Modernizacja instalacji ciepłej wody użytkowej w domach jednorodzinnych

Zapotrzebowanie na energię do przygotowania c.w.u. w istniejących budynkach jednorodzinnych wynosi nawet 70–80 kWh/(m² ∙ rok) [1, 2]. Tyle samo energii może na ogrzewanie zużywać budynek po głębokiej termomodernizacji. Powodem jest często zły stan techniczny instalacji c.w.u. lub przyzwyczajenia mieszkańców zużywających duże ilości wody. Przystępując do wyboru sposobu modernizacji instalacji c.w.u., pod uwagę bierzemy cztery kryteria:

• komfort użytkowania,

• bezpieczeństwo sanitarne,

• koszty eksploatacji,

• koszt inwestycji.

Pod pojęciem komfortu użytkowania kryją się podstawowe wymagania dla systemu: aby woda miała stabilną i odpowiednią temperaturę, żeby wydatek i ciśnienie były na wymaganym poziomie i by woda była zawsze dostępna. Zgodnie z obowiązującymi w Polsce przepisami temperatura wody ciepłej w punktach czerpalnych powinna wynosić przez cały czas 55–60°C.

Komfort użytkowania c.w.u. zależy również od istniejącego źródła ciepła. Nie każde źródło spełnia oczekiwane przez nas wymagania dotyczące c.w.u. Przykładem może być nieprzyjemne odczucie zmiany temperatury wody ciepłej podczas wykonywania czynności higienicznych, np. kąpieli pod prysznicem. Wahania temperatury mogą wystąpić w przypadku zastosowania starego kotła dwufunkcyjnego lub podgrzewacza gazowego, którego wcześniejszego wyboru dokonano tylko z punktu widzenia systemu ogrzewania. W wielu budynkach na terenach wiejskich woda ciepła jest podgrzewana nadal za pomocą pieców węglowych, przez co jej dostępność jest ograniczona, zwłaszcza latem. Innym rozwiązaniem jest stosowanie elektrycznych podgrzewaczy pojemnościowych. Ich pojemność oraz moc często nie zapewnia jednak dostatecznej ilości ciepłej wody, potrzebnej np. w porze kąpieli.

Instalacja ciepłej wody użytkowej składa się z kilku elementów, których właściwy dobór jest istotą budowy funkcjonalnego i efektywnego systemu podgrzewania c.w.u. Do podstawowych elementów składowych instalacji możemy zaliczyć: źródło ciepła, zasobnik lub podgrzewacz c.w.u., przewody dystrybucyjne i obiegi cyrkulacyjne oraz punkty czerpalne. Wszystkie te elementy mają wpływ na efektywność energetyczną instalacji c.w.u. Ze względu na sposób rozwiązania instalacje c.w.u. możemy podzielić na:

• centralne, odpowiadające za doprowadzenie ciepłej wody do dużej liczby punktów czerpanych w całym budynku (rys. 1),

• miejscowe, obsługujące jeden lub kilka punktów czerpalnych położonych blisko siebie, np. w łazience,

• zasobnikowe, gdzie ciepła woda jest podgrzewana i magazynowana,

• przepływowe, gdzie ciepła woda jest podgrzewana w momencie jej wykorzystywania.

Źródło ciepła to podstawowy element, na którym bazuje instalacja c.w.u. Wybór źródła ciepła ma decydujący wpływ na koszty podgrzewania ciepłej wody, emisję zanieczyszczeń oraz komfort użytkowania instalacji. W przypadku modernizowanych budynków jednorodzinnych najczęściej stosowanym źródłem ciepła jest kocioł gazowy kondensacyjny. Modernizowane instalacje w budynkach jednorodzinnych są bardzo często uzupełniane o kolektory słoneczne instalowane na dachu. Mogą one pokryć zapotrzebowanie na energię potrzebną do podgrzewania c.w.u. nawet w 50%. Bardzo ważnym aspektem doboru źródła ciepła jest prawidłowe określenie wymaganej mocy grzewczej potrzebnej na cele c.w.u. Przewymiarowanie źródła zmniejsza jego sprawność.

Przewody dystrybuujące c.w.u. odpowiadają za doprowadzenie jej od podgrzewaczy lub zasobników ciepłej wody do punktów czerpalnych. Obieg cyrkulacyjny odpowiada natomiast za utrzymanie stałej temperatury w punktach czerpalnych. Instalacja dystrybucyjna i obieg cyrkulacyjny są głównym źródłem strat ciepła w instalacji c.w.u. W przypadku dużych, słabo zaizolowanych instalacji, straty te mogą stanowić nawet połowę całkowitego zapotrzebowania na ciepło potrzebne do podgrzewania c.w.u. W budynkach modernizowanych szczególnie istotne jest wykonanie właściwej izolacji termicznej przewodów poziomych i pionowych w instalacji dystrybucyjnej i obiegu cyrkulacyjnym.

Potrzeba stosowania zasobników podyktowana jest tym, że podczas kąpieli w wannie czy innej czynności wymagającej nagle dużej ilości ciepłej wody instalacja nie jest w stanie podgrzewać jej wystarczająco szybko. Zasobniki o pojemności 110–120 l sprawdzają się zwykle w instalacjach z kotłem (dom zamieszkany przez 4–5 osób), gdyż większą ilość wody możemy łatwo uzyskać, podgrzewając ją do temperatury wyższej niż oczekiwana (np. 60°C). Wykorzystanie większego zasobnika może być konieczne w przypadku zastosowania odnawialnych źródeł energii lub źródeł, w odniesieniu do których dążymy do skrócenia czasu pracy z częściowym obciążeniem.

Podgrzanie ciepłej wody do temperatury 60°C może być trudne w przypadku pomp ciepła. Kolejny aspekt instalacji z pompami ciepła to spadek efektywności energetycznej wraz z podwyższaniem temperatury wody, co prowadzi do zwiększenia zużycia energii elektrycznej. Rozwiązaniem pozwalającym na zwiększenie ilości ciepłej wody z mniejszego zasobnika jest wykorzystanie zasobników warstwowych. W takim rozwiązaniu c.w.u. jest podgrzewana na bieżąco dużo szybciej, co pozwala na zmniejszenie wielkości zasobnika do ok. 80 l bez utraty wydajności. Przy doborze wielkości zasobnika należy pamiętać o uwzględnieniu nawyków domowników i standardzie wyposażenia budynku lub mieszkania, odpowiednio zwiększając średnie zużycie c.w.u.

Ciepła woda użytkowa może być podgrzewana na dwa sposoby – przepływowo i pojemnościowo. W pierwszym przypadku używa się kotłów jedno- lub dwufunkcyjnych. Kocioł dwufunkcyjny wyposażony jest w przepływowy wymiennik dwufunkcyjny, którego mała wydajność nie gwarantuje niestety uzyskania odpowiedniego wydatku ciepłej wody, poza tym podgrzewa on wodę po odkręceniu baterii, a gdy woda nie jest pobierana – stygnie. Rozwiązanie takie jest zalecane do krótkich instalacji w małych domach (obsługujących umywalkę, zlewozmywak, wannę lub prysznic). Podgrzewacze przepływowe mają tendencję do osadzania się w nich kamienia utrudniającego wymianę ciepła, podczas gdy wymagana jest stosunkowo duża moc grzewcza urządzenia. Największymi zaletami podgrzewaczy przepływowych są: brak strat ciepła spowodowanych magazynowaniem wody ciepłej w zasobniku, małe straty na dystrybucji i brak strat na cyrkulacji. Pozwala to na zmniejszenie zapotrzebowania na energię końcową do podgrzewania c.w.u. o nawet 60% w porównaniu do instalacji centralnej z zasobnikiem.

Podgrzewanie pojemnościowe polega natomiast na gromadzeniu wody w odpowiednio dużym zbiorniku i jest z reguły stosowane w instalacjach centralnych. Wadą tego rozwiązania są generowane straty ciepła. Zalety instalacji centralnej to możliwość obsłużenia znacznie rozleglejszych instalacji i dużo większy komfort użytkowania c.w.u.

Wady istniejących instalacji c.w.u.

Instalacje c.w.u. w istniejących budynkach jednorodzinnych mogą mieć wiele wad, które przyczyniają się do zwiększenia zapotrzebowania na energię, wystąpienia ryzyka sanitarnego, obniżenia komfortu użytkowania i zwiększenia kosztów podgrzewania wody. Do najczęściej występujących wad można zaliczyć:

• nadmierne zużycie wody (ciepłej i zimnej) z uwagi na korzystanie z baterii czerpalnych starego typu, np. dwuuchwytowych lub/i bez perlatorów,

• brak zaizolowania przewodów instalacji rozprowadzającej i cyrkulacyjnej prowadzący do zwiększenia strat ciepła na dystrybucji i obniżenia temperatury wody w punktach czerpalnych,

• stałe krążenie wody w obiegu cyrkulacyjnym (jeżeli występuje) prowadzące do zwiększenia strat ciepła,

• niewystarczające zaizolowanie zasobników i podgrzewaczy ciepłej wody prowadzące do zwiększonych strat ciepła w zasobnikach i obniżenia temperatury wody,

• wykorzystanie niskosprawnych kotłów lub pieców na paliwo stałe jako źródeł ciepła,

• stosowanie starych modeli energochłonnych pomp ładujących i cyrkulacyjnych,

• stosowanie w instalacji materiałów nieodpornych na korozję,

• zwiększone ryzyko zagrożenia rozwojem w instalacji groźnych dla ludzi bakterii, takich jak Legionella, z powodu obniżenia temperatury wody w obiegach i podgrzewaczu.

Dużym problemem w istniejących instalacjach c.w.u. jest korozja oraz odkładanie się kamienia (rys. 3). Do niedawna większość systemów była wykonywana z rur stalowych ocynkowanych. Zadaniem warstwy cynku jest ochrona stali przed korozją. Jak pokazują badania, warstwa ta sama ulega korozji, a jej tempo jest najwyższe w okolicach temperatury 65°C. Szybkość korozji powłoki cynkowej w temperaturze 55 i 60°C w stosunku do temperatury 50°C rośnie odpowiednio 3- i 8-krotnie. Wynika z tego, że pozostawienie rur stalowych ocynkowanych w istniejącej instalacji i podwyższenie temperatury wody ciepłej znacząco skraca żywotność rur. Również szybkość korozji stali wzrośnie o odpowiednio 15 i 30%. Jej tempo zależy dodatkowo od nasycenia wody tlenem. Efekty korozji oraz kamień wytrącający się podczas podgrzewania wody mogą się odkładać w instalacji, powodując zarastanie przewodów lub powstawanie szlamu w podgrzewaczach. Miejsca te stają się ulubionym środowiskiem bytowania bakterii Legionella.

Wymagania stawiane instalacji c.w.u.

Proces termomodernizacji budynku jednorodzinnego powinien prowadzić również do ograniczenia zapotrzebowania na ciepło do podgrzewania c.w.u. Istotne jest w tym przypadku podjęcie odpowiednich działań: zarówno na etapie określania zakresu modernizacji instalacji, jak i jej właściwego wykonania, zgodnie z projektem. Temperatura wody ciepłej została dokładnie sprecyzowana w rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych [4], gdzie w § 120 podano wymaganie, aby temperatura wody ciepłej wypływającej w punkcie czerpalnym instalacji wody ciepłej była nie niższa niż 55°C i nie wyższa niż 60°C. Dodatkowo instalacja wody ciepłej powinna być dostosowana do okresowego podwyższania temperatury wody ciepłej do wartości powyżej 70°C (ale nie więcej niż 80°C) w celu umożliwienia przeprowadzenia termicznej dezynfekcji instalacji. Zwiększenie efektywności energetycznej instalacji przy jednoczesnym spełnieniu tych wymagań można uzyskać poprzez ograniczenie strat ciepła na dystrybucji i cyrkulacji ciepłej wody, zmniejszenie zużycia ciepłej wody i wykorzystanie do jej podgrzewania odnawialnych źródeł energii, o ile jest to opłacalne ekonomicznie.

Na etapie modernizacji instalacji c.w.u. należy przede wszystkim dokładnie określić moc potrzebną do podgrzewania c.w.u. Uzyskiwane na bazie metody obliczeniowej zawartej w normie PN-92/B-01706 [5] wyniki zapotrzebowania na moc cieplną są zawyżone z uwagi na przyjmowanie przesadzonych wartości wskaźników nierównomierności poborów oraz niemal dwukrotnie zawyżonego zapotrzebowania na wodę ciepłą (przyjmuje się w normie aż 110–130 l/Md). Kolejnym krokiem jest precyzyjny dobór wielkości podgrzewacza lub zasobnika c.w.u. Trzeba przy tym zwrócić uwagę, by uniknąć powstawania postojowych strat ciepła, gdy urządzenie to jest przewymiarowane. Z drugiej strony zaś powinno być ono na tyle duże, żeby zapewnić gotowość do podgrzania wody do wymaganej temperatury. Należy również zwrócić uwagę na bardzo dobrą izolację podgrzewacza lub zasobnika c.w.u. oraz zastosowanie pomp ładujących o wydajności zapewniającej wykorzystanie akumulacyjności cieplnej zasobników c.w.u. w pracy instalacji.

Minimalizację strat ciepła w instalacji c.w.u. poza źródłem ciepła należy osiągać poprzez właściwą izolację termiczną instalacji. Minimalna grubość izolacji cieplnej rurociągów i armatury (dla materiału o λ = 0,035 W/mK) wynosi dla przestrzeni ogrzewanych 15 mm, a dla nieogrzewanych 30 mm.

Zastosowane pompy cyrkulacyjne powinny charakteryzować się wysoką sprawnością i niskim zużyciem energii elektrycznej (klasa A i wyższa) oraz mieć możliwość dostosowania się do dużej zmienności przepływów cyrkulacyjnych poprzez samoczynną regulację parametrów pracy. Powinny mieć także możliwość sterowania za pomocą układów termostatycznych, by skrócić czas krążenia wody w obiegu cyrkulacyjnym.

Aby instalacja po modernizacji spełniała wymagania, należy:

• dokładnie określić moc potrzebną do podgrzania wody,

• precyzyjnie dobrać wielkość podgrzewacza,

• stosować armaturę wodooszczędną,

• wymienić przewody i armaturę, która jest skorodowana i w złym stanie technicznym,

• właściwie zaizolować termiczne przewody i armaturę,

• wyposażyć duże instalacje w termostatyczne regulatory przepływu,

• zastosować regulatory temperatury z programowaniem dobowym i tygodniowym,

• stosować pompy cyrkulacyjne i ładujące o wysokiej sprawności – klasy A lub wyższej,

• zrezygnować z kotłów węglowych jako źródła ciepła,

• stosować filtry i zawory zwrotne chroniące przed wtórnym zanieczyszczeniem instalacji.

Modernizacja instalacji c.w.u.

Modernizacja instalacji podgrzewania ciepłej wody będzie miała różny zakres w zależności od analizowanego budynku. W niektórych przypadkach może polegać na wprowadzeniu tylko niewielkich modyfikacji, a w innych oznaczać konieczność wykonania zupełnie nowej instalacji od podstaw. Zakres koniecznych prac najlepiej ustalić na podstawie audytu energetycznego, który wskaże, jakie rozwiązanie jest najbardziej opłacalne z punktu widzenia ekonomii. Modernizacja instalacji c.w.u. w budynku jednorodzinnych może obejmować zmiany w:

• punktach poboru ciepłej wody,

• instalacji rozprowadzającej i cyrkulacyjnej,

• sekcji przygotowania c.w.u.

Zmiany w punktach poboru c.w.u. zmierzające do ograniczenia jej zużycia zostały omówione w dalszej części artykułu. Modernizacja instalacji rozprowadzającej i cyrkulacyjnej powinna pozwalać na:

• zapewnienie w punktach czerpalnych wymaganej temperatury 55–60°C,

• przeprowadzenie okresowej dezynfekcji termicznej,

• skrócenie czasu krążenia c.w.u. (w przypadku gdy istnieje obieg cyrkulacyjny).

Głównym działaniem jest zaizolowanie instalacji, zastosowanie nowej pompy cyrkulacyjnej i, jeżeli to konieczne, wykonanie nowej instalacji z materiału odpornego na korozję. Stosowane pompy cyrkulacyjne mogą być sterowane czasowo lub temperaturowo z samoczynną regulacją parametrów pracy. W większych instalacjach c.w.u. należy zastosować wyregulowanie hydrauliczne, aby zapewnić obieg wody nawet przez najdalej położone piony. Za zrównoważenie obiegów mogą odpowiadać termostatyczne, podpionowe regulatory przepływu. Modernizacja sekcji przygotowania c.w.u. obejmuje:

• zastosowanie regulatorów pośrednich o jak najmniejszych stałych czasowych, umożliwiających dezynfekcję termiczną,

• zaizolowanie przewodów i armatury (oraz ich wymianę, jeżeli to konieczne),

• zastosowanie pompy ładującej zasobnik o odpowiedniej wydajności,

• wymianę i uzupełnienie istniejącej armatury zabezpieczającej instalację przed nadmiernym wzrostem temperatury i ciśnienia.

Przykładowa modernizacja sekcji przygotowania c.w.u. w budynku jednorodzinnym obejmowała:

• demontaż starego podgrzewacza c.w.u.,

• usunięcie wszystkich stalowych rur instalacji wodnej z pomieszczenia kotłowni,

• montaż nowego podgrzewacza c.w.u.,

• wykonanie nowej instalacji wodnej w systemie rur z tworzyw sztucznych, np. wielowarstwowych,

• ocieplenie wszystkich rur i armatury,

• montaż filtra wody z wkładem sznurkowym,

• uruchomienie instalacji.

Konieczność wymiany starych rur stalowych wynikała z ich znacznej korozji. Prowadziło to do zanieczyszczenia wody użytkowej oraz znacznego spadku ciśnienia w instalacji. Wymiana podgrzewacza była spowodowana jego złym stanem oraz niewystarczającą izolacją cieplną. Koszt wykonania modernizacji wyniósł ok. 2500 zł.

Sposoby ograniczenia zużycia c.w.u. i energii potrzebnej na jej podgrzanie

Zużycie c.w.u. na mieszkańca pozwala na oszacowanie jej zapotrzebowania dla całego budynku – znając zwyczaje użytkowników, możemy je określić dokładniej, jednak zwykle przyjmuje się pomiędzy 30 a 100 l c.w.u. o temperaturze ok. 45°C na mieszkańca w ciągu doby. Zakładając na każdego mieszkańca średnio 50 l, czteroosobowa rodzina zużywa dziennie 200 l c.w.u. Warto wynik ten skonfrontować ze zużyciem wody dla poszczególnych celów sanitarnych:

• 120–150 l na kąpiel w wannie,

• ok. 50 l na prysznic,

• 3–5 l na pojedyncze mycie rąk.

Jak łatwo zauważyć, jedna kąpiel w wannie może pochłonąć zasób wody przewidywany dla trzech osób. Preferencje użytkowników oraz standard wyposażenia budynku będą miały decydujący wpływ na zużycie c.w.u. i energii potrzebnej do jej podgrzania. Informacje te powinny zostać uwzględnione przy doborze źródła ciepła i wielkości podgrzewacza c.w.u.

Decydując się na termomodernizację domu, nie możemy zapominać o instalacji c.w.u. Istnieje wiele sposobów pozwalających ograniczyć zużycie c.w.u. i ilość energii potrzebnej do jej podgrzania. Armatura oszczędzająca wodę to jeden ze sposobów: wodooszczędne natryski, baterie z „ekoprzyciskiem”, ograniczniki przepływu, słuchawki prysznicowe, urządzenia zamykające przepływ wody w niezakręconych kranach czy nakładki na krany lub prysznic, tzw. perlatory (aeratory) napowietrzające wodę i przyczyniające się do zmniejszenia jej zużycia bez obniżania komfortu użytkowania (tabela 1).

Rezygnacja z cyrkulacji w budynkach jednorodzinnych powoduje wprawdzie obniżenie komfortu, ale może spowodować duże oszczędności. Pojawią się one bowiem nie tylko w kontekście energii zużywanej na pracę pompy cyrkulacyjnej, ale i energii potrzebnej do ciągłego podgrzewania krążącej w obiegu wody. Takie miesięczne oszczędności mogą sięgać od 60 do nawet 150 zł. Dla uniknięcia długiego oczekiwania na ciepłą wodę z przyborów znacznie oddalonych od zasobnika c.w.u. stosuje się też rozwiązania polegające na wyłącznie ręcznym włączaniu pompy cyrkulacyjnej za pomocą kontaktu znajdującego się przed wejściem do łazienki i obok zlewu w kuchni przed skorzystaniem z urządzeń.

Podłączenie urządzenia do ciepłej wody jest coraz częściej dodatkową cechą analizowaną podczas wyboru zmywarki czy pralki. Różnica na podłączeniu do wody zimnej i ciepłej polega na tym, że podgrzewanie wody zimnej realizuje grzałka w urządzeniu, zużywając energię elektryczną, a gdy wybierzemy podłączenie wody ciepłej – przez źródło c.w.u. Jeśli korzystamy z kolektorów słonecznych, opcja z podłączeniem ciepłej wody staje się znacznie bardziej efektywna, jednak przed taką decyzją zawsze warto się zastanowić, co wybrać – droższe ogrzewanie prądem czy np. gazem, w zależności od zastosowanego źródła ciepła. Co do różnic w użytkowaniu, podłączenie zmywarki do ciepłej wody skraca czas zmywania, gdyż woda nie musi się w takim stopniu nagrzewać, jednak może to nieznacznie pogarszać jego jakość poprzez skrócenie cyklu pracy, a podczas prania płukanie w ciepłej wodzie może niekorzystnie wpływać na niektóre tkaniny. Poza tym poszczególne etapy cyklu prania czy zmywania przebiegają z użyciem wyłącznie wody zimnej, dlatego należy przeanalizować, które wyjście będzie dla nas bardziej odpowiednie.

Legionella

Chociaż do codziennego użytkowania w domu wystarcza woda o temperaturze 40–50°C, przepisy podają 55°C jako jej temperaturę minimalną. Powodem jest zagrożenie rozwojem groźnych dla ludzi bakterii, takich jak Legionella. Z kolei podgrzewanie c.w.u. do temperatury ok. 55°C powoduje wytrącanie się związków żelaza, wapnia i innych nierozpuszczalnych substancji. Osadzają się one na instalacjach i urządzeniach, powodując narosty i osady, a także szlam i zmianę koloru wody. Osady i zanieczyszczenia to idealne środowisko dla bakterii – szczególnie groźna jest Legionella. Do zakażenia człowieka dochodzi poprzez wdychanie. Bakteria ta powoduje nietypowe zapalenie płuc, tzw. chorobę legionistów. Rozmnaża się w środowisku wodnym i najlepiej rozwija w temperaturze 20–50°C, szczególnie w miejscach zastoju wody, końcówkach rur, zasobnikach, podgrzewaczach. Gdy w instalacji pojawi się osad, szlam czy rdza, walka z Legionellą staje się bardzo ciężka. Dlatego warto jej zapobiegać poprzez profilaktyczną dezynfekcję oraz tworzenie warunków niesprzyjających namnażaniu. Zaleca się przynajmniej raz w miesiącu podgrzewanie wody do minimum 70°C. Należy pamiętać jednak o zabezpieczeniu przed przekroczeniem dopuszczalnego dla danej instalacji ciśnienia i temperatury.

Literatura

1. Firląg Szymon, How to Meet the Minimum Energy Performance Requirements of Technical Conditions in Year 2021?, „Procedia Engineering”, Vol. 111, 2015, p. 202–208.

2. Król Paweł, Firląg Szymon, Węglarz Arkadiusz, Zintegrowana ocena wpływu budynku jednorodzinnego na środowisko, „Rynek Instalacyjny” 9/2013, s. 20–25, rynekinstalacyjny.pl.

3. Firląg Szymon, Poradnik inwestora. Buduję z głową, buduję energooszczędnie, Fundacja Ziemia i Ludzie, 2014.

4. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2002, nr 75, poz. 690, z późn.zm.).

5. PN-92/B-01706 Instalacje wodociągowe. Wymagania w projektowaniu.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!