Energetické systémy pro využití tepla z odpadní vody

25. února 2016

Partneři sekce:

Rozsah možností využití tepla z odpadní vody je velký, otázkou zůstává výběr vhodných spotřebitelů a využitelných míst. Základním prvkem rekuperačních systémů je výměník tepla, který je u energetických systémů využívajících teplo z odpadní vody uložen v kanalizačním potrubí nebo je na ně připojený. Představuje spojovací článek mezi zdrojem tepla a místem využití (vytápění, příprava teplé vody, příp. chlazení). Energetický systém, který využívá tepelnou energii z kanalizace mimo budovy, doplňuje kromě výměníku tepla i tepelné čerpadlo – to přeměňuje odpadní teplo na konečnou tepelnou energii.

Dimenzování energetických systémů na rekuperaci tepla z kanalizace mimo budovy

Při návrhu energetických rekuperačních systémů je třeba brát v úvahu (obr. 1):

zda jsou v komunální sféře vhodné splaškové nebo jednotné kanalizace, resp. zda se v průmyslové oblasti nenacházejí další vhodné zdroje (odpadní voda z výroby, technologických procesů, chlazení atd.),

zda účinky nepravidelného nárazového přečerpávání a proplachování ovlivňují průměrný průtok v suchém počasí (minimální průtok),

faktory, které mají značný vliv na teplotu odpadní vody:

zaústění odpadní vody z průmyslu s vysokou teplotou (možné výkyvy teplot při nepravidelné výrobě a změnách ve výrobě),
zaústění srážkových vod (může snížit teplotu odpadní vody i na několik hodin, resp. na delší období, například v zimě),

množství a typ znečištění (kalů) v odpadní vodě,

sklon a rychlost proudění v místě odběru tepelné energie [1].

Obr. 1 Schéma energetického systému na rekuperaci tepla z kanalizace mimo budovy: 1 – zařízení na získávání tepla, 1a – výměník tepla, 2 – zařízení na využití tepla, 2a – vytápěcí kotel, 2b – akumulační nádrž, 2c – tepelné čerpadlo, 3 – energetický systém využívající teplo z odpadní vody, 4 – spotřebitelé, 4a – systémy vytápění a přípravy teplé vody, 4b – zdroj odpadní vody, 5 – čistírna odpadních vod, 5a – vstup do čistírny odpadních vod

Zároveň je nutno znát energetický potenciál odpadní vody, který se dá vyhodnotit z křivky průběhu teploty a průtoku odpadní vody v místě návrhu s ohledem na přípustné, resp. technicky možné změny teploty (obr. 2). Při návrhu je však třeba zjistit i další okrajové podmínky:

přibližný denní průtok a teplotu odpadní vody v suchém počasí,
přibližný denní průtok a teplotu odpadní vody v suchém počasí s případnými odchylkami během pracovních dní a víkendů,
případné výkyvy teploty odpadní vody během roku (například ochlazení srážkovými vodami nebo chladicí vodou z průmyslu) [1].

Obr. 2 Příklad denního hydrogramu odpadní vody z objektu studentského domu Theodore von Kármán Haus ve městě Aachen, Německo [2]

Orientační hodnoty teplot odpadní vody naměřené na přívodu do čistíren odpadních vod lze získat od provozovatele čistíren odpadních vod. Bude-li zjištěno, že energetický potenciál odpadní vody není dostatečně velký na pokrytí potřeby tepla v budově i s požadovanou rezervou, je třeba provést podrobnější měření. Měření se doporučuje provádět během vytápěcího období, resp. v chladném počasí. V případě, že není k dispozici denní hydrograf odpadní vody, je vhodné provádět měření mezi 16. a 19. hod. (obr. 2). Průtok odpadní vody v tomto období obvykle přibližně odpovídá dennímu průměru, v němž se počítá i s nočními minimálními průtoky a též s obdobími s maximálním průtokem. Jiné denní výkyvy teploty a průtoku odpadní vody se mohou zpravidla zanedbat. Pokud v průběhu měření nepršelo posledních 24 hodin, za normálních okolností se údaje z těchto měření mohou považovat za vysoce referenční [1].

Množství využitelného tepla z odpadní vody se vypočítá jako

kde
   Q_VT je tepelný výkon výměníku tepla (W),
   c – měrná tepelná kapacita odpadní vody (kJ/(kg . K)); při teplotách 0 až 20 °C se počítá s hodnotou 4,19,
   ρ – hustota odpadní vody (kg/l), při teplotě 0 až 20 °C se počítá s hodnotou 1,0,
   Q_WW – průtok odpadní vody (l/s),
   ∆θ – průměrný teplotní rozdíl (K).
Pokles teploty odpadní vody vlivem rekuperace je třeba odhadnout, protože v rámci iteračního plánovacího procesu podléhá neustálým změnám. Za počáteční hodnotu se mohou brát 3 K [1].
Množství tepla využitelné tepelným čerpadlem je dáno vztahem [1]

nebo v případě dimenzování vztahem

kde
   Q_VT je tepelný výkon výměníku tepla (W),
   Q_TČ – tepelný výkon tepelného čerpadla (W),
   SPF – sezonní výkonové číslo tepelného čerpadla (─),
   COP – okamžité výkonové číslo tepelného čerpadla (─).

V případě konkrétního projektu je nutné zjistit také přesné hydraulické poměry. Ty se mohou určit na základě denního, měsíčního a ročního hydrogramu z průměrného denního průtoku odpadních vod (to odpovídá přibližně průtoku v době mezi 10. a 16. hod.). Za noční útlum se považuje časové rozpětí od 24. do 5. hod., kdy má průtok odpadní vody nejnižší hodnoty. Vzhledem k požadované dlouhodobé životnosti, resp. dlouhodobému využití tepelného čerpadla, je vhodné si ověřit, zda mají zjištěné parametry dlouhodobou platnost. Ve střednědobém horizontu může totiž odpadní vodu významně ovlivnit několik faktorů. Při provozu energetického systému na rekuperaci tepla z odpadní vody jsou potom rozhodující především ty změny, které vedou ke snížení průtoku nebo teploty odpadních vod v místě odběru tepla.

Před návrhem je proto potřebné vyhodnotit [1] také:

demografický vývoj v řešené lokalitě,
spotřebu teplé vody (snížení spotřeby teplé vody na osobu v souvislosti s úsporami),
instalaci zařízení s úsporným provozem (pračky, myčky nádobí atd.),
přesídlení větších obchodních nebo průmyslových obvodů,
možnost oddělení srážkových vod (snížení průtoku by částečně kompenzovalo zvýšení teploty odpadní vody).

Návrh výměníku tepla

Tepelný výkon výměníku tepla závisí na jeho účinné ploše, průměrném teplotním rozdílu mezi teplotou teplonosné kapaliny výměníku (sekundární okruh) a teplotou odpadní vody (zdroj tepla) a na součiniteli prostupu tepla [3].

Platí, že:

kde
   Q_VT   je   tepelný výkon výměníku tepla (W),
   U   –   součinitel prostupu tepla (W/(m². K),
   A_VT   –   účinná plocha výměníku tepla (m²),
   ∆θ   –   průměrný teplotní rozdíl (K).

Součinitel prostupu tepla závisí na různých veličinách (nepředstavuje materiálovou konstantu), jako jsou typ materiálu, tloušťka materiálu či proudění tekutin ve výměníku tepla. Teoretická hodnota součinitele prostupu tepla se u nerezové oceli pohybuje v rozpětích od 0,6 do 0,9 kW/(m². K). Dobré hodnoty prostupu tepla se dosahují především v protiproudých výměnících tepla [1].

Snížení teploty odpadní vody

Pokles teploty odpadní vody vlivem odběru tepla na rekuperaci v kanalizačním potrubí závisí na tepelném výkonu výměníku tepla (QVT), tj. na tom, kolik tepla lze s výměníkem extrahovat z odpadní vody, na průtoku odpadní vody (QWW), na objemové hmotnosti odpadní vody (ρ) a na měrné tepelné kapacitě odpadní vody (c). Platí, že čím vyšší je průtok odpadní vody, tím nižší je pokles teploty odpadní vody [3].

Výpočet poklesu teploty odpadní vody se určí jako:

kde
   ∆θ je pokles teploty odpadní vody (K),
   Q_VT – tepelný výkon výměníku tepla (W),
   c – měrná tepelná kapacita odpadní vody (kJ/(kg . K)); při teplotě 0 až 20 °C se počítá s hodnotou 4,19,
   ρ – hustota odpadní vody (kg/l); při teplotě 0 až 20 °C se počítá s hodnotou 1,0,
   Q_WW – průtok odpadní vody (l/s).

Z uvedeného vyplývá, že při zvýšení průtoku odpadní vody se zvýší i výkon výměníku tepla, a to bez toho, že by byl pokles teploty odpadní vody menší než 1 K (obr. 3). Závislost výkonu výměníku tepla na průtoku odpadní vody vidíme na obr. 3. Vstupní hodnoty jsou uvedeny v tab. 1. Pokles teploty odpadní vody v kanalizačních systémech před čistírnou odpadních vod má vliv na čisticí proces. Proto je třeba při návrhu rekuperačních systémů využívajících teplo z kanalizace mimo objektů, resp. z kanalizace před čistírnou odpadní vody, vždy zhodnotit míru ochlazení odpadní vody.

Obr. 3 Výkon výměníku tepla QVT v závislosti na průtoku odpadní vody QWW

Při správném výběru lokality na realizaci energetických systémů na rekuperaci tepla z kanalizace je proto velmi důležité dbát:

na krátkou vzdálenost mezi spotřebitelem (administrativa, bazény, průmyslové provozy, více rodinných domů) a umístěním zpětného získávání tepla,
na teplotu odpadní vody (pokud je to možné, měla by být konstantní na úrovni přibližně 10 až 15 °C, případně vyšší),
na minimální průtok odpadní vody na úrovni 10 l/s,
na minimální průměr kanalizačního potrubí DN 1000 (pro dodatečnou instalaci výměníků), resp. min. průměr DN 400 při prefabrikovaných kanalizačních prvcích s integrovanými výměníky,
na nízkou teplotu vytápěcí vody (vytápěcí systém v objektu), rekuperační systém je třeba navrhnout jako bivalentní,
na dostatečné tlakové poměry v potrubním rozvodu,
na průtok odpadní vody, jeho změny, nečistoty v různých úsecích, jakož i na teplotu odpadní vody (mají velký význam při návrhu, proto se musí stanovit předem),
na průtokovou rychlost odpadní vody v potrubí (měla by býtco nejvyšší, min. 1,0 m/s, aby se nečistoty (biofilm) neusazovaly na dně potrubí),
na znečištění výměníku tepla (určí se průběžnou kontrolou výstupních údajů ─ objemový průtok okruhu, teplota přívodní a vratné vody v okruhu výměníku, teplota odpadní vody v kanalizaci) [4].

Závěr

Zkušenosti ze zahraničí ukazují, že návrh a realizace energetických systémů využívajících teplo z kanalizace mají význam hlavně ve větších budovách. Rozsah možností využití tepla z odpadní vody je velký. Otázkou zůstává výběr vhodných spotřebitelů a využitelných míst. Požadované podmínky na návrh jsou obvykle splněny v obcích nad 10 000 obyvatel. Vhodnými spotřebiteli tepla jsou větší budovy, sídliště a komplexy budov v blízkosti zdroje tepla s rozsahem výkonu 150 až 2000 kW. Při návrhu větších rekuperačních systémů je třeba dbát na správný návrh tepelného čerpadla. Aby byl zabezpečen efektivní provoz, je třeba zvážit i návrh bivalentního systému v kombinaci s vytápěcím kotlem nebo kogenerační jednotkou.

Obrázky: archiv autorek

Literatura
1.   DEUTSCHEVEREINIGUNGFÜRWASSERWIRTSCHAFT, ABWASSERUNDABFALL: DWA-Regelwerk, Merkblatt DWA-M 114, Energie aus Abwasser – Wärme- und Lageenergie. Hennef: DWA, 2009.
2.   BRUNK, M. F. – SEYBOLD, CH. – OSEBOLD, R. – BEYERT, J. – VOSEN G.: Dezentrale Wärmerückgewinnung aus häuslichem Abwasser. 2012. Aachen: Fraunhofer IRB Verlag, 2013. 81.p.
3   BURI, R. – KOBEL, B.: Leitfaden für Ingenieure und Planer. Institut Energie in Infrastrukturanlagen Zürich, ECO.S Energieconsulting Stodmeister, Berlín, 2005.
4.   PODOBEKOVÁ, V. – PERÁČKOVÁ, J.: Výmenníky na rekuperáciu tepla z kanalizačních systémov. In: TZB Haustechnik, roč. 21, č. 2, 2013, s. 46─49.
5.   PODOBEKOVÁ, V. – PERÁČKOVÁ, J.: Rekuperácia odpadového tepla splaškovej kanalizácie v budovách. In: TZB Haustechnik, roč. 22, č. 2, 2014, s. 50─53.
6.   PERÁČKOVÁ, J. – PODOBEKOVÁ, V.: Utilization of heat from sewage. Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym No. 2 (12), 2013, s. 79─86.
7.   PODOBEKOVÁ, V. – PERÁČKOVÁ, J.: Heat from wastewater as a renewable energy source. In: QUAERE 2014: Recenzovaný sborník příspěvků vědecké interdisciplinární mezinárodní vědecké konference doktorandů a odborných asistentů. 26. 6.─30. 6.2014 Hradec Králové, Česká republika, roč. 4.

Ing. Veronika Buzás, doc. Ing. Jana Peráčková, PhD.
Autorky působí na Katedře technických zařízení budov Stavební fakulty STU v Bratislavě.
Recenzoval: doc. Ing. Ján Takács, Ph.D.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.