Možnosti využití tepelné energie z odpadních vod

Znovu využívání tepelné energie z odpadní vody se stává jedním z hlavních témat ve světě i v České republice. Aplikací tepelných výměníků lze uspořit až 40% tepelné energie vznikající v domácnostech, která je v drtivé většině případů odvedena do stokového systému a dále vypouštěna do vodního recipientu a tudíž nevyužita. Přitom využití tepelné energie se přímo nabízí, a to jak v liniových objektech jako jsou kanalizační potrubí, tak i v objektech na kanalizační síti nebo v místě vzniku odpadní vody. Pro účely rekuperace lze využít přímých výměníků tepla nebo systémů s tepelnými čerpadly. Zařazením výměníků tepla do stokového systému lze zvýšit energetickou efektivitu a tím dosáhnout značného snížení spotřeby primární energie obnovitelnými a druhotnými zdroji, např. vyrobené spalováním fosilních paliv. Systémy využívání tepla z odpadní vody nabízí nejen využití obnovitelných zdrojů energie, ale také zajímavou návratnost investice.

Kristýna Velikovská, Karel Plotěný, Jakub Raček, Petr Hlavínek

Abstract

This article describes the thermal energy potential of wastewater and the possibility of heat recovery. Putting heat exchangers into reuse technologies can save up to 40% of the thermal energy generated in households’ wastewater. Heat exchangers can be used as a part of sewer pipes, as well in objects on sewer systems and at wastewater sources. Incorporating heat exchangers into the sewer system can increase energy efficiency and thereby it can also reduce primary energy consumption by renewable sources. Drain water heat recovery systems offer a favourable return on investment too. Centralized recovery systems are suitable for the use of heat e.g. for drying sludge in a sewage treatment plant or for ecological heating of buildings. Decentralized recovery systems are mainly designed to reuse thermal energy from wastewater directly in households.

Úvod

V českých domácnostech je použito na ohřev vody přibližně 20 % celkové roční spotřeby energie, 63 % energie patří vytápění a zbylých 17 % je spotřeba elektrické energie na osvětlení, vaření, praní a ostatní potřeby [1]. Spalování fosilních paliv však urychluje globální oteplování. Tepelná energie se tedy stává stále cennějším zdrojem. Využití obnovitelné energie je nejlepším řešením pro úsporu fosilních zdrojů, pro snížení nebo vyloučení emisí oxidu uhličitého a zpomalení klimatických změn. Rekuperace tepla, tedy zpětné získávání tepelné energie, je v posledních dvou desetiletích využívaná zejména jako nástroj pro snížení potřebné energie pro vytápění. Budovy provedené nebo opravené dle pasivního standardu jsou schopny díky své precizní tepelné obálce a technologii rekuperace tepla při větrání eliminovat náklady na vytápění. Problematika získávání tepla je tedy v poslední době zaměřena na potřebu energie pro ohřev vody. [2]

Rekuperace tepla z odpadních vod je tedy s ohledem na životní prostředí a ekonomické hledisko efektivní řešení získávání tepelné energie. [3] Dle evropského profilu odběru teplé vody a dalších měření je většina energie pro ohřev vody v domácnostech potřeba pro sprchování nebo koupání. Tímto procesem vzniklé odpadní vody dosahují teploty až 38 °C [4]. Odvedením odpadních vod do stokového systému je odvedena a ztracena i značná část tepelné energie. Rekuperace tepla nabízí tuto ztracenou energii využít k současnému předehřátí studené vody, a tímto pak prakticky snížit potřebu teplé vody v objektu. Celkový energetický zisk je tedy přímo úměrně roven spotřebě energie k ohřevu vody. V současnosti je rekuperaci tepla z odpadní vody v České republice (ČR) nakloněn i Státní fond životního prostředí ČR, který svým dotačním programem Nová zelená úsporám podporuje aplikaci tepelných výměníků v rodinných a bytových domech.

Odpadní voda jako zdroj tepelné energie

Odpadní voda je zdrojem tepelné energie, jejíž potenciál není v dnešní době širokou veřejností využíván. Teplota ve stokovém systému je poměrně stálá v průběhu roku. Zásadní teplotní výkyvy nastávají v létě, kdy dosahuje maximálních teplot i přes 20 °C a v zimě, kdy jsou teploty odpadní vody nejnižší, je teplota v průměru mezi 10 °C až 15 °C. [5]

Odpadní voda z domácností může být tedy nákladově efektivním zdrojem tepelné energie. Průměrné spotřebiště vypustí do kanalizace až 40 % tepelné energie vyrobené v obytných budovách. Ochlazením 1 m3 odpadní vody lze získat 1,16 kWh tepelné energie. [2]

Tepelnou energii lze získat:

• v místě vzniku;
• na odtoku z budovy;
• ve stokové síti;
• na přítoku do čistírny odpadních vod.

(Pozn.: červená barva – teplá voda koupelen a praček (teplota vody až 38 °C); oranžová barva – odpadní voda z koupelen a praček ochlazená odpadní vodou z toalet, žlutá barva – odpadní voda z domácností ochlazená dešťovou vodou a následnými ztrátami tepelné energie v čistících procesech na ČOV a odtoku do recipientu; modrá barva – studená odpadní voda.)

V místě spotřeby teplé vody, a tedy v místě svého vzniku má odpadní voda svou nejvyšší tepelnou energii. Po opuštění budovy tato tepelná energie směrem k nátoku přes stokový systém až na čistírnu odpadních vod (ČOV) postupně klesá (viz obr. 1). Pokles teploty může být způsoben naředěním se studenější odpadní vodou nebo v případě jednotného stokového systému s dešťovou vodou. Teplota odpadní vody ve stokovém systému klesá o několik stupňů také během noci. Nejvýhodnějším zdrojem tepelné energie se jeví odpadní voda v místě svého vzniku. [2]

Pro systémy rekuperace tepla a snížení množství potřebné energie k ohřevu vody je výhodné využití zejména šedých odpadních vod z domácností, a to zejména díky jejich vysoké tepelné kapacitě pro předehřátí studené vody. Teplota šedých vod, tedy málo znečištěných odpadních vod z umyvadel, sprch, van a praček, se pohybuje v rozmezí 18 – 38 °C. Teplo získané z šedé vody můžeme rozdělit dle místa spotřeby energie na ohřev:

• provozní teplé vody;
• teplé užitkové vody (dále TUV);
• vytápění objektu.

Termín zpětného získávání tepla z odpadní vody (ZZTOV) je v zahraniční literatuře označován jako „drain water heat recovery“. Technologií pro ZZTOV v domácnostech jsou tepelné výměníky typu voda – voda, pro které je typická okamžitá předávka tepelné energie z odpadní vody přiváděnému médiu, užitkové nebo pitné vodě. Takhle předehřátou vodu lze přivádět rovnou do sprchové hadice nebo ke zdroji tepla TUV. [2] Dle normy ČSN EN 1717 Ochrana proti znečištění pitné vody ve vnitřních vodovodech a všeobecné požadavky na zařízení na ochranu proti znečištění zpětným průtokem [6] musí být teplosměnná plocha zařízení provedena jako dvouplášťová, čímž nedochází k žádnému přenosu hmoty. Dvouplášťová konstrukce zajistí ochranu pitné vody před znečištěním. [2]

Zařízení jsou tedy vhodná pro sprchování, ale neužívají výhod při koupelích ve vaně, kdy napouštění a vypouštění nenastává současně. Tato technologie pracuje na principu gravitace a přetlaku v systému vodovodního řádu. Nejsou tedy potřeba žádné pohyblivé části, jako jsou čerpadla, nebo směšovací ventily apod. Tyto systémy vynikají nízkou údržbou, malými požadavky na prostor. Zařízení zpravidla nemají zásobník šedých vod z důvodu vzniku tepelných ztrát při skladování tepla, rizika vzniku bakterií Legionelly a nižších účinností rekuperace.[2] Výhodou systému ZZTOV je, že nespotřebovává žádné další pomocné energie.

Systémy rekuperace tepla z odpadní vody lze rozdělit dle umístění výměníku a rozsáhlosti zásobování teplou vodou do dvou základních skupin systémů, konkrétně jako:

• centralizované systémy;
• decentralizované systémy.

Centralizované systémy

Centralizované systémy ZZTOV fungují na principu umístění výměníku tepla do nádrže s odpadní vodou odebranou ze stokového systému splaškových odpadních vod (princip metody sewer mining) nebo umístění výměníku přímo do stokového systému. V tomto případě se pak jedná o centralizovaný systém sběru tepelné energie z odpadních vod.

Metoda sewer mining a s ní spojené využívání tepla z odpadní vody je založena na principu odběru a akumulace odpadní vody, tepelné výměně a navrácení ochlazené vody do stokového systému. Tento způsob rekuperace tepla není limitován sklonem kanalizačního potrubí ani průtokem odpadní vody. V rámci tohoto systému je často nutné zařadit předčištění odpadní vody před kontaktem se zařízením na výměnu tepla, a to alespoň pomocí perforovaného koše na vtoku do akumulační nádrže. Ochlazenou odpadní vodu lze při opětovném zaústění do stokového systému využít pro splach shrabků z perforovaného koše zpět do kanalizace.[7]

Podobně jako u metody sewer mining lze využívat tepelných výměníků pro využití tepla z akumulované odpadní vody ještě před odvedením z budovy. Tohoto systému je využíváno zejména v průmyslových provozech. Výměníky AS-ReHeater jsou speciální výměníkové jednotky zaměřené na rekuperaci odpadní vody bez nutnosti její úpravy, např. filtrací, jsou vysoce odolné a schopné uspořit 20-60 % nákladů vynaložených původně na ohřev vody. [8]

Umístění výměníku tepla přímo do stokového systému je založeno na osazení potrubí se zabudovaným výměníkem tepelné energie nebo dodatečném umístění výměníku do stávajícího potrubí.

Tento systém je tedy možné využít jak na novou, tak i na stávající stokovou soustavu. Pro aplikaci výměníku tepla pro profily potrubí DN 400 – DN 1000 je nutné nahrazení úseku stávající kanalizace potrubím s integrovaným výměníkem tepla (obr. 2), pro aplikaci do potrubí o profilu větším než DN 1000 lze umístit výměník tepla přímo do stávajícího potrubí. Pro reálné využití je třeba, aby rychlost odpadní vody v potrubí neklesala pod 10 m·s-1 a teplota odpadní vody neklesala pod 10 °C [9]. Další snížení teploty při odběru tepelné energie přes tepelný výměník z odpadní vody o teplotě nižší než 10 °C by mohlo narušit průběh denitrifikace na ČOV. [7]

Vložené výměníky jsou vyrobeny obvykle z nerezového plechu a předávají tepelnou energii do potrubí primárního okruhu tepelného čerpadla. Potrubí v tomto rekuperačním systému jsou tři: přívodní, vratné a rozdělovací. Integrované výměníky využívají teplosměnnou stěnu potrubí, skrze niž je tepelná energie předávána ocelovému potrubí odvádějící teplo k tepelnému čerpadlu. Pro gravitační systémy je teplosměnná plocha ve dně potrubí. Tepelná výměna zde závisí na výšce hladiny v potrubí. U tlakové kanalizace je distribuční potrubí uloženo u horního okraje. Potrubí s integrovanými výměníky tepla se vyrábí v délkách od dvou do šesti metrů. Aplikací integrovaných výměníků se nezmenšuje průtočná plocha potrubí a nezmenšuje se tedy také kapacita stoky. [5][7]

Tepelnou energii z odpadní vody lze odebírat také na přítoku a odtoku z ČOV. Při odběru na přítoku a vysokém průtoku odpadní vody se ochlazení vody pohybuje pouze okolo 1°C a nemá tak obvykle výraznější vliv na technologii čistění. Ochlazení vody na odtoku z ČOV je pozitivní ve vztahu k recipientu, do kterého je voda po procesu čištění odváděna. Místo odběru tepelné energie lze u ČOV umístit do hlavní trasy nebo pomocí bypassu. Vzhledem k umístění ČOV ve vztahu k zástavbě jsou potencionální odběratelé tepla obvykle ve větší vzdálenosti. Areál ČOV však mívá stavební objekt, jež je v zimním období vytápěn. [8] První nejjednodušší aplikací by mohlo být nasazení technologie právě za tímto účelem v kombinaci s přípravou teplé vody.

Centralizované systémy se potýkají se ztrátami tepelné energie při dopravě ke spotřebiteli a rovněž s nutností instalace tepelného čerpadla [7]. Instalace výměníku centralizovaně je ekonomicky náročnější a komplikovanější s ohledem na provozovatele stokového systému a ČOV, než systém decentralizovaný [10].

Decentralizované systémy

Decentralizované, lokální, systémy ZZTOV využívají teplo z odváděné odpadní vody přímo v místě jejího vzniku, kde je teplo okamžitě předáváno přiváděné vodě určené ke spotřebě, čímž lze znatelně eliminovat ztrátu tepelné energie [10]. Tyto systémy jsou vhodné pro např. rodinné nebo bytové domy.

Zařízení ZZTOV je instalováno do odpadního potrubí co nejblíže za sprchový sifon, nejlépe v blízkosti směšovací sprchové baterie. Místo klasické pákové nebo kohoutové baterie je doporučováno využití termostatické sprchové baterie obsahující termostatický článek, který automaticky reguluje poměr teplé a studené vody, jejíž teplotní úroveň se po celý proces sprchování dynamicky mění. [2]

Vzhledem k distribučním ztrátám tepla jsou zařízení nejčastěji instalována přímo v koupelně jako horizontální výměníky tepla (pod sprchovou vaničku či vanu do podlahy) nebo jako vertikální výměníky tepla umístěné do instalační šachty. [2]

Z hydraulického hlediska lze zařízení ZZTOV zařadit do systému třemi způsoby přivedení předehřáté vody:

• kombinací zařazení do místa odběru studené vody a ke zdroji teplé užitkové vody (TUV) – předehřev studené a teplé vody (obr. 3.A);
• přímo do místa odběru studené vody – předehřev studené vody (obr. 3.B);
• do zásobníku TUV, kde je dohřívána – předehřev teplé vody (obr. 3.C) [2].

Kombinovaným zařazením výměníku tepla, předehřev studené a teplé vody, do systémů ZZTOV lze dostáhnout nejvyšší možné účinnosti v případě, že je objemový průtok vyrovnaný. V opačném případě účinnost výměníku citelně klesá a je třeba přiklonit se k některé ze zbylých variant. [2]

Systémy zpětného získávání tepla z odpadní vody lze rozdělit dle polohy tepelných výměníků do dvou skupin:

• vertikální;
• horizontální.

Svislé systémy zpětného získávání teplé vody jsou založeny na instalaci dvouplášťových měděných trubkových výměnících, jejichž středem protéká teplá odpadní voda jako tenký film po stěnách vnitřní trubky. Tento film zajišťuje přenos tepelné energie vnější straně trubky, kterou je protiproudně přiváděná studená vody do sprchy. [2] Tyto výměníky je nutné umístit výškově pod sprchovou vaničku. S délkou výměníku tepla stoupá jeho účinnost, ale také prostorové nároky. Na trhu se tyto výměníky vyskytují o délkách 1,6 m a 2,2 m, čímž vzniká nutnost instalace zařízení o patro níže, což může způsobit komplikace při rekonstrukcích, především, bytových domů. Na obr. 4 je znázorněno schéma výměny tepelné energie ve výměníku tepla AS-ECOshower pipe dodávaného společností ASIO NEW spol. s r.o. Výrobce tohoto výměníku deklaruje až 60 % účinnost tepelné výměny a úsporu při sprchování, tj. ohřátí přitékající studené vody z 10 °C na 27 °C. [8]

V případě malých prostorových možností lze využít horizontálních systémů ZZTOV. Hlavní výhodou horizontálních výměníků je jejich umístění v rámci jednoho podlaží, a to přímo pod sprchovou vaničku, do podlahy sprchy nebo do sprchové vaničky. Na rozdíl od vertikálních modelů jsou modely horizontálních systémů technicky odlišné. [2] Rekuperace tepla obsaženého v odtékající vodě ze sprchování se uskutečňuje na principu protiproudu. Odtékající voda je odváděna přes výměník tepla, přičemž její tepelná energie je předávána přiváděné studené vodě. Voda ohřátá z 10 °C na přibližně 27 °C je dále vedena do přívodu studené vody směšovací baterie, čímž je sníženo množství energie potřebné k ohřevu vody. Jako příklad horizontálního výměníku tepla lze uvést výměník AS-ECOshower tray, jehož schéma tepelné výměny je znázorněno na obr. 5. [8]

Závěr

Aplikace tepelných výměníků, a tedy systémů zpětného získávání tepelné energie z odpadní vody je považováno nejen za příznivý ekologický přístup ke zdrojům energie, ale i za efektivní investiční záměr, a to z důvodu až 20leté životnosti zařízení tepelných výměníků.

Centralizované systémy rekuperace jsou vhodné k ekologickému vytápění budov v okolí odběru tepelné energie ze stokové sítě, ale také třeba jako doplňkové zařízení pro sušení čistírenských kalů na ČOV. Decentralizované systémy rekuperace jsou určeny zejména pro znovuvyužití tepelné energie z odpadní vody přímo v místě jejího vzniku, tedy v domácnostech. V domácnostech lze aplikovat tepelné výměníky vertikální a horizontální. Z hlediska údržby se jeví vertikální výměníky výhodnější než výměníky horizontální. U vertikálního typu není předpokládána komplikace s usazováním nečistot v potrubí a zároveň odpadá uživatelská nutnost čištění, jako je tomu u horizontálních typů výměníků tepla. Pro horizontální výměníky je doporučováno pravidelné čištění vtokové vaničky výměníku z důvodu usazování nečistot a tím zapříčiněného snížení účinnosti tepelné výměny, proto jsou vhodné především pro využití v rodinných domech. Naproti této nevýhodě není jejich aplikace spojená s komplikovaným zásahem do vnitřních rozvodů domů, nýbrž pouze s jednoduchým osazením v rámci sprchové vaničky.

Literatura/References

1. PREdistribuce[online]. Praha, 2018. Dostupné z: https://www.predistribuce.cz/cs/
2. ŠEVELA, Pavel. Zpětné získávání tepla z odpadní vody - ZZTOV: Principy a doporučení pro plánování pro lokální jednotky. In: Asionále 2018 [online]. 12.4.2018, s. 10
3. Innovative System for Heat Recovery from Wastewater. In: HUBER Technology - waste water solution [online]. [cit. 2018-10-02]. Dostupné z: www.huber.de
4. RAČEK, Jakub. Metodika návrhu systému využití šedých vod ve vybraných objektech. Brno, 2016. 198 s., 2 přílohy, Dizertační práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí. Vedoucí práce doc. Ing. Jaroslav Raclavský, Ph.D.
5. ALEKSEIKO, Leonid N., Viacheslav V. SLESARENKO a Alexander A. YUDAKOV. Combination of wastewater treatment plants and heat pumps. Pacific Science Review[online]. 2014, 16(1), 36-39. DOI: 10.1016/j.pscr.2014.08.007. ISSN 12295450. Dostupné z: https://linkinghub.elsevier.com/retrieve/pii/S1229545014000084
6. ČSN EN 1717. Ochrana proti znečištění pitné vody ve vnitřních vodovodech a všeobecné požadavky na zařízení na ochranu proti znečištění zpětným průtokem. 2002.
7. SCHMID, Felix. SEWAGE WATER INTERESTING HEAT SOURCE FOR HEAT PUMPS AND CHILLERS. In: [online]. 2008. vyd. Zürich, Switzerland: SwissEnergy Agency for Infrastructure Plants. Dostupné z: http://www.scribd.com/doc/123320392/SEWAGE-WATER-INTERESTING-HEAT-SOURCE-FOR-HEAT-PUMPS-AND-CHILLERSBritish Standard BS 8525-1:2010. Greywater systems – Part 1: Code of practice. UK: BSI, 2010.
8. Asio: čištění a úprava vod [online]. Brno: ASIO NEW, spol. s r.o. Dostupné z: www.asio.cz
9. NOVÁČEK, Petr. Rekuperace tepla z odpadních vod jako alternativa vytápění a klimatizace budov. In: SDRUŽENÍ OBORU VODOVODU A KANALIZACÍ ČR. Provoz vodovodu a kanalizací 2017: Sborník referátů. Ostrava, 2017, s. 188-190.
10. TLAŠEK, Miroslav. Využití tepla z odpadní vody. Brno, 2014. 65 s. Bakalářská práce. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodářství obcí. Vedoucí práce prof. Ing. Petr Hlavínek, CSc., MBA.

Poděkování/Acknowledgements

Článek byl vytvořen v rámci řešení projektu č. LO1408 "AdMaS UP - Pokročilé stavební materiály, konstrukce a technologie" podporovaného Ministerstvem školství, mládeže a tělovýchovy v rámci účelové podpory programu „Národní program udržitelnosti I"." Tento článek je výsledkem spolupráce se společností ASIO NEW, spol. s r.o.

Autoři/Authors

Tato e-mailová adresa je chráněna před spamboty. Pro její zobrazení musíte mít povolen Javascript., Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Veveří 331/95, 602 00 Brno, Česká republika

Ing. Karel Plotěný, ASIO NEW, spol. s r.o., Kšírova 552/45, 619 00 Brno, Česká republika

Ing. Jakub Raček, Ph.D., Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Veveří 331/95, 602 00 Brno, Česká republika

prof. Ing. Petr Hlavínek, CSc., MBA, Centrum AdMaS, Fakulta stavební, Vysoké učení technické v Brně, Veveří 331/95, 602 00 Brno, Česká republika

Citace/Citation

Velikovská, K., Plotěný, K., Raček, J., Hlavínek, P. Možnosti využití tepelné energie z odpadních vod. Vodovod.info - vodárenský informační portál [online]. 12.4.2019, 04/2019, [cit. 2019-04-12]. Dostupný z WWW: http://vodovod.info. ISSN 1804-7157.