Akumulačné zásobníky teplej vody na princípe stratifikácie

Na zabezpečenie maximálnej energetickej účinnosti, zníženie energetických nákladov na minimum a splnenie vysokých požiadaviek na hygienu prípravy teplej vody sa v krajinách EÚ čoraz častejšie navrhujú vysokoefektívne systémy z obnoviteľných zdrojov tepla. Jeden z nich predstavuje aj príprava teplej vody a vykurovanie prostredníctvom stratifikácie v akumulačných zásobníkoch. 

Príprava teplej vody a vykurovanie budov predstavujú asi 40 % celkovej spotreby tepelnej energie. V nových budovách a ostatných stavbách sa preto v súčasnosti musia navrhovať iba energeticky úsporné systémy podľa smernice Európskeho parlamentu a Rady č. 2010/31/EÚ o energetickej hospodárnosti budov. Vyžaduje sa projekt a realizácia optimálnych riešení spôsobu prípravy a distribúcie teplej vody až na odberné miesto.

Požiadavky na hygienu prípravy teplej vody

Kvalite vody treba venovať dostatočnú pozornosť, t. j. pri jej trvalom používaní sa nesmie zmeniť zdravotný stav užívateľov v dôsledku prítomnosti mikroorganizmov, organizmov alebo látok ovplyvňujúcich zdravie akútnym, chronickým alebo neskorým pôsobením. Kvalitatívne vlastnosti vody vnímateľné zmyslami zároveň nemôžu zabraňovať jej požívaniu. To, že pitná voda by nemala spôsobovať užívateľovi žiadne zdravotné problémy, sa hodnotí podľa ukazovateľov kvality a ich hygienických limitov (4). Znečistenie pitnej vody a s tým súvisiace zdravotné riziká môžu najmä u chorých ľudí a ľudí so zníženou imunitou (napr. v nemocniciach alebo liečebných zariadeniach) zapríčiniť až úmrtie – v dôsledku legionelózy.

Kontamináciu vodovodných systémov baktériou legionella zapríčiňuje teplota vody medzi +20 až +45 °C, nízky tlak vody, stagnujúce úseky vodovodnej siete, resp. úseky siete s malým prietokom vody. Akumu­lácia organickej hmoty sa môže zväčšovať vo vodovodných armatúrach, v slepých ramenách, nevyregulovaných systémoch rozvodu vody a v dlhých potrubných systémoch so stagnujúcim prúdením vody, s ťažkou dostupnosťou dezinfekčnej látky a nedostatočnou údržbou. Veľké zásobníkové ohrievače a akumulačné nádrže majú takisto tendenciu k stagnácii vody, napr. pri malých odberoch a veľkom objeme. Živnou pôdou pre baktérie legionelly sú biofilmy, sedimenty, kal a možné inkrusty v spodnej časti ohrievačov a akumulačných nádrží.

Vrstvenie tepelnej energie v akumulačnom zásobníku – stratifikácia

Podstata ukladania tepelnej energie sa rozlišuje podľa zvoleného fyzikálneho princípu. Na zvýšenie využitia energie zo solárnych kolektorov a iných zdrojov tepla sa používa princíp tzv. teplotnej stratifikácie, t. j. ukladanie po vrstvách, napr. v stratifikačnom akumulačnom zásobníku. V ňom nastáva gravitačné rozvrstvenie vody podľa objemovej hmotnosti vody v závislosti od jej teploty. Spôsob obehu vody v stratifikačných akumulačných zásobníkoch závisí od teploty vykurovacích okruhov od jednotlivých zdrojov tepla.

Spôsob obehu vody teda závisí napr. od toho, či ide o nízkoteplotný systém (+40 až +60 °C), alebo vysokoteplotný systém (+60 až +90 °C). Teplotná stratifikácia predstavuje vrstvenie objemu zásobníka podľa teploty riadeným ukladaním tepelnej energie do vrstiev s rovnakou alebo podobnou teplotou. Chladnejšia a ťažšia voda sa drží pri dne, teplejšia stúpa smerom nahor, t. j. voda s hustotou ρ je privádzaná vždy pod vrstvu, ktorá má nižšiu hustotu. Jednotlivé teplotné vrstvy si ďalej udržujú rozdielne teploty.

Tepelná vodivosť vody je nízka. Využívajú sa väčšinou vertikálne akumulačné zásobníky na podporu prirodzeného udržania teplotných vrstiev objemu zásobníka vplyvom vztlakových síl.

Obr. 1 Spôsoby teplotného vrstvenia v zásobníkoch (7)
a – konvekčné vrstvenie teplej vody pomocou plastovej rúrky, b – horizontálne vrstvenie teplej vody cez kužele presmerovaním prietoku, c – konvekčný ohrev vody

Na riadenie teplotného rozvrstvenia sa využívajú špeciálne samočinné stratifikačné vstavané prvky alebo regulačné prvky v akumulačných zásobníkoch (obr. 1, 2). Rúrkové prvky sú jednoduché prvky z PVC potrubia (obr. 1a, 2a) (5). Kužeľové prvky majú tento problém vyriešený vlastnou konštrukciou, tzv. prirodzenou gravitačnou spätnou klapkou. Odbočky tvoria veľmi ľahké spätné klapky, ktoré zabraňujú zmene teploty privádzanej teplej vody prisávaním vody z dolnej chladnejšej časti akumulačného zásobníka (obr. 1b, obr. 2b, c).

Obr. 2 Rôzne typy riadeného teplotného vrstvenia teplej vody (7)
a – samočinné vrstvenie pomocou plastovej rúrky s otvormi, b – horizontálne vrstvenie cez kužele presmerovaním prietoku, c – horizontálne vrstvenie presmerovaním prietoku s gravitačnou spätnou klapkou

Na správnu funkciu vrstvenia tepelnej energie je nevyhnutné vytvoriť nielen vrstvenie podľa teploty, ale hlavne zabezpečiť, aby vrstvenie tepelnej energie v akumulačnom zásobníku nedegradovalo. Kvalita teplotného vrstvenia objemu v stratifikačnom akumulačnom zásobníku bude totiž ovplyvňovať prevádzkové parametre celej sústavy. Na teplotné vrstvenie má vplyv hlavne spôsob prívodu a odberu pracovnej látky v akumulačnom zásobníku.

Z uvedeného vyplýva základný rozdiel medzi klasickým akumulačným a stratifikačným zásobníkom: V klasickom zásobníku sa výrazne premiešava teplá voda v celom objeme a výstupná teplota vody nedosahuje požadované parametre odberného miesta, kým stratifikačný zásobník má vnútorne usmerňované teplotné vrstvenie teplej vody stratifikačnými prvkami (samočinné spätné klapky, plastové kužeľovité alebo tanierové regulačné prvky), čo umožňuje odoberať teplú vodu zo zásobníka s rôznou teplotou podľa potreby jej využitia.

Príprava teplej vody s využitím stratifikačného akumulačného zásobníka

Základným princípom systému je vrstvenie tepelnej energie, ktorá sa prednostne získava z obnoviteľných zdrojov energie, primárne zo solárneho systému, v kombinácii s ďalším zdrojom, ako je napr. kotol na plynné palivo, príp. tepelné čerpadlo alebo rekuperačný systém (obr. 3).

Obr. 3 Schéma alternatív zapojenia systému na ohrev pitnej vody z rôznych zdrojov tepla pomocou stratifikačného akumulačného zásobníka (7)
1 – tepelné čerpadlo, 2 – kotol na plynné palivo, 3 – stratifikačný akumulačný zásobník, 4 – so­lárny systém, 5 – prívod studenej vody, 6 – distribúcia teplej vody, 7 – podlahové vykurovanie

Získaná tepelná energia z uvedených zdrojov vo forme teplej vody sa v dôsledku zmeny teploty a hustoty vody ukladá v jednotlivých vrstvách zásobníka, pričom tieto teplotné oblasti sa vzájomne nepremiešavajú. Pitná voda sa rýchlo ohrieva vo veľmi krátkom časovom úseku jej prípravy (obr. 4).

Obr. 4 Stratifikačný akumulačný zásobník (7)
a – schéma akumulačného zásobníka s kužeľovými prvkami, b – pohľad do vnútra zásobníka

Kombinácia stratifikačného akumulačného zásobníka a odovzdávacej stanice

Počas procesu prípravy teplej vody je stratifikačný akumulačný zásobník zdrojom tepelnej energie smerom k odovzdávacej stanici, kde sa pripravuje teplá voda prostredníctvom prietokového ohrevu. Tento proces sa uskutočňuje v momente vzniku požiadavky spotrebiteľa, čo prináša nízke straty a vysoké hygienické nároky. Nikde v sústave sa teplá voda neskladuje. Doskový výmenník v odovzdávacej stanici zohrieva privádzanú studenú vodu prietokovým ohrevom bez priameho kontaktu s teplonosnou látkou, resp. teplou vodou zo stratifikačného akumulačného zásobníka. Ide tak o prenos tepelnej energie z jedného zdroja do druhého, ktorý slúži na prípravu teplej vody v súlade s hygienickými a biologickými potrebami spotrebiteľa (obr. 5).

Obr. 5 Schéma zapojenia solárneho energetického systému so stratifikačným zásobníkom a jeho pripojenie na rôzne odberové miesta (7)
1 – tepelné čerpadlo, plynový kotol, 2 – stratifikačný akumulačný zásobník, 3 – solárny systém, 4 – prívod studenej vody, 5 – odovzdávacia stanica/distribúcia teplej vody,
6 – konvekčné vykurovanie, 7 – podlahové vykurovanie

Na záver

Stratifikačné akumulačné systémy slúžia na rôzne druhy vykurovania a na prípravu teplej vody vo všetkých typoch budov. Ich význam narastá pri efektívnom využití tepelnej energie v nízkoenergetických budovách a v budovách s nulovou spotrebou energie, kde môžu slúžiť na spoločné využitie teplej vody s rôznou teplotou (+50 až +60 °C) na vykurovanie (podlahové, konvekčné a pod., +25 až +60 °C).

Najvhodnejšie je kombinovať stratifikačné zásobníky (tzv. stratifikátory) so solárnym systémom ohrevu, prípadne s tepelným čerpadlom alebo kotlom. Každá budova sa musí posudzovať individuálne z hľadiska požiadaviek na vykurovanie a spôsob prípravy a distribúcie teplej vody. Zároveň sa musí zohľadniť možnosť využitia obnoviteľného zdroja energie v riešenej budove.

Výhody a nevýhody prípravy teplej vody v stratifikačných akumulačných zásobníkoch

Výhody prípravy teplej vody v stratifikačných akumulačných zásobníkoch môžeme zhrnúť takto:

• efektívne vrstvenie a ukladanie tepelnej energie,
• efektívne odoberanie tepelnej energie na prípravu teplej vody oproti štandardným akumulačným ohrevom,
• zvýšenie efektívnosti využitia tepelnej energie pri kombinácii rôznych spôsobov vykurovania (konvekčné, podlahové a pod.) a prípravy teplej vody,
• kombinovanie s rôznymi druhmi obnoviteľných zdrojov tepla (tepelné čerpadlo, solárny systém a iné) alebo iných tepelných zdrojov,
• najvyššia účinnosť získavania tepelnej energie z obnoviteľných zdrojov energie,
• minimálny čas ohrevu vody v porovnaní s inými zásobníkovými ohrievačmi TV,
• odstránenie a eliminácia tvorby baktérie legionella v zásobníku na ohrev pitnej vody.

Medzi nevýhody tohto systému patria:

• náročná montáž a umiestnenie (vyššie priestorové nároky), veľké objemy zásobníkov pre veľké spotrebné množstvá teplej vody v budove,
• potreba dodržať prevenciu filtrácie vody – tvrdosť vody, 
• nedostatočné znalosti a skúsenosti s využívaním týchto systémov prípravy teplej vody v slovenskej odbornej verejnosti – projekčné podklady (návrh, realizácia a uvedenie do prevádzky).

Článok bol spracovaný s podporou Ministerstva školstva, vedy, výskumu a športu SR prostredníctvom grantu VEGA 1/0807/17.

Text | Ing. Milan Krafčík, Katedra technických zariadení budov, Stavebná fakulta STU v Bratislave,doc. Ing. Jana Peráčková, PhD., Katedra technických zariadení budov, Stavebná fakulta STU v Bratislave
Recenzoval | doc. Ing. Otília Lulkovičová, PhD.
Obrázky | Ing. Milan Krafčík

Literatúra

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 Košiciach, 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: 2005: Technické podmienky na zhotovovanie vodovodných potrubí na pitnú vodu vnútri budov. Navrhovanie.
7. Firemné podklady spoločnosti SAILER. Dostupné na www.sailer.sk.

Článok bol uverejnený v časopise Správa budov 4/2017.