Porovnání výkonnosti integrovaných zásobníků tepla pro přípavu teplé vody

Trendem poslední doby jsou nejrůznější kombinace odlišných zdrojů energie pro vytápění a přípravu teplé vody. Každý zdroj klade na svůj provoz různé požadavky, ať se jedná o optimální provozní teplotu, nebo možnost modulace výkonu, případně udržet zásobu energie po určitý čas.

Úvod

Všechny tyto požadavky se snaží projektanti skloubit dohromady a ve většině případů vyjde jako nejlepší řešení jedna centrální akumulační nádrž, která se stává centrem celé technologie. Nutnou součástí této technologie je samozřejmě i příprava teplé vody. Toto řešení má velkou řadu výhod, ale i určité nevýhody, takže si mezi projektanty našlo své příznivce, ale i odpůrce.

Na následujícím obrázku je jedno z možných zapojení systému s více zdroji tepla a integrovanou přípravou teplé vody.

Dalším úhlem pohledu je samotná instalace celé technologie do objektu. Ve většině typových rodinných domů není počítáno s dostatečně prostornou technickou místností. Uživatel by ale rád zkombinoval různé zdroje energie pro efektivní, ekologické a především nízkonákladové vytápění a přípravu teplé vody. Pak je centrální akumulační nádrž téměř nutností. Nemalou výhodou může být i minimalizace tepelných ztrát při použití jedné nádrže, oproti systému s odděleným zásobníkem teplé vody a akumulační nádrží.

V následujícím bude ukázán především rozdíl mezi různými způsoby řešení integrace přípravy teplé vody do centrální akumulační nádrže.

Popis jednotlivých nádrží

Pro porovnání přípravy teplé vody s centrálním zásobníkem tepla byly vybrány tři různé způsoby od jednoho výrobce.

Akumulační nádrž DUO-E 1000/220 s vnořeným zásobníkem teplé vody

Jedná se o akumulační nádrž s celkovým objemem 1000 l a vnořeným zásobníkem o objemu 220 l. Vnější plášť akumulační nádrže je ocelový, vnitřní vnořený zásobník je ocelový smaltovaný. Nádrž disponuje šesti 1“ návarky pro připojení zdrojů tepla a otopné soustavy, jedním návarkem 6/4“ pro elektrické topné těleso a čtyřmi 1/2“ návarky pro měření a regulaci (viz obrázek 2). Dále může být nádrž vybavena jedním nebo dvěma topnými hady pro připojení například solárního systému.

Vnořený zásobník je ze shora vybaven třemi 1“ návarky pro připojení teplé vody, studené vody a cirkulace, jedním 1/2“ návarkem pro měření a regulaci a je zde standardně vložena ochranná vyměnitelná magneziová anoda.

Akumulační nádrž HSK 1000 s vnořeným nerezovým výměníkem

Jedná se o ocelovou akumulační nádrž s vnořeným nerezovým trubkovým výměníkem pro přípravu teplé vody o celkové ploše 7,2 m^2. Nádrž disponuje šesti 6/4“ návarky a jedním 1“ návarkem pro připojení zdrojů tepla, otopné soustavy a elektrického topného tělesa, šesti 1/2“ návarky pro měření a regulaci, dvěma 5/4“ návarky pro připojení studené a teplé vody a dva topné hady pro připojení solárního systému z 1“ návarku (viz obrázek 3). Uvnitř nádrže je vložen stratifikační válec, do kterého se připojuje zpátečka z otopné soustavy. Stratifikační válec umožňuje výrazně lepší teplotní rozvrstvení po celé výšce nádrže. Chování tohoto válce však není předmětem měření.

Průtoková příprava teplé vody má bezesporu výhodu především v potlačení množení bakterií legionel.

Akumulační nádrž PS 1000 v kombinaci s čerpadlovou skupinou pro přípravu TV

PS 1000 je ocelová akumulační nádrž pro akumulaci topné vody, která nemá integrovány žádné výměníky. Disponuje devíti 6/4“ návarky pro připojení zdrojů tepla a otopné soustavy a třemi 1/2“ návarky pro měření a regulaci (viz obrázek 4).

Čerpadlová skupina pro přípravu teplé vody (viz obrázek 5) je vybavena regulátorem (A), který na svém displeji zobrazuje okamžitý průtok teplé vody, teploty i výkon. Průtok snímá digitální průtokoměr VFS (B) a na základě této hodnoty je regulátor schopen přizpůsobit otáčky oběhového čerpadla (C) od minimální rychlosti 12 % až po maximální 100 % a tím zajistí udržení zvolené výstupní teploty teplé vody, například 45 °C. Nerezový deskový výměník (D) má velkou teplosměnnou plochu a tím zajišťuje předání velkého množství tepla. Teplota na výstupu z výměníku klesá až k 15 °C. Volitelně může být v čerpadlové skupině integrováno oběhové čerpadlo cirkulačního potrubí. Regulátor disponuje algoritmem pro úsporný provoz cirkulace na základě informace o odběru (průtoku) a teploty. Pro maximální omezení ztrát cirkulací je možné zvolit tzv. funkci cirkulace dle požadavku.

Stejně jako u předchozího způsobu přípravy teplé vody i zde odpadají problémy s bakterií Legionella a její případnou likvidací.

S ohledem na komfort regulátor disponuje několika funkcemi pro maximálně komfortní přípravu teplé vody, které však nebyly po dobu měření zapnuté. Byl kladen důraz na úsporný režim na úkor komfortu a ve výsledcích měření je toto patrné.

Cíl a postup měření

Cíl měření

Cílem měření bylo porovnat množství teplé vody, které lze získat z jednotlivých typů nádrží a to za různých průtoků, za různých teplot v nádržích a s dohřevem i bez dohřevu v průběhu měření výkonnosti.

Postup měření

Vždy před vlastním měřením byla akumulační nádrž ohřáta na dvě cílové teploty. První cílová teplota 55 °C měla za úkol simulovat provoz systému s tepelným čerpadlem, druhá cílová teplota 80 °C měla za úkol simulovat provoz například s kotlem na tuhá paliva (dřevo, peletky apod.).

Měření bylo provedeno vždy pro dva různé průtoky teplé vody. Prvním průtokem 15 l/min byl simulován provoz s úspornou baterií a druhým průtokem 25 l/min byl simulován provoz komfortní vanové baterie.

Vstupní teplota studené pitné vody byla 10 °C. Výstupní teplota teplé vody byla během všech měření udržována na hodnotě 45 °C. Směšovací armatura, která zajišťovala tuto výstupní hodnotu, byla před každým měřením přednastavena, aby bylo maximálně zabráněno kolísání výstupní teploty. Při měření s čerpadlovou skupinou byla výstupní teplota udržována regulací otáček čerpadla.

Posledním vstupujícím prvkem do měření byl dohřev zdrojem tepla. Měření bylo provedeno vždy bez dohřevu a s dohřevem. Výkon zdroje tepla pro dohřev zásobníku byl zvolen 10 kW především pro simulaci provozu tepelného čerpadla. Kotel na tuhá paliva o takto malém výkonu není zcela běžný, proto u měření při teplotě v akumulační nádrži 80 °C bylo upuštěno od měření s dohřevem. Z měření při teplotě v akumulační nádrži 55 °C však vyplývá určitý trend, ze kterého lze usuzovat na chování celého systému i při teplotě 80 °C v akumulační nádrži.

Výsledky měření

Na výsledcích měření jsou patrné některé detaily, které budou popsány u každého měření. Jedná se především o rychlost náběhu výstupní teploty teplé vody, chování teplot v akumulační nádrži a vliv dohřevu. Výsledky měření, tedy množství vyteklé teplé vody jsou vždy uvedeny pro dvě hodnoty, a to pro nastavenou výstupní teplotu 45 °C a pro teplotu 40 °C, která se ještě dá požadovat za využitelnou z hlediska teplé vody.

Akumulační nádrž DUO-E 1000/220

Na obrázku 6 je zjednodušené schéma zapojení měřené va­rianty DUO-E 1000/220. Pro další vyhodnocení výsledků jsou důležité především pozice jednotlivých teplotních čidel.

Teplota 55 °C, průtok 15 l/min, bez dohřevu 

Náběh výstupní teploty teplé vody (čidlo t02) je téměř okamžitý, takže zůstává zachován vysoký komfort. Teploty se v akumulační nádrži téměř nemění, nedochází tedy k výraznému předávání tepla mezi topnou vodou v akumulační nádrži a teplou vodou ve vnořeném zásobníku.

Vytočené množství teplé vody o teplotě 45 °C je 227 l a o teplotě 40 °C je 235 l. Z tohoto a z chování teplotního čidla t02 a t06 je patrné, že objem vody vytočený v této variantě je přibližně roven objemu vnitřního zásobníku a po jeho vyčerpání dochází k prudkému poklesu výstupní teploty.

Teplota 55 °C, průtok 15 l/min, s dohřevem 

Chování systému je obdobné jako u varianty bez dohřevu.

Vytočené množství teplé vody o teplotě 45 °C je 253 l a o teplotě 40 °C je 265 l. Vlivem dohřevu došlo k nepatrnému nárůstu vytočeného množství teplé vody.

Teplota 55 °C, průtok 25 l/min, bez dohřevu

Chování systému je obdobné jako u varianty pro průtok 15 l/min.

Vytočené množství teplé vody o teplotě 45 °C je 195 l a o teplotě 40 °C je 221 l. Vlivem vyššího průtoku došlo k nepatrnému poklesu vytočeného množství vody.

Teplota 55 °C, průtok 25 l/min, s dohřevem

Chování systému je totožné jako u varianty pro průtok 15 l/min.

Vytočené množství teplé vody o teplotě 45 °C je 213 l a o teplotě 40 °C je 229 l.

Teplota 80 °C, průtok 15 l/min, bez dohřevu 

Dle čidel umístěných v akumulační nádrži můžeme usuzovat, že při ohřevu akumulační nádrže na 80 °C dochází předávání tepla mezi topnou vodou v akumulační nádrži a teplou vodou ve vnořeném zásobníku. Při větším rozdílu teplot tedy nevadí menší teplosměnná plocha vnořeného zásobníku.

Vytočené množství teplé vody o teplotě 45 °C je 572 l a o teplotě 40 °C je 632 l.

Teplota 80 °C, průtok 15 l/min, s dohřevem 

Chování systému je totožné jako u varianty bez dohřevu.

Vytočené množství teplé vody o teplotě 45 °C je 475 l a o teplotě 40 °C je 512 l.

Akumulační nádrž HSK 1000 s vnořeným nerezovým výměníkem

Na následujícím obrázku 13 je zjednodušené schéma zapojení měřené varianty HSK 1000. Pro další vyhodnocení výsledků jsou důležité především pozice jednotlivých teplotních čidel.

Teplota 55 °C, průtok 15 l/min, bez dohřevu

Náběh výstupní teploty teplé vody (čidlo t02) je téměř okamžitý, takže zůstává zachován vysoký komfort. Teploty se v akumulační nádrži mění, dochází tedy k intenzivnímu předávání tepla mezi topnou vodou v akumulační nádrži a teplou vodou ve vnořeném výměníku.

Teplota na čidle t07, které je umístěné ve vrchní části nádrže, se nemění. Je to dáno konstrukcí nádrže, vnořený výměník nezasahuje až do vrchlíku nádrže. Vytočené množství teplé vody o teplotě 45 °C je 229 l a o teplotě 40 °C je 385 l. Pokud vytočené množství porovnáme s variantou DUO-E1000/220, vidíme, že množství 45 °C vody je téměř shodné, ale množství 40 °C vody je výrazně vyšší. HSK 1000 tedy více využívá akumulované teplo.

Teplota 55° C, průtok 15 l/min, s dohřevem 

U měření s dohřevem se ukazuje zajímavý efekt promíchávání celé nádrže. Teplotní čidla umístěná v akumulační nádrží mají po celou dobu měření shodnou teplotu. Důvodem je oběhové čerpadlo zdroje tepla, které zamíchá celou nádrž na téměř rovnoměrnou teplotu a nedochází k postupnému stratifikovanému vybíjení nádrže.

Vytočené množství teplé vody o teplotě 45 °C je 253 l a o teplotě 40 °C je 405 l. V porovnání s měřením bez dohřevu je vidět nepatrný nárůst vytočeného množství.

Teplota 55 °C, průtok 25 l/min, bez dohřevu 

Chování systému je obdobné jako u varianty pro průtok 15 l/min.

Vytočené množství teplé vody o teplotě 45 °C je 216 l a o teplotě 40 °C je 345 l.

Teplota 55 °C, průtok 25 l/min, s dohřevem 

Chování systému je totožné jako u varianty pro průtok 15 l/min.

Vytočené množství teplé vody o teplotě 45 °C je 150 l a o teplotě 40 °C je 282 l.

Teplota 80 °C, průtok 15 l/min, bez dohřevu 

Z údajů čidel umístěných v akumulační nádrži je patrné částečně stratifikované vybíjení.

Vytočené množství teplé vody o teplotě 45 °C je 919 l a o teplotě 40 °C je 1009 l. Vytočené množství je výrazně vyšší než u varianty DUO-E.

Teplota 80 °C, průtok 15 l/min, s dohřevem

Chování systému je totožné jako u varianty bez dohřevu.

Vytočené množství teplé vody o teplotě 45 °C je 842 l a o teplotě 40 °C je 937 l. Vytočené množství je výrazně vyšší než u varianty DUO-E.

Akumulační nádrž PS 1000 s čerpadlovou skupinou pro přípravu teplé vody

Na obrázku 20 je zjednodušené schéma zapojení měřené varianty PS 1000 v kombinaci s čerpadlovou skupinou. Pro další vyhodnocení výsledků jsou důležité především pozice jednotlivých teplotních čidel. U této varianty je nezbytný směšovací ventil na vstupu do čerpadlové skupiny, jehož úkolem je zamezit tvorbě vodního kamene ve výměníku.

Teplota 55 °C, průtok 15 l/min, bez dohřevu 

Náběh výstupní teploty teplé vody (čidlo t02) je pozvolný, cca 20 až 30 sekund. Pro rychlejší náběh existuje funkce zmíněná v úvodu, která udržuje výměník ohřátý v pohotovostním režimu. Na teplotních čidlech v akumulační nádrži je velmi dobře vidět kvalitní stratifikované vybíjení. Při použití solárního sy­stému tato varianta nejvíce pomáhá vaužít jeho tepelné zisky.

Vytočené množství teplé vody o teplotě 45 °C je 573 l a o teplotě 40 °C je 586 l. Vytočené množství je výrazně vyšší než u předchozích variant.

Teplota 55 °C, průtok 15 l/min, s dohřevem

Výše zmiňovaný efekt promíchávání celé nádrže je patrný i při tomto měření, i když není tak výrazný. Vytočené množství teplé vody o teplotě 45 °C je 267 l a o teplotě 40 °C je 502 l. Paradoxně došlo vlivem dohřevu ke snížení vytočeného množství oproti měření bez dohřevu. Ale i tak je toto množství největší z porovnávaných variant.

Teplota 55 °C, průtok 25 l/min, bez dohřevu 

Při tomto měření má čerpadlová skupina problémy dosáhnout nastavené výstupní teploty. Důvodem je příliš nízká teplota v nádrži při vysokém průtoku teplé vody. Vytočené množství teplé vody o teplotě 45 °C je pouze 45 l, ale o teplotě 40 °C je 369 l.

Teplota 55 °C, průtok 25 l/min, s dohřevem

Chování systému je totožné jako u předchozí varianty.

Vytočené množství teplé vody o teplotě 45 °C je pouze 50 l, zatímco o teplotě 40 °C je 239 l.

Teplota 80 °C, průtok 15 l/min, bez dohřevu 

Na začátku odběru dosáhne výstupní teplota na krátký okamžik vyšších hodnot. Je to způsobené reakcí čidel a regulace. Vytočené množství teplé vody o teplotě 45 °C je 1141 l a o teplotě 40 °C je 1181 l. Vytočené množství je nejvyšší z porovnávaných variant.

Teplota 80 °C, průtok 15 l/min, s dohřevem 

Chování systému je podobné jako u varianty bez dohřevu. Zajímavé je, že v tomto případně dohřev výrazně nenaruší stratifikaci a vyprazdňování nádrže.

Vytočené množství teplé vody o teplotě 45 °C je 1072 l a o teplotě 40 °C je 1109 l. Vytočené množství je nejvyšší z porovnávaných variant.

Závěr

Z uvedených výsledků, které jsou shrnuty v tabulce 1 lze konstatovat následující. Varianta DUO-E a varianta HSK mají téměř totožné výsledky odběru 45 °C vody průtokem 15 l/min, ale zcela odlišné pro výstupní teplotu 40 °C, kde varianta HSK má výrazně větší vydatnost teplé vody. Třetí va­rianta PS dosahuje absolutně nejlepší výsledků ve všech bodech měření, vyjma měření o vysokém průtoku 25 l/min při výstupní teplotě 45 °C a nižší teplotě v nádrži 55 °C, kde na­opak dosahuje absolutně nejhorších výsledků jak s dohřevem tak i bez. Porovnání je dobře patrné z obrázku 27 pro 45 °C a obrázku 28 pro 40 °C

Závěrem lze říci, že nelze jednoznačně vyhodnotit nejlepší integrovanou přípravu teplé vody. Vše záleží na okrajových podmínkách a požadavcích, jakými jsou především předpokládaná provozní teplota v akumulační nádrži, požadavek na ochranu proti bakteriím legionela, požadovaná výstupní teplota, její průtok a vlastnosti zdroje tepla z hlediska výstupní teploty. Z uvedených grafů vyplývá, že důležité je správně umístit a zapojit zdroje tepla do akumulační nádrže, stejně tak i otopnou soustavu a přípravu teplé vody, případně správně spínat a vypínat zdroje tepla.