Informace: QUANTUM, a.s., Brněnská 212, Vyškov Tel.: , Fax:

Transkript

1

2

3 Z důvodů neustálého vývoje a v zájmu zlepšování kvality dodávaných výrobků vyhrazujeme právo měnit technické parametry uvedené v této příručce bez předchozího oznámení. Informace: QUANTUM, a.s., Brněnská 212, Vyškov Tel.: , Fax: quantumas@quantumas.cz

4 1. Princip a využití latentního tepla ve spalinách Při současném trendu snižování nákladů na provoz budov je důležité, aby návrh zdroje tepla zohledňoval nejen požadavky na hospodárnost provozu, ale jsou kladeny také vysoké nároky na ekologičnost provozu. Využití kondenzační technologie v oblasti plynových kotlů dokáže zohlednit obě tato hlediska. Kondenzační plynové kotle mají vyšší podíl využití energie přivedené v palivu. Zároveň také vykazují snížení emisí NOx a CO ve spalinách při porovnání s ostatními konvenčními zdroji tepla Teorie spalovacího procesu Spalovací proces lze chápat jako přeměnu energie obsažené v palivu (např. v zemním plynu) na energii tepelnou. Obecnou rovnici spalovacího procesu lze vyjádřit jako y y CxHy + x + O2 = xco2 + H2O + energie 4 2 (1). Pro případ stechiometrického spalování uhlovodíků, resp. metanu lze tuto rovnici upravit jako CH + 2O = CO + 2H O + energie (2) Jak je vidět z rovnice (2) krom energie ve formě tepla je výsledkem spalování vznik spalin, které obsahují určité množství emisí a vodní páry. Princip kondenzační technologie spočívá ve využití tepla, které vodní pára obsahuje. Ochlazením spalin totiž dojde ke změně skupenství vodní páry a tím i k uvolnění tzv. latentního tepla. Teoreticky by při ideálních podmínkách šlo takto získat cca o 11 % tepelné energie navíc Základní pojmy kondenzační technologie Při výpočtech používaných u plynových kondenzačních kotlů je nejprve nutné si uvědomit základní definice. Základními ukazateli vlastností plynných paliv je spalné teplo, výhřevnost a tzv. Wobbeho číslo (pro zemní plyn lze např. použít normu ČSN EN ISO 6976). Spalné teplo Hs [kwh/m 3 ] je množství tepla, uvolněného úplným spálením 1 m 3 plynu při barometrickém tlaku v adiabatických podmínkách, za předpokladu ochlazení spalin na teplotu výchozích látek, kdy vodní pára ve spalinách je v kapalném stavu. Výhřevnost Hi [kwh/m 3 ] je množství tepla uvolněného úplným spálením 1 m 3 plynu při barometrickém tlaku v adiabatických podmínkách, za předpokladu ochlazení spalin na teplotu výchozích látek a vodní pára ve spalinách zůstane v plynném stavu. Wobbeho číslo Ws [kwh/m 3 ] je základní kritériem, pokud je nutné vzájemně nahrazovat jiná plynná paliva. Pokud se nahrazují plynná paliva se stejným Wobbeho číslem, není nutné pokaždé seřizovat spotřebič. Wobbeho číslo vyjadřuje podmínku zachování tepelného příkonu spotřebiče při změně spalovacích vlastností plynu. 3

5 Tab. 1 Složení vybraných zemních plynů používaných v zemích EU a zemního plynu těženého v ČR [L 1] Složky ZP Tranzitní [%] Norský [%] Alžírský [%] Jihomoravský [%] Holandský [%] Metan CH4 98,39 85,80 86,90 97,70 81,31 Etan C2H6 0,44 8,49 9,00 1,20 2,85 Propan C3H8 0,16 2,30 2,60 0,50 0,37 Butan C4H10 0,07 0,70 1,20-0,14 Pentan C5H12 0,03 0, ,09 Dusík N2 0,84 0,96 0,30 0,60 14,35 Oxid uhličitý CO2 0,07 1, ,89 Tab. 2 Hodnoty spalného tepla Hs, výhřevností Hi zemního plynu a teoretické spotřeby vzduchu při teplotě 0 C a tlaku Pa [L 1] Zemní plyn Spalné teplo H [kwh/m 3 ] s Výhřevnost Hi [kwh/m 3 ] Poměr H s H [%] i Teoretická spotřeba vzduchu [1 m 3 vzduchu / 1 m 3 plynu] Tranzitní 11,054 9, ,94 9,555 Norský 12,173 11, ,51 10,523 Alžírský 12,547 11, ,60 10,847 Holandský 9,748 8, ,81 8,426 Jihomoravský 10,91 10, ,21 9, Stupeň využití a výpočet účinnosti zdroje tepla Účinnost u zdrojů tepla charakterizuje kvalitativně schopnost přeměny energie v palivu v energii tepelnou. Celková tepelná účinnost kotle se skládá z jednotlivých ztrát. V podstatě lze rozlišit stanovení účinnosti zdroje tepla přímou nebo nepřímou metodou Přímá metoda účinnosti zdroje tepla Přímá metoda spočívá ve stanovení množství tepla předaného teplonosné látce k množství tepla přivedeného do kotle palivem a vzduchem ve stejném časovém úseku. Qɺ Mɺ c t t η = Qɺ Mɺ H ( ) výstup v v v1 v 2 vstup paliva u,paliva (3), kde Qvýstup teplo přivedené do kotle za čas t [J/s], Qvstup teplo předané páře nebo vodě [J/s], Mv množství vyrobené vody nebo páry za čas [kg/s], cv střední měrná tepelná kapacita [J/kg K], tv1 výstupní teplota vody z kotle [K], tv2 vstupní teplota vody do kotle [K], Mpaliva množství paliva přivedené do kotle za čas [jednotka/s], Hu,paliva výhřevnost paliva [J/jednotku]. 4

6 Vzorec (3) je upraven tak, že je v energii přivedené do zdroje tepla zanedbáno fyzické teplo paliva a teplo přiváděné spalovacím palivem. Tyto hodnoty jsou v porovnání s teplem, které je chemicky vázané v palivu, zanedbatelné a počítá se s nimi pouze v případě ohřevu paliva anebo vzduchu pomocí cizího zdroje (ne ve vlastním kotli). V případě, že je teplonosnou látkou pára pracuje se ve výpočtu s entalpiemi. Základní nevýhodou přímé metody je fakt, že takto vypočtená hodnota účinnosti neposkytne odpověď na otázku, kde dochází k největším tepelným ztrátám zařízení. Další nevýhodou přímé metody je např. u lokálních zdrojů tepla (krby, kachlová kamna apod.) nemožnost zahrnutí tepelných ztrát z povrchu kotle, které přispívají do tepelné bilance místnosti, tj. do výpočtu celkové účinnosti kotle Nepřímá metoda účinnosti zdroje tepla Vyhláška č. 194/2013 Sb. v příloze č. 1 odkazuje na normu ČSN Hodnocení kotlových ztrát, která popisuje tzv. nepřímou metodu stanovení účinnosti zdroje tepla. Postup nepřímé metody je založen na analýze jednotlivých tepelných ztrát, což může poskytnout informaci o jejich potenciálním snížení (rezervách), a tedy o možnostech zvýšení účinnosti kotle (tuto informaci účinnost stanovená přímou metodou neposkytne). Princip výpočtu je založen na tom, že teoretická účinnost ideálního zdroje tepla je 100 % a pro reálný zdroj tepla je pak snížena o jednotlivé ztráty. Matematicky lze vzorec zapsat ve tvaru kde ( ) η = 100 Z = 100 Z + Z + Z + Z + Z i c CO f k sv Zi poměrná celková ztráta zdroje tepla [%], Zc poměrná ztráta způsobená únikem hořlaviny v tuhých zbytcích [%], ZCO poměrná ztráta způsobená únikem hořlaviny ve spalinách [%], Zf poměrná ztráta způsobená únikem tepla v tuhých zbytcích [%], Zk poměrná ztráta způsobená únikem tepla ve spalinách (komínová ztráta) [%], Zsv poměrná ztráta způsobená odevzdáním tepla do okolí [%]. Podrobný výpočet tepelných ztrát únikem hořlaviny v tuhých zbytcích, ve spalinách a únikem tepla v tuhých zbytcích lze nalézt např. v [L2]. Tyto tepelné ztráty se týkají zejména zdrojů na tuhá paliva. U ostatních kotlů spalujících plynná nebo kapalná paliva jsou buď velmi malé (ve srovnání s komínovými ztrátami a ztrátou odevzdáním tepla do okolí), nebo se u nich nevyskytují. Poměrná ztráta odevzdáním tepla do okolí souvisí se sdílením tepla z povrchu kotle. Právě u lokálních topenišť či zdrojů tepla se vlastně nejedná o tepelnou ztrátu, ale tepelný zisk. Přesný výpočet je velmi zdlouhavý a pro praxi se využívají spíše nomogramy uvedené v normě ČSN nebo empirický vztah [L2]. (4), Z sv = 3 4 P m P m P (5), kde Pm P jmenovitý výkon kotle [W], skutečný výkon kotle [W]. Nejvýznamnější tepelnou ztrátou při spalování je tepelná ztráta způsobená únikem tepla ve spalinách neboli komínová ztráta. Její velikost je přímo úměrná rozdílu teplot mezi přiváděným vzduchem pro spalování a teplotou spalin. Teoretický výpočet lze provést jako 5

7 Z k (6), ( ) 100 Vspalin c s tspalin tvz = H u,paliva kde Vspalin objem spalin [m 3 N/kg], cs střední měrná tepelná kapacita spalin [J/kg K], tspalin teplota spalin na výstupu z kotle [ C], tvz teplota vzduchu na vstupu do kotle [ C], Hu,paliva výhřevnost spalovaného paliva [J/m 3 N]. Přesné stanovení objemu spalin a stejně tak jeho chemického složení je velmi složité a pro praxi téměř nepoužitelné (nomogramy, polynomické rovnice apod.) Při standardním provozu kotle je rozhodující pro výslednou účinnost kotle komínová ztráta (je obvykle největší ze všech ztrát). Norma ČSN uvádí zjednodušený výpočet dle Siegerta, který vychází s koncentrace CO2 ve spalinách. Vztah lze vyjádřit jako Z t = K k 1 spalin t ω CO2 vzduchu (7), kde ωco2 obsah CO2 ve spalinách [%], K1 konstanta dle druhu paliva (viz tabulka 3) [-]. Tab. 3 Hodnoty konstanty K1 pro vztah (7) dle ČSN Palivo K1 [-] Koks 0,8 Černé uhlí 1,0 K2 Hnědé uhlí 1,1 K2 Kamenouhelný dehtový olej 0,66 Topný olej 0,6 Zemní plyn 0,48 Tab. 4 Hodnoty konstanty K2 dle ČSN Obsah vody v palivu [%] Obsah CO2 v suchých spalinách [%] ,652 0,658 0,666 0,68 0,68 0, ,661 0,668 0,678 0,69 0,70 0, ,671 0,681 0,693 0,71 0,72 0, ,689 0,702 0,717 0,74 0,75 0, ,724 0,742 0,762 0,78 0,81 0, ,774 0,799 0,827 0,86 0,89 0, ,847 0,885 0,925 0,97 1,00 1,05 6

8 Příklad výpočtu účinnosti zdroje tepla Jaká bude účinnost plynového kondenzačního kotle, který má jmenovitý tepelný výkon 46,3 kw? Při měření byl zjištěn skutečný výkon 45,1 kw a naměřeny hodnoty teploty spalin 185 C, teploty spalovacího vzduchu 20 C a obsah CO2 ve spalinách 9,92 %. Dosazením do vztahu (6) lze vypočítat poměrnou ztrátu odevzdáním tepla do okolí jako 4 P m 4 46, 3 Z sv = = = 114, %. 3 3 P P 46, 3 45, 1 m Dosazením do vztahu (8) lze vypočítat komínovou ztrátu jako t t = = =. spalin vzduchu Zk K1 0,48 7,98 % ωco 9,92 2 Ostatní poměrné tepelné ztráty můžeme u tohoto plynového kotle zanedbat. Na základě výpočtů tak lze konstatovat, že byla naměřena účinnost plynového kotle 90,88 %. Pokud bychom teoreticky dokázali ten samý plynový kotel provozovat jako kondenzační, jak by se změnila hodnota účinnosti? Pokud bychom uvažovali teplotu spalin např. 65 C, pak by komínová ztráta kotle byla t t = = =. spalin vzduchu Zk,kond K1 0,48 2,18 % ωco 9,92 2 Celková účinnost plynového kotle v režimu kondenzace by pak byla 96,68 %. To potvrzuje myšlenku, že přínos kondenzačního kotle ve srovnání s klasickým nebo nízkoteplotním kotle nevychází výlučně ze zisku kondenzačního tepla, ale z podstatné části z nízké tepelné ztráty spalinami. Z pohledu provozu zdrojů tepla je důležité, aby každý zdroj tepla pracoval s nejvyšším možným stupněm využití a s co nejdelší životností. Životnost zdroje tepla je dána jeho správným provozem. Obecně platí, že u klasických zdrojů tepla je největším problém tzv. nízkoteplotní koroze. Nízkoteplotní koroze je v podstatě vznik kondenzace vodní páry ve spalinách na povrchu teplosměnné plochy výměníku zdroje tepla. Tento jev vzniká samozřejmě při tzv. zátopu, chladnutí nebo i při nevhodném provozování klasického zdroje tepal. Nejdůležitějším parametrem, který ovlivňuje vznik nízkoteplotní koroze, je teplota otopné vody (tzv. teplota rosného bodu spalin) ve výměníku tepla v kotli. Vzniklý kondenzát na straně spalin je poměrně agresivní látka z pohledu korozivního působení na materiál výměníku, což ovlivní životnost klasického kotle. Z pohledu klasického kotle je proto nutné omezit vznik nízkoteplotní koroze vhodným technickým opatřením na minimum. Základní princip možného opatření ukazuje obr. 1. 7

9 Obr. 1 Princip omezení vzniku nízkoteplotní koroze u klasických kotlů a) nevhodné zapojení b) zapojení s trojcestným směšovacím ventilem Instalací např. směšovací armatury (obr. 1b) nebo přepouštěcího ventilu či čtyřcestné klapky apod. dochází k udržování konstantní teploty vratné větvě do kotle (t2) bez závislosti na charakteru odběru tepla ve spotřebitelském okruhu (OS). To umožňuje udržovat teplotu t2 nad teplotou rosného bodu. Naproti tomu nízkoteplotní kotel je zařízení, které takovouto ochranu nepotřebuje. Nízkoteplotní kotel je z výroby uzpůsoben tak (např. bypass mezi výstupem a vstupem do kotle, konstrukce tahů kotle apod.), aby v žádném případě nedocházelo k poklesu povrchové teploty teplosměnné plochy kotle pod teplotu rosného bodu spalin. Nízkoteplotní kotel je tak zařízení, které dokáže automaticky pracovat s nízkou teplotou vratné vody, aniž by docházelo k nízkoteplotní korozi kotle. Teoreticky se dá říci, že opatřením dle obr. 2b lze docílit u klasického zdroje tepla provozu typického pro nízkoteplotní kotel. Kondenzační kotel je zařízení, které využívá latentního (kondenzačního) tepla spalin. Tudíž je u něj kondenzace vodních par obsažených ve spalinách žádoucí k dosažení jeho vysokého normovaného stupně využití. Důvodem, proč je u kondenzačních kotlů normovaný stupeň využití vyšší než 100 %, je jeho způsob výpočtu, který je vztažen k tzv. výhřevnosti použitého paliva, ale využití kondenzačního kotle je samozřejmě ve využití spalného (celkového) tepla Stupeň využití zdroje tepla Stupeň využití zdroje tepla popisuje chování zdroje tepla v průběhu celého otopného období. To znamená, že postihuje různé provozní stavy, než je pouze jmenovitý tepelný výkon a návrhový teplotní spád otopné soustavy. Pojmy, které se v souvislosti s tímto používají, jsou roční stupeň využití a normovaný stupeň využití. Roční stupeň využití kotle je hodnotící parametr celoročního provozování zdrojů tepla a lze ho využít jak pro klasické, tak i pro kondenzační zdroje tepla. Výpočet vychází z účinnosti zdroje tepla, vytížení zdroje tepla a pohotovostní ztráty. η a = kde bh b b H VK ηk 1 qb + 1 doba provozní pohotovosti [h/rok], 8 (8),

10 bvk doba plného využití kotle [h/rok], qb pohotovostní ztráta [-]. Jak ale můžeme ze vzorce (8) vidět, jeho použití je vhodné spíše u zdrojů tepla s jednostupňovým hořákem nebo konstantním teplotním spádem, protože základ výpočtu je opřen o stanovení účinnosti zdroje tepla. A je jasné, že například v přechodném období, kdy je tepelná ztráta výrazně nižší se mění i parametry otopné soustavy a tím dochází i ke změně účinnosti zdroje tepla. Oproti tomu normovaný stupeň využití zdroje tepla je hodnotící parametr celoročního provozování. U zdrojů tepla, které pracují s proměnnou teplotou otopné vody, tak zahrnuje všechny ztráty zdroje tepla v závislosti na teplotě otopné vody a vytížení zdroje tepla. Jeho výpočet vychází z určení stupňů využití při dílčí zátěži při pěti definovaných výkonech zdroje tepla se stanovenou teplotou přívodní a zpětné vody (9). η = N 5 i= η Ni (9), kde ηni stupeň využití při dílčím zatížení ve výkonové periodě [-] U moderních zdrojů tepla nejsou provozní parametry (tepelný výkon, teplotní spád atd.) statické, ale dynamicky se mění. V přechodném období, kdy klesá potřeba tepla na vytápění, klesá vytížení zdroje tepla. Důsledkem toho dochází ke snižování teploty kotlové vody. S klesající teplotou kotlové vody se snižuje jak ztráta sáláním zdroje tepla, tak i pohotovostní ztráta. Důležité ovšem je, že dochází také ke snižování teploty spalin, což se projeví zlepšením kondenzace spalin a nárůstem normovaného stupně využití (příklad tabulka 5). Tab. 5 Ukázka průběhu normovaného stupně využití podle DIN 4702 část 8 pro kondenzační kotel Vytížení kotle [%] Teplota teplonosné látky t w1 / t w2 [ C] Stupeň využití při dílčím zatížení η [%] 13 27,0 / 25,0 109, ,0 / 32,0 108, ,0 / 36,0 107, ,0 / 39,0 105, ,0 / 45,0 103,0 Dosazením do (9) můžeme poté stanovit normovaný stupeň využití jako 5 5 ηn = = = 106,8 % 5 1 0,0468 η i= 1 Ni (10), Problém těchto výpočtů je však skutečnost, že se jedná o stanovení normovaného stupně využití za laboratorních podmínek. V reálném provozu, kdy dochází ke znečištění spalovací komory, změně parametrů spalovacího vzduchu (teplota, vlhkost, tlak), budou dosahované skutečné provozní hodnoty normovaného stupně využití nižší. 9

11 Jak bylo ukázáno v předchozím textu, u kondenzačního zdroje tepla roste normovaný stupeň využití s klesajícím vytížením kotle (obr. 2). To je dáno poklesem teploty spalin a vytvořením lepších podmínek pro vznik kondenzace. Při 100 % vytížení kondenzační kotel pracuje s nižším podílem kondenzace spalin. Pokud je, ale kondenzační kotel provozován při 60 % vytížení a níže, podíl využití latentního tepla roste. Obr. 2 Závislost normovaného stupně využití na vytížení kotle Z toho lze učinit následující závěry. Při návrhu kondenzačního kotle je vhodné vybírat kotle s větší rezervou tepelného výkonu. Např. u domu s tepelnou ztrátou Qc = 8 kw je vhodnější navrhnout kondenzační kotel s tepelným výkonem 10 až 14 kw. Kondenzační kotel tak bude po celou otopnou sezónu pracovat při nižším vytížení a důsledkem toho i v oblasti s vyššími hodnotami normovaného stupně využití kotle. Na druhou stranu je, ale nutné vzít v úvahu modulační schopnosti hořáku kotle (tzn. minimální startovací výkon). Velmi častou otázkou je, zda je možné kondenzační kotel provozovat i s teplotním spádem 75/65 C. Odpověď se skrývá v několika faktorech, a sice křivce trvání venkovních teplot, teplotě rosného bodu spalin a na použité regulaci otopného systému. Délka otopného období pro ČR se pohybuje v rozmezí od 230 do 270 dní a závisí na lokalitě řešeného objektu (obr. 3). Podle křivky trvání venkovních teplot je jasné, že maximálních hodnot tepelných ztrát budov je dosahováno cca 20 dní v otopném období. V ostatních dnech je aktuální tepelná ztráta objektu vždy nižší než návrhová, resp. vypočtená pro nejnepříznivější podmínky (tj. venkovní oblastní výpočtovou teplotu tev). 10

12 Obr. 3 Křivka trvání venkovních teplot (CHMÚ Praha Karlov) Obr. 4 Rosný bod spalin v závislosti na součiniteli přebytku spalovacího vzduchu Většina kondenzačních kotlů pracuje při součiniteli přebytku spalovacího vzduchu λ = 1,2 až 1,5. Z obr. 4 je jasně vidět, že u těchto zařízení je k zajištění vzniku kondenzace spalin nutné zajistit teplotu zpátečky otopné vody nižší než 55 C. 11

13 Obr. 5 Teoretická oblast kondenzace otopné soustavy se spádem 75/65 C Dalším hlediskem je, že většina kondenzačních kotlů dnes pracuje ve spojení s ekvitermní regulací. Princip ekvitermní regulace je založen na regulaci výstupní teploty vody z kotle v závislosti na aktuální venkovní teplotě (obr. 5). Z obr. 5 je vidět, že kondenzační kotel s ekvitermní regulací navržený pro teplotní spád otopné soustavy 75/65 C bude při venkovní teplotě vyšší než cca -3 C pracovat s teplotou zpátečky otopné soustavy nižší než je požadovaná teplota rosného bodu tj. 55 C. Pokud bude venkovní teplota nižší než -3 C (např. -7 C), bude kondenzační kotel pracovat jako klasický plynový kotel. Podle obr. 3 se jedná o dobu cca 20 až 25 dní v roce. Zbytek otopného období (tj. cca 90 % otopného období) bude kondenzační kotel pracovat již v kondenzačním režimu. S provozním hlediskem přímo souvisí zvážení investičních nároků otopné soustavy. Pokud bude striktně navrhován kondenzační kotel a projekt bude uvažovat tzv. nízkoteplotní otopnou soustavu (např. 55/40 C, atd.), aby kotel pracoval vždy v kondenzačním režimu, pak důsledkem toho bude potřeba větší velikosti teplosměnné plochy otopných ploch ve srovnání se soustavou navrženou na teplotní spád 75/65 C. To s sebou přináší vyšší investiční nároky na otopnou soustavu a tím i také zvážení doby návratnosti investičních a provozních nákladů. Je tedy patrné, že při návrhu kondenzačního kotle je nutné zohlednit několik hledisek. Nejdůležitějším hlediskem není pouze správný výběr výkonové řady kondenzačního kotle, ale také správná volba teplotního spádu otopné soustavy. Nicméně lze konstatovat, že použití kondenzační techniky je i při stejných teplotních podmínkách otopné soustavy, téměř vždy výhodnější než použití klasického plynového kotle Výpočet množství kondenzátu Neméně důležité je si uvědomit, že při použití kondenzačního kotle je potřeba počítat s odvodem vzniklého kondenzátu. Kondenzát je vždy mírně kyselý. Podle stupnice kyselosti se hodnota ph kondenzátu u kondenzačních kotlů pohybuje v rozmezí od 4 do 5,5. S tím souvisí problematika odvodu kondenzátu. V ideálním případě vychází, že při spálení 1 m 3 zemního plynu vznikne cca 1,36 kg kondenzátu. Výpočet množství kondenzátu je závislý na konkrétních okrajových podmínkách spalování zemního plynu (složení plynu, vlastnosti spalovacího vzduchu, teplota spalin, součinitel přebytku spalovacího vzduchu, atd.). Maximální množství kondenzátu lze stanovit ze vztahu 12

14 0,96 m k = 0,82 Q n (1 ) η N0,5 (7) kde množství kondenzátu [kg/h], jmenovitý příkon kotle [kw], ηn0,5 provozní normovaný stupeň využití při vytížení 50 % [-]. mk Qn Například u kotle se jmenovitým tepelným výkonem 23 kw při uvažovaném normovaném stupni využití ηn0,5 = 1,03, je množství vzniklého kondenzátu cca 1,28 kg/h. Pro odvod kondenzátu lze v praktických aplikacích vycházet z DIN : takto: s výkonem do 25 kw je napojení možné přímo na kanalizaci bez dalšího opatření, s výkonem od 25 kw do 200 kw je napojení možné bez neutralizace, je-li kondenzát během nočního provozu zachycován ve zdržovací nádrži a během dne pak pozvolna vypouštěn spolu s ostatními splaškovými vodami tak, aby bylo dosaženo menší, než limitní kyselosti, s výkonem nad 200 kw je napojení možné až po neutralizaci kondenzátu. Neutralizace (odkyselování) kondenzátu se provádí nejčastěji chemicky, kdy se snižuje obsah CO2 průtokem kondenzátu přes odkyselovací hmoty. Používají se mramor, dolomit atd. Neutralizační zařízení tvoří nádoba nejčastěji z plastických hmot s náplní neutralizačního granulátu, přetlaková vodní uzávěrka a zápachová uzávěrka. 13

15 2. Příprava teplé vody Teplá voda (TV) je zdravotně nezávadná vody v kvalitě vody určené k lidské potřebě. Není určena k pití a vaření, ale pro mytí, koupání, praní a umývání. TV není ohřívaná provozní voda, potřebná k technologickým účelům, kde její použití člověkem nepřichází v úvahu. Pokud chceme v objektu použít i vodu, která není určena k lidské spotřebě (např. toalety, mytí podlah, oken apod.), musí být pro tuto vodu navržen samostatný vodovod a tento vodovod musí být zabezpečen tak, aby voda z něj nemohla proniknout do vodovodu k lidské spotřebě Způsoby přípravy teplé vody Základní principy ohřevu teplé vody dělíme dle použitého systému na: Místní (lokální) přípravu tj. ohřev vody, který se provádí v tzv. jednotkových ohřívačích. Ty jsou často řešeny jako zásobníkové nebo průtočné. Každé místo odběru je vybaveno vlastním ohřívačem vody. Tento způsob provozování umožňuje optimální přizpůsobení proměnlivé potřebě a rozdílným teplotám. Místní způsob ohřevu je vhodný k dodatečné instalaci, přičemž pro místa odběru, nacházející se od sebe ve větších vzdálenostech není nutný rozsáhlý potrubní rozvod. Lokální příprava teplé vody také umožňuje oddělenou fakturaci spotřeby energie pro každé místo odběru. Centrální (skupinovou) přípravu teplou vodou je zásobováno několik míst odběru (např. v jednom bytě) z jednoho ohřívače vody. Zásadou tohoto způsobu je, že by ohřívač teplé vody měl být instalován tak, aby potrubí k výtokům bylo co nejkratší. Ústřední přípravu je typický, když jsou všechna místa odběru v budově zásobována z jednoho ústředního ohřívače společným rozvodem teplé vody. Tento způsob přípravy teplé vody je v obytných budovách nejpoužívanější. Bohužel nutností je dodržení pravidla o zajištění teploty teplé vody na výtoku i z nejvzdálenější armatury, a proto je nutné krom vhodně navržené trasy potrubní sítě rozvodu teplé vody kalkulovat také u rozsáhlejších budov s možností cirkulace nebo přihřívání samoregulačním topným kabelem. Každé technické řešení přípravy teplé vody musí obsahovat zdroj pro vlastní ohřev TV, potrubní rozvod TV včetně regulačních, pojistných a zabezpečovacích armatur a výtokové armatury pro nastavení požadované výstupní teploty TV. Základním požadavkem všech výše uvedených technických zařízení je zajištění dostatečného množství TV o požadované teplotě v co nejkratší době po otevření příslušného výtoku. Z pohledu návrhu přípravy teplé vody a návrhu potrubní sítě je nutné při přípravě teplé vody zohlednit základní požadavek na teplotu TV na výtoku koncového prvku (např. sprchy, vany, umyvadla, atd.), kdy do 30 sekund od úplného otevřené výtokové armatury musí být zajištěna požadovaná teplota teplé vody podle ČSN (požadavek ČSN EN 806-2). To v praxi znamená, že potrubí teplé vody mezi ohřívačem TV a nejvzdálenější armaturou nesmí mít větší objem než 3 litry. Objem potrubí odbočujících z trasy k nejvzdálenější výtokové armatuře se do uvedeného objemu nezapočítává (obr. 6). Pokud toto není možné dodržet, musí se navrhnout cirkulace TV nebo přihřívání potrubí TV samoregulačním elektrickým topným kabelem. Při cirkulaci nebo přihřívání platí požadavek na maximální objem vody (3 l) jen pro části potrubí bez cirkulace nebo přihřívání. Maximální objem 3 l souvisí také s prevencí před množením bakterií rodu Legionella (viz TNI CEN/TR 16355). 14

16 Obr. 6 Největší objem vody v potrubí teplé vody bez cirkulace nebo přihřívání samoregulačním elektrickým topným kabelem 2.2. Konstrukční typy ohřívačů vody V základním provedení lze přípravu teplé vody provádět buď zásobníkovým (obr. 7a) nebo průtokovým (obr. 7b) způsobem. Často se dnes používá také smíšená příprava teplé vody, která je kombinací průtokového ohřívače (deskového výměníku nebo plynového průtokového ohřívače) a zásobníku teplé vody. Některé typy ohřívačů jsou pod tlakem tj. uzavřené tlakové ohřívače, nebo existují tzv. otevřené (beztlaké) ohřívače s neuzavíratelným (otevřeným) výtokem vody. Ohřev vody v nich může být přímý nebo nepřímý. Dle uvedeného textu tak rozlišujeme: Zásobníkové a průtokové ohřívače vody Otevřené a uzavřené ohřívače vody Přímo a nepřímo ohřívané ohřívače vody Zásobníkové ohřívače vody využívají akumulace teplé vody. Doba přípravy (ohřevu) teplé vody je závislá na objemu zásobníku, tepelném výkonu ohřívače a na požadované teplotě vody na výstupu ze zásobníku. Podle paliv a energie lze rozlišovat zásobníkové ohřívače vody na elektrický proud a na pevná, kapalná a plynná paliva. Zásadním provozním předpokladem zásobníkového ohřívače vody je vhodně navržená tepelná izolace nádrže. V průtokových ohřívačích je voda ohřívána při aktuálním průtoku. Potřebná tepelná energie musí být tedy dodávána v průběhu odběru teplé vody. Z toho, ale vyplývá základní nevýhoda průtokového ohřevu, protože v závislosti na požadovaném průtoku teplé vody, teplotě ohřáté vody je nutné zajistit dostatečný tepelný výkon ohřívače. Rozlišují se základní typy elektrických a plynových průtokových ohřívačů určené převážně pro lokální ohřev vody anebo většinou externí výměníky ohřívané z nezávislého zdroje tepla (kotle, centrální zásobování teplem atd.). 15

17 a) b) Obr. 7 Způsoby ohřevu vody a) zásobníkový, b) průtokový 2.3. Výpočet a návrh potřeby teplé vody Základním předpokladem správného výpočtu v oblasti přípravy teplé vody je sestavení tzv. odběrového profilu tepla dodaného ohřívačem za danou periodu (obvykle 1 den = 24 hodin). Odběrový profil udává základní údaje o velikosti potřeby teplé vody během vybraného časového úseku. Potřebu tepla dodaného ohřívačem teplé vody za danou periodu pro zajištění přípravy teplé vody lze vyjádřit jako: ( 1 ) Q = Q + Q = + z Q = 2 p 2t 2z 2t ( 1+ z) V ρ c ( t t ) 2 p kde je Q2p teplo dodané ohřívačem TV [kwh/den], Q2t teplo pro ohřev vody [kwh/den], Q2z teplo ztracené při ohřevu a distribuci TV [kwh/den], z poměrná ztráta tepla při ohřevu a distribuci TV [-], V2p celková potřeba teplé vody [m 3 /den], ρ hustota vody při střední teplotě zásobníku [kg/m 3 ], c měrná tepelná kapacita vody [J/(kg K)], t1 teplota studené vody [ C], teplota teplé vody [ C]. t2 Hodnoty poměrné ztráty tepla při ohřevu a distribuci tepla z, jsou závislé na kvalitě tepelné izolace rozvodů teplé vody, tepelné izolaci zásobníku tepla a v neposlední řadě také na době provozu cirkulace během dne a během roku. Pro bytové domy s řízenou cirkulací se hodnota tohoto součinitele pohybuje okolo 0,5. U rodinných domů bez cirkulačního potrubí lze pro výpočet uvažovat hodnoty z = 0,2 až 0, Celková potřeba teplé vody V ČR jsou platné dvě normy ČSN Tepelné soustavy v budovách Příprava teplé vody Navrhování a projektování a ČSN EN Tepelné soustavy v budovách Výpočtová metoda pro stanovení potřeb energie a účinností soustavy část 3-1: Soustavy teplé vody, charakteristiky potřeb (8), 16

18 (požadavky na odběr vody). Výpočty podle těchto norem jsou poměrně jednoduché, nicméně výsledky jsou při srovnání se skutečným provozem velmi odlišné. V případě původní normy ČSN jsou důvodem nadhodnocené údaje o potřebě teplé vody podle využití. Výpočet potřeby teplé vody rozděluje norma ČSN na: mytí osob Vo mytí nádobí Vj úklid Vu Potřeba teplé vody pro mytí osob Vo v dané periodě se stanoví ze vztahu: n V = n V = n ( n U τ p ) o l di l di 3i di di i= 1 i= 1 kde je n (9), Vo potřeba teplé vody pro mytí osob [m 3 /perioda, např. m 3 /den], Vd objem dávky v dané periodě [m 3 ], nl počet uživatelů [-], nd počet dávek [-], U3 objemový průtok teplé vody při teplotě t3 do výtoku [m 3 /h], τd doba dávky [h], pd součinitel prodloužení doby dávky [-]. Potřeba teplé vody na mytí nádobí Vj v dané periodě se stanoví ze vztahu: V j = n j Vd (10), kde je Vj potřeba teplé vody pro mytí nádobí [m 3 /perioda, např. m 3 /den], nj počet jídel [-]. Potřeba teplé vody pro úklid a pro mytí podlah Vu v dané periodě se stanoví ze vztahu: Vu = nu Vd (11), kde je Vu potřeba teplé vody pro úklid a pro mytí podlah [m 3 /perioda, např. m 3 /den], nu počet (výměra) ploch [-]. Celková potřeba teplé vody V2p v dané periodě [m 3 /perioda, např. m 3 /den] se stanoví ze vztahu: V2 p = Vo + V j + Vu (12), Základní hodnoty potřeby teplé vody na jednotlivé činnosti dle ČSN ukazuje tabulka 6. V tabulce 7 jsou pak uvedeny charakteristiky výtoků vody u zařizovacích předmětů. Nicméně je důležité si uvědomit, že se jedná o požadavek na míchanou vodu skládající se jak ze studené (obvykle 10 C) tak i teplé vody (obvykle 55 C). Např. pro sprchování je požadavek teploty míchané vody 40 C. 17

19 Tabulka 8 ukazuje bilanci potřeby teplé vody a tepla pro různé typy budov. Podrobnější rozbor předpokladu počtu a objemu dávek teplé vody pro 1 osobu a den v bytovém objektu ukazuje tabulka 9. Je důležité si uvědomit, že všechny uvedené tabulky 6 až 9 vychází z měření denní spotřeby teplé vody v bytech na několika českých lokalitách. Spotřeba byla měřena o nedělích, kdy byla spotřeba o 50 % vyšší oproti všedním dnům. Dodávka TV se děla z centrálních ohřívačů pro 100 až 600 bytů. Spotřeba teplé vody byla měřena podle údajů bytových vodoměrů. Jak je patrné ze vztahu (8) největším problémem je určení objemu dávky teplé vody na mytí osob Vd. Skutečné množství potřeby teplé vody na osobu závisí na individuálním chování každého uživatele a hodnoty uváděné normou ČSN jsou díky výše popsaným podmínkám měření nadsazené nejméně o 50 %. Tab. 6 Potřeba teplé vody o teplotě ttv = 55 C dle ČSN Činnost Umyvadlo U3 = 0,14 m 3 /hod Doba dávky τd Objem dávky Vd Teplo v dávce [s] [hod] [dm 3 ] [m 3 ] [kwh] mytí rukou 50 0, ,002 0,10 mytí těla 260 0, ,010 0,52 Mytí Sprcha U3 = 0,23 m 3 /hod 400 0, ,025 1,32 osob Standardní Vana U3 = 300 0, ,040 2,10 délka 0,47 m 3 délka vany /hod 610 0, ,080 4, mm Mytí Pouze výdej jídel U3 = 0,30 m 3 /hod 1 0,001 0,05 nádobí o t4 = 55 až 80 C Vaření + výdej na jedno jídlo 2 0,002 0,10 U3 = 0,30 m 3 /hod Mytí podlahy + úklid o t4 = 55 C na 20 0,020 1, m 2 Q2 Tab. 7 Charakteristiky výtoků dle ČSN Parametr Baterie umyvadlo dřez sprcha vana Teplota na výtoku tmix [ C] Průtok vody o teplotě tmix na výtoku míchané vody Přítok teplé vody 55 C do výtoku teplé vody Tepelný výkon přítoku teplé vody qv [kw] dm 3 /s 0,06 0,08 0,095 0,20 m 3 /hod 0,21 0,30 0,34 0,70 dm 3 /s 0,04 0,08 0,065 0,13 m 3 /hod 0,14 0,30 0,23 0,47 7,3 15,7 až 24,4 12,0 24,6 18

20 Tab. 8 Bilance potřeby teplé vody a tepla pro různé typy budov Druh objektu Stavby pro bydlení Stavby pro dočasné ubytování Školy Zdravotnictví Očistné lázně Vaření a mytí nádobí Internáty Svobodárny Hotely Polikliniky Nemocnice Domovy důchodců Ozdravovny Kojenecké ústavy Jesle, domovy jen výdej Příprava a výdej dětské Malý sortiment jídel ; restaurační provoz Hygienická zařízení podniků a sportovních zařízení Měrná jednotka 1 osoba Činnost umývání vaření úklid Spotřeba V2p [m 3 /per.] 0,082 4,3 Teplo Q2p [kwh/per.] Součinitel současnosti s [-] do 35 osob = 1 až 1000 osob = 0,2 (viz. 0) 1 osoba sprchy 0,06 2,5 internát = 1,0 1 osoba umývání 0,02 0,8 1 osoba vany 0,1 3,5 100 m 2 úklid 0,02 0,8 1 žák umývání 0,02 0,8 svobodárna = 0,6 hotely do 50 lůžek = 1,0 přes 50 lůžek = 0,8 úklid = 1 podle vybavení = 0,2 až 1,0 100 m 2 úklid 0,02 0,8 úklid = 1,0 umývání 1 vyšetřený vč. 0,02 0,7 1,0 personálu 1 lůžko umývání ležící 0,02 0,7 mytí = 1,0 1 lůžko umývání + sprcha chodící 0,05 1,8 umývání 1 lůžko vč. 0,25 10 personálu 1 lůžko 1 lůžko 1 dítě 1 dítě umývání vč. personálu umývání vč. personálu umývání vč. personálu umývání vč. personálu 0,2 7 0,1 3,5 0, ,07 2,5 mytí + 1 sprcha = 1,0 komplexní činnost = 1,0 komplexní činnost = 1,0 komplexní činnost = 1,0 komplexní činnost = 1,0 komplexní činnost = 1,0 100 m 2 úklid 0,02 0,8 úklid = 1,2 až 1,5 1 osoba 2 x sprcha + vana 0,16 6,5 1,0 100 m 2 úklid 0,02 0,8 úklid = 1,0 1 jídlo s myčkou nádobí = mytí 0,001 0,5 jídelního 0,1 (80 C) bez myčky nádobí = nádobí 1,0 1 jídlo mytí varného a jídelního 1 jídlo nádobí 0,0015 (80 C) 0,002 (80 C) 0,15 0,2 s myčkou nádobí = 0,7 bez myčky nádobí = 0,8 100 m 2 úklid 0,02 0,8 úklid = 1,0 1 os./sm umyvadla 0,02 0,8 1,0 1 os./sm sprchy 0,04 1,4 1,0 100 m 2 úklid 0,02 0,8 úklid = 1,0 19

21 Tab. 9 Potřeba teplé vody pro 1 osobu a den v bytovém objektu Parametr Baterie umyvadlo dřez sprcha vana Počet dávek nd [-] 3 0,8 1 0,3 Objem dávek Vd [m 3 ] 0,03 0,002 0,025 0,025 Potřebné teplo na dávku Qd [kwh] 1,5 0,1 1,3 1,4 Součet objemu dávek V2p [m 3 ] 0,082 Součet tepla v dávkách Q2t [kwh] 4,3 Potřebu teplé vody dle tabulky 8 je v případě návrhu průtočného ohřevu korigovat o tzv. součinitel současnosti s (obr. 8). Graf na obr. 8 ukazuje, že s rostoucím počtem bytů, požadující průtočnou přípravu teplé vody, klesá skutečná velikost odběru teplé vody na jednu osobu. Např. pro bytový dům o 50 bytech je součinitel současnosti cca 0,4, pro 250 bytů a více lze uvažovat současnost odběru s = 0,2. Obr. 8 Součinitel současnosti odběru teplé vody pro bytové domy při návrhu průtočného ohřevu teplé vody Oproti tomu evropská norma ČSN EN byla převzata v českém jazyce v červenci 2010 a má celkem tři části. ČSN EN se zabývá požadavky na odběr TV. ČSN EN řeší soustavy TV, zejména pak rozvody TV (tj. tepelné ztráty potrubí, potřebu pomocné energie pro cirkulační čerpadlo atd.). Poslední díl normy ČSN EN je pak věnován zjednodušenému výpočtu ročního provozu systému přípravy TV z pohledu potřeby stanovení roční dodané energie pro přípravu TV. Ačkoli by se tedy mohlo zdát, že tato norma je primárně určena k energetickému hodnocení systémů přípravy teplé vody z hlediska budovy jako celku, lze hodnoty potřeby tepla, stanovené dle této normy, dále využít právě při návrhu velikosti zásobníku TV, resp. dimenzování velikosti zdroje tepla pro přípravu TV. Pro určení potřeby teplé vody v dané periodě (tj. 24 h) lze využít vztah: V = V f W,day W, f,day (13), kde je VW,day potřeba teplé vody, při výstupní teplotě ttv = 60 C [m 3 /den], VW,f,day specifická potřeba teplé vody (ttv = 60 C) [m 3 /měrná jednotka den], f počet měrných jednotek [-]. 20

22 Měrnou jednotkou se většinou rozumí počet osob (např. pro rodinné a bytové domy, kancelářské a školní budovy), počet lůžek (pro ubytovací zařízení, nemocnice apod.) nebo počet odběrů TV (např. u průmyslových provozů). U sportovních zařízení je za měrnou jednotku považován počet instalovaných odběrných zařízení, nejčastěji sprch apod. Hodnoty potřeby teplé vody pro budovy jsou uvedeny v příloze B1 normy ČSN EN , výběr z normy je uveden v tabulce 10. Tab. 10 Modifikované specifické potřeby teplé vody o teplotě tw,del = 60 C (výběr z normy ČSN EN ) V W, f,day Druh budovy [m 3 /měrná jednotka den] Měrná jednotka Rodinný dům 0,04 až 0,05 Osoba Bytový dům 0,04 Osoba Ubytovací zařízení 0,028 Lůžko Čtyřhvězdičkový hotel s prádelnou 0,132 Lůžko Restaurace 0,01 až 0,02 Jídlo Nemocnice s prádelnou 0,088 Lůžko Administrativní budova 0,01 až 0,015 Osoba Sportovní zařízení 0,1 Instalovaná sprcha Průmyslový závod 0,03 Sprchová koupel Hodnoty uvedené v tabulce pro bytový dům a sportovní zařízení jsou stanoveny pro tzv. vysoký komfort. Pro bytové domy je obvyklejší počítat s hodnotu v rozmezí od 0,02 do 0,04 [m 3 /osobu den] a pro střední standard u sportovních zařízení s hodnotou 0,06 [m 3 /sprchu den]. Pro stanovení specifické potřeby TV pro rodinné domy s jednou rodinou a podlahovou plochou větší než 20 m 2 norma dále nabízí využít vztah V W, f,day 39, 5 ln f 90, = f (14). Nicméně např. pro rodinný dům o podlahové ploše 160 m 2, by specifická potřeba teplé vody dle vzorce (14) byla VW,f,day = 0,00069 [m 3 /m 2 den] a celková potřeba teplé vody je pak VW,f,day = 0,11 [m 3 /den]. Pokud bychom pro stejný dům uvažovali 4-členou domácnost (tj. měrnou jednotkou by byl počet osob) je dle tabulky 8 je pal specifická potřeba teplé vody 0,04 [m 3 /osobu den]. Celková potřeba teplé vody by pak byla pro stejný dům VW,f,day = 0,16 [m 3 /den]. Jak je tedy patrné, metody pro stanovení potřeby teplé vody se liší. Doporučení lze hledat spíše v tabulce 8 a vzorci (13), kde je zohledněno jaký typ budovy navrhujeme a ve výpočtech poté pracovat se správnou měrnou jednotku Profil odběru teplé vody Profil odběru TV je stěžejním podkladem při návrhu jak velikosti zdroje tepla tak i velikosti zásobníku TV. Z pohledu legislativy je celá řada dokumentů, které poskytují informaci o předpokládaném profilu odběru TV. Z pohledu projektanta je, ale jasné že neexistuje jeden univerzální profil, který by byl aplikovatelný na každý objekt, a to i v případě, že by se jednalo o dva totožné domy. Důvodem je zcela individuální a nepředvídatelné chování uživatele stran odběru TV. Legislativní dokumenty mají v současnosti vazbu na pojem ErP - "Energy related Products", neboli "Výrobky spojené se spotřebou energie". Tento pojem byl v rámci EU zaveden směrnicí 2009/125/EU. Cílem této směrnice je snižovat spotřebu energie, produkci emisních látek a zároveň podporovat zvýšení podílů obnovitelných zdrojů energie v rámci EU. Pro jednotlivé typy výrobků následně vznikají další 21

23 legislativní dokumenty (nařízení), která jsou automaticky přejímána národní legislativou. Tato nařízení vlastně stanovují minimální parametry, které musí daný výrobek splnit, aby bylo možné jej prodávat na trhu EU. Směrnice 2009/125/EU zavádí také nový pojem "ekodesign výrobků". Dle definice směrnice je ekodesign výrobků, preventivní přístup, který má optimalizovat vliv výrobků na životní prostředí při současném trendu zachování jejich funkčních vlastností. Všechny stanovené výrobky nově uváděné na trh jsou pak podrobeny procesu posouzení shody s požadavky stanovenými odpovídajícími evropskými směrnicemi. Na základě prokázané shody a na základě shromážděné technické dokumentace osvědčující tuto shodu jsou pak nové výrobky opatřeny evropským označením shody "CE". V rámci ErP vyšly v roce 2013 Nařízení komise EU s přímou vazbou jak na ohřívače a zásobníky teplé vody, tak i na další zdroje tepla v souvislosti s využitím v rámci topenářské techniky. Následující text je proto rozdělen do dvou částí. První popisuje profily odběru, tak jak jsou definovány právě v Nařízeních komise EU č. 811, 812, 813 a 814. Druhá je věnována reálnému měření odběrů teplé vody na několika bytových domech. V každém z nařízení se vyskytuje příloha obsahující tabulku s typickými zátěžovými profily, které slouží k měření ohřívačů vody. V nařízeních č. 811/2013 a č. 812/2013 se vyskytují zátěžové profily od 3XS do XXL, nařízení č. 813/2013 a č. 814/2013 rozšiřují rozsah zátěžových profilů o další dva, a sice 3XL a 4XL. Nařízení se týkají ohřívačů teplé vody a zdrojů tepla pro vytápění jako jsou spalovací zařízení na fosilní paliva (kromě pevných paliv), elektrokotle, ohřívače vody (elektrické, plynové, případně kombinované se solárními zařízeními). Nařízení č. 811/2013 a č. 812/2013 stanovují požadavky pro zdroje tepla do jmenovitého tepelného výkonu 70 kw na uvádění spotřeby energie na energetických štítcích a poskytování doplňujících informací o výrobku. Nařízení č. 813/2013 a č. 814/2013 následně stanovují požadavky na ekodesign pro uvádění na trh a/nebo do provozu. Konkrétní popis energetických štítků a jejich hlavní identifikační údaje jsou uvedeny na obr. 9 a obr. 10. Jedná se konvenční ohřívač teplé vody (např. pro průtokový ohřev teplé vody) obr. 9 a zásobník teplé vody obr. 10. Dále jsou v tabulce 11 uvedeny požadavky na zařazení zásobníků teplé vody do tříd energetických účinností v závislosti na užitném objemu zásobníku a jeho statické tepelné ztrátě. Tab. 11 Třídy energetické účinnosti zásobníků teplé vody Třída energetické Statická ztráta S [W] při užitném objemu V [l] účinnosti A+ S < 5,5 + 3,16 V 0,4 A 5,5 + 3,16 V 0,4 S < 8,5 + 4,25 V 0,4 B 8,5 + 4,25 V 0,4 S < ,93 V 0,4 C ,93 V 0,4 S < 16,66 + 8,33 V 0,4 D 16,66 + 8,33 V 0,4 S < ,33 V 0,4 E ,33 V 0,4 S < ,66 V 0,4 F ,66 V 0,4 S < ,66 V 0,4 G S > ,66 V 0,4 22

24 Obr. 9 Energetický štítek pro konvenční ohřívače vody ve třídách energetické účinnosti ohřevu vody A až G (L zátěžový profil odběru, 1 - Název nebo ochranná známka dodavatele, 2 - Identifikační značka modelu používaná dodavatelem, 3 - Funkce ohřevu vody včetně deklarovaného zátěžového profilu vyjádřeného písmenem,4 - Třída energetické účinnosti ohřevu vody, 5 - Hladina akustického výkonu LWA ve vnitřním prostření v db, 6 - Roční spotřeba elektrické energie v kwh, 7 - U konvenčních ohřívačů vody schopných pracovat pouze v době mimo špičku může být doplněn piktogram) Obr. 10 Energetický štítek zásobníků teplé vody v třídách energetické účinnosti A až G (1 - Název nebo ochranná známka dodavatele, 2 - Identifikační značka modelu používaná dodavatelem, 3 - Funkce zásobníku vody, 4 - Třída energetické účinnosti, 5 - Stálé ztráty ve W zaokrouhlené na nejbližší celé číslo, 6 - Objem zásobníku teplé vody v litrech zaokrouhlený na nejbližší celé číslo) Základní představu, co vlastně tyto profily obsahují, ukazuje tabulka 12. Podle časového harmonogramu a druhů odběrů profily S až L charakterizují potřebu teplé vody v jednogeneračních rodinných domech. Profil S je přirovnán k typickému průměrnému dennímu odběru pro jednu osobu, profil M odpovídá 23

25 průměrnému dennímu odběru pro rodinu s používáním sprchy a profil L charakterizuje průměrný denní odběr pro 3člennou rodinu s používáním vany a sprchy. Podrobné popisy v nařízeních komise chybí, nicméně v dokumentu Methodology for the Assessment of the Hot Water Comfort of Factory Made Systems and Custom Built Systems z univerzity Stuttgart jsou zobrazeny piktogramy k jednotlivým profilům popisující jejich běžné použití (Tabulka 9). Například zátěžový profil 3XS je přirovnán k odběrům odpovídajícím občasnému mytí rukou nebo menšímu úklidu. A v případě profilu XXL až 4XL už se jedná o odběry odpovídající špičkovým odběrům např. ve sportovním areálu nebo průmyslovém závodu. Tab. 12 Typické použití zátěžových profilů odběrů teplé vody Deklarovaný zátěžový profil Piktogram 3XS 35 C XXS 40 C XS S 35 C M 2x 55 C L 55 C XL 3x 55 C XXL 3x 55 C 3XL 8x 55 C 4XL 16x 55 C Typické použití Umyvadlo s 35 C vodou (např. výlevka, umyvadla na toaletách) Umyvadlo se 40 C vodou (např. umyvadla na toaletách) Sprcha s elektrickým průtokovým ohřívačem Sprcha a umyvadlo s 35 C vodou (např. ubytovny) Sprcha a dřez (umyvadlo) s 55 C vodou (např. hotely, penziony) Vana, sprcha a dřez s 55 C vodou (např. menší byty) Vana, sprcha a dřez s 55 C vodou (např. větší byty, jednogenerační rodinné domy) Současné použití van a sprch (např. vícegenerační rodinné domy, apartmány) Krátkodobý špičkový odběr (např. sportovní areál) Krátkodobý špičkový odběr (např. průmyslový areál) 24

26 Grafické vyjádření typických profilů S, M, L a XL v závislosti na čase odběru tepla pro přípravu TV ukazuje obr. 11. Jejich převedení do kumulativní křivky odběru pak obr. 12. Obr. 11 Odběrové profily S, M, L a XL Obr. 12 Kumulativní zobrazení křivek odběru tepla pro přípravu TV profily 3XS až 4 XL Je zřejmé, že profily uvažují významný rozdíl ve sklonu v časovém úseku od 7:00 až 21:00, kde z nižší pozice začíná aproximační křivka pro skupinu profilů 3XS až S. Postupný růst je způsobený odběry v průběhu celého dne, které vzhledem k celkové referenční energii hraje významnou roli a viditelně se projevuje v grafickém znázornění spotřeby daného profilu. Výjimku tvoří profil XS, který se skládá z pouhých tří odběrů za celý den a je typický např. pro kancelářské budovy s odběrem tepla pro přípravu TV na mytí rukou na toaletách apod. 25

27 Reálné měření denních profilů odběrů teplé vody u bytových domů prokázal do jisté míry dobrou shodu s výše uvedenými profily z legislativních podkladů. Dále uváděné měření je vázáno na běžné bytové domy (lokalita Středočeský kraj, domy A, B, C a D). V 0 jsou uvedeny základní údaje domů. Dále uváděná data se vztahují k vodoměru studené vody, který je osazen těsně před systémem přípravy teplé vody (tj. před výměníkem TV) daného domu. Jedná se tedy vždy o náměry na celý dům nikoli na součet bytových vodoměrů. Tab. 11 Parametry posuzovaných bytových domů město Vlašim Bytový dům A Bytový dům B Bytový dům C Bytový dům D Podlaží Počet bytů Spotřeba TV za rok 2015 [m 3 /rok] Spotřeba TV na byt [m 3 /byt] 23,86 18,17 19,25 18,54 Na obr. 13 jsou měsíční spotřeby TV v m 3 pro jednotlivé bytové domy. Z obrázku je patrné, že nejnižší spotřeba TV proběhla u všech bytových domů v letních měsících (červen, červenec a srpen). Důvodem je období prázdnin a tím i nižší obsazenost obyvatel domů. Podobný trend je patrný i v únoru, kde nižší spotřeba TV je způsobena jednak menším počtem dnů v měsíci a také termínem školních prázdnin, které využívají rodiny k zimní dovolené. Obr. 13 Měsíční spotřeba TV pro jednotlivé bytové domy za rok 2015 Denní průběhy odběrů tepla (zprůměrované vždy v daném měsíci) dodané ohřívačem TV Q2p v jednotlivých měsících pro bytový dům A a B jsou zobrazeny na obr. 14 a obr

28 Obr. 14 Denní průběh odběrů tepla dodané ohřívačem TV pro bytový dům A Obr. 15 Denní průběh odběrů tepla dodané ohřívačem TV pro bytový dům B Jak vypadá celoroční kumulativní odběr tepla v TV např. u bytového domu A za rok 2015 ukazuje obr. 16. Dle obr. 17 je vidět největší podobnost s aproximační křivkou BD u profilu Aprox.: 3XS-S. Důvodem, proč profily M až 4XL vychází výrazně odlišně, je předpokládané množství spotřebované energie. Jejich průběh je silně ovlivněn jednotlivými obyvateli domu a každý odběr se výrazně projeví v průběhu spotřeby. Naproti tomu bytový dům obývá velký počet obyvatel různých věkových kategorií, které se často liší ve svém denním harmonogramu. 27

29 Obr. 16 Kumulativní odběry tepla pro bytový dům A za rok 2015 Obr. 17 Porovnání aproximačních křivek: BD (průměr pro bytové domy A, B, C a D), dle odběrových profilů 3XS-S, M-4XL a M-4XL s preferencí profilu L Z výsledků měření různých typů bytových domů vyplývá, že profil odběru teplé vody se rostoucím počtem obyvatel výrazně vyhlazuje a odběrové špičky nejsou tak výrazné. Z pohledu typického dne je zřejmé, že volné dny (víkendy, státní svátky apod.) dávají zcela rozdílný profil odběru v důsledku většího počtu obyvatel v domě během dne a nestandardních hygienických požadavků (sprcha, vana) v ranních a večerních hodinách. Naopak víkendový provoz poskytuje daleko výraznější špičky odběru teplé vody. 28

30 Základní porovnání nabízí obr. 18. Časové parametry odběru podle ČSN a ČSN EN jsou uvedeny pod obrázkem 18 v tabulce 14. Obr. 18 Porovnání aproximační křivky BD s křivkami odběru uváděných obvykle dle norem ČSN EN a ČSN Tab. 14 Časové parametru odběru tepla pro přípravu TV Křivka odběru dle ČSN ČSN EN Aproximace dle měření na BD Čas odběru tepla pro přípravu TV Podíl z celkově odebraného tepla pro přípravu TV [%] 0:00 až 5:00 0 5:00 až 17: :00 až 21: :00 až 24: :00 až 6:00 0 6:00 až 9: :00 až 19: :00 až 22: :00 až 24: :00 až 6:00 0 6:00 až 18: :00 až 23: :00 až 24:00 0 Zatímco křivka označená ČSN odpovídá spíše nedělnímu provozu odběru teplé vody bytového domu, pak křivka označená ČSN EN je bližší běžnému pracovnímu dnu menšího bytového domu. Křivka Aprox.: BD pak v sobě zahrnuje průměrný odběr teplé vody po celý týden. To, který profil 29

31 odběru teplé vody bude použit při návrhu zásobníku teplé vody nebo tepelného výkonu ohřívače teplé vody pak rozhoduje zvolená metoda návrhu Návrh zásobníku teplé vody Návrh zásobníku teplé vody by měl v prvé řadě odpovídat použitému zdroji tepla a předpokládanému profilu odběru (viz. kapitola 2.3). Dále uváděné metody návrhu zásobníku teplé vody vycházejí ze standardně používaných metod v ČR Návrh velikosti zásobníku TV dle křivek dodávky a odběru tepla v TV Křivka odběru teplé vody (Q2) je závislost odběru objemu teplé vody V2 na čase τ. Křivka dodávky (Q1) je závislost dodávky tepla ze zdroje tepla v časovém intervalu. Důležitým předpokladem pro sestavení výše uvedených křivek je několik nezbytných bodů: - křivka dodávky tepla Q1 je vždy nad křivkou odběru tepla Q2 - teplo dodané ohřívačem do teplé vody se rovná teplu odebranému z ohřívače Q1p = Q2p Obr. 19 Příklad křivek dodávky a odběru tepla při ohřevu vody různými zdroji tepla Q1* - zdroj tepla s nepřetržitým provozem a zásobníkem Q1** - zdroj tepla s přerušovaným provozem a zásobníkem Q1*** - zdroj tepla s dostatečným výkonem spojitě regulovaným podle odběru teplé vody bez zásobníku (např. průtokový ohřev) Při návrhu velikosti zásobníku je využívána metoda křivek dodávky a odběru tepla. Křivka dodávky tepla musí být vždy nad křivkou odběru tepla, jinak by nastal nedostatek tepla pro ohřev vody na požadovanou teplotu. Křivky dodávky a odběru tepla s rostoucím časem neklesají. Sklon tečny k těmto křivkám k časové ose představuje hodnotu tepelného výkonu. Při nulovém výkonu je průběh křivky vodorovný s osou x, při největší strmosti křivky je předpokládaný tepelný výkon maximální. Objem zásobníku TV se stanoví z maximálního rozdílu mezi křivkami dodávky a odběru tepla jako 30

32 V Z Qmax = ρ c (t t ) 2 1 (15), kde Vz - objem zásobníku [m 3 ], Qmax - největší možný rozdíl tepla mezi Q1 a Q2 [kwh]. Křivku dodávky tepla Q1p je možné sestavit ve dvou základních variantách. První případ nastává v okamžiku, kdy předpokládáme, že dodávka tepla do zásobníku TV je během jedné časové periody trvalá (obr. 20). Druhý případ nastává, pokud bychom uvažovali, že využijeme teplo v zásobníku z předchozí časové periody ohřevu TV a dodávka tepla je časově kratší než délka periody odběru TV (obr. 21). Obr. 20 Křivky odběru a dodávky tepla s nepřerušovanou dodávkou tepla do zásobníku TV Obr. 21 Křivky odběru a dodávky tepla s časově omezenou dodávkou tepla do zásobníku TV 31

33 Pro ohřev se zásobníkem se požadovaný tepelný výkon zdroje tepla stanoví jako: P 1n Q s = τ max (16), kde P1n Qs τ max - jmenovitý tepelný výkon ohřevu [kwh], - maximální sklon křivky dodávky tepla v čase [-]. Qs Poměr vyjadřuje maximální sklon tečny k časové ose. V případě trvalé dodávky tepla z ohřívače τ max TV během celé periody (obr. 20) je hodnota QS = Q1. V případě přerušovaného provozu v několika různých časových fázích jedné periody ohřevu TV se pro výpočet podle (16) uvažuje maximální hodnota. Z uvedeného postupu tak vyplývá, že pro časově kratší dodávku tepla ze zdroje do zásobníku TV je nutné navrhovat větší objem zásobníku TV, ale také zároveň požadovat vyšší tepelný výkon zdroje tepla než při trvalé dodávce tepla do zásobníku během celé periody odběru TV (obr. 20). Platí tedy, že pokud bychom měli dostatečně velký zdroj tepla se spojitou regulací tepelného výkonu, bylo by možné navrhnout ohřev TV bez zásobníku, tj. průtočným způsobem. Příklad 1 Rodinný dům budou obývat 4 osoby (35 l/osoba den), poměrný ztrátový součinitel z = 0,2. Způsob zajištění přípravy TV bude řešen elektrickým přímo ohřívaným zásobníkem TV. Celková potřeba tepla je pak Q2p = 8,79 kwh/den. Pro řešení elektrického přímo ohřívaného zásobníku TV byl zvolen tarif D25d, kde dodavatel garantuje platnost nízkého tarifu po dobu 8 hodin. Časový průběh byl stanoven dle platného spínacího času dodavatele elektřiny v rozložení sepnutí nízkého tarifu od 2:10 do 6:15 a od 18:10 do 22:10. Pro zajištění odchylek od standardních charakteristik způsobu odběru TV bylo uvažováno se zbytkovým teplem v zásobníku TV v hodnotě 25 % z celkové potřeby tepla za celou periodu (tj. 1 den). Výsledek časových křivek odběru a dodávky tepla ukazuje 0. Dle vzorce (15) pak vypočítáme velikost zásobníku VTV = 115 l (profil odběru dle ČSN ) nebo 119 l (profil odběru dle ČSN EN ). Z hlediska praktického řešení, kdy jsou standardně dodávané velikosti elektricky přímo ohřívaných zásobníku cca 120 litrů je vidět, že obě metody poskytují dobrou shodu výsledku. Následně potřebná velikost zdroje tepla (v tomto případě elektrické topné patrony) je QTV 1100 W. Metodika křivek odběru a dodávky tepla je použitelná v případech, kdy projektant má znalost nejen o profilu odběru teplé vody, ale také o provozu zdroje tepla a v neposlední řadě o skutečném průtoku teplé vody s ohledem na zařizovací předměty v objektu (tj. znalosti projektu vodovodu z profese ZTI). 32

34 Obr. 22 Křivky odběru a dodávky tepla s časově omezenou dodávkou tepla do zásobníku TV k příkladu Návrh dle DIN 4708 Výchozím parametrem pro návrh je definice tzv. "jednotkového bytu", ve kterém je uvažován tzv. koeficient potřeby N = 1. Koeficient potřeby porovnává násobek N jednotkového bytu k posuzované budově, matematicky můžeme tento poměr vyjádřit jako ( n p wv ) ( n p wv ) N = = Q ( p w ) N V nom, (17), kde N - koeficient potřeby [-], n - počet bytů [-], p - koeficient obsazenosti, nebo počet osob (tab ) [-], - potřeba tepla odběrných míst [kwh]. wv Jednotkový byt je definován 4 místnostmi, ve kterém bydlí průměrně 3 až 4 osoby. Koeficient obsazenosti p (tab. 15) udává, kolik osob žije skutečně v bytě a jakou mají potřebu teplé vody. Nejsou-li k dispozici skutečné údaje o obsazenosti bytu, použije se průměrná hodnota pro jednotkový byt se 4 místnosti => p = 3,5. Tabulka 15 je vztahována k obytným místnostem jednoho bytu. Vedlejší místnosti, jako např. kuchyň (ne společný kuchyňský kout), komora, chodba, koupelna a vedlejší prostory se do výpočtu nezahrnují. Výjimku tvoří místnosti typu obytné předsíně nebo např. zimní zahrady, které se do výpočtu zahrnují jako 0,5násobek obytné místnosti. V případě výpočtu bytů s převážně jednou nebo dvěma místnostmi se uvažuje koeficient obsazenosti p = 2,5. 33

35 Tab. 15 Koeficient obsazenosti bytu podle DIN 4708 Počet místností r [-] Koeficient obsazenosti p [-] Počet místností r [-] Koeficient obsazenosti p [-] 1 2,0 4,5 3,9 1,5 2,0 5 4,3 2 2,0 5,5 4,6 2,5 2,3 6 5,0 3 2,7 6,5 5,4 3,5 3,1 7 5,6 4 3,5 Dalším parametrem je definice místa odběru TV. Norma DIN 4708 předpokládá pro návrh zásobníku TV zohledňovat pouze největší spotřebič TV, který bude v daném bytě používán. Při sanitární vybavenosti bytu se v principu rozlišují dva druhy vybavenosti: a) normální vybavenost bytu (tab. 16) b) komfortní vybavenost bytu (tab. 17) Normální vybavenost bytu je definována jednou sprchou (nebo vanou), jedním umyvadlem a jedním kuchyňským dřezem. V případě sprchové kabiny se uvažuje hodnota potřeby tepla odběrného místa wv shodná pro vanu. Ostatní spotřebiče (tj. umyvadlo a dřez) se do výpočtu nezahrnují. Tab. 16 Odběrná místa teplé vody v bytech s normální výbavou Prostor Stávající vybavení wv [kwh] pro výpočet podle tab. 4 Koupací vana (1600 mm x 700 mm) cca 140 l Jako koupací vana (1600 mm x 700 nebo Koupelna mm) cca 140 l Sprchová kabina se směšovací baterií a normální sprchou 1 umyvadlo Nezohledňuje se Kuchyň 1 dřez pro kuchyň Nezohledňuje se Komfortní vybaveností je definován byt, který má ve větším množství jiná zařízení ve srovnání s normální vybaveností jednoho bytu. Rozdíl oproti bytu s normální vybaveností je v započítávání jednotlivých odběrných míst. Pokud není v bytu s komfortní vybaveností k dispozici žádná vana, ale pouze sprcha bude pro výpočet použit údaj wv pro koupací vanu (1600 mm x 700 mm). Má-li byt k dispozici více rozdílných sprchových kabin použije se pro výpočet místo sprchové kabiny s největším odběrem koupací vana. Další odlišností je započítávání tzv. "malých spotřebičů" (bidet, umyvadlo, dřez). V případě osazení bidetu a s tím spojené další instalace více jak dvou malých spotřebičů (tj. umyvadla a dřezu), je nutné do výpočtu bidet započítat. 34

36 Tab. 17 Odběrná místa teplé vody v bytech s komfortní výbavou Prostor Stávající vybavení wv [kwh] pro výpočet podle 0 Koupací vana (druh dle tab. 18) podle tab. 18 Koupelna Sprchová kabina (druh dle tab. 18) podle tab. 18 Umyvadlo Nezohledňuje se Bidet Nezohledňuje se Kuchyň Dřez pro kuchyň Nezohledňuje se Koupací vana (druh podle tab. 18) 50 % wv podle tab. 18 Pokoj pro Sprchová kabina (druh podle tab. 18) 100 % wv podle tab. 18 hosty Umyvadlo 100 % wv podle tab. 18*) Bidet 100 % wv podle tab. 18 *) Pokud je u pokoje pro hosty osazena vana nebo sprchový kout, umyvadlo se do výpočtu neuvažuje! Tab. 18 Potřeba tepla u různých odběrných zařízení podle DIN 4708 Odběrné místo Zkratka podle DIN 4708 Odebírané množství V [l] Potřeba tepla odběrného místa wv [kwh] Koupací vana (1600 mm x 700 mm) NB ,82 Koupací vana (1600 mm x 700 mm) NB ,51 Vana do malého prostoru a vana se stupínky KB 120 4,89 Velkoprostorová vana (1800 x 750 mm) GB 200 8,72 Sprchová kabina se směšovací baterií a úspornou sprchou BRS 40 1,63 Sprchová kabina se směšovací baterií a normální sprchou BRN 90 3,66 Sprchová kabina se směšovací baterií a luxusní sprchou BRL 180 7,32 Umyvadlo WT 17 0,7 Bidet BD 20 0,81 Umyvadlo na ruce HT 9 0,35 Kuchyňský dřez SP 30 1,16 Jednotkový byt má definovánu jednu normální koupelnovou vanu (1600 mm x 700 mm - NB1 tab. 18). Potřeba tepla pro ohřev TV pro jednotkový byt (4 místnosti = > p = 3,5 a vanu NB1) je QN = p.wv = 3,5 5,82 = 20,37 kwh. S touto hodnotou jsou pak další výpočty porovnávány a vzorec pro stanovení koeficientu potřeby N přejde do tvaru N ( n p w ) = V 20, 37 Při následném výběru velikosti zásobníku je nutné zohlednit následující požadavky: 1. Koeficient potřeby vybraného typu zásobníku TV NL musí být minimálně tak velký, jak je velký vypočtený koeficient potřeby N, (tj. NL N). (18) 35

37 2. Tepelný výkon kotle musí být minimálně tak velký, jako je trvalý tepelný výkon QD (údaj výrobce zásobníku TV pro teplotní rozdíl při ohřevu 10/45 C), potřebný k dosažení koeficientu potřeby zásobníku NL. 3. Bude-li kotel uvažován jak pro otopnou soustavu, tak i pro ohřev TV, je požadován zvýšený výkon kotle QD = Qbudovy + QTV (obr. 23), kde Qbudovy představuje tepelný výkon pro pokrytí nároků tepla (vytápění, vzduchotechnika, apod.) pro budovu. Obr. 23 Zvýšený výkon kotle k ohřevu teplé vody podle výkonového čísla N Příklad 2 Zadání je shodné s příkladem 1. Pro stanovení velikosti zásobníku TV je nutné znát počty a typy zařizovacích předmětů. Koeficient obsazenosti p. se stanovuje na základě počtu obytných místností. S ohledem na zadání příkladu 1 (rodinný dům 5+1) tzn. pro počet obytných místností nmístností = 5 (pozn. kuchyň a koupelny se do výpočtu nezahrnují), lze stanovit koeficient obsazenosti p = 4,3 [-]. Dále je nutné stanovit potřebu tepla odběrných míst. Posuzovaný dům má jednu kuchyň (dřez) a dvě koupelny (tj. 3x umyvadlo, 2x sprcha, 1x vana). Do výpočtu budeme uvažovat tzv. komfortní vybavenost domu (tzn. dům má větší množství jiných zařízení). Z hlediska stávajícího vybavení uvažujeme koupelnu v horním patře = hlavní koupelna (1x vana, 1x sprcha, 2x umyvadlo), jako vybavení pro hosty uvažujeme menší koupelnu v přízemí = vedlejší koupelna (1x sprcha a 1x umyvadlo). Součet potřeby tepla odběrných míst lze vyjádřit jako ΣwV = (hlavní koupelna) + (vedlejší koupelna) = (vana+sprcha) + (sprcha+umyvadlo). Kuchyňský dřez a umyvadla v hlavní koupelně se do výpočtu nezahrnují. Potřeba tepla odběrných míst pak bude, w V = ( 5, , 63) + ( 1, 63+ 0, 7) = 9, 78 kwh. Následně se vypočte koeficient potřeby N jako, ( n p w V ) ( 1 4, 3 12, 4) N = = = 2, 06. Q 20, 37 N 36

38 Z katalogu výrobců bychom pak hledali typ zásobníku TV, který by splnil podmínku, že vypočtený koeficient potřeby N je roven nebo menší než koeficient výkonu zvoleného zásobníku NL. Dle typu zásobníku a výrobce se bude objem zásobníku TV pravděpodobně pohybovat v rozmezí od 80 do 160 l Návrh zohledňující přednostní přípravu TV se společným zdrojem pro vytápění V praxi se u rodinných a menších bytových domů velmi často využívá tzv. přednostní příprava TV (obr. 24). V principu jde o možnost přepnutí celého výkonu zdroje tepla pro přípravu TV, a následně jeho využití pro akumulaci v zásobníku TV. Výhodou přednostního ohřevu TV je možnost využití maximálního tepelného výkonu zdroje tepla, který je primárně navržen pro otopnou soustavu. Pokud nastane odběr TV ze zásobníku, teplota vody v zásobníku ttv začne klesat. Po dosažení spínací teploty vody ttvmin v zásobníku, regulace zdroje tepla vypne oběhové čerpadlo otopné soustavy a přepne trojcestný přepínací ventil ve směru nabíjení zásobníku TV. Zároveň zdroj tepla navýší teplotu kotlové vody (obvykle na maximální jmenovitou teplotu např. až 80 C) a regulace sepne nabíjecí čerpadlo zásobníku TV. V okamžiku, kdy je teplota vody v zásobníku dostačující, regulace celý systém přepne zpět do režimu vytápění. Je tedy zřejmé, že čím bude spínací diference ( ttv = Xp = ttv - ttvmin) větší, tím bude čas pro dobití zásobníku τa delší. Spínací diference se obvykle volí 5 K nebo 10 K podle typu zásobníku TV. Doba potřebná k dohřátí zásobníku TV τa by ale neměla být příliš dlouhá a to proto, aby během přerušení dodávky tepla do otopné soustavy nedošlo k ovlivnění tepelné pohody ve vytápěném prostoru. Pro lehké stavby s minimální akumulací tepla by doba potřebná k dohřátí vody v zásobníku TV τa neměla překročit 10 minut. U středně těžkých a těžkých staveb s akumulační schopností zdiva by doba dohřevu TV τa neměla být delší jak 20 minut. Obr. 24 Příklad zapojení zdroje tepla s přednostní přípravou TV ČOS - oběhové čerpadlo otopného systému, ČTV - nabíjecí čerpadlo zásobníku TV, EN - expanzní nádoba, K - kotel, PT - dálkové ovládání s čidlem vnitřní teploty, PV - pojistný ventil, 3PV - trojcestný přepínací ventil, VTV - zásobník TV, te - venkovní teplota, ti - vnitřní teplota, tk - teplota kotlové vody, ttv - teplota vody v zásobníku TV 37

39 Postup návrhu objemu zásobníku TV vychází z předpokladu, že tepelný výkon kotle Qk, je větší nebo roven požadovanému výkonu pro přípravu TV QTV. Q k Q TV (19). Pro obytné budovy se nejčastěji používají nepřímo ohřívané zásobníky s integrovaným výměníkem. Ty pracují na principu přirozeného vztlaku, tj. obsah zásobníku je zahříván od spodní části nahoru. U těchto systémů je tedy velmi problematické zajistit dokonalý ohřev celého objemu zásobníku TV na žádanou teplotu. Abychom mohli vypočítat skutečný využitelný obsah zásobníku, je nutné zahrnout do výpočtu tzv. korekční faktor odběru y (tabulka 19). Tab. 19 Korekční faktor odběru tepla ze zásobníku TV Zásobník TV τa < 20 minut y [-] τa < 10 minut Vertikální zásobník TV 0,94 0,89 Horizontální zásobník TV (do 400 l) Horizontální zásobník TV (nad 400 l) 0,96 0,91 0,90 0,85 Rovnicí pro výpočet potřebné doby dohřevu TV τa, je bilance dodaného tepla určitému objemu kapaliny za časovou jednotku při známém rozdílu teplot jako Q k VTV y ρ c X p Qk = τ a = τ V y ρ c X a TV p (20), kde QTV - tepelný výkon nutný k dohřevu TV [W], VTV - objem zásobníku TV [m 3 ], τa - doba ohřevu TV při teplotním rozdílu pro dohřev TV [s], ρ - hustota vody při střední teplotě zásobníku [kg/m 3 ], c - měrná tepelná kapacita vody při střední teplotě zásobníku [J/(kg.K)], Xp - spínací diference pro dohřev TV (5 nebo 10 K) [K], y - korekční faktor odběru tepla ze zásobníku TV (0) [-]. Pokud je vypočtená hodnota doby dohřevu TV τa menší než 10 minut pro lehké stavby (resp. 20 minut pro středně těžké a těžké stavby) je výkon kotle Qk pro navržený objem zásobníku TV dostatečný. Většina nepřímo ohřívaných zásobníků má integrovaný spirální výměník tepla z hladkých trubek. U výměníků tepla je z hlediska dosahovaného tepelného výkonu rozhodující jeho teplosměnná plocha a střední rozdíl teplot. S ohledem na použitý jmenovitý tepelný výkon zdroje tepla Qk je nutné ověřit, zda výměník tepla v navrženém zásobníku TV je schopen tento tepelný výkon předat do zásobníku TV. Výrobci zásobníků TV většinou udávají tzv. jmenovitý tepelný výkon integrovaného výměníku tepla QvýměníkuTV pro teplotu kotlové vody tk a průtok nabíjecím čerpadlem. 38

40 Příklad 3 Z pohledu porovnání s předchozími příklady je zadání opět shodné tj. rodinný dům, obývaný 4 osobami a dispozice 5+1 (tzn. kuchyň dřez a dvě koupelny 3x umyvadlo, 2x sprcha, 1x vana). Pro návrh lze zanedbat odběry teplé vody u umyvadel tak i u dřezu. Z hlediska návrhových hodnot vodovodu lze u vany uvažovat maximální průtok teplé vody 0,4 l/s = 24 l/min a u sprchy je to 0,2 l/s = 12 l/min. Z pohledu směšování teplé a studené vody ve výtokové baterii, kdy pro sprchování a koupání je nejčastější teplota míchané vody mezi 38 až 40 C je reálný průtok teplé vody v těchto bateriích cca 6 l/min. Tzn., že v řešeném rodinném domě při současném koupání (napouštění vany) a sprchování je možné uvažovat maximální průtok teplé vody 12 l/min = 720 l/h. Hodnota maximálního průtoku vody při současném použití sprchy a vany je důležitá ve vazbě na schopnost přenosu tepla ve výměníku vybraného zásobníku teplé vody. Např. zásobník H65W o objemu 65 litrů má při tepelném výkonu 18 kw na primární straně výměníku (na straně zdroje tepla), trvalý průtok teplé vody 438 l/h o teplotě ttv = 45 C. Jinak řečeno při tepelném výkonu zdroje tepla 18 kw a průtoku vody 438 l/h skrze zásobník teplé vody, dokáže trvale zásobník produkovat teplou vodu o teplotě 45 C. U zásobníku S 120/5 o objemu 120 litrů je to např. 34 kw => 834 l/h (ttv = 45 C), což je s ohledem na výpočtový průtok teplé vody příkladu 4 dostačující zásobník TV. Nutno ovšem podoktnout, že s rostoucím počtem obyvatel (odběrných míst) je nutné výpočtový průtok korigovat, neboť se musí započítat tzv. nesoučasnost odběru TV. 39

41 3. Kontrola kotlů a rozvodů tepelné energie Základním legislativním dokumentem je zákon č. 406/2000 Sb. o hospodaření energií (poslední novelizace č. 131/2015 Sb.). Z pohledu 6a je pro provozované kotle se jmenovitým výkonem nad 20 kw a jejich příslušné rozvody tepelné energie předepsána povinnost jejich kontroly. Povinnost spočívá v zajištění pravidelné kontroly těchto kotlů a příslušných rozvodů tepelné energie, jejímž výsledkem je písemná zpráva o kontrole provozovaných kotlů a příslušných rozvodů tepelné energie (podrobnosti dále stanovuje vyhláška č. 194/2013 Sb.). Další povinností je na vyžádání předložení zprávy o kontrole provozovaných kotlů a příslušných rozvodů tepelné energie ministerstvu nebo Státní energetické inspekci a oznámení ministerstvu provedení kontroly oprávněnou osobou. Kontrolu provozovaných kotlů a příslušných rozvodů tepelné energie, které nejsou předmětem licence na výrobu tepelné energie a licence na rozvod tepelné energie podle zvláštního právního předpisu, může provádět pouze příslušný energetický specialista, viz zákon č. 318/2012 Sb. dle 10 odst. 1 písm. c) nebo d). Dále zákon v 6 odstavci 4 uvádí, že povinnost provádět kontrolu u kotlů se jmenovitým výkonem nad 20 kw a příslušných tepelných rozvodů se nevztahuje na kotle a vnitřní rozvody tepelné energie umístěné v rodinných domech, bytech a stavbách pro rodinnou rekreaci s výjimkou případů, kdy jsou provozovány výhradně pro podnikatelskou činnost. Na kotle a vnitřní rozvody tepelné energie umístěné v rodinných domech, bytech a stavbách pro rodinnou rekreaci se poskytuje poradenství. Prováděcí vyhláškou je k tomuto vyhláška č. 194/2013 Sb., která stanovuje, jednak jakým způsobem má být kontrola kotlů prováděna (termíny kontrol, vzor zprávy o provedení kontroly atd.), ale také odkazuje na dva další legislativní dokumenty. Jedním je vyhláška č. 193/2007 Sb., která se týká rozvodů tepelné energie a chladu a druhým pak norma ČSN , která se týká nepřímě metody stanovení kotlových ztrát. Nejdůležitější otázkou je, jak často se musejí provádět kontroly. a) V případě, že je kotel a rozvody tepelné energie provozovány na základě licence pro výrobu a dodávku tepelné energie, je nutné kontroly provádět pravidelně jednou ročně. b) V ostatních případech je nutné postupovat dle tabulky

42 Tab. 20 Četnost provádění kontroly kotlů a rozvodů tepelné energie Výkon kotle Druh paliva První kontrola po uvedení do provozu Systém je trvale monitorován [roky]* Další kontrola Systém není trvale monitorován [roky] Od 20 kw do 100 kw Všechna paliva Pevná a kapalná Nad 100 kw Plynná *Za trvalý monitoring je považováno elektronické monitorování kotle a tepelného rozvodu a jeho jednotlivých zařízení s přímou vazbou na možné úpravy provozu kotle. Při pohledu na tabulku 20 se zdá, že např. pro litinový kotel na tuhá paliva o jmenovitém tepelném výkonu 80 kw, by časové kontroly předepsané vyhláškou č. 194/2013 Sb. byly velmi sporadické, protože to znamená, že první kontrola kotle má být dle vyhlášky 10 let po uvedení do provozu a další bez rozdílu monitoringu opět až po 10 letech. V případě životnosti takového kolte v průměru cca 20 let, je za dobu jeho provozu kontrola vyhláškou předepsána pouze dvakrát! Nicméně právě u kotlů na tuhá paliva je nutné pamatovat na součinnost se zákonem č. 201/2012 Sb. o ochraně ovzduší. Dle 17 je povinností provozovatele stacionárního zdroje (dle odstavce 1 g) provozovat spalovací stacionární zdroj na pevná paliva o jmenovitém tepelném příkonu od 10 do 300 kw včetně, který slouží jako zdroj pro teplovodní soustavu ústředního vytápění, v souladu s minimálními požadavky uvedeným v příloze č. 11, která stanovuje minimální emisní požadavky (tabulka 21). Dále je v odstavci 1 h uvedena povinnost provádět jednou za dva kalendářní roky kontrolu technického stavu a provozu takového stacionárního zdroje, a to proškolenou osobou výrobcem kotle s uděleným oprávněním tj. odborně způsobilou osobou. 41

43 Tab. 21 Minimální emisní požadavky na spalovací stacionární zdroje na pevná paliva o jmenovitém tepelném příkonu od 10 do 300 kw včetně, který slouží jako zdroj tepla pro teplovodní soustavu ústředního vytápění hodnoty jsou vztaženy k suchým spalinám a referenčnímu obsahu kyslíku 10 % (resp. 13 % pro tzv. sálavé spalovací zdroje určené pro připojení na teplovodní soustavu ústředního vytápění a k instalaci do obytné místnosti), TOC celkový organický uhlík, souhrnná koncentrace všech organických látek s výjimkou CH4, TZL tuhé znečisťující látky Jmenovitý Mezní hodnoty emisí Dodávka paliva Druh paliva tepelný příkon CO TOC* TZL [kw] [mg/m 3 ] [mg/m 3 ] [mg/m 3 ] Biologické > 65 až Ruční > 187 až Fosilní > 65 až > 187 až Samočinná Biologické > 65 až > 187 až Fosilní > 65 až > 187 až *Nevztahuje se na sálavé stacionární zdroje, určené pro připojení na teplovodní soustavu ústředního vytápění a k instalaci do obytné místnosti 3.1. Kontrola zdrojů tepla Kromě účinnosti je nutné kontrolu kotle provést i s ohledem na správné dimenzování (příloha č. 1 vyhlášky č. 194/2013 Sb. K hodnocení správnosti dimenzování kotle k požadavkům na odběr tepla vyhláška zavádí bezrozměrný parametr vyjadřující poměr průměrného výkonu kotle k jmenovitému výkonu. Tento poměr lze vyjádřit jako L av kde Qf = P t n m Lav porovnávací parametr [-], Qf energie paliva spotřebovaného za časový interval tm [kwh], Pn instalovaný výkon kotle [kw], časový interval [h]. tm (21), Pokud je kotel správně dimenzován, je hodnota Lav vyšší, než uvádí tabulka 22. Výsledek je dále nutné ověřit porovnáním instalovaného tepelného výkonu otopných ploch v otopné soustavě budovy. 42

44 Tab. 22 Referenční hodnoty pro Lav dle vyhlášky č. 194/2013 Sb. Typ budovy Referenční rozsah Lav [-] Sezónní venkovní teplota Projektová venkovní teplota Jednotlivá budova 0,15 0,3 0,5 0,7 Řadová (bloková) budova 0,2 0,3 0,6 0, Kontrola rozvodů tepelné energie Ke kontrolám rozvodů tepelné energie je nutné přistoupit z pohledu vyhlášky č. 193/2007 Sb. Tato vyhláška stanovuje požadavky na účinnost užití energie v nově zřizovaných zařízeních pro rozvod tepelné energie a pro vnitřní rozvod tepelné energie a chladu. Dále se týká vybavení těchto zařízení tepelnou izolací, regulací a řízením u parních, horkovodních a teplovodních sítí a sítí pro rozvod teplé vody a chladu včetně přípojek, s výjimkou chladicí vody z energetických a technologických procesů, která odvádí tepelnou energii do okolního prostředí. Zde je nutné upozornit, že vyhláška č. 193/2007 Sb. je poslední starší vyhláškou, která neprošla v roce 2013 revizí. Dle informací z MPO se její nové znění chystá během roku Metody zjišťování tepelných ztrát jsou vyhláškou definovány 10 resp. přílohou č. 1 až 4. Pro zjišťování tepelných ztrát a zisků v zařízeních pro rozvod tepelné energie, chladu a teplé vody v provozních podmínkách se používá tzv. provozních metod. Provozní metody jsou Schmidtova, termovizní a kalorimetrická. Provozní metody ověřují tepelně izolační vlastnosti především tepelnou vodivostí a tepelnými ztrátami. Z pohledu stanovení účinnosti rozvodů tepelné energie dle přílohy č. 1 se stanovují dvě hlediska. První je účinnost dopravy tepelné energie a druhé vychází z pohledu tepelných ztrát rozvodů. Účinnost dopravy tepelné energie je určena vztahem m P + n P N i SN, i i= 1 η c = PN k a zároveň platí v + m+ n = 1 (22), kde PN jmenovitý výkon čerpadla [kw], PSN příkon čerpadla při nižších než jmenovitých otáčkách [kw], k počet pevně nastavitelných stupňů otáček provozu čerpadla [-], v poměrná část provozní doby čerpadla za otopné období, kdy čerpadlo nepracuje [-], m poměrná část provozní doby čerpadla za otopné období, kdy čerpadlo pracuje se jmenovitými otáčkami [-], n poměrná část provozní doby čerpadla za otopné období, kdy čerpadlo pracuje se sníženými otáčkami, u čerpadel s proměnnými otáčkami je n = 0,5 [-]. Příklad výpočtu např. pro otopnou soustavu bytového domu s vlastní výměníkovou stanicí uvádí následující příklad. Doba provozu otopné soustavy je 228 dní. Jmenovitý výkon čerpadla je 45 W. Příkon čerpadla při nižších otáčkách je 24 W a čerpadlo pracuje s proměnnými otáčkami (tj. n = 0,5). Poměrnou část provozní doby čerpadla, kdy čerpadlo nepracuje, lze zanedbat, protože čerpadlo po dobu otopného období pracuje nepřetržitě, tj. v = 0. Z toho vyplývá, že poměrná část provozní doby čerpadla za otopné období, kdy čerpadlo pracuje se jmenovitými otáčkami, je m = 0,5. Účinnost užití energie z pohledu dopravy tepelné energie pak vyjádříme jako 43

45 k N i SN, i i= 1 0, ,5 24 m P + n P ηc = = = 0,77 77% P 45 N Potíž je, že ve vyhlášce č. 193/2007 Sb. není uvedeno, jakých hodnot by tato účinnost měla dosahovat, nebo chybí uvedena alespoň základní referenční hodnota. Stanovení účinnosti z hlediska tepelných ztrát je aplikace základní definice energetické účinnosti, a sice podíl energie systémem dodané vůči energii do systému vložené. Matematicky je to pak OD, i i= 1 η Z = QZD k Q (23), kde QOD,i QZD teplo odebrané i-tým odběrným místem [GJ], teplo dodané zdrojem [GJ]. Stejně jako u předchozího případu i zde chybí další doplnění stran nějakých referenčních hodnot. Z provozních metod zjišťování tepelných ztrát (nebo naopak tepelných zisků) vyhláška definuje tři způsoby: 1) Schmidtova metoda jedná se o měření na speciálním gumovém pasu, kde na základě rozdílného tepelného toku, který je vyvolán změnou odporu termočlánků na vnitřním a vnějším povrchu pasu, udává hodnotu měrného tepelného toku (tzv. termotranzitometr). Měření vyžaduje ustálený stav, dodatečnou úpravu měřicího povrchu a zkušenost obsluhy. 2) Termovizní metoda tato metoda představuje způsob měření, při kterém se termovizní kamerou snímá povrch izolovaného zařízení. Termovizní zobrazení povrchových ploch umožňuje zaznamenat rozložení povrchových teplot zařízení a prokázat případné vady izolace, které se projevují jako tepelné mosty. Tato metoda ale neumožňuje ověření součinitele tepelné vodivosti tepelných izolací. Termovizní metoda je vhodná pro komplexní zhodnocení skutečného stavu tepelně izolovaných rozvodů a energetických zařízeni. 3) Kalorimetrická metoda metoda vychází z kalorimetrické rovnice a umožňuje stanovit tepelné ztráty či zisky na úseku rozvodu. Měřením se stanoví rozdíl teplot teplonosné látky a průtok. Při využití fakturačních měřidel tepla dodavatele a součtových hodnot fakturačních měřidel na vstupu u odběratelů lze přibližně stanovit tepelné ztráty celé sítě. Naměřený rozdíl však zahrnuje krom tepelné ztráty sítě i veškeré nepřesnosti měřidel, a proto je velmi často tato metoda nepřesná. Problémem je, že zjišťování tepelných ztrát Schmidtovými pasy a termovizním měřením je možné pouze u volných rozvodů. To je většinou případ vnitřních potrubních sítí v budovách. U podzemního vedení rozvodů (převážně vnější tepelné rozvody) je využitelná pouze kalorimetrická metoda. V praxi je dnes nejběžněji používaná termovizní metoda, nicméně zde je třeba klást důraz na to, aby měření prováděla dostatečně kvalifikovaná osoba se znalostí okrajových podmínek měření. Např. při kombinaci kalorimetrické a termovizní metody je nutné, aby potrubí bylo ze stejného materiálu a bylo opatřeno stejnou povrchovou úpravou (tj. má stejné vlastnosti z pohledu vedení tepla a emisivity povrchu). Pak je možné tepelné ztráty daného úseku stanovit měřením povrchových teplot potrubí, neboť teplotní rozdíl teplonosné látky lze považovat za shodný s teplotním rozdílem povrchových teplot trubky (zejména u kovových materiálů s vyšším součinitelem tepelné vodivosti). Na druhou stranu je nutné si uvědomit, že 44

46 toto zjednodušení platí v případě, že posuzovaný úsek potrubí vede v prostředí se stejnou okolní teplotou vzduchu samozřejmě nutností je také dostatečný přístup k posuzované části potrubí Okrajové podmínky použití termovizní techniky Emisivita měřeního objektu Emisivitu (resp. poměrnou pohltivost) můžeme definovat jako poměr intenzity vyzařování skutečného měřeného tělesa, k intenzitě vyzařování absolutně černého (ideálního) tělesa se stejnou teplotou. Emisivita je tedy bezrozměrná veličina nabývajících hodnot od 0 do 1. Problémem ale je, že emisivita není v žádném případě konstanta, ale je závislá na dalších faktorech. Z Planckova zákona vyplývá závislost intenzity vyzařování dokonale černého tělesa na teplotě a vlnové délce. Tzn., že emisivita jako vlastnost reálného tělesa je také závislá na teplotě a vlnové délce, tj. mluvíme pak o spektrální emisivitě. Spektrální závislost emisivity na vlnové délce vyzařování ukazuje obr. 25. Jak můžeme vidět pro tmavé nekovové materiály (např. cihly, beton, omítka, dřevo, atd.) v oblasti vlnové délky vyzařování od 3 do 13 µm můžeme spektrální emisivitu považovat za konstantu. Intenzita vyzařování tělesa závisí nejen na vlnové délce, ale také na teplotě a dále také na struktuře a barvě povrchu. Sdílení tepla sáláním je elektromagnetické záření. Struktura povrchu ovlivní šíření elektromagnetického záření na povrchu objektu, tj. ovlivňuje reflexi (odražení signálu) a absorpci (pohltivost signálu). Tím také ovlivňuje celkovou emisivitu měřeného objektu (Kirchhoffovy zákony). Obr. 25 Spektrální emisivita pro kovové a nekovové materiály Metod, jak stanovit emisivitu měřeného materiálu, je několik. V praxi se nejvíce využívá komparativní metoda porovnáním měřeného tělesa s povrchem o známé emisivitě. V podstatě jde povrch (např. samolepka s matnou černou barvou), který vykazuje vysokou emisivitu (cca ε = 0,96). Kalibraci termografického přístroje (resp. nastavení emisivity měřeného objektu) pak provedeme podle povrchové teploty naměřené na povrchu přidané samolepky. Z hlediska přesnosti měření, lze jednoznačně konstatovat, že chybně stanovená hodnota emisivity má na výsledek měření nejvýznamnější vliv. Nejistota měření se v takovém případě může pohybovat řádově i ve stovkách procent. Příklad nevhodně zadané emisivity ukazuje obr

47 Obr. 26 Termogram kouřovodu plynového kotle a) s emisivitou odpovídající emisivitě povrchu kouřovodu - ε = 0,14 (tpovrchu kouřovodu = 74,2 C, tsamolepky 190 C) b) s emisivitou odpovídající emisivitě měřené samolepky - ε = 0,95 (tpovrchu kouřovodu = 30,7 C, tsamolepky = 74,3 C) Obr. 26 zobrazuje měřicí situaci nerezového kouřovodu s emisivitou povrchu ε = 0,14. Levá strana obrázku (obr. 26a) je termogram s nastavenou skutečnou emisivitou měřeného kouřovodu. Jak můžeme vidět, teplota na povrchu černé matné samolepky by pak byla cca 190 C, oproti skutečným 74,2 C. Obr. 26b ukazuje měřicí situaci při nastavení emisivity dle samolepky tj. ε = 0,95. Zde můžeme vidět, že na povrchu samolepky je teplota 74,3 C, ale teplota povrchu nerezového kouřovodu je dle tohoto nastavení 30,7 C, což je cca 2,5 méně než jeho skutečná teplota Vlastnosti měřicího přístroje Nejdůležitější vlastnosti termografického měřicího přístroje jsou optická rozlišovací schopnost a přesnost měření. Rozlišovací schopnost přístroje je v podstatě kvalita pořízeného digitálního obrazu. Každý digitální obrázek se skládá z jednotlivých bodů (1 bod = 1 pixel). Lidské oko má celkem asi 120 miliónů pixelů, přičemž pro pocit "ostrého" obrazu lidské oko potřebuje digitální obraz s rozlišením alespoň 5 miliónů pixelů (např. kinofilm). Nejčastější rozlišení termogramů podle typu přístroje je ovšem 320 x 240 ( pixelů) nebo 640 x 480 pixelů ( pixelů). Vyšší rozlišení (např x 1080 pixelů = cca 2,1 mil. pixelů) je v současné době velmi obtížně dosažitelné, protože pro zpracování takového množství termografických dat je nutné mít odpovídající hardwarovou platformu. Ačkoli se tedy citlivost přístroje může pohybovat v řádech setin stupně Kelvina, velikost 1 pixelu vůči skutečným rozměrům snímaného objektu určuje přesnost měření. Typickým příkladem může být snímaná obálka budovy. Např. pro termovizní kameru FLIR ThermaCAM S65 se standardním objektivem s ohniskovou vzdáleností 18 mm, by při vzdálenosti 10 m od zdi budovy byla velikost jednoho prvku detektoru 25,69 mm. Tzn., že 1 pixel by měl velikost čtverce o rozměru cca 2,6 x 2,6 cm. V případě rostoucí vzdálenosti nebo klesající ohniskové vzdálenosti čočky objektivu se velikost pixelu pochopitelně zvětšuje. Může se tedy stát, že přístroj vyhodnotí v rámci jednoho pixelu více ploch o různých teplotách, což nutně vede k chybnému zobrazení teploty na termogramu. Z hlediska přesnosti měření výrobci standardně udávají přesnost ± 2 C nebo ± 2 % z naměřené hodnoty. To je samozřejmě v rámci měření poměrně výrazná nejistota měření. Na druhou stranu je nutné si uvědomit, že ve většině případů defektoskopie budov se jedná o hledání problematických míst s ohledem 46

48 na tepelně-technický stav obálky budovy (tj. rozdíl teplot). A pro tato měření je přesnost dostačující. Daleko závažnější je otázka, jestli je možné grafické znázornění termogramu povrchu, který není ideálně kolmo k měřicímu přístroji, považovat za správné. Tato otázka souvisí s tzv. Lambertovým zákonem, který říká, že maximum intenzity vyzařování leží vždy ve směru normály k měřenému objektu. V případě obálky budovy, která je rozměrově mnohem větší než plocha objektivu přístroje a zároveň se na ploše fasády domu můžou objevovat různé atiky nebo zakřivení plochy je tedy jasné, že kamera při statickém snímání není vždy ideálně kolmo k fasádě domu i z pohledu celé plochy získaného termogramu. Hodnoty rizikového úhlu snímání s ohledem na celkovou nejistotu měření pro teplotu 100 a 200 C ukazuje obr. 27. Obr. 27 Závislost horizontálního úhlu odklonu od normály plochy objektu na relativní chybě měření pro termovizní kameru ThermaCAM S65 Závislosti podle obr. 27 byly získány experimentálně pro termovizní kameru ThermaCAM S65. Je vidět, že pro teplotu 200 C je cca do 62 horizontálního odklonu od normály snímaného povrchu indikovaná teplota a s ní spojená nejistota měření nižší než nejistota měření daná vlastnostmi přístroje. Pro nižší teplotu (100 C) je tato hranice posunuta již k 53. Podobné závěry lze shledat i u vertikálního odklonu. Další podobné experimenty realizované pro různé typy kamer potvrzují, že do 50 odklonu čočky kamery od normálu snímaného povrchu je relativní chyba měření menší než celková relativní chyba přístroje. Údaj o kritickém úhlu snímání tak jednoznačně vymezuje použitelnost přístroje v praxi Okrajové podmínky souvisejíí s okolním prostředím Dalším hlediskem jsou okrajové podmínky související s okolním prostředím, kde se měření realizuje. Jiné nároky na měření jsou kladeny při měření v exteriéru a jiné při měření v interiéru budov. Měření ve venkovním prostředí bývá nejčastěji ovlivněno působením atmosféry. Nejdůležitějšími parametry, které ovlivňují měření jsou voda (déšť) a vodní pára (vlhkost), koncentrace CO2 a prach, oslunění a rychlost větru. Z hlediska měřicího přístroje jsme schopni definovat některé okrajové podmínky přímo na místě měření. Obsah vodní páry se definuje relativní vlhkostí. Z hlediska transmise prostředí (koncentrace škodlivých látek v ovzduší) definujeme koeficient propustnosti atmosféry, který se pohybuje od 0,5 do 0,9. Daleko jiná situace nastává při působení povětrnostních podmínek, tzn. oslunění, déšť a rychlost větru. Jak přímé oslunění, tak výrazné proudění podél měřeného objektu výrazně zkreslí celou měřicí situaci. Posledním faktorem z hlediska měření exteriéru je tzv. "zdánlivě odrážející se teplota". Při měření v exteriéru se jedná o teplotu oblohy. Zcela jiná teplota pozadí (tj. oblohy) bude při měření jasné nebo zatažené oblohy. Pro výpočet teploty oblohy lze využít normu ČSN EN ISO přílohu F. Teplotu oblohy pak vypočítáme jako 47

49 ( ) 6 T ob = 9, Te 6 0, 25 (24), kde Tob Te - teplota oblohy [K], - venkovní teplota [K]. Pro měření v interiéru budovy platí podobná pravidla s tím rozdílem, že za tzv. "zdánlivě odrážející se teplota" můžeme dosadit střední radiační teplotu. Pokud se, ale v interiéru nachází výrazné zdroje tepla (např. osvětlení, otopná tělesa, rozvody otopné soustavy, rozvody chladu, atd.) je nutné dále tuto teplotu korigovat. Obecně lze říci, že čím má měřený povrch nižší emisivitu, a tím i vysokou odrazivost, podíl odráženého tepelného toku se zvyšuje a tím i roste podíl "zdánlivě odrážející se teploty" na výsledku měření. Základní metodou jak stanovit tuto teplotu v interiéru je při nastavení emisivity v přístroji na hodnotu ε = 1. Objektiv přístroje pak nastavíme pro pohled ve směru normály od měřeného předmětu (tj. měříme to, co se do námi měřené plochy zdánlivě odráží). Z termogramu pak vyhodnotíme průměrnou teplotu získaného obrazu a tuto hodnotu můžeme použít pro zadání zdánlivě odrážející se teploty. 48

50 4. Odvod spalin u odběrných plynových zařízení 4.1. Rozdělení plynových spotřebičů Plynový spotřebič je zařízení spalující plynné palivo za účelem přeměny chemické energie v energii tepelnou (TPG ). Plynové spotřebiče rozdělujeme do tří kategorií, a sice typ spotřebiče A, B a C. Další rozdělení plynových spotřebičů je pak závislé na tom, zda je spotřebič s přirozeným tahem (tj. odvodem spalin) nebo nuceným, zda je spalinový nebo vzduchový ventilátor umístěn před resp. za spalinovým výměníkem, zda je spotřebič opatřen přerušovačem tahu či nikoli, nebo zda je určen pro připojení na společný komín nebo samostatný kouřovod. Dále uvedené rozdělení plynových spotřebičů je v souladu s TPG ) Provedení A otevřený spotřebič, který odebírá spalovací vzduch z prostoru, v němž je umístěn a spaliny jsou odváděny do téhož prostoru (např. plynový sporák apod.). 2) Provedení B otevřený spotřebič, který odebírá spalovací vzduch z prostoru, v němž je umístěn, ale spaliny odvádí do venkovního prostoru komínem (např. kotle, karmy, atd.). 3) Provedení C uzavřený spotřebič, který odebírá spalovací vzduch z venkovního prostoru nebo společného komínu a od kterého jsou spaliny odváděny do venkovního prostoru. Technické pravidlo, které upravuje možnosti umisťování a provozování plynových spotřebičů v budovách je TPG Domovní plynovody Odběrná plynová zařízení a spotřebiče na plynná paliva v budovách. TPG platí pro připojování odběrných plynových spotřebičů s jednotlivými výkony nižší než 50 kw a provozním tlaku do 0,5 MPa. U spotřebičů s vyššími výkony je možné postupovat analogicky, jako je uvedeno v TPG , ale při dodržení dalších příslušných předpisů. U plynových spotřebičů je nutné rozlišit podmínky pro jejich umísťování v bytových a nebytových prostorách. V bytových prostorách se většinou jedná o umístění menších plynových zařízení (plynový sporák, plynová topidla, ohřívače teplé vody a menší plynové kotle). Za bytový prostor se přitom považují prostory sloužící k bydlení tj. byty a pokoje pro ubytování a to včetně sociálního zařízení (TPG ). Umístění plynových spotřebičů musí být takové, aby byl spotřebič snadno přístupný pro obsluhu a údržbu. Plynové spotřebiče není vhodné umísťovat ve schodišťových prostorech, veřejnosti přístupných chodbách nebo únikových cestách Možnosti provedení odvodu spalin u kotlů QUANTUM Q7K U plynových kotlů a to ať klasických nebo kondenzačních se podle způsobů připojení na kouřovod může jednat o spotřebič v provedení B nebo v provedení C. Kotle firmy QUANTUM Q7K jsou konstrukčně řešeny výhradně k připojení jako spotřebiče v provedení C. Spotřebiče v provedení C dle TPG nemají na žádné zvláštní požadavky na umisťování v místnostech na objem prostoru, ani na větrání místnosti ve které jsou umístěny a ani na přívod vzduchu. U kotlů QUANTUM Q7K je možné použít dva různé způsoby odvodu spalin a přívodu spalovacího vzduchu (obr. 28). 49

51 a) b) Obr. 28 Možnosti provedení odtahů spalin u kotlů QUANTUM Q7K a) klasický způsob odtahu spalin (D = 80 mm) b) koncentrický způsob odtahu spalin (D = 80 x 125 nebo 60 x 100 mm) První je využití dvou samostatných potrubí (obr. 28a). Jedno potrubí je ve funkci přívodu spalovacího vzduchu a druhé ve funkci kouřovodu slouží k odvodu spalin. Druhou možností je použití tzv. koncentrického způsobu odvodu spalin (obr. 28b). Koncentrický systém odvodu spalin je vlastně systém trubka v trubce, kdy vnitřní trubkou jsou odváděny spaliny, a mezikružím je nasáván spalovací vzduch. Výhodou tohoto systému je další ochlazení spalin oproti klasickému způsobu odvodu spalin. Koncentrický komín pracuje v podstatě jako protiproudý výměník tepla, kdy spaliny předávají teplo přímo v kouřovodu přiváděnému spalovacímu vzduchu, a to pomáhá k mírnému zlepšení normovaného stupně využití. Správná funkce koncentrického systému přívodu spalovacího vzduchu a odvodu spalin je velmi závislá na dopravním tlaku ventilátoru nebo na vyvozeném přirozeném vztlaku systému odvodu spalin. Celková tlaková ztráta je tak dána jednak tlakovou ztrátou v přívodním potrubí spalovacího vzduchu tak i tlakovou ztrátou v kouřovodu při odvodu spalin. Problémy při provozu těchto spotřebičů jsou tedy většinou spojeny s nedodržením maximální délky potrubí. U kotlů QUANTUM Q7K je maximální možná délka potrubí přívodu spalovacího vzduchu a odtahu spalin (dohromady!!!) 75 m! Tab. 23 Používané materiály přívodu spalovacího vzduchu a odvodu spalin u kotlů QUANTUM Q7K Trubka Průměr Materiál Přívod vzduchu ø 80 mm Dle místní požární úpravy a legislativní úpravy. Hliník, galvanizovaná ocel, nerez nebo plast. Pokud možno izolovat 10 mm neprodyšné izolace nebo plast. Odtah spalin ø 80 mm Dle ČSN ( ) Izolace - 10 mm neprodyšné izolace v případě, že se na vnější straně vytváří kondenzát, protože teplota zdi je nízká a relativní vlhkost vzduchu i teplota v místnosti je vysoká. 50

52 Tab. 24 Ekvivalentní délky tvarovek kouřovodů koleno 90 R/D=1 - pozvolný úhel 2 m koleno 45 R/D=1 - pozvolný úhel 1 m koleno 90 R/D=0,5 - ostrý úhel 4 m koleno 45 R/D=0,5 - ostrý úhel 2 m Příklad provedení napojení kotle QUANTUM Q7K Je možné provést vertikální odtah kotle QUANTUM Q7K přes střechu dle parametrů na obr. 29? Obr. 29a Návrh odtahu vertikálního odtahu spalin Obr. 29b Vertikální kombinovaný odtah přes střechu Řešení Odtah a přívod Délka odtahu nebo přívodu Odtah spalin L1 + L2 + L3 + 2x2 m 13 m Přívod vzduchu L4 + L5 + L6 + 1x1 m + 2x2 m 13 m Duální trubka odtahu a přívodu 2x1 m Celkem Celková délka potrubí 2 m 28 m < 75 m Návrh vertikálního odtahu kotle QUANTUM Q7K V Y H O V U J E. Pro vyústění odtahů spalin od plynových spotřebičů musí být splněna ČSN Tato norma prošla revizí a její poslední znění je platné od Norma ČSN je zezávazněna vyhláškou č. 268/2009 Sb. a nařízením vlády č. 91/2010 Sb. Problematické se z pohledu odborné veřejnosti jeví zejména provádění odtahů od plynových spotřebičů stěnou fasády domu do volného ovzduší. 51

53 4.3. Odvod spalin venkovní fasádou domu Odvod spalin stěnou fasády do volného ovzduší lze navrhnout a provést jen v technicky odůvodněných případech při stavebních úpravách budov nebo u průmyslových staveb, při dodržení emisních limitů. Tento způsob odvodu spalin se týká pouze spotřebičů na plynná paliva v provedení C a B33 (tj. plynový spotřebič bez přerušovače tahu určený pro připojení na společný komín se vzduchovým ventilátorem instalovaným před spalovací komorou), u kterých je zabezpečeno, že spaliny nemohou při provozu spotřebiče proniknout do místa jeho instalace, do jmenovitého výkonu 24 kw. Za technicky odůvodněný případ se považuje rekonstrukce budov, ve kterých nejsou žádné komínové průduchy, pokud nelze postavit komín k fasádě budovy nebo do světlíku, namontovat svislý kouřovod ve funkci komína nebo provést společný komín. Vývod spalin stěnou fasády nemůže být navrhován a realizován u nových staveb! Odvod spalin stěnou fasády do volného ovzduší může být navržen a proveden v případech, kdy jsou splněny následující základní podmínky: a) vyústění spalin od spotřebičů do jmenovitého výkonu 7 k W. b) vyústění spalin od spotřebičů se jmenovitým výkonem nad 7 kw do výkonu 24 kw. c) vyústění spalin spotřebičů u průmyslových staveb se jmenovitým výkonem od 7 kw do 100 kw. Kotle QUANTUM Q7K spadají svými tepelnými výkony do druhé (více jak 7 kw a méně než 24 kw) a třetí kategorie (průmyslové objekty od 7 kw do 100 kw) Plynové spotřebiče o jmenovitém výkonu od 7 kw do 24 kw Nejdůležitějším pravidlem je definování tzv. samostatně stojící budovy, nebo budovy v hromadné zástavbě, resp. předepsaných minimálních vzdáleností přilehlých nebo protilehlých budov. Nejmenší předepsané vzdálenosti sousedních nebo protilehlých budov se neposuzují v případě, kdy je vyústění odtahu spalin na fasádě domu výše, než jsou horní hrany otvorů oken, dveří, střešních oken a vikýřů, protilehlé nebo sousední budovy (obr. 30). V případě, kdy je vyústění odtahu spalin ve stejné úrovni nebo dokonce níže než jsou horní hrany otvorů oken, dveří atd. u protilehlé budovy, je nutné dodržet požadavky na nejmenší vzdálenosti protilehlých budov dle obr. 31. Obr. 30 Příklad vyústění odtahu spalin venkovní stěnou budovy 1 nad úrovní budovy 2 - vzdálenost mezi budovami se neposuzuje. 52

54 Obr. 31 Nejmenší předepsané vzdálenosti protilehlých budov od vývodu odtahu spalin na venkovní zdi podle výšky budov a) budovy pouze s 1 NP b) budovy s 1 NP nad vyústěním c) budovy s 2 NP nad vyústěním d) budovy s 3 NP a více nad vyústěním Vyústění odtahů spalin venkovní stěnou musí z hlediska výšky vyvedení spodní hrany kouřovodu nad okolním terénem splnit požadavky dle obr. 32. Tzn. že vyvedení odvodu spalin musí být vždy za venkovní stěnou. Na druhou stranu je také nutné pamatovat na minimální předepsanou vzdálenost vyústění odtahu spalin např. pod přesahující střechou, nebo jinou stavební konstrukcí (obr. 32c). 53

55 Obr. 32 Předepsané vzdálenosti vyústění spodní hrany kouřovodu na obvodové zdi nad okolním terénem a) vyústění spalin pro samostatně stojící budovu (dle obr. 30) b) vyústění odvodu spalin pro budovu v hromadné zástavbě (dle obr. 31) c) vyústění odvodu spalin pod přesahující střechou nebo jinou stavební konstrukcí V souvislosti s obr. 32c, je nutné dále přihlédnout k předepsaným minimálních odstupných vzdáleností vyústění odvodu spalin od hořlavých materiálů (obr. 33.). Např. u přesahujících střech s dřevěným podbitím by musela být skutečná minimální předepsaná vzdálenost ve svislém směru nad vyústěním spalin 1,5 m jak ukazuje obr. 33. Obr. 33 Předepsané minimální odstupné vzdálenosti pro umisťování hořlavých materiálů od horizontálního vyústění spalin na venkovní zdi 54

56 Nejvíce problematické z hlediska návrhu vyústění odtahu spalin na venkovní zdi je řešení tzv. ochranného pásma pro okenní a jiné otevíratelné otvory na ploché fasádě domu. Vytvoření minimálního ochranného pásma je předepsáno normou a účelem je zamezit obtěžování spalinami ve vyšších patrech budovy nad vyústěním spalin (obr. 34). Obr. 34 Pásmo průběhu spalin u samostatného vyústění na ploché fasádě bytového domu Při vývodu většího počtu spotřebičů na fasádě nesmí docházet k průniku pásem!!! Plynové spotřebiče o jmenovitém výkonu od 7 kw do 100 kw u průmyslových staveb Za průmyslovou stavbu se považuje výrobní budova situovaná v průmyslovém areálu. Vyústění vývodu spalin na fasádu musí být nejméně 3 m nad okolním terénem s podmínkou, že nad vyústěním nesmí být situovány žádné otvory do objektu (okna, dveře, větrací otvory apod.). Z hlediska posuzování vzdáleností sousedních nebo protilehlých budov, které mají okna nebo jiné otevíratelné konstrukce výše než vyústění odtahu spalin, je nutné dodržet minimální předepsané vzdálenosti dle obr. 35. Podmínkou, kterou norma uvádí v článku je současné dodržení emisních limitů podle platných předpisů. 55

57 Obr. 35 Graf předepsaných minimálních vzdáleností budov u průmyslových objektů podle instalovaného výkonu plynového spotřebiče (tj. od 7 kw do 100 kw) 1- sousední nebo protilehlá budova je stejně vysoká nebo nižší 2- sousední nebo protilehlá budova je vyšší 4.4. Odvod spalin nad střechu objektu Při odvodu spalin s vyústěním nad střechu je nutné nejprve rozlišit, zda se jedná o šikmou nebo vodorovnou střechu. Norma ČSN definuje šikmou střechu, která má sklon od vodorovné roviny větší než 20. U šikmé střechy musí mít komín s přirozeným tahem ústí nejméně 650 mm nad hřebenem, popř. větrným úhlem 10. Kotle QUANTUM Q7K jsou navrhováni převážně pro tzv. přetlakové a podtlakové komíny, tj. komíny s nuceným přívodem spalovacího vzduchu a odtahem spalin. U komínů s přetlakovým odvodem spalin může být výška vyústění nad rovinou střechy snížena až na 500 mm (obr. 36), pokud je přetlak v ústí komína větší než 25 Pa. Stejná výšková podmínka platí i pro podtlakový komín, kde je podtlak v komíně vytvořen ventilátorem namontovaným na ústí komína. V oblastech s výskytem sněhu v zimním období musí být výška vyústění upravena podle místních podmínek. Za plochou střechu je považována střecha, jejíž sklon od vodorovné roviny je menší než 20. Nad plochou střechou budovy nebo nad atikou ploché střechy musí být ústí komína ve výšce nejméně mm. U přetlakových a vysokopřetlakových komínů může být tato výška snížena na 500 mm, při dodržení stejných podmínek jako u šikmých střech (obr. 36). 56

58 Obr. 36 Výška přetlakového komína od roviny střechy (ČSN ) 4.5. Výpočet množství spalovacího vzduchu pro plynové kotle Pro výpočet potřeby spalovacího vzduchu, lze využít též pravidla uváděná v TPG Technické pravidlo TPG stanovuje výpočet potřebného množství spalovacího vzduchu pro plynové spotřebiče v provedení B. Spotřebiče v provedení B, se od spotřebičů typu C liší ve způsobu přívodu spalovacího vzduchu. Spalovací vzduch u spotřebičů v provedení B je přímo nasáván z místnosti, ve které je spotřebič umístěn. Postup výpočtu potřebného množství spalovacího vzduchu, který je uveden v TPG pro spotřebiče B, můžeme aplikovat i pro spotřebiče C např. při návrhu jednotného přívodu spalovacího vzduchu pro kaskádu několika plynových kotlů. Nezávisle na legislativě lze teoretické množství vzduchu potřebného pro spalování vypočítat ze vzorce: Qn V = 11, λ (25), η S kde Vs množství spalovacího vzduchu [m 3 /h], λ potřebný přebytek vzduchu pro spalování [-], Qn jmenovitý tepelný výkon spotřebiče [kw], η účinnost spotřebiče [-]. Pro výpočet potřebného přebytku vzduchu pro spalování, lze použít vztah vycházející z poměru maximálního a skutečného obsahu CO2 ve spalinách ve tvaru: CO λ = CO 2max 2skut (26), kde CO2max maximální obsah CO2 ve spalinách (pro zemní plyn 11,7 %) [%], CO2skut skutečný obsah CO2 ve spalinách [%]. Hodnoty skutečného obsahu CO2 ve spalinách jsou závislé zejména na aktuálním tepelném výkonu daného spotřebiče. Pro výpočet se uvažuje s hodnotou stanovenou pro jmenovitý tepelný výkon dle dokumentace výrobce nebo hodnotou stanovenou na zkušebně. Pro plynové kotle se hodnoty CO2skut mohou pohybovat v rozsahu od 4,5 % do 11 %. Pokud není hodnota λ daného spotřebiče známa, volí se λ = 2,5. Dle TPG lze použít zjednodušený vztah ve tvaru: 57

59 V = c P (27), S n kde c konstanta dle tabulky 25 [-], Pn příkon spotřebiče [kw], Pn = Vp Hu Vp množství paliva ke spotřebiči [jednotka/h], výhřevnost paliva [kwh/jednotka]. Hu Tab. 25 Hodnoty přepočtových konstant dle použitého typu paliva Typ paliva Konstanta c [-] Zemní plyn 2,2 Lehký topný olej 2,0 Dřevo, uhlí (ne krby) 3,5 Krby na dřevo nebo uhlí 4,0 Je zřejmé, že u spotřebičů v provedení B je také nutné dbát na zajištění provozních podmínek pro přívod spalovacího vzduchu. Jedná se zejména o dodržení tlakových podmínek v daném prostoru. Co nesmí, u takovýchto spotřebičů v žádném případě nastat ukazuje obr. 37. Obr. 37 Provoz plynového spotřebiče v provedení B nebo jiného provozem podobného spotřebiče typu B (např. krbová kamna apod.) Norma TPG říká, že u plynových odběrných zařízení v provedení B je nejmenší požadovaný objem místnosti, ve které je spotřebič umístěn vázán dle tabulky 27 58

60 Tab. 27 Požadovaný objem místnosti pro spotřebiče typu B 1 Druh prostoru a způsob umístění spotřebičů v provedení B Skříň (obr. 38), výklenek nebo přístavek se samostatným trvalým přívodem vzduchu z venkovního prostoru určený pouze pro umístění spotřebiče v provedení B. Skříň, výklenek nebo přístavek musí být opatřen dveřmi (dvířky), které musí být při provozu spotřebiče uzavřeny. Nejmenší požadovaný objem prostoru pro spotřebiče v provedení B Není stanoven 2 Prostor, ve kterém jsou umístěny spotřebiče v provedení B o součtu příkonů do 30 kw 3 Prostor, ve kterém jsou umístěny spotřebiče v provedení B o součtu příkonů nad 30 kw 8 m 3 8 m 3 na 30 kw příkonu spotřebičů + 0,8 m 3 na každý další 1 kw příkonu spotřebičů Obr. 38 Provedení samostatného trvalého přívodu venkovního vzduchu pro spotřebiče v provedení B Návrh větracích otvorů nebo potrubí je pak dán vztahem V O 2 Vo,sk = p v (28), kde 59

61 Vo Vo,sk pv průtok vzduchu [m 3 /h], skutečný průtok přiváděného vzduchu [m 3 /h], skutečný tlakový rozdíl uvedený výrobcem spotřebiče (minimálně 4 Pa) [Pa]. Příklad zajištění přívodu průtoku vzduchu pro horizontální plastové potrubí ukazuje obr. 39 Obr. 39 Závislost minimálního průměru plastového potrubí na požadovaném průtoku vzduchu Pozn.: Uvedený graf na obr. 39 platí pouze pro případ horizontálního plastového potrubí o délce max. 0,5 m a při požadovaném tlakovém rozdílu 4 Pa. V případě jiné délky potrubí, nebo nějaké odbočky (kolena, oblouky) či vertikálního vedení je nutné sestavit samostatný graf pro dané okrajové podmínky! 60

62 5. Doporučená hydraulická schémata zapojení kondenzačních kotlů U hydraulických schémat pro zapojení kondenzačních kotlů by mělo platit jedno základní pravidlo. A sice, že zapojení kondenzačního kotle a otopné soustavy by nemělo v žádném případě zvyšovat teplotu zpátečky, aby nedocházelo ke zhoršování normovaného stupně využití kotle. Dále je nutné rozlišit, zda se jedná o zapojení kondenzačního kotle jako jediného zdroje tepla pro otopnou soustavu, nebo zda se jedná o zapojení několika kondenzačních kotlů tzv. v kaskádě. V případě, že je navržena otopná soustava s kaskádou kondenzačních kotlů, neměl by se při návrhu hydraulického schématu otopné soustavy zapomenout instalovat termohydraulický rozdělovač (THR). THR umožňuje vyloučit vzájemné ovlivňování průtoků mezi kotlovým okruhem na primární straně THR a otopnými okruhy na sekundární straně THR. Při návrhu THR pro kaskádu kotlů musí platit, že průtok kotlovým okruhem je větší cca o 10 až 15 % než průtok spotřebitelskými okruhy Návrh termohydraulického rozdělovače (anuloidu) Termohydraulický rozdělovač (THR) je v podstatě značně předimenzovaný hydraulický zkrat (obr. 40). Na rozdíl od zkratu v kotlovém okruhu je v THR zanedbatelný rozdíl tlaků mezi přívodem a zpátečkou. Dosáhne se tak plného hydraulického propojení a vyloučení protichůdného ovlivňování průtoků a tlaků primárního (kotlového) a sekundárního (spotřebitelského) okruhu. Umístění teplotního čidla (KT) v horní části THR vyhovuje všem provozním stavům vzhledem k řízení dodávky tepla do sekundárních okruhů. THR je dimenzován na rychlosti proudění 0,1 až 0,2 m/s při maximálním průtoku. Tlaková ztráta THR se tak zcela minimalizuje. Pro návrh vnitřního průměru THR lze použít vztahu (pro rychlost proudění 0,1 m/s): D = 3537 Vɺ (29), kde D vnitřní průměr THR [!!! mm!!!], V objemový průtok kotlovým okruhem [m 3 /hod] Obr. 40 Konstrukční uspořádání THR [ (AOV automatický odvzdušňovací ventil, VV vypouštěcí ventil, tthr teplota výstupu z THR) 61

63 5.2. Zapojení kondenzačního kotle a jednoho spotřebitelského okruhu Obr. 41 Schéma zapojení kondenzačního kotle a jednoho spotřebitelského okruhu 62

64 5.3. Zapojení kondenzačního kotle a dvou spotřebitelských okruhů a nabíjení zásobníku TV Obr. 42 Schéma zapojení kondenzačního kotle, dvou spotřebitelských okruhů a nabíjení zásobníku teplé vody U větších průtoků kotlovým okruhem (cca > 1000 l/h) je možné u schématu zapojení dle obr. 41, použít i zapojení s THR (viz obr. 42). U větších průtoků lze v přechodném období očekávat výrazné kolísání průtoků spotřebitelskými okruhy a díky THR lze oba okruhy jak kotlový tak spotřebitelský hydraulicky oddělit. 63

65 5.4. Zapojení kaskády kondenzačních kotlů a přípravy TV Obr. 43 Schéma zapojení kaskády kondenzačních kotlů a přípravy teplé vody 64

66 5.5. Zapojení kondenzačního kotle, solárních panelů s podporou přípravy TV Obr. 44 Schéma zapojení kondenzačního kotle, solárních panelů s podporou přípravy teplé vody Pro vyšší hodnoty průtoků kotlovým okruhem lze postupovat stejně, jako je uvedeno v textu u obr. 42 (tj. vřadit mezi kotel a spotřebitelské okruhy THR). 65

67 5.6. Zapojení kondenzačního kotle, kotle na tuhá paliva a solárních panelů s podporou přípravy TV a VYT Obr. 45 Schéma zapojení kondenzačního kotle, zdroje tepla na tuhá paliva a solárních panelů s podporou přípravy teplé vody a vytápění 66

68 6. Technický popis komponentů kondenzačních kotlů QUANTUM Závěsné plynové kondenzační kotle QUANTUM Q7K jsou zařízení s uzavřenou spalovací komorou. Kotel Q7K COMBI a Q7K COMBI HRE je možné používat k přípravě teplé vody a vytápění. Kotel Q7K SOLO a Q7K SOLO HRE je možné používat jen pro vytápění. Kotle QUANTUM Q7K jsou standardně nastaveny pro spalování zemního plynu (G 20 nebo G25). Na vyžádání je možné v kotlích QUANTUM Q7K spalovat i propan (G31) Spalovací výměník kotlů QUANTUM Q7K Zajímavým prvkem kotlů QUANTUM je unikátní řešení spalovacího výměníku. Spalovací výměník obsahuje jednak výměník pro ohřev teplé vody a jednak také výměník pro ohřev otopné soustavy (obr. 46). Součástí kotle tak nemusí být žádný trojcestný přepínací ventil. Toto řešení umožňuje nezávislý ohřev teplé vody a ohřev vody pro zásobování otopné soustavy. a) b) c) Obr. 46 Složení přestupních ploch výměníků kotlů QUANTUM Q7K a) Řez výměníkem spalovací komory - výměník teplé vody b) Řez výměníkem spalovací komory - výměník otopné soustavy c) Výměník spalovacího prostoru kotle celkový pohled Materiál integrovaných trubkových výměníků pro ohřev teplé vody a otopné soustavy je měď. Spalovací komora výměníku je vyrobena ze slitiny hliníku. Nabíjení obou okruhů tj. vytápění a přípravy teplé vody nemůže probíhat současně, nicméně ohřev teplé vody je při činnosti kotle prioritní. Pokud průtokové čidlo zjistí objemový průtok vyšší než 2 l/min pro požadavky teplé vody, jakýkoliv požadavek na teplo je ignorován. Během ohřevu teplé vody je ventilátor v maximálních otáčkách a tím udržuje kotel v plném výkonu. Teplota teplé vody může být nastavena v rozsahu od 40 C do 65 C. Teplota ohřevu vody pro otopnou soustavu může být nastavena v rozmezí od 30 C do 90 C. 67

69 6.2. Pojistné a zabezpečující zařízení Pojistné a zabezpečovací zařízení je nedílnou součástí návrhu zdroje tepla. Pojistné zařízení jistí zdroj tepla a otopnou soustavu proti překročení maximálního dovoleného tlaku v soustavě. Zabezpečovací zařízení umožňuje vyrovnání změn roztažnosti vody otopné soustavy bez její zbytečné ztráty a udržuje přetlak v otopné soustavě v předepsaných mezích. Funkci pojistného zařízení vykonává pojistný ventil. U kotlů QUANTUM Q7K je pojistný ventil součástí připojovací sady, kterou je možné dokoupit zvlášť. Pojišťovací ventil osazený v připojovací sadě je nastaven na otvírací přetlak ppv = 300 kpa. Zabezpečovací zařízení je u teplovodních kotlů expanzní nádoba. Kotle QUANTUM Q7K SOLO a Q7K COMBI mají osazenou tlakovou expanzní nádobu o objemu 6 litrů. Minimální potřebný objem tlakové expanzní nádoby je nutné pro každou otopnou soustavu zkontrolovat a v případě nedostatečného objemu je nutné na otopnou soustavu navrhnout další expanzní nádobu Návrh a kontrola tlakové expanzní nádoby otopné soustavy Výpočet objemu tlakové expanzní nádoby vychází z následujícího vztahu: 1 V EN = 1, 3 VO n (30), η kde V0 objem vody v celé otopné soustavě [m 3 ], n součinitel zvětšení objemu vody (viz. tabulka 23) [-], η stupeň využití expanzní nádoby [-]. Tab.26 Součinitel zvětšení objemu vody při tmax = (tmax 10) tmax [K] n [-] 0, , , , , , , , ,02863 tmax [K] n [-] 0, , , , , , , , ,06435 Stupeň využití expanzní nádoby se vypočítá z hodnot absolutního horního dovoleného provozního tlaku a absolutního dolního dovoleného provozního tlaku. Horní dovolený tlak je roven otvíracímu tlaku pojistného ventilu. U kotlů QUANTUM Q7K s připojovací sadou je ph,dov,a = ppv = 300 kpa + pb = 300 kpa kpa = 400 kpa. Matematicky lze výpočet stupně využití expanzní nádoby zapsat jako: p η = p h,dov,a d,dov,a p h,dov,a (31), kde ph,dov,a pd,dov,a absolutní horní dovolení provozní tlak [kpa], absolutní dolní dovolení provozní tlak [kpa], 3 3 p = 11, ρ g h 10 + p = 11, ρ g h d,dov,a B 68

70 ρ hustota vody (1000 kg/m 3 ) [kg/m 3 ], g tíhové zrychlení (9,81 m/s 2 ) [m/s 2 ], h výška vodního sloupce [m]. Příklad výpočtu (kontroly) expanzní nádoby Pro otopnou soustavu s teplotním spádem 55/40 C byl navržen jako zdroj tepla plynový kondenzační kotle QUANTUM Q7K Combi. Objem vody v celé otopné soustavě (otopná tělesa, armatury, potrubní rozvody, atd.) je V0 = 385 litrů. Rozdíl výšek vodního sloupce mezi hladinou vody v expanzní nádobě a nejvýše položeným místem otopné soustavy je h = 3,5 m. Bude tlaková expanzní nádoba osazená v kotli QUANTUM Q7K combi o objemu VEN = 6 litrů vyhovovat této otopné soustavě? Řešení 1) Výpočet absolutního dolního dovoleného tlaku otopné soustavy pd,dov,a p =, g h + p =,,, + =, kpa d,dov,a ρ 10 B Volba == >> pd,dov,a = 150 kpa 2) Stanovení absolutního horního dovoleného přetlaku otopné soustavy ph,dov,a p = p + p = = 400 kpa h,dov,a pv B 3) Stanovení součinitele zvětšení objemu vody n n = f( tmax) = f(tmax-10) = f(55-10) = f(45) => tabulka 5 => n = 0, ) Výpočet stupně využití expanzní nádoby η ph,dov,a pd,dov,a η = = = 0, 625 p 400 h,dov,a 5) Výpočet potřebného objemu expanzní nádoby pro řešenou otopnou soustavu VEN 1 V EN = 1, , = 11, 3 litrů > 6 litrů =>> N E V Y H O V U J E 0, 625 Pro otopnou soustavu definovanou dle zadání příkladu bude nutné otopnou soustavu doplnit o další tlakovou expanzní nádobou o objemu např. VEN2, min = 6 litrů (nebo 8 litrů, dle výrobní řady výrobce tlakových expanzních nádob). Pak v součtu objemů expanzních nádob, tj. v kotli VEN1 = 6 litrů a dodatečné tlakové expanzní nádoby VEN2, min = 6 litrů, bude celkový instalovaný objem: VEN,inst. = 12 litrů > VEN = 11,3 litrů ==>> V Y H O V U J E. 69

71 6.4. Charakteristika oběhového čerpadla Oběhové čerpadlo má za úkol dopravovat požadované množství teplonosné látky do otopných těles tak, aby byl zajištěn jejich požadovaný výkon. Pokud je znám celkový instalovaný tepelný výkon otopných ploch (tj. otopných těles, podlahové otopné plochy atd.) můžeme hmotnostní průtok kotlem vypočítat jako m k OT,i Q = c t t ( ) w1 w2 (32), kde m QOT c tw1 tw2 hmotnostní průtok teplonosné látky [kg/s], celkový instalovaný tepelný výkon otopných ploch [W], měrná tepelná kapacita teplonosné látky (vody c = 4187 J/kg K) [J/kg K], teplota na výstupu z kotle (resp. vstupu do otopných ploch) [ C], teplota na vstupu do kotle (resp. zpátečky) [ C]. Aby mohlo oběhové čerpadlo dopravovat požadované množství teplonosné látky do otopných ploch, musí být zároveň známa tlaková ztráta hydraulicky nejvzdálenějšího okruhu otopné plochy. Návrh oběhového čerpadla pak spočívá ve výběru vhodné charakteristiky na základě požadovaného průtoku teplonosné látky a tlakové ztrátě potrubní sítě. Kondenzační kotle QUANTUM Q7K mají integrováno třístupňové mokroběžné oběhové čerpadlo Wilo RS15/7 s těmito charakteristikami (obr. 46). Příklad stanovení pracovního bodu oběhového čerpadla Pro otopnou soustavu s teplotním spádem 55/45 C byl navržen jako zdroj tepla plynový kondenzační kotle QUANTUM Q7K Combi. Instalovaný tepelný výkon otopných těles QOT = 15,4 kw. Tlaková ztráta hydraulicky nejvzdálenějšího okruhu p = 14,5 kpa. Bude oběhové čerpadlo Wilo RS15/7, které je osazeno v kotli QUANTUM Q7K combi vyhovovat této otopné soustavě? Řešení 1) Výpočet hmotnostní resp. objemového průtoku teplonosné látky mk (Vk) OT,i Q m k = = = 0, 368 kg / s c t t ( ) 4187 ( 55 45) w1 w2 = m k ρ =, V 1000 = k, m 3 /s = 0,368 l/s = 1,32 m 3 /h 2) Stanovení pracovního bodu čerpadla Vk = 1,32 m 3 /h (nebo 1320 l/h) p = 14,5 kpa (nebo H = 1,48 mh2o) Oběhové čerpadlo osazené v kotli QUANTUM Q7K Combi (WILO RS 15/7) V Y H O V U J E. 70

72 Obr. 47 Charakteristika oběhového čerpadla Wilo RS 15/7 *Pozn.: Dopravní výška 1m = 9,81 kpa Dopravní tlak Minimální průtok [l/h] Nastavený výkon [kw] 200 7, ,2 X Průtok [l/h] Y Dopravní výška čerpadla [m] 71

73 6.5. Regulace Z hlediska základních principů regulace tepelného příkonu v objektech lze možnosti regulace u kotlů QUANTUM rozdělit do následujících okruhů: 1. Regulace výkonu zdroje tepla modulační provoz 2. Regulaci ve vazbě na vnitřní teplotu vzduchu 3. Regulaci ve vazbě na venkovní teplotu vzduchu ekvitermní Regulace výkonu zdroje tzv. modulační provoz umožňují optimální řízení množství přiváděného paliva a spalovacího vzduchu. Hořák s modulovaným provozem potřebuje základní výkonový stupeň, ze kterého se vychází. Nejnižší stupeň výkonu je nastavitelný a závislý na typu hořáku, druhu paliva a na konstrukci kotle. Teplota kotlové vody je snímána čidlem a měněna přes otopnou křivku např. v závislosti na venkovní teplotě. Modulovaným provozem lze dosáhnout extrémně nízkých teplot spalin, a tak získat obzvláště vysoký stupeň využití kotle. Regulace ve vazbě na vnitřní teplotu znamená snímání teploty vzduchu ve vytápěném prostoru, což je řídicí veličina pro regulátor. Teplotní čidlo je montováno do referenční místnosti, podle které jsou ovládány i ostatní místnosti. Čidlo s ovladačem musí být umístěno na místě, kde nebude ovlivněno místními zdroji tepla. Vzniklá regulační odchylka v referenční místnosti zapříčiní změnu teploty přívodní vody, čímž se začne vyrovnávat teplota i v ostatních místnostech. Toto chování působí negativně u relativně velkých a rozlehlých bytů nebo domů. Vzhledem k tomu není vhodné používat tento způsob regulace u vícegeneračních domů. Regulace ve vazbě na venkovní teplotu umožňuje regulovat potřebu tepla nepřímo úměrně k venkovní teplotě. Na tomto základě je možné regulovat teplotu přívodní vody přímo v závislosti na venkovní teplotě (více kapitola 1.3). Závislost obou veličin je dána otopnou křivkou. Křivka a její prohnutí odpovídá použitým otopným tělesům, resp. použité otopné ploše, a tak odpovídá mocninné funkci s exponentem např. n = 1,3. Křivku lze přesně určit či nastavit pro danou soustavu s využitím naklánění (změna směrnice) či paralelního posunu. Ekvitermní regulace přívodní teploty vody je rychlá s malým dopravním zpožděním. Tato regulace se dnes používá u většiny otopných soustav. Teplota přívodní vody se reguluje dvoupolohově (řízení hořáku), nebo třípolohově (spolu s řízením třícestné či čtyřcestné armatury). 72

74 Tab. 27 Přehled možností nastavení kotlů QUANTUM Q7K dle servisního kódu Pozice Funkce Tovární nastavení 0 Servisní kód - Přístup servisnímu technikovi do nastavení 1 Nastavení typu systému 0 0 = Kombinovaný kotel 1 = Aktivní je vytápění + nepřímý ohřev zásobníku na teplou vodu 2 = Aktivní je pouze ohřev teplé vody 3 = Aktivní je pouze vytápění 2 0 = doběh čerpadla 1 min. Nastavení čerpadla systému 0 1 = v případě zapojení do kaskády vytápění 2 = v případě s kombinací tepelného čerpadla 3 Nastavení procentuálního výkonu vytápění 70 Nastavení maximálního výkonu vytápění je 95% 4 Nastavení procentuelního výkonu ohřevu teplé vody 99 Jsou nastaveny maximální otáčky ventilátoru v % 5 Nastavení teplotní křivky 25 Posun křivky je možný od 10 C do 25 C 6 Nastavení porotizámrazové teploty -7 Nastavení protizámrazu je od -9 C do 10 C 7 Nastavení čidla venkovní teploty 25 Nastavení je možné od 15 C do 30 C 8 Nastavení doběhu čerpadla po 1 Nastavení je možné od 0-15 minut 9 A skončení vytápění Nastavení doběhu čerpadla po skončení ohřevu externího výměníku na teplou vodu Nastavení dvoucestného nebo třícestného ventilu (dvoužilový) Popis 1 Nastavení je možné od 0-15 minut 0 0 = pouze do topení 1 = pouze ohřev vody 2 = Kotel je v činnosti 0 = Vypnuto b Nastavení předehřevu 0 1 = Zapnuto C Nastavení postupného náběhu 0 = Modulace je vypnuta při funkci vytápění 1 po zapálení (modulace) 1 = Modulace je zapnuta při funkci vytápění c Nastavení min. výkon do topení 40 Nastavení od 25 do 40% d Nastavení min. výkon ohřev vody 30 Nastavení od 25 do 40% Nastavení min. teploty na E výstupu z kotle při nastavené 10 hodnotě termostatu záleží na nastavení dle bodu E. E. Nastavení zapojení termostatu (opentherm) 1 Nastavení od 10 C do 60 C. Pokud termostat hlásí požadavek na ohřev a aktuální teplota je pod nastavenou hodnotou, reakce 0 = OpenTherm 1 = OpenTherm 2 = termostat vypnuto/zapnuto F Nastavení vytápění v závislosti na termostatu 70 Nastavení je možné od 50 do 99% F. Nastavení ohřevu teplé vody 70 Nastavení je možné od 50 do 99% h Nastavení max. rychlost ventilátoru Nastavení je možné od 40 až 50 % n Nastavení teploty NTC čidla při zapojení externího zásobníku 85 Nastavení je možné mezi 60 C až 90 C o Nastavení ochrany proti přepnutí do topení 0 Nastavení je možné od 0-15 minut. P Nastavení anticyklační doby vytápění zapnutí kotle 0 Nastavení je možné od 0 do 10 minut 73

75 S rostoucí kvalitou tepelně-technických vlastností konstrukcí, klesá i požadavek na tepelnou ztrátu domů. Dnes je již téměř standardem stavět nízkoenergetické nebo dokonce pasivní domy. U takovýchto domů je, ale z hlediska otopné soustavy výrazná závislost aktuální hodnoty tepelné ztráty domu na skutečném využití nebo provozu domu, tj. na tepelných ziscích. Tepelné zisky rozlišujeme vlivem vnějších klimatických podmínek (venkovní teplota, sluneční záření), nebo od vnitřních provozních podmínek (zisky od spotřebičů, osob, osvětlení, vaření, atd.). Vzhledem k výraznému podílu tepelných zisků na celkové energetické bilanci nízkoenergetické budovy je tedy vhodné, aby otopná soustava pružně reagovala na změnu požadovaného tepelného výkonu. Tzn. že navržená regulace otopné soustavy by měla být kvalitativní (např. ekvitermní regulace) a zároveň, by měla pracovat s vazbou na vnitřní teplotu místnosti - tzn. adaptivní regulace. V jednoduchosti lze říci, že adaptivní regulace přizpůsobuje topnou křivku skutečné potřebě tepla objektu a zároveň jsou její zásahy kontrolovány snímáním skutečné dosažené teploty ve vytápěném prostoru. Z hlediska vazby na vnitřní teplotu objektu v referenční místnosti lze využít pro kotle QUANTUM regulátory prostorové teploty řady Siemens RHD10M (obr. 48), nebo REA23M (obr. 49). Oba regulátory využívají tzv. protokol OpenTherm. Ten se využívá ke vzájemné komunikaci mezi prostorovým regulátorem a řídicí elektronikou kotle. Kotle vybavené tímto komunikačním protokolem se vyznačují především velkým rozsahem plynulé modulace výkonu a tím výrazně úspornějším provozem ve srovnání s běžnými kotli. Obr. 48 Prostorový termostat Siemens RDH10M Regulátor RDH10M prostorové teploty má LCD displej bez časového programu pro kotle s komunikací OpenTherm Plus, PID regulaci s průběžnou adaptací, přehledný displej s velkými číslicemi, rozsah nastavení žádané teploty 5 až 30 C a možnost jednoduchého nastavení ovládacím kolečkem. 74

76 Obr. 49 Prostorový termostat Siemens REA23M Regulátor REA23M je týdenní programovatelný PID regulátor pro kotle s komunikací OpenTherm Plus. Regulace je prováděna čistě dle prostorové teploty, rozsah nastavení žádané teploty 5 až 29 C, automatická adaptace, optimalizace startu první topné fáze, možnost dálkového ovládání telefonním terminálem, zobrazení teploty otopné vody, vnější teploty a požadované teploty TV. Regulace se provádí jednoduše ovládacím kolečkem a tlačítky. 75