cenu vypúšťania desiatok až stoviek litrov vychladnutej vody do kanalizácie. Zvýšenie teploty na výtoku až po vypustení väčšieho množstva chladnej vody z potrubia TV – to sú príznaky charakteristické pre nefunkčnú cirkuláciu TV.
Obr. 3: Priebeh teplôt v rozvodnej sústave TV s nevyváženou cirkuláciou
Čo je príčinou nevyrovnanosti teplôt? Je to neusmernenie cirkulačných prietokov v cirkulačnej sústave. Voda tečie cestou menšieho odporu, podstatná časť cirkulačného prietoku vyvinutého cirkulačným čerpadlom preteká cez objekty a ich stúpacie potrubia v blízkosti zdroja a vo vzdialenejších častiach rozvodnej sústavy je cirkulačný prietok buď nedostatočný, alebo žiadny. Cirkulačná sústava teda neplní účel, na ktorý je vybudovaná.
Nefunkčnosť cirkulačných sústav nie je novovzniknutým javom. Jej prvotnou príčinou sú už samotné princípy projektovania cirkulačných sústav TV v čase ich vzniku. Rozvodné sústavy TV majú plniť dve funkcie:
- transport vody zo zdroja TV do miest odberu prívodným potrubím,
- udržiavanie stálej teploty TV cirkuláciou a odvádzanie chladnúcej vody na opätovný dohrev do zdroja.
Spôsob dimenzovania, žiaľ, zohľadnil len prvú z uvedených funkcií (transport vody). Dimenzie cirkulačných potrubí vôbec nezohľadňujú rozdelenie cirkulačných prietokov potrebných na udržanie požadovaných teplôt TV: cirkulačné prietoky sa nepočítali alebo nenavrhovali podľa cirkulačných prietokov, ale odvodením od dimenzií prívodného potrubia TV – spravidla o dve dimenzie tenšie.
To, že pri prefabrikovanej výrobe a montáži bytových jadier sa montovali všetky stúpacie potrubia rovnaké, by neprekážalo, keby boli v sústavách inštalované vyvažovacie prvky – žiaľ, v cirkulačných sústavách sa nemontovali žiadne prvky na usmernenie cirkulačných prietokov. Následkom toho sa voda v cirkulačných potrubiach pohybuje cestou menšieho odporu: najväčšie cirkulačné prietoky sú v blízkosti zdroja TV a so vzrastajúcou vzdialenosťou od zdroja sa znižujú až na nulu. To znamená, že voda necirkuluje tam, kde je to potrebné, ale predovšetkým tam, kde je to zbytočné. Vo vzdialenejších častiach rozvodných sústav sa prijateľná teplota TV udržiava nie cirkuláciou, ale vplyvom odberu a odpúšťania vychladnutej vody. V koncových častiach je vplyv odberu vody na udržanie teploty TV nedostatočný a na dosiahnutie prijateľnej teploty je potrebné vypúšťanie veľkého množstva vychladnutej vody.
Takto sa v minulosti budovali všetky cirkulačné sústavy. V čase nízkych cien energií, keď spotreba teplej vody v bytoch nebola meraná, sa táto nefunkčnosť čiastočne zakrývala vysokým odberom TV a užívateľom okrem zníženia komfortu nutným vypúšťaním chladnej vody neprinášala priame ekonomické straty. Samozrejme, situácia sa zmenila po zavedení merania spotreby teplej vody.
Hydraulické vyregulovanie
Usmernenie prietokov sa nazýva hydraulickým vyregulovaním alebo hydraulickým vyvážením. Vzhľadom na skutočnosť, že pri vyvažovaní cirkulačných sústav teplej vody nie je konečným cieľom nastavenie prietokov, ale dosiahnutie vyrovnanosti teplôt v sústave, a tomuto cieľu treba podriadiť nastavenie prietokov, pre toto vyváženie je vhodné používať termín hydraulicko-teplotné vyváženie. Porovnanie priebehu teplôt v nevyváženej sústave TV a v hydraulicko-teplotne vyváženej sústave je zobrazené na obr. 4, priebeh teplôt v rozvodnej sústave TV po hydraulicko-teplotnom vyvážení cirkulácie je na obr. 5.
Obr. 4: Rozloženie teplôt v nevyváženej sústave TV, rozloženie teplôt v hydraulicko-teplotne vyváženej sústave TV
Obr. 5: Priebeh teplôt v rozvodnej sústave TV po hydraulicko-teplotnom vyvážení cirkulácie
Úlohou cirkulácie je udržiavať v celej rozvodnej sústave rovnakú teplotu tak, aby sa na vrcholoch všetkých stúpacích potrubí od začiatku po koniec rozvodnej sústavy udržiavala rovnaká teplota TV. Voda podlieha v potrubiach chladnutiu – a to tým viac, čím je potrubie dlhšie. To znamená, že na udržanie rovnakých teplôt v stúpacích potrubiach, sú postačujúce nízke cirkulačné prietoky v blízkosti zdroja TV, ale v koncových častiach musia byť cirkulačné prietoky vysoké. Hydraulicko-teplotne vyváženou sústavou je taká cirkulačná sústava, v ktorej sa cirkuláciou udržiavajú rovnaké teploty TV na vrcholoch stúpacích potrubí. Ak teda na vrcholoch stúpacích potrubí vstupuje do cirkulačných potrubí voda s rovnakou teplotou a v cirkulačnom potrubí podlieha ďalšiemu chladnutiu, teplota v cirkulačnom potrubí by mala byť vždy nižšia, ako teploty na vrcholoch stúpacích potrubí. Teplota cirkulačného potrubia sa teda môže použiť ako indikátor vyváženosti cirkulačnej sústavy. Ak je teplota v zbernom cirkulačnom potrubí vyššia ako teplota na vrcholoch koncových stúpacích potrubí, je príčinou skrat, nadmerný, neproduktívny prietok – teda nevyváženosť v niektorej časti sústavy.
| Hydraulicko-teplotné vyváženie cirkulačnej sústavy TV Podstatou hydraulicko-teplotného vyváženia cirkulačnej sústavy teplej vody je inštalovanie vyvažovacích prvkov do cirkulačného potrubia. Úlohou vyvažovacích prvkov je usmernenie cirkulačných prietokov v sústave: na zvýšenie cirkulačných prietokov v koncových častiach sústavy (s nedostatočnými cirkulačnými prietokmi) je nevyhnutné odstrániť hydraulické skraty a znížiť nadmerné cirkulačné prietoky v častiach bližších k zdroju TV. Bez montáže vyvažovacích prvkov v častiach bližších k zdroju TV nemožno zvýšiť cirkulačné prietoky (a teda aj teplotu TV) vo vzdialenejších častiach. Hydraulicko-teplotné vyváženie by sa malo zásadne realizovať v celej rozvodnej sústave naraz – na pätách objektov aj na pätách všetkých stúpacích potrubí vo všetkých objektoch. Len v komplexne vyváženej sústave možno garantovať udržiavanie rovnakých teplôt TV vo všetkých stúpacích potrubiach, vo všetkých objektoch s rovnakou cenou TV. Náhradné alebo neúplné riešenia vždy spôsobujú zníženie udržiavanej teploty TV v niektorej časti sústavy. |
Dôsledky nevyváženosti sústav
Hydraulicko-teplotná nevyváženosť rozvodných sústav TV okrem neobjektívneho rozúčtovania so sebou nesie aj ďalšie negatívne javy, a to najmä z energetického aj hygienického hľadiska:
Vysoká teplota TV na výstupe zo zdroja
V snahe dosiahnuť dostatočnú teplotu TV aj v koncových častiach rozvodných sústav zvyšujú prevádzkovatelia zdrojov výstupnú teplotu TV. Zvýšením teploty v rozvodoch o 5 °C sa však zvyšujú tepelné straty až o 15 %.
Mikrobiologická chybnosť
Stojaca voda a kaly v nefunkčnom cirkulačnom potrubí vytvárajú vhodné podmienky na rast a rozmnožovanie baktérií a iných mikroorganizmov. Za najznámejšie a najnebezpečnejšie sa pokladajú baktérie rodu Legionella, ktoré spôsobujú ťažké pľúcne ochorenia, často so smrteľnými následkami. Prevenciou voči rastu mikroorganizmov je pravidelná tepelná dezinfekcia rozvodov krátkodobým zvýšením teploty vody, ktorá je možná len v hydraulicko-teplotne vyvážených sústavách TV.
Zvýšená inkrustácia, usadzovanie vodného kameňa
Pitná voda obsahuje určité množstvo rozpustených minerálnych solí. Zvyšovaním teploty sa ich rozpustnosť vo vode zvyšuje, chladnutím vznikajú usadeniny. V častiach sústav s nefunkčnou cirkuláciou dochádza k častému chladnutiu vody v potrubiach. Kaly, ktoré vzniknú v prívodnom potrubí, sa z časti vyplavia pri odbere TV. Kaly, ktoré vzniknú v cirkulačnom potrubí, sa usadzujú a tvrdnú, čím dochádza k inkrustácii – rastu vodného kameňa. Zariadenia na fyzikálnu (magnetickú, elektrostatickú a i.) úpravu vody sú schopné rozpúšťať vodný kameň a vyčistiť potrubia. Rozpustené kaly sa musia dostať von zo sústavy – buď cez výtok TV, alebo pomocou odlučovačov, pretože po určitej dobe dochádza k ich opätovnému stvrdnutiu. Ak sa takéto zariadenie použije v nevyváženej sústave, v častiach s funkčnou cirkuláciou potrubia vyčistí. Naopak, v častiach s nefunkčnou cirkuláciou môže dochádzať k druhotnému usadzovaniu rozpustených kalov a zrýchleniu inkrustácie. V hydraulicko-teplotne vyváženej sústave je druhotné usadzovanie prakticky vylúčené.
Dôsledky neúplného vyváženia sústavy
Len v komplexne vyváženej sústave možno garantovať udržiavanie rovnakých teplôt TV vo všetkých stúpacích potrubiach vo všetkých objektoch s rovnakou cenou TV. Náhradné alebo neúplné riešenia vždy spôsobujú zníženie udržiavanej teploty TV v niektorej časti sústavy. Medzi dôsledky neúplného vyváženia patrí:
Vyváženie len koncového objektu
V tomto prípade nastáva vyváženie len koncového objektu bez vyváženia rozvodov medzi zdrojom TV a objektom. Vyvážením sa dosiahne rovnaká teplota TV na vrcholoch stúpacích potrubí v objekte, avšak vzhľadom na to, že bez vyváženia vonkajších rozvodov nemožno zabezpečiť na päte objektu dostatočný cirkulačný prietok, nemožno garantovať ani udržiavanú teplotu na vrcholoch stúpacích potrubí. Najmä v blízkosti päty objektu, kde mohla byť pôvodne udržiavaná prijateľná teplota, môže dôjsť k citeľnému poklesu udržiavanej teploty.
Zmena smeru prúdenia v cirkulačnom potrubí v dôsledku inštalácie pomocného cirkulačného čerpadla
Snaha o zvýšenie cirkulačného prietoku na päte objektu v nevyváženej sústave často vedie k montáži pomocného cirkulačného čerpadla v objekte. Takéto riešenie je škodlivé, pretože čerpadlo spôsobí zmenu prúdenia v cirkulačnom potrubí v predošlých objektoch: vychladnutá voda sa čerpadlom tlačí do vonkajších cirkulačných rozvodov a cez cirkulačné stúpacie potrubia predošlého objektu do jeho prívodných potrubí TV, čím spôsobí v predošlom objekte zníženie teploty TV. Vplyvom pomocného čerpadla voda necirkuluje cez zdroj TV, ale len cez predošlé objekty. Garantovanie udržiavanej teploty opäť nie je možné, pretože prívodná teplota TV sa trvalo znižuje vplyvom primiešavania vychladnutej cirkulujúcej vody v predošlých objektoch. Súčasťou hydraulicko- teplotného vyváženia je odstránenie pomocných čerpadiel.
Vyváženie len vonkajších rozvodov po päty objektov
Bez vyváženia vnútorných rozvodov nemožno garantovať udržiavanie teploty v koncových stúpacích potrubiach objektov. Cirkulačný prietok, ktorý je dostatočný na udržiavanie dostatočnej teploty vo všetkých stúpacích potrubiach pri vyváženosti vnútorných rozvodov, nemôže zabezpečiť dostatočnú udržiavanú teplotu v koncovej časti, ak jeho podstatná časť pretečie bezúčelne cez prvé stúpacie potrubie pri päte objektu a v posledných stúpacích potrubiach prietok chýba. Nevyváženosť vnútorných rozvodov sa prejavuje tým viac, čím je objekt dlhší. Zhoršenie po vyvážení vonkajších rozvodov sa prejavuje najčastejšie v objektoch najbližších k zdroju TV, ktoré mali pred vyvážením nadmerné cirkulačné prietoky (práve nadmerná cirkulácia v týchto domoch bola príčinou nedostatočnej cirkulácie vo vzdialenejších častiach cirkulačnej sústavy).
Nevyváženie cirkulačných stúpacích potrubí v objekte s priebežnými rozvodmi
Objekty s priebežnými rozvodmi sú tie, ktoré majú stúpacie potrubia pripojené na priebežné hlavné rozvody, cez ktoré sú napájané aj ďalšie objekty. V priebežnom objekte je vysoká teplota TV udržiavaná vplyvom odberu TV v ďalších objektoch – dokonca aj v prípade nefunkčného cirkulačného stúpacieho potrubia sa dosahuje vysoká teplota TV už po vypustení niekoľkých litrov objemu stúpacieho potrubia. Nevyváženosť – skrat cirkulačných rozvodov v priebežnom objekte sa vždy prejavuje nedostatočnou teplotou TV v objektoch za ním. Montáž vyvažovacích prvkov na pätách všetkých cirkulačných stúpacích potrubí v priebežnom objekte je nevyhnutnou podmienkou zabezpečenia dostatočných cirkulačných prietokov pre objekty napojené na rozvody TV za priebežným objektom.
Nemožnosť využiť plnohodnotne diagnostický systém
Neúplné vyváženie znemožňuje využiť plnohodnotne diagnostický systém, ktorý je súčasťou hydraulicko-teplotného vyváženia cirkulačnej sústavy. Poruchy v rozvodných sústavách vznikajú rozličnými vplyvmi, avšak vždy sa prejavujú znížením teploty TV v niektorej časti sústavy. Odhalenie príčin porúch v sústavách TV býva náročné, pretože príčina poruchy môže byť tak v blízkosti, ako aj vo vzdialenej časti sústavy proti miestu, kde sa najvýraznejšie prejavuje. Nevyváženie niektorej časti sústavy znamená, že v tejto sústave chýba aj diagnostický systém.
| Poznámka autora: Úžitková voda je nepitná voda, ktorá sa za žiadnych okolností nesmie dostať do kontaktu s potravinami a pitnou vodou. Podľa platnej normy je pitnou vodou nielen studená pitná voda, ale aj voda pripravená jej ohriatím, určená na varenie, umývanie a hygienické účely. Správny je preto termín pitná voda, ktorá sa ďalej delí na studenú vodu (SV) a ohriatu pitnú vodu (OPV) alebo teplú vodu (TV). V minulosti používaný termín teplá úžitková voda (TÚV) nie je správny a môže viesť k nesprávnej interpretácii. Používanie tohto termínu v právnych predpisoch je chybou a z týchto dôvodov v texte používam termín teplá voda (TV). Termín teplá úžitková voda uvádzam len v citáciách právnych predpisov. |
Ing. Juraj Šmelík
Autor je projektantom v projekčnej kancelárii THERMO-ECO-ENGINEERING. Zaoberá sa hydraulicko–teplotným vyvažovaním a optimalizáciou technologických zapojení na všetkých úrovniach zariadení na výrobu a distribúciu tepla a teplej vody.
Recenzoval: prof. Ing. Jaroslav Valášek, PhD.
Obrázky: archív autora
Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.
