Energetická účinnosť systému akumulácie tepla a teplej vody

Ak sú zásobníky a zásobníkové ohrievače TV neefektívne navrhnuté a vyhotovené, môžu sa významne podieľať na spotrebe tepla. Akumulácia tepla sa tradične využíva v systéme prípravy teplej vody (TV) vo forme zásobníkového ohrevu, keď sa voda ohrieva do zásoby tak, aby bolo možné vyrovnať nerovnomernosti v jej spotrebe. Stále častejšie sa však stretávame s využitím akumulácie tepla aj pri vykurovacích systémoch.

S využitím akumulácie tepla sa stretávame aj pri vykurovacích systémoch, a to z dvoch dôvodov. Po prvé, akumulácia tepla umožňuje prekonať obdobie, keď odber tepla prevyšuje jeho dodávku. S týmto sa možno stretnúť pri obnoviteľných zdrojoch energie, napríklad pri zníženom množstve slnečného žiarenia pri solárnych kolektoroch či pri veľmi nízkej teplote vonkajšieho vzduchu pri tepelnom čerpadle vzduch/voda. Druhým dôvodom môže byť kombinácia vysokoteplotného zdroja tepla (kotol na tuhé palivo) a nízkoteplotného odovzdávacieho prvku (podlahové vykurovanie). V takomto prípade zásobník tepla vyrovnáva teplotný rozdiel medzi vysokou teplotou na zdroji tepla a nízkou teplotou odovzdávacieho prvku a zabraňuje častému spínaniu zdroja tepla, resp. tepelnej nepohode vplyvom horúcej podlahy. V tomto príspevku sa venujeme najmä stanoveniu tepelnej straty zo zásobníkov a zásobníkových ohrievačov TV. Ak sú neefektívne navrhnuté a vyhotovené, môžu sa významne podieľať na spotrebe tepla.

Energetická účinnosť systému akumulácie tepla

Pri výpočte strát energie na vykurovanie, resp. prípravu TV sa postupuje od potreby tepla na vykurovanie cez straty pri odovzdávaní tepla, straty pri rozvode tepla až po straty pri akumulácii a výrobe tepla [1, 2]. Tento postup je znázornený na obr. 1, pričom akumulácia tepla je naznačená ako tretia položka zľava.

Účinnosť podsystému akumulácie sa vypočíta ako podiel energie, ktorá z tohto podsystému vychádza, a energie, ktorá doň vstupuje [3]:

η_s = Q_s,out/Q_s,in    (–)    (1)

kde
    Q_s,out je potreba tepla na vykurovanie, resp. prípravu teplej vody, plus tepelné straty zo systémov odovzdávania a rozvodu tepla (kWh),
    Q_{s,in –} teplo, ktoré treba dodať systému akumulácie tepla, teda potreba tepla plus tepelné straty zo systémov odovzdávania, rozvodu a akumulácie tepla (kWh).

Obr. 1 Postup výpočtu tepelných strát zo systému vykurovania, resp. prípravy TV. Straty energie sa zvyšujú smerom od výroby k odovzdávaniu (sprava smerom doľava), výpočet však prebieha od odovzdávania k výrobe tepla (zľava smerom doprava).

Spôsoby zásobovania budov teplou vodou

Podľa konštrukcie zariadenia možno zásobovanie budov teplou vodou rozdeliť takto [4]:

Zásobníkový ohrev teplej vody
Je zobrazený na obr. 2. Voda sa ohrieva do zásoby tak, aby bolo možné vyrovnať nerovnomernosti jej spotreby. Na tento typ ohrevu sa používajú zásobníkové ohrievače a zásobníky TV. Zásobníkový ohrievač predstavuje nádobu so zabudovanou teplovýmennou plochou, prostredníctvom ktorej sa ohrieva voda v nádrži. Nádrž sa obyčajne vyrába z ocele, medi alebo z plastu. Oceľové nádrže sú nehrdzavejúce alebo sa proti korózii chránia vrstvou smaltu. Medené nádrže sa používajú pri malých zásobníkoch. Plastové nádrže nie sú vzhľadom na pevnostné a teplotné nároky zatiaľ veľmi rozšírené.

Obr. 2 Bytový dom a jeho odovzdávacia stanica tepla so zásobníkovými ohrievačmi s objemom 4 000 l [5]

Prietokový ohrev teplej vody
Voda sa ohrieva iba pri prietoku prietokovým ohrievačom. Ohrev sa uskutočňuje stykom s teplovýmennou plochou, ktorú tvorí rúrkovnica, súprava dosiek s prelismi alebo iné usporiadanie. Prietokový ohrev charakterizuje potreba veľkého príkonu energie, ktorý musí byť kedykoľvek k dispozícii. V porovnaní so zásobníkovým ohrevom je prietokový ohrev podstatne menej náročný na priestor.

Zmiešaný ohrev teplej vody   
Predstavuje kombináciu prietokového a zásobníkového ohrevu (obr. 3). Zväčša ide o prietokový ohrev doplnený zásobníkom na pokrytie krátkodobých odberových špičiek, ktoré nepresahujú 20 až 60 minút. Zariadenia, ktoré sa používajú na tento ohrev, sa konštrukčne zhodujú s výlučne zásobníkovými zariadeniami. Rozdiel je len v menšom objeme zásobníka a vo väčšom tepelnom príkone ohrievača. Z toho vyplývajú menšie nároky na priestor a relatívne malý potrebný príkon, ktorý však musí byť k dispozícii kedykoľvek počas dňa.

Obr. 3 Bytový dom a jeho odovzdávacia stanica tepla s doskovým výmenníkom tepla a 500-litrovým zásobníkom [5]

Príklad systému so zásobníkovým ohrevom TV
Príklad systému so zásobníkovým ohrevom TV je na obr. 2. Ide o bytový dom s 80 bytmi, ktorý je napojený na sústavu centralizovaného zásobovania teplom. Ohrev TV sa zabezpečuje v odovzdávacej stanici tepla. Merania preukázali, že systém dodávky TV má v tomto konkrétnom prípade účinnosť len okolo 74 %, pretože ide o neobnovenú, predimenzovanú sústavu z roku 1986, v ktorej zabezpečovali prípravu TV dva paralelne zapojené 4000-litrové zásobníkové ohrievače. Ak by bol zásobníkový ohrievač nový a menší, účinnosť zásobníkového ohrevu TV by bola určite vyššia.
Na obr. 3 je príklad zmiešaného ohrevu TV v bytovom dome s 84 bytmi, ktorý je napojený na sústavu centralizovaného zásobovania teplom. Príprava TV sa zabezpečuje v odovzdávacej stanici tepla pomocou doskového výmenníka tepla s výkonom 180 kW. Teplá voda sa následne akumuluje v 500-litrovom zásobníku.

Faktory ovplyvňujúce tepelné straty zo zásobníkového ohrievača teplej vody

Na tepelné straty zo zásobníkového ohrievača vplýva viacero faktorov, z ktorých najdôležitejšími sú požiadavky na dodávku TV, veľkosť ohrievača a úroveň jeho tepelnej izolácie.

Požiadavky na dodávku teplej vody
Požiadavky na teplotu a čas dodávky TV ovplyvňujú požadovanú teplotu vody v zásobníku, resp. v zásobníkovom ohrievači, a tým aj tepelné straty prechodom tepla cez steny zásobníkového ohrievača. Podľa vyhlášky MDVRR SR č. 364/2012 Z. z. [6] treba distribučnú sústavu novej budovy alebo významne obnovenej budovy navrhnúť tak, aby: výpočtová teplota TV s možnosťou termickej dezinfekcie bola 60 °C, výpočtová teplota TV bez možnosti termickej dezinfekcie bola 70 °C, maximálny rozdiel teplôt TV medzi výstupným a vratným otvorom zásobníka bol najviac 5 K, z výtoku od otvorenia TV vytekala do 30 sekúnd voda s výpočtovou teplotou 50 °C a tepelná strata z potrubia neprekročila hodnotu 10 W/(m . K). Ďalší predpis, STN EN 806-2 [7], požaduje zabezpečiť, aby rozdiel teplôt TV od výstupu z ohrievača po vstup cirkulačného potrubia do ohrievača nepresiahol 5 K. Vyhláška MH SR č. 152/2005 Z. z. o určenom čase a určenej kvalite dodávky tepla pre konečného spotrebiteľa [8] zase vyžaduje, aby mala TV na výtoku u konečného spotrebiteľa teplotu najmenej 45 °C a najviac 55 °C, pričom TV sa musí dodávať denne od 5:00 do 23:00 h. Vyššia teplota vody v zásobníkovom ohrievači vedie k vyššej potrebe tepla na ohrev TV a ovplyvňuje aj tepelnú stratu z distribúcie a ohrievača. Na druhej strane, nižšia teplota vody v zásobníkovom ohrievači môže viesť k nedostatočnej teplote vody na výtoku a k nespokojnosti užívateľov s teplotou TV.

Veľkosť zásobníkového ohrievača teplej vody
Veľkosť zásobníkového ohrievača významne ovplyvňuje energetickú účinnosť systému dodávky TV. Predimenzovaný ohrievač, ako napr. na obr. 2, vedie k zvýšeným tepelným stratám. Naopak, príliš malý ohrievač by mohol mať nedostatočnú kapacitu na krytie požiadaviek užívateľov. V súčasnosti neexistuje jednotná európska norma na návrh zásobníkových ohrievačov. Na Slovensku stále platí pri návrhu zásobníkových ohrievačov STN 06 0320 [9], ktorá však nezodpovedá skutočným požiadavkám na odber TV v bytových domoch. Preto sa na návrh zásobníkových ohrievačov často využívajú iné metodiky, napríklad nemecká norma DIN 4708 [10]. Na obr. 4 je návrh požadovaného objemu a príkonu zásobníkového ohrievača pre bytový dom s 200 obyvateľmi podľa troch rôznych predpisov. Z porovnania výsledkov na obr. 4 je zrejmé, že vypočítané objemy podľa STN [9] a ČSN [11] sa napriek odlišnému spôsobu výpočtu veľmi nelíšia. V porovnaní s DIN 4708 [10] sú však objemy ohrievačov podľa STN [9] aj ČSN [11] príliš veľké.

Obr. 4 Porovnanie požadovaného objemu a príkonu zásobníkového ohrievača TV pre bytový dom s 200 obyvateľmi podľa STN, ČSN a DIN [5]

Obr. 5 Priemerný hodinový odber TV v troch bytových domoch počas dňa [5]

Na správny návrh systému dodávky TV je kľúčové poznať odber TV. Na obr. 5 je zobrazený priemerný hodinový odber TV nameraný počas celého roka v troch rôzne veľkých bytových domoch. Bytový dom A má nahlásených 156 obyvateľov, bytový dom B 196 a bytový dom C 306 obyvateľov. Na grafe je zobrazený priebeh odberu TV v bytových domoch. Graf treba čítať tak, že ak sa stĺpec s hodnotou odberu TV nachádza napríklad nad hodinou 1:00, znamená to, že ide o priemerný odber TV v čase od 0:00 do 1:00 h.

Z meraní vyplynulo, že odberové špičky nastávajú v čase rannej a večernej hygieny a počas obeda. Rozdiel v spotrebe TV nastáva aj počas jednotlivých dní v týždni. V pracovný deň a sobotu sú odbery približne rovnaké, v nedeľu nastáva výrazne väčší odber TV. Spotreba TV sa mení aj počas jednotlivých mesiacov v roku. Najväčší odber nastáva v zimnom a jarnom období, nasleduje jeseň a najnižší je v lete. Spotreba TV v bytovom dome na jedného obyvateľa závisí od počtu obyvateľov v bytovom dome. Platí, že čím viac je v bytovom dome nahlásených obyvateľov, tým bude nižší priemerný denný odber TV v jednotlivých bytových domoch na jedného obyvateľa.

Tepelná izolácia zásobníkového ohrievača teplej vody
Veľmi dôležitým parametrom vplývajúcim na tepelnú stratu zo zásobníkového ohrievača TV je nepochybne úroveň jeho tepelnej izolácie. V minulosti bola na Slovensku predpisom stanovujúcim požiadavky na úroveň tepelnej izolácie zásobníkových ohrievačov STN 06 1010 [12], ktorá bola medzičasom zrušená. Minimálna hrúbka tepelnej izolácie zásobníkov, resp. zásobníkových ohrievačov TV pre teplotu vody 55 °C, teplotu vzduchu 20 °C a súčiniteľ tepelnej vodivosti izolácie 0,043 W/(m . K), vypočítaná podľa maximálnej prípustnej dennej straty Qs-b na základe tejto už neplatnej normy, je uvedená v tab. 1. Hodnoty maximálnej prípustnej tepelnej straty v tejto tabuľke možno už dnes považovať za benevolentné, nové zásobníky a zásobníkové ohrievače majú zvyčajne priaznivejšiu úroveň tepelnej izolácie. Vzťah medzi hrúbkou tepelnej izolácie zásobníkového ohrievača TV a jeho mernou tepelnou stratou je uvedený v rovniciach (2), (3) a (4). Tepelný odpor stien zásobníkového ohrievača možno pre zjednodušenie vo výpočte zanedbať, najmä ak je dobre izolovaný.

Merná tepelná strata cez steny zásobníkového ohrievača qz,steny sa stanoví ako

Merná tepelná strata cez vrchnú časť zásobníkového ohrievača qz,vrch sa stanoví ako

Merná tepelná strata cez spodnú časť zásobníkového ohrievača qz,spodok sa stanoví ako

kde
    λ    je    tepelná vodivosť tepelnej izolácie (W/(m . K)),
    ev, est, esp    –    hrúbka tepelnej izolácie (m),
    š    –    šírka zásobníka (m),
    v    –    výška zásobníka (m) podľa obr. 6.

Obr. 6 Rez zásobníkovým ohrievačom s tepelnou izoláciou

Celková merná tepelná strata zo zásobníkového ohrievača qz sa vypočíta ako

Tepelné straty z akumulácie tepla a teplej vody

Tepelné straty z akumulácie vznikajú v dôsledku prechodu tepla cez steny zásobníka či zásobníkového ohrievača a vypočítajú sa podľa STN EN 15316-3-3 [14]. Tepelné straty z akumulácie možno stanoviť z hodnoty pohotovostnej tepelnej straty s prispôsobením aktuálneho teplotného rozdielu ako

kde
    θs    je    priemerná teplota vody v zásobníku, resp. v zásobníkovom ohrievači (°C),
    θamb    –    priemerná teplota okolia (°C),
    θs,s-b    –    teplotný rozdiel medzi teplotou vody v zásobníkovom ohrievači a teplotou okolia pri meraní pohotovostnej tepelnej straty (°C),
    Qs-b    –    pohotovostná tepelná strata zo zásobníkového ohrievača (kWh/deň).

Pohotovostná tepelná strata Qs-b sa meria experimentálne, pri nových zásobníkoch a zásobníkových ohrievačoch sú jej hodnoty zvyčajne dostupné. Na Slovensku sa tepelná strata v pohotovostnom stave stanovuje postupom podľa STN EN 12897 [15]. Podľa tejto normy sa tepelná strata v pohotovostnom stave Qst vypočíta pre každý skúšobný interval upravený na rozdiel 45 °C medzi TV a teplotou okolia ako

kde
    Q_st         zodpovedá mernej tepelnej strate Qs-b v rovnici (6),
    E    –    elektrická energia spotrebovaná počas 24 h skúšobného intervalu (kWh),
    T_w    –    stredná hodnota teploty vody počas 24 h skúšobného intervalu (°C), meraná v bode približne 25 mm pod vypúšťanou TV,
    TA    –    stredná hodnota teploty okolia počas 24 h skúšobného intervalu (°C).

Obr. 7 Teplotná stratifikácia v zásobníkovom ohrievači pri rôznych vyhotoveniach zakončenia prívodného potrubia studenej vody [16]

Okrem toho treba odhadnúť teplotu vody v zásobníkovom ohrievači. Uviesť presnú hodnotu môže byť náročné, pretože teplota vody v ohrievači nie je homogénna – dochádza k teplotnej stratifikácii (rozvrstveniu), ktorá je však želaná a pre efektívnu dodávku TV potrebná. Studená voda sa privádza na spodku ohrievača, zatiaľ čo voda s vyššou teplotou stúpa výmenníkom tepla v dôsledku ohrevu a tým spôsobenej nižšej hustoty nahor, kde sa odoberá. Okrem toho sa teplotné podmienky v zásobníkovom ohrievači menia v čase v závislosti od odberu a ďalších okrajových podmienok. Na obr. 7 je ilustrovaná teplotná stratifikácia vody v zásobníkovom ohrievači v rámci rôznych vyhotovení prívodného potrubia studenej vody. Naľavo je priamy prívod, ktorý pôsobí na stratifikáciu rušivo, v strede a vpravo je prívod s platňami, ktoré zmierňujú nepriaznivý účinok prívodu studenej vody na stratifikáciu.
Pri odhade priemernej teploty vody v zásobníkovom ohrievači možno uviesť príklad z STN EN 15316-4-2 [17], kde sa priemerná teplota v zásobníkovom ohrievači TV odhaduje ako 90 % z teploty vody v mieste odberu TV z ohrievača (tab. 2).

Hodnota pohotovostnej tepelnej straty sa zvyčajne udáva v kWh na deň pre obdobie celého roka, preto treba rovnicu (6) vynásobiť počtom dní prevádzky v roku:

kde
    n    je    počet dní prevádzky systému.

V prípade, ak pohotovostná tepelná strata zo zásobníkového ohrievača nie je známa, možno na jej výpočet využiť vzťahy (2) až (5) za predpokladu, že je známa hrúbka tepelnej izolácie pre vrch, boky a spodok a zároveň je známa tepelná vodivosť izolácie. Tepelné straty z akumulácie tepla Qs,ls sa vypočítajú ako

kde
    q_z    je    celková merná tepelná strata zo zásobníkového ohrievača (W/K),
    θ_s    –    priemerná teplota vody v zásobníkovom ohrievači (°C),
    θ_amb    –    priemerná teplota okolia (°C),
    t    –    dĺžka výpočtového obdobia (h).

Záver

Energetická efektívnosť systému akumulácie tepla výrazne závisí od jeho vhodnosti pre danú aplikáciu, od jeho návrhu, vyhotovenia a prevádzkovania. Najdôležitejšími faktormi ovplyvňujúcimi tepelné straty zo zásobníkových ohrievačov sú pritom požiadavky na teplú vodu, veľkosť zásobníkového ohrievača a úroveň jeho tepelnej izolácie.

Článok vznikol vďaka podpore v rámci OP Výskum a vývoj pre projekt: Kompetenčné centrum inteligentných technológií pre elektronizáciu a informatizáciu systémov a služieb, ITMS: 26240220072 spolufinancovaný zo zdrojov Európskeho fondu regionálneho rozvoja.

Foto a obrázky: autori

Literatúra
1.    Dahlsveen, T.; Petráš, D.; Chmúrny, I.; Smola, A.; Lulkovičová, O.; Füri, B.; Konkoľ, R.: Energetický audit a certifikácia budov. Bratislava: JAGA Group, 2008.
2.    Krajčík, M.; Petráš, D.: Energetické hodnotenie budov. Bratislava: Nakladateľstvo STU, 2015.
3.    STN EN 15316-1 Vykurovacie systémy v budovách. Metóda výpočtu energetických požiadaviek systému a účinností systému. Časť 1: Všeobecne. 2010.
4.    Valášek, J.: Zdravotnotechnické inštalácie. Bratislava: Alfa, 1990.
5.    Krippelová-Čermanová, Z.: Spotreba teplej vody a energetická bilancia jej prípravy v bytových domoch. Dizertačná práca, STU v Bratislave, Stavebná fakulta, 2015.
6.    Vyhláška Ministerstva dopravy, výstavby a regionálneho rozvoja SR č. 364/2012 Z. z. z 12. novembra 2012, ktorou sa vykonáva zákon č. 555/2005 Z. z. o energetickej hospodárnosti budov a o zmene a doplnení niektorých zákonov v znení neskorších predpisov.
7.    STN EN 806 -2 Vnútorný vodovod pre rozvod pitnej vody. Časť 2: Navrhovanie. 2005.
8.    Vyhláška Ministerstva hospodárstva Slovenskej republiky č. 152/2005 Z. z. o určenom čase a o určenej kvalite dodávky tepla pre konečného spotrebiteľa.
9.    STN 06 0320 Ohrievanie úžitkovej vody – Navrhovanie a projektovanie. 1986.
10.    DIN 4708 Zentrale Brauchwassererwärmungsanlagen. 1979.
11.    ČSN 06 0320 Tepelné soustavy v budovách – Příprava teplé vody – Navrhování a projektování. 2006.
12.    STN 06 1010 Zásobníkové ohrievače vody s vodným a parným ohrevom a kombinované s elektrickým ohrevom. Technické požiadavky. Skúšanie. 1984. Zrušená 2014.
13.    Tomašovič, P.; Beťko, B.; Peráčková, J.: Zvuková a tepelná ochrana v budovách. Bratislava: JAGA Group, 2006.
14.    STN EN 15316-3-3 Vykurovacie systémy v budovách. Metódy výpočtu energetických požiadaviek systému a účinnosť systému. Časť 3-3: Systémy prípravy teplej vody.
Výroba. 2009.
15.    STN EN 12897 Vodárenstvo. Požiadavky na nepriamo vyhrievané neodvetrávané (uzatvorené) zásobníkové ohrievače vody. 2007.
16.    Skalík, L.: Hodnotenie hospodárnosti slnečných energetických systémov v obytných budovách. Dizertačná práca, STU v Bratislave, Stavebná fakulta, 2013.
17.    STN EN 15316-4-2 Vykurovacie systémy v budovách. Metóda výpočtu energetických požiadaviek systému a účinnosti systému. Časť 4-2: Priestorové systémy výroby tepla, systémy tepelného čerpadla. 2008.

Text: Ing. Michal Krajčík, PhD., Ing. Zuzana Čermanová, PhD.
M. Krajčík pôsobí na Katedre technických zariadení budov SvF STU v Bratislave. Z. Čermanová pracuje v spoločnosti Termocom, s. r. o., Bratislava.
Recenzovala: doc. Ing. Jana Peráčková, PhD.

Článok bol uverejnený v časopise TZB HAUSTECHNIK.