Příprava teplé vody - podrobný výpočet
Pro výpočet přípravy TV existuje několik postupů:
- Dle počtu zařizovacích předmětů a charakteristiky výtoků. Tato metoda je poměrně náročná na stanovení křivky odběru resp. na predikci chování uživatelů.
- Dle potřeby TV pro jednotlivé činnosti (mytí rukou/těla v umyvadle, sprcha, vana atd.). Tato metoda je poměrně náročná na stanovení křivky odběru resp. na predikci chování uživatelů.
- Dle bilance potřeby TV na základě měrných jednotek (m3/osobu.den). Tuto metodu doporučujeme a dále se jí v textu zabýváme.
- Kombinace předchozích metod.
Zjednodušený výpočet přípravy TV pro bytový dům
Denní špička potřeby TV 
Vd … denní špička [m3/den]
Nbj … počet bytových jednotek [-]
0,205 … koeficient zahrnuje 2,5 osob/bj x 0,082 m3/os.den
- Objem zásobníku TV Vz = 40% x Vd [m3]
- Nabíjecí výkon novostavba Φ = 3,5 x Vd [kW]
- Nabíjecí výkon rekonstrukce Φ = 9 x Vd [kW] – zohledňuje špatnou izolaci cirkulačního potrubí.
Příklad: nový bytový dům 20 bytových jednotek
- Denní špička = 0,205 x 20 bj = 4,1 m3/den
- Minimální akumulace TV = 40% x 4,1 m3/den = 1,64 m3
- Nabíjecí výkon = 3,5 x 4,1 m3/den = 14,35 kW
- Volím 2x 1m3 akumulace buď s trubkovým vnořeným výměníkem á 7,2 kW (odpovídá přestupní ploše 2,09 m2 pro smaltovaný trubkový výměník) nebo s odděleným deskovým výměníkem 14,4 kW.
Podrobný výpočet přípravy TV
Mimo rodinné a bytové domy a je potřeba provést detailní výpočet (administrativní, komerční, průmyslové a ostatní objekty). Pro bilancování stanovujeme maximální (špičkovou) denní potřebu TV (m3/den), která odpovídá maximálnímu zatížení objektu a zaručuje dostatečnou kapacitu zařízení.
Pro roční energetické bilance a optimalizaci doplňkového zdroje řešíme průměrnou roční bilanci, která je výrazně nižší – většinou 50-60 % maximální potřeby.
Návrh přípravy TV:
- Stanovení denní špičky (m3/den; kWh/den)
- Započtení vlivu cirkulace (kWh/den)
- Stanovení křivky odběru TV v daném cyklu (většinou 24 hod)
- Výpočet akumulačního objemu (m3)
- Výpočet nabíjecího výkonu bez cirkulace (kW)
- Výpočet nabíjecího výkonu pouze cirkulace (kW)
- Výpočet celkového nabíjecího výkonu (kW)
Pro stanovení denní špičky norma ČSN 06 0320 Tepelné soustavy v budovách – Příprava teplé vody – Navrhování a projektování stanovuje tyto spotřeby (tuto normu doporučujeme pro výpočet špičky)
Příklad:
Pro nový bytový dům s 11 bytovými jednotkami (uvažujeme 2,5 osoby/byt) je denní špičková potřeba TV 11 bj x 2,5 os/bj x 82 l/os.den = 2260 l/den = 2,3 m3/den. Což odpovídá 118 kWh/den.
Po stanovení maximální denní potřeby je potřeba přičíst ztrátu cirkulací (pokud je cirkulace navržena). Pro nové budovy je součinitel ztráty cirkulací 0,5, pro starší objekty 2 až 4 dle kvality izolace.
Příklad:
Pro nový bytový dům je součinitel 0,5 (pro stávající objekt lze odhadnout nebo stanovit z faktur za přípravu TV, pokud obsahují množství energie GJ/rok a vody m3/rok) a potřeba 118 kWh/den. Celková ztráta je 0,5 x 118 kWh/den = 59 kWh/den. Celková potřeba tepla pro přípravu TV je 177 kWh/den.
Na základě měření na bytových domech je “kritická“ doba podvečerní 3 hodinová špička, kdy dojde ke spotřebě cca 40% denní potřeby. Doporučujeme tedy akumulaci navrhnout pro pokrytí této špičky jako 40-50% denní spotřeby.
Lze použít i přesnější metodu pomocí křivek dodávky a odběru
Akumulační objem
Objemu zásobníku teplé vody se stanovuje pro maximální rozdíl křivek odběru a přípravy (vyznačen jako požadovaná akumulace DQmax [kWh], vyjádřena akumulovanou energií).
Lze tedy volit akumulaci 0,75m3, což odpovídá 39 kWh (alternativně 1m3).
Nabíjecí výkon
Pokud chci akumulaci nabít během doby nižšího odběru TV (cca 8 hod mezi ranní a podvečerní špičkou), pak potřebuji výkon 39 kWh / 8 hod = 4,9 kW. Opět musím zohlednit cirkulaci (která působí rovnoměrně celý den), v našem případě 59 kWh / 24 h = 2,6 kW. Celkový nabíjecí výkon je tedy 4,9 + 2,6 = 7,5 kW. Můžeme navrhnout TČ o výkonu 7 kW.
Alternativně lze stanovit akumulaci většího objemu a nabíjecí výkon přizpůsobit době nabíjení.
Takovéto modelové rozdělení lze připravit pro každý objekt. Třeba administrativní objekty mají ranní, polední a odpolední špičku, kdy odpolední špička v průběhu 3 hodin je opět cca 40 % denní špičky. U výrobních závodů záleží na směnném provozu a špička se dělí podle počtu směn.
Příklad:
Pro stávající bytový dům je součinitel 2,5 (lze odhadnout nebo stanovit z faktur za přípravu TV, pokud obsahují množství energie GJ/rok a vody m3/rok) a potřeba 215 kWh/den. Celková ztráta je 2,5 x 215 kWh/den = 538 kWh/den. Celková potřeba tepla pro přípravu TV je 753 kWh/den. Akumulaci navrhneme pro 86 kWh, což odpovídá 1,64 m3. Lze tedy volit akumulaci 2m3, což odpovídá 105 kWh. Pro nabití akumulace za 8 hod potřebuji výkon 105 kWh / 8 hod = 13 kW. Opět musím zohlednit cirkulaci (která působí rovnoměrně celý den), v našem případě 538 kWh / 24 h = 22 kW. Celkový nabíjecí výkon je tedy 13 + 22 = 35 kW. Můžeme navrhnout TČ o výkonu 30 kW a 9 kW el. topnou patronu.
Příklad:
Pro polyfunkční budovu 2000 m2 pro 250 administrativních pracovníků s restaurací (150 jídel/den; 5 osob personál) je denní špička 250 x 15 l/os.den + 5 x 42 l/os.den + 150 x 4l/jídlo.den + 20 (x100m2) x 15 l/100m2 = 4,91 m3/den. Což odpovídá 257 kWh/den a ztrátě cirkulací 129 kWh/den (pro součinitel 0,5), celkem 386 kWh/den.
Dimenzování výkonu tepelného čerpadla
Pokud využívám jako zdroj tepla tepelné čerpadlo pouze pro přípravu TV, je vhodné podobně jako pro vytápění uvažovat bod, kdy výkon TČ nedosahuje 100% špičkového požadavku a špičku pokrýt druhým zdrojem. Výkon TČ lze určit jako 60-80% požadovaného špičkového výkonu nebo podrobněji pomocí průměrných potřeb TV v rámci energetické bilance (tak aby TČ připravovalo množství vody v průměrném dni). Pro stanovení průměrného dne (roční energetické bilance) slouží norma ČSN EN 12831-3 Tepelné soustavy v budovách – Výpočtová metoda pro stanovení potřeb energie a účinností soustavy, viz tabulka. Dále pak postupujeme jako v části Návrh přípravy TV.
Cirkulace TV
Cirkulace TV zajišťuje teplou vodu v celém rozvodu TV a tedy její téměř okamžitou dostupnost na výtokové armatuře. Jedná se o zajištění komfortu, ovšem s výraznými energetickými nároky – ztrátou cirkulací TV. Vyregulování cirkulace by mělo zajistit, aby teplota na cirkulaci (zpátečce) k akumulaci TV byla o 2-3 K nižší, než na výstupu TV. Průtok cirkulací [m3/h] = ztráta v rozvodech [kWh/den] x 3600 [s/h] / 24 h / 4,186 [kJ/kg.K] / 3 [K] / 1000 [l/m3]. Pro optimalizaci provozu lze cirkulaci řídit, protože není nutná v době zaručeného odběru TV a v době kdy není zajišťována dodávka TV.
Udržení teploty TV bez cirkulace TV
Alternativou k cirkulaci je použití topných kabelů pro potrubí TV. Používají se samoregulační elektrické topné kabely, které kompenzují tepelnou ztrátu a udržují teplotu na požadované úrovni. U tohoto systému lze také optimalizovat provoz řízením doby provozu a odstávky.
Mezi hlavní přednosti tohoto řešení patří absence cirkulačního čerpadla a cirkulačního potrubí. Pro většinu aplikací se jedná o investičně a provozně úspornější řešení.
Toto řešení doporučujeme při použití s vysokoteplotním tepelným čerpadlem Qton, protože je dosahováno vyšší účinnosti TČ (nezvyšuje se teplota na vstupu do TČ a to pracuje s vyšším COP).