Elektrické ohřívače pro teplou užitkovou vodu

Elektrické ohřívače pro teplou užitkovou vodu

JUDr. Zbyněk Urban, Praha

Elektrické ohřívače vody jsou jedněmi z elektrických spotřebičů, které se běžně používají již mnoho let. Důvodů pro jejich použití je celá řada. S postupem technického rozvoje byla jejich konstrukce mnohokrát zlepšena, přičemž tyto úpravy vždy směřují k jejich co největší účinnosti. Ohřívače jsou nejvíce rozšířeny v podobě bojlerů, tedy elektrických akumulačních ohřívačů vody. Smysl jejich použití je možné najít v počátcích elektrifikace, kdy byl v průběhu dne rozdílný odběr energie a bylo celkem výhodné používat „levný“ noční proud. V nočních hodinách, obvykle v rozmezí dvacáté druhé až šesté hodiny, bylo možné za výhodnějších podmínek odebírat elektrickou energii pro vytápění a ohřev vody. V praxi to znamenalo elektrická akumulační kamna a elektrické akumulační ohřívače vody. Podmínky jejich provozu z počátku upravovaly zejména energetické závody. Ke škodě věci však nebyla vzata v úvahu skutečnost, že z určitých provozních předpokladů vycházela i konstrukce těchto spotřebičů. Protože v poslední době byla v souvislosti s poruchami ohřívačů spojována jedna z mimořádných událostí, chtěl bych v tomto článku upozornit na některá z možných provozních rizik.

Konkrétně oněch osm hodin noční dodávky proudu nepředstavovalo jen levnější energii, ale také velikost příkonu, kterým byla naplněna akumulační kapacita kamen nebo obsahu vody ohřívače. Z technického hlediska se spotřebič po překročení nabíjecí doby měnil do podoby přímotopného vytápění a ohřevu. Obdobná situace nastávala i při osmihodinovém nabíjecím cyklu, jestliže nebylo odebíráno teplo z kamen nebo voda z ohřívače. Proto byly akumulační spotřebiče vybaveny termostatem a některé ještě tepelnou pojistkou. Akumulační ohřívač vody navíc představoval tlakovou nádobu s provozním tlakem daným poměry ve vodovodní síti. Z toho důvodu byly do vodovodního okruhu bojlerů montovány pojistné a zpětné ventily. Ventily měly dvojí funkci. Jednak měly zabránit přetlaku a poškození nebo zničení ohřívače a dále vypuštění vodní náplně.

Topné těleso ohřívače, je-li ve funkci, musí být vždy ponořeno, aby nehřálo do vzduchu. Tepelné zatížení topného článku na jednotku povrchu ve vzduchu je vždy podstatně menší než u ponorných těles. Zcela patrné je to např. u elektrických ponorných vařičů, které zapnuty na vzduchu představují velké nebezpečí způsobení  požáru nebo i úrazu.

K vlastnímu provozu ohřívačů vody a možným rizikům je třeba připomenout platné fyzikální zákony. Tak jako v elektrotechnice představují vzájemnou vazbu napětí, proud a odpor, tak jsou ve fyzice provázány objem, tlak a teplota. Rostoucí tlak obsahu vody bude příčinou destrukce nádoby při relativně malém ohrožení okolí. Změna vody na páru a s tím spojený nárůst tlaku způsobí destrukci velmi negativně působící na okolí. Účelem tohoto příspěvku však není rozvádět destruktivní účinky uvolněné tlakové vlny plynného média. Proto zpět k ohřívačům vody a k problémům prokazatelně způsobeným v souvislosti s jejich provozem a nedostatky v zajištění potřebné míry bezpečnosti tohoto provozu.

Havárie elektrických ohřívačů
Blíže se budeme věnovat dvěma událostem. Ta první je z osmdesátých let minulého století z provozu jednoho pražského podniku. V letních měsících byla z důvodu údržby a kontroly plánována výluka v kotelně. Dílenský provoz však pokračoval normálně a pro sociální zařízení bylo třeba zajistit dodávku teplé vody. Vedení podniku rozhodlo na přechodné období upravit stávající teplovodní kotel: místo ohřívání vody způsobem „pára-voda“ přejít na systém „elektřina-voda“. Ohřívač objemu 2,5 m3 výrobce v. d. Inštala byl opatřen ponorným topným tělesem EPH typu 4407/006 3×380 V 30 kW s dvanácti vývody topných článků. Na ohřívač s údaji: teplovodný kotel stojatý, nejvyšší pracovní přetlak 0,6 MPa, zkušební přetlak 0,9 MPa, pracovní teplota 200 °C, rok výroby 1977 bylo nainstalováno již zmíněné topné těleso. K regulaci byl použit tyčový termostat využívaný pro akumulační ohřívače vody. Rozsah regulace činil 34 až 78 °C, jmenovitý proud byl 15 A, 250 V. Až potud se zdálo vše v pořádku a bez zjevných závad.

Kotel byl po rekonstrukci napájen ze staveništního rozváděče šňůrovým přívodem s vidlicí 63 A. Spínání topného článku zajišťoval stykač, kde byl v ovládacím obvodu zapojen termostat kotle. Pro informativní měření teploty vody v kotli sloužil teploměr s kruhovou stupnicí, upevněný na vnějším plášti kotle. Po dokončení práce byla zkontrolována ochrana před úrazem podle tehdy platné ČSN 34 1010, a to s vyhovujícím výsledkem.

Kotelna končila svůj provoz v pátek, a proto bylo v pátek odpoledne zapnuto elektrické vytápění v kotli – ohřívači vody. Naneštěstí však nastala porucha na termostatu v obvodu vytápění. Odběr vody z kotle nebyl téměř žádný. Jiný jisticí prvek nebyl na zařízení instalován. Dodatečně bylo zjištěno, že výkon použitého elektrického topného tělesa nikdo nevypočítal ani blíže neposuzoval jeho přiměřenost a vhodnost. Jediným kritériem instalace kotle zřejmě bylo dostatečné a rychlé zajištění potřebného množství teplé vody. Porucha termostatu a přehřívání kotle následující den před polednem vyústily v explozi kotle.

Následky byly tragické. Dva usmrcení pracovníci, částečně demolovaná dílenská hala i s částí strojního zařízení, poškozená jeřábová dráha a částečně poškozený portálový jeřáb. Přitom je možné mluvit o štěstí, že k explozi došlo v sobotu, která nebyla pracovním dnem, a v blízkosti ohřívače byli jen dva pracovníci, kteří právě výbuch nepřežili. Přímá škoda byla vyčíslena částkou vyšší než dva miliony korun v úrovni tehdejších cen.

Druhý případ dokládám pro upřesnění, že havárie ohřívačů vody nejsou věcí neznámou. Šlo o výbuch akumulačního ohřívače v šatně podniku v Praze 10. Příčinou byl nefunkční pojistný ventil, zanesený usazenými minerály, a hrubý zásah do termostatu násilně nastaveného za maximální polohu. K tomu ještě byly spínací hodiny mimo provoz, a to v poloze zapnuto, tedy s trvale zapnutým topným článkem. Výbuch nastal v nočních hodinách, kdy v šatně nikdo nebyl, a naštěstí vznikla jen materiální škoda.

Do třetice je možné uvést výbuch ohřívače v Příbrami v devadesátých letech. Jednalo se o průmyslový ohřívač vody na mycí lince automobilů. Ohřívač TESTROJ, typ T 04, o obsahu 800 litrů a s dalšími štítkovými údaji: přetlak 0,6 MPa, teplota 70 °C, 10 kW, 3×380 V, proud 15 A, 1976, byl po předchozí odstávce uveden do provozu. Následující den navečer došlo k jeho explozi. Byl zničen objekt myčky se dvěma ohřívači a kanceláří obsluhy (obr. 1). Části zděné budovy a betonových překladů byly rozmetány do vzdálenosti několika desítek metrů do okolí (obr. 2 a obr. 3). Shodou okolností výbuch nastal také v sobotu, kdy v kritickém místě nikdo nebyl; vznikla jen hmotná škoda ve výši asi 120 000 korun.

Šetření prokázalo, že topný obvod ohřívače nebyl připojen přes časové spínání, termostat 250 V, 16/4 A byl výbuchem zničen, ale ze všech souvislostí a srovnání s druhým shodným ohřívačem vyplývalo, že došlo k jeho selhání. Pojistný ventil Js 32 měl značně zmenšený průřezu spojovacího šroubení, kde se nacházela silná vrstva usazenin minerálů. Ani po otřesu výbuchem se usazeniny neuvolnily a pojistný ventil byl takřka nefunkční. Víko ohřívače s topnými články se oddělilo od nádoby v místě koutového svaru a bylo vymrštěno mimo objekt myčky. U této havárie je možné konstatovat kompletní selhání všech regulačních a pojistných prvků, které vyústilo ve výbuch, v tomto případě lze říci se šťastným koncem.

Řeč norem
Nyní několik předpisových ustanovení, která upravovala provoz elektrických akumulačních ohřívačů vody. Citované normy jsou uvedeny podle jejich platnosti v době události. Technické požadavky obsahovala ČSN 36 1221 Pevné neprůtokové ohřívače vody. (V současné době jsou požadavky v ČSN EN 60335 část 2-21 (36 1040) Akumulační ohřívače vody. Norma na neprůtokové ohřívače vyžadovala k udržování teploty jedno nebo dvě zařízení. Byl tím myšlen termostat, dvojice termostatů nebo termostat v kombinaci s tepelnou pojistkou, popř. s tepelným omezovačem. Z hlediska vybavení je ohřívač jednoduchým zařízením, které se skládá z topného obvodu a regulace.

Uzavřené ohřívače vody jsou posuzovány jako tlakové nádoby, je stanoven jejich jmenovitý tlak na 0,6 MPa. V ČSN 36 1221 byl požadavek kontroly tlaku dvojnásobkem jmenovité hodnoty po dobu 5 min a nárůstem tlaku 0,13 MPa za sekundu – čl. 22.101. Dále norma požaduje, aby pojistné ventily, které jsou součástí konstrukce ohřívače, příslušenství, popř. dodané pro jejich připojení u uzavřených ohřívačů, zabránily překročení tlaku v kotli proti jmenovité hodnotě o více než 0,1 MPa – čl. 22.103. Elektrické jištění tepelného režimu musí být u uzavřených ohřívačů vody tepelnou pojistkou vypínající všechny póly. Činnost tepelné pojistky nesmí být ovlivňována regulátorem teploty, který pracuje při normálním provozu. Konstrukční umístění pojistky musí být takové, aby bylo možné její opětovné zapnutí až po odebrání krytu, víka, které lze sejmout jen za použití nástroje – čl. 22.104.

Porovnáním poznatků z praxe zjistíme, že u elektrických ohřívačů vody bývá zajištěna jen ochrana před úrazem elektrickým proudem. Ostatní rizika a nebezpečí nejsou obvykle doceněna. Přitom ochrana před úrazem bývá na minimální úrovni zajištěna již vzhledem ke skutečnosti, že se jedná o pevně připojený spotřebič. Regulaci teploty a stavu tepelných pojistek je věnována značně menší péče. Nejslabším článkem systému je otázka jištění proti přetlaku a provozu bez vody. Je možné konstatovat, že kontrola funkce pojistného ventilu je vykonávána jen zcela výjimečně. Při revizi elektrického zařízení není kontrola prováděna – nejedná se o elektrickou část. Vodovodní rozvody jsou kontrolovány až v posledních letech v souvislosti s výměnou kovových potrubí za plastová. Ani zde však nejsou kontroly tlakových a současně vlastně pojistných ventilů běžně vykonávány.

Celkový stav ventilu značně ovlivňuje složení vody. Minerály usazené uvnitř ventilu jej dokáží v podstatě vyřadit z činnosti. Mohu to potvrdit ze  zkoušek v praxi. Na zařízení s přetlakem do 2,5 MPa v mnoha případech ventil nereagoval nebo bylo propouštěno jen velmi nepatrné množství vody, které by nezabránilo havárii ohřívače. Tlak 2,5 MPa lze pro svařované nádoby ohřívačů označit za destruktivní. Jistou ironií je, že „kapající“ přepady pojistných ventilů, které často rozčilují ženskou část rodiny, jsou vlastně do značné míry důkazem funkčnosti zařízení. Když takzvaně neukápne ani kapka vody, může to být první varovný signál skrytého nebezpečí.

K samotnému režimu akumulačních ohřívačů již byl zmíněn původní cyklus nabíjení, tedy doba provozu topného článku, která byla osm hodin za jeden den. Z rozmezí dvacet dva až šest hodin „nočního“ proudu se přes několik směrnic ministerstva paliv a energetiky přešlo až k systému hromadného dálkového ovládání. Jednu skutečnost je však třeba vzít v úvahu. Zmíněných osm hodin provozu mělo ekonomický základ, ale přispívalo i k bezpečnosti provozu akumulačních spotřebičů. Vymezená doba nabíjení ovládaná samočinným spínáním zmenšovala riziko dosažení kritické hranice přehřátí v případě selhání regulace ohřevu nebo jiné poruchy. Proto ona energetikou stanovená povinnost zajištění blokování akumulačních spotřebičů (např. Směrnice FMPE č. 22/1977, vyhláška FMPE č. 2/1990 Sb. § 2 odst. 11) měla význam i z pohledu provozní bezpečnosti.

Z uvedených případů vyplývá poznatek, že pojistné ventily u ohřívačů vody jsou významným bezpečnostním prvkem. Proto by měla být věnována patřičná pozornost jejich správné funkci. U žádného technického zařízení nelze předem zajistit úplnou bezpečnost provozu po celou dobu životnosti. Proto jsou také používány bezpečnostní prvky na sobě nezávislé, popř. vzájemně se doplňující, aby výsledné zajištění bylo na co nejvyšší úrovni podle současného poznání vědy a techniky. Zanedbání údržby a kvalifikované péče může postupně vést až k haváriím s nevratnými a tragickými následky.