Stavíme energeticky úsporný dům (XIII) - Elektrický ohřev TUV

Elektrický ohřev teplé vody (TUV) má v naší zemi poměrně dlouhou tradici. Poté, co v 60. letech začaly být postupně rekonstruovány systémy vytápění z lokálního na tuhá paliva na lokální elektrické vytápění nebo na vytápění centrální, ruku v ruce s tím se začaly ve větší míře objevovat i elektrické ohřívače vody. Konkurencí byly plynové ohřívače, karmy, které byly sice provozně levnější, ale na druhou stranu byl jejich provoz o něco rizikovější. Při chybné manipulaci hrozilo zhasnutí plamene a černá kronika v tisku tomu dávala za pravdu. Místnost dále musela splňovat požadavky na výměnu vzduchu, a tak byly často do dveří umísťovány otvory, které nepůsobily právě esteticky. Naproti tomu elektrický akumulační zásobník, elektrický bojler, nekladl žádné větší nároky na umístění, i když zabíral větší prostor. Používal se zpravidla v závěsném provedení a jeho ekonomická bilance byla zlepšována použitím levného nočního proudu. Z této tradice vycházejí často i současná řešení ohřevů vody.

Elektrický ohřev vody lze rozdělit na průtočný a akumulační. Při průtočném ohřevu voda protéká kolem topného tělesa o velkém výkonu a je ohřívána. Pří akumulačním ohřevu je ohříváno topnou spirálou předem stanovené množství vody do zásoby. Obecně průtokový ohřev s sebou nese větší riziko zarůstání výměníku vodními usazeninami. Díky potřebě vysokého okamžitého výkonu je totiž třeba využít vyšší teplotu výměníku a tím právě dochází k tvorbě usazenin a tím ke snížení účinnosti ohřevu.

Životnost ohříváků je dána především vlastnostmi ohřívané vody. Měkká voda je agresivnější, způsobuje korozi materiálů a naopak tvrdá voda se projevuje tvorbou vodního kamene. Druh zařízení bychom měli zvolit tak, aby odpovídalo, pokud to lze, danému typu vody, nebo bychom měli parametry vody upravovat. Většina korozivních účinků probíhá elektrochemicky a na snížení těchto procesů se do zásobníků s větším množstvím vody umísťuje ochranná hořčíková anoda, jejíž stav by měl být pravidelně kontrolován (životnost běžně 8 let). Také jako materiál zásobníku se používají odolnější materiály, ať již se jedná jen o povrchovou úpravu například smaltováním nebo použití mědi či nerezu.

Akumulační ohřev

Konstrukčně může být zásobník řešen jako beztlakový nebo tlakový. Beztlakový zásobník je většinou zásobník menšího objemu, ve kterém se neprojevuje tlak vody z vnějšího řádu. To se řeší pomocí přepadu v nádrži. Pro odběr proto musíme následně použít speciální beztlakovou baterii. Konstrukčně je třeba sledovat, jakým způsobem je řešeno rozpínání vody, neboť se lze setkat i s přepadem do umyvadla, což není právě estetické. Tento zásobník používáme pouze pro jedno odběrné místo, kde je umístěn nad zařizovacím předmětem, v modernějších aplikacích je pak schován pod ním. Tlakový zásobník je z hlediska provozu výhodnější. Tlaková nádoba umožňuje dopravu ohřáté vody k více spotřebičům a také použití větších objemů zásobníku. Zásobníky do objemu 200 l jsou konstruovány většinou jako závěsné, větší objemy pak pokrývají zásobníky stojací. V tomto směru jsou výhodné především zásobníky kombinované (bivalentní), které umožňují připojení jiného zdroje energie. Nejčastěji je to zdroj tepla objektu, tedy kotel na plyn nebo tuhá paliva. V zásobníku je umístěna topná vložka, termostat a ochranná hořčíková anoda. Nádoba bývá ocelová smaltovaná, izolovaná polyuretanovou pěnou.

Obrázek 1: Schéma kombinovaného zásobníku pro ohřev TV

Maximální průtočné množství vody malým zásobníkem se přibližně shoduje s jeho objemem, tedy například zásobník o objemu 10 l poskytuje přibližně 10 l/min teplé vody.
Zásobníky těchto objemů jsou cenově přijatelné, jednoduché, vhodné i pro přerušovaný provoz v rekreačních objektech.

Obrázek 2: Beztlakový zásobník

Obrázek 3: Tlakový zásobník malého objemu Pojistná armatura není většinou součástí výrobku.

Průtočný ohřev

Při použití průtokových ohřívačů jsou zpravidla vyžadovány větší elektrické příkony a to znamená mít dostatečně nadimenzovány jističe. Od velikosti těchto jističů se totiž bohužel následně odvíjejí i poplatky dodavatelům elektrické energie, a tedy provoz těchto spotřebičů je hospodárný, jen pokud jsou jističe navýšeny z důvodu používání jiných elektrických zařízení (elektrického vytápění, tepelného čerpadla). Například pro ohřívač o příkonu 18 kW potřebujeme 3x32 A jistič. Vhodné a někdy nutné je pak blokovat z důvodu vysokého příkonu provoz dalších spotřebičů při zapnutí průtokového ohřívače. Průtokové ohřívače lze používat běžně s dvouventilovými bateriemi, pákové baterie musí být však speciální. Dále je třeba si uvědomit, že při příkonech nad 5 kW je nutné většinou třífázové připojení. Z tohoto důvodu se dnes dává přednost malým průtokovým ohřívačům pro umyvadlo nebo dřez řádově do 5 kW. Na druhou stranu máme u průtokového ohřívače k dispozici jakékoliv množství teplé vody přesně v okamžiku spotřeby, u vyšších typů ohřívačů (hydraulických a elektronických) je i určitá možnost regulace teploty připravované vody. Hydraulické průtokové ohřívače umožňují zvolit stupeň výkonu a průtok vody, a tak udržet určitou málo kolísající teplotu, novější elektronické měří navíc i teplotu vstupní vody a jsou schopny udržovat konkrétní výstupní teplotu s vyšší přesností. Za poznámku stojí skutečnost, že někteří výrobci mají v nabídce i průtokové ohřívače určené pro oblasti s tvrdou vodu. Výměníky jsou konstruovány tak, aby se omezila tvorba usazenin.

Obrázek 4 A: Hydraulicky řízený průtokový ohřívač i pro více bližších odběrových míst (3 fáze)

Obrázek 5 B: Malý průtokový ohřívač pro jedno odběrové místo (1 fáze)

Legenda: 1A ... Topná vložka 1B ... Trubkové topné těleso 2 ... Regulace 3 ... Tepelná pojistka 4 ... Svorkovnice 5 ... Vypouštění

Při předběžném odhadu velikosti průtokového ohřívače můžeme uplatnit za běžných podmínek jednoduchou pomůcku (Faustův vztah). Ta říká, že potřebný výkon ohřívače je roven dvojnásobku potřeby vody, tzn. například pokud potřebujeme 5 l/min vody o teplotě 37°C potřebujeme 2 x 5 = 10 kW příkonu.
Mezi průtokové ohřívače patří i ohřívače s integrovanou baterií přímo umístěnou nad zařizovacím předmětem. Slabou stránkou je zde však jejich vzhled.

Obrázek 6: Výkon průtokového ohřívače

Při návrhu elektrického ohřívače vycházíme z průměrné spotřeby teplé vody domácnosti. Spotřeba teplé vody v domácnosti je podle normy 100 l/den a během víkendu vzrůstá ještě více. Zvláště u nízkoenergetických domů mohou být rozdíly mezi uživateli větší.

Elektřina slouží jako záložní zdroj energie při využívání obnovitelných zdrojů. Výjimkou je snad pouze tepelné čerpadlo, které množství dodávané elektrické energie navyšuje podle svého topného faktoru. Je to energie špičková a komfortní a tomu odpovídá i její cena. Zařízení, která jsou pro její využívání potřeba, jsou konstrukčně jednoduchá a snadno ovládatelná. Základním pravidlem při řešení energeticky úsporných provozů je minimalizovat délku energetických rozvodů a bylo by tedy výhodné, kdyby každé odběrné místo mělo vlastní ohřívač vody pracující s vysokou účinností a nízkými provozními náklady.

Před koupí spotřebiče by se měl uživatel informovat o energetických ztrátách spotřebiče u jeho dodavatele nebo výrobce. Důležitým ukazatelem je v tomto případě energetická ztráta za 24 h při dané teplotě.

Výpočet ohřevu teplé vody

Požadované množství energie	Q m t2, t1 c	požadované množství energie (Wh) množství vody (kg) teplota vody (°C) měrná kapacita vody 1,163 Wh/kg.K
Doba ohřevu vody	T P η	doba ohřevu vody (h) elektrický příkon (W) účinnost (el. ohřívače vody 0,85 - 0,98); průtokové 0,98
Teplota smíchané vody	m1, t1    parametry vody 1 m2, t2    parametry vody 2 tv           výsledná teplota vody (°C)

Z výše uvedených vzorců lze stanovit, jaké množství energie je potřeba na ohřátí příslušného množství vody o dané teplotě. Opačně pak lze určit, že z 1 kWh energie lze získat přibližně 17 l vody o teplotě 55°C nebo 25 l o teplotě 40°C.

Samoregulační kabely

Delší rozvody vody lze také dohřívat pomocí samoregulačních kabelů. U odporových elektrických kabelů je výkon stálý, zatímco u kabelů samoregulačních je jejich výkon závislý na rozdílu teplot. Tyto kabely tak mohou nahradit cirkulaci a dohřívat teplou vodu v potrubí. Technicky se jedná o dva paralelně umístěné vodiče, mezi kterými je odporový prvek. Ten reaguje na teplotu okolí buď roztahováním nebo smršťováním a tím mění svůj odpor. Kabel je tak schopen topit přesně tam, kde jsou větší ztráty, a tam, kde ztráty nejsou, netopí. Topné samoregulační kabely odpovídajícího výkonu lze používat nejen pro potrubí kovové, ale i pro potrubí plastové (vhodné ověřit vlastnosti). Připevňování na potrubí je jednoduché a provádí se pomocí samolepicí folie. Následně se potrubí izoluje tepelnou izolací. Délky kabelů jsou v závislosti na výkonu a parametrech až 150 m, výkonově 8 - 12 W/m. Platí ale nejprve ztrátám tepla zabránit a až poté řešit dodávku chybějící energie. Tloušťka izolace by měla odpovídat průměru potrubí. Samoregulační kabely je možné využít i pro protimrazovou ochranu potrubí.

Obrázek 7: Výkon samoregulačního kabelu

Specifika nízkoenergetických domů

V nízkoenergetických domech se snažíme o co nejnižší provozní náklady. Z této charakteristiky tedy vyplývá, že elektrický ohřev vody není nejvhodnější volbou. Pokud ale budeme sledovat náklady jako celek, elektrická energie má své místo zejména v místech vzdálenějších od zdroje teplé vody, kde je cirkulace neekonomická, nebo v místech, kde se bude využívat pouze zřídka a vyšší investiční náklady by byly neodůvodněné. Zde je zejména vhodné používat průtokový ohřev vody.

Protože je přívod elektrické energie snadno regulovatelný, měla by být tato vlastnost využívána tak, abychom snížili tepelné ztráty spotřebiče. Tedy nastavením připravované teploty vody na ekonomickou teplotu (podle druhu ohřívače 55 - 60°C). Nedochází ke zbytečné tvorbě vodního kamene a tepelné ztráty nejsou vysoké. Ohřívač by měl být umístěn co nejblíže odběru, abychom plně využívali přednosti energie a snížili tepelné ztráty při dopravě.

Při porovnávání jednotlivých druhů energií je správné započítat všechny náklady s nimi spojené, aby bylo srovnání objektivní. Při porovnávání elektrického ohřevu s plynovým jsou to i náklady na zvýšené větrání místnosti a na vybudování kouřovodu.

Výkon elektrických spotřebičů bychom měli nejlépe volit v rozsahu příkonu, který je v daném objektu dostupný. Při zvyšování velikosti jističů je dobré zvážit i ostatní alternativy přípravy teplé vody a provést výpočet celkových provozních nákladů spotřebiče a paušální platby za připojení.

Velmi vhodné je pak využití elektřiny jako druhého nebo třetího stupně pro ohřev teplé vody v případě využití ekologicky šetrných zdrojů energie, zejména solárních kolektorů nebo tepelných čerpadel.

Literatura
[1]   VALÁŠEK, J.: Zdravotechnická zařízení a instalace. Bratislava: 2001, Jaga group. ISBN 80-88905-65-6
[2]   KABELE, K. : Stanovení potřeby teplé vody pro návrh a dimenzování zařízení pro ohřev TUV.
      Topenářství Instalace 8/2002, s. 38-41 ISSN 1211-0906
[3]   Pražská energetika. www.pre.cz