Využití odpadního tepla z vnitřní kanalizace pro předohřev teplé vody

V domácnostech se spotřebovává nejvíce energie na vytápění, chlazení a přípravu teplé vody. Nízkoenergetické stavby s dokonalou izolací stěn a výplňových konstrukcí výrazně snižují spotřebu energie na vytápění a chlazení. Otázkou snižování energetické náročnosti budov tak zůstává snížení spotřeby energie na přípravu teplé vody.

Řešení problému snížení spotřeby energie na přípravu teplé vody nabízí zpětné získávání tepla z odpadní vody a jeho využití k předohřevu teplé vody. Rekuperací odpadního tepla se snižuje spotřeba energie z konvenčních zdrojů využívajících fosilní paliva. Využívání alternativních zdrojů energie uspoří peníze a šetří i životní prostředí.

Rekuperace tepla z kanalizace

Pojem recyklace představuje proces opětovného využití materiálů a produktů, které už byly předtím použity. Recyklace přispívá ve velké míře k redukci emisí skleníkových plynů, snižuje množství uskladněného odpadu a za­braňuje plýtvání vzácnými přírodními zdroji.

Recyklovat lze i energii. Rekuperace je potom procesem shromažďování odpadních látek – energie – pro zpětné využití. Rekuperací umíme zpětně využít odpadní teplo, například ze vzduchu nebo z odpadní vody. Rekuperační systémy tak efektivně přispívají ke snížení energetické náročnosti moderních budov, přičemž rekuperace tepla z kanalizace nabízí mnoho ekonomických i ekologických výhod.

Kanalizací se odvádí z budov odpadní voda s průměrnou roční teplotou od 10 do 25 °C. Teplo získané z odpadní vody je možné optimálně využít v nízkoenergetických budovách na nízkoteplotní vytápění či vysokoteplotní chlazení prostorů a zároveň k předohřevu teplé vody. Odpadní voda tak představuje nízkopotenciální zdroj tepla, který lze zařadit mezi obnovitelné zdroje energie.

Teplo z odpadní vody se dá odebírat z kanalizace přímo v objektu nebo mimo něj (obr. 1). Možnost zpětného získávání odpadního tepla mimo budovy se nabízí u kanalizačních systémů s větším průtokem (min. 15 l/s) a větším průměrem potrubí (min. 800 mm). Uvnitř budov lze odpadní teplo využít k předohřevu teplé vody.

Obr. 1  Schéma rekuperačního systému na předohřev teplé vody v kombinaci se zásobníkem
1 – přívod studené vody, 2 – ochlazená odpadní voda, 3 – výměník tepla, 4 – předehřátá teplá voda,
5 – splašková voda od zařizovacího předmětu, 6 – teplá voda ze zásobníkového ohřívače, 7 – zařizovací předmět,
8 – zásobníkový ohřívač, 9 – přívod studené vody do zásobníkového ohřívače

Rekuperace tepla z kanalizace k přímému předohřevu teplé vody

Pro využití tepla ze splaškové vody k přímému předohřevu teplé vody se navrhují malé rekuperační systémy, jejichž hlavní částí je výměník tepla. Výhodou takovýchto rekuperačních systémů je, že jejich provoz nevyžaduje tepelné čerpadlo, tzn. není třeba dodávat elektrickou energii. Využití malých rekuperačních systémů výrazně přispívá ke snížení energetické náročnosti přípravy teplé vody.

Rekuperační systém je založen na principu odevzdávání tepla ze splaškové odpadní vody přes teplovýměnnou plochu výměníku tepla. Extrahované teplo se potom odevzdává protiproudu studené vody, který se výměníkem přivádí do směsné baterie zařizovacího předmětu (obr. 1). Ve výměníku tepla se odpadní voda ochlazuje a čistá studená voda se ohřívá. Využití tepla ze splaškové odpadní vody k přímému předohřevu teplé vody se doporučuje u sprch a umyvadel, kde potřeba teplé vody převyšuje potřebu studené vody. Takový způsob rekuperace tepla není vhodný do kuchyňských zařízení, kde je potřeba studené i teplé vody přibližně stejná. Dalším důvodem nevhodnosti tohoto systému do kuchyně je to, že z kuchyňských dřezů se odvádí odpadní voda, která obsahuje oleje, jež by se mohly rychle usazovat na výměníku tepla, čímž by se snížila účinnost přenosu tepla. Výměníky tepla určené do sprch mohou být zapojeny paralelně na více zařizovacích předmětů.

Rekuperace tepla z kanalizace v kombinaci se zásobníkem s integrovaným výměníkem tepla

Předohřev teplé vody se může zabezpečit i ze zásobníku, kde se akumuluje splašková voda z několika zařizovacích předmětů (obr. 2).

V zásobníku je integrovaný výměník tepla, jímž proudí studená voda. Z akumulační nádrže vychází jako předehřátá teplá voda, která proudí dále do zásobníkového ohřívače. Do zásobníkového ohřívače se tak místo studené vody s teplotou 10 °C přivádí předehřátá teplá voda s teplotou od 20 do 24 °C. Splašková odpadní voda se v zásobníku akumuluje, a když dosáhne maximální hladiny, vypustí se přes vypouštěcí otvor do kanalizačního potrubí. Splašková voda odchází z akumulační nádrže ochlazená. Tímto způsobem rekuperace odpadního tepla umíme zabezpečit předehřátou teplou vodu pro více zařizovacích předmětů najednou. Zásobník se umísťuje co nejblíže k zařizovacím předmětům vzhledem k tepelným ztrátám v odpadním potrubí. Akumulační nádrž je tepelně izolovaná, aby se dosáhlo snížení tepelných ztrát a zvýšení účinnosti rekuperace tepla.

Obr. 2  Schéma rekuperačního systému na předohřev studené vody v kombinaci se zásobníkem
1 – přívod studené vody, 2 – ochlazená odpadní voda, 3 – zásobník splaškové odpadní vody s integrovaným výměníkem tepla, 4 – předehřátá teplá voda, 5 – splašková voda od zařizovacího předmětu, 6 – teplá voda,
7 – zařizovací předmět, 8 – zásobníkový ohřívač vody

Výměníky na rekuperaci tepla z kanalizace v budově

Systémy využívající odpadní teplo ze splaškové kanalizace uvnitř budovy najdou uplatnění v každé budově se spotřebou teplé vody. Jak již bylo řečeno, při provozu malých rekuperačních systémů není vyžadována elektrická energie ani tepelné čerpadlo. V porovnání s velkými rekuperačními systémy se snáze navrhují i realizují a vyžadují nižší investiční náklady.

Výměník tepla do odpadního potrubí

Pro využití tepla z odpadní vody je možné do odpadního potrubí instalovat výměník z měděného dvouplášťového potrubí. Vnitřní plášť tvoří hladké měděné potrubí, jímž odtéká odpadní voda. Vnější plášť výměníku tvoří spirála měděných potrubí obtočených kolem vnitřního potrubí (obr. 3a) nebo další dvouplášťové hladké měděné potrubí (obr. 3b).

Měděný dvouplášťový výměník tepla do odpadního potrubí je protiproudový. Ve vnějším plášti odpadního potrubí proudí studená voda do směsné baterie. Teplovýměnnou plochu výměníku tvoří stěna vnitřního potrubí, přes kterou odpadní voda odevzdává teplo chladnější studené vodě. Tak se zabezpečuje přívod předehřáté teplé vody do směsné baterie (obr. 4). Splašková voda se do výměníku tepla přivádí přes tzv. rotátor odpadní vody (obr. 5). To způsobuje turbulentní proudění odpadní vody na stěně vnitřního potrubí, čímž se zabezpečuje efektivní výkon výměníku tepla.

Nejvýhodnější je instalovat výměník tepla těsně pod zařizovací předmět (například sprchu) ve vytápěné místnosti. Tento typ výměníku se nehodí pod kuchyňské dřezy, protože se z nich často odvádí odpadní voda s oleji, které se mohou usadit na stěně výměníku a snížit jeho účinnost. Ve sportovních střediscích nebo bazénových halách lze instalovat čtyři až osm výměníků tepla, které se zapojí paralelně vedle sebe. Odpadní voda se do jednotlivých výměníků odvádí přes rozdělovač. Ten do nich rovnoměrně rozděluje odpadní vodu. Předehřátá teplá voda se sbírá z výměníků přes sběrné potrubí.

Při návrhu a instalaci je třeba dbát na kombinaci materiálů jednotlivých prvků. Měděné dvoutrubkové výměníky do odpadního potrubí nejsou vhodné do vodovodních systémů z pozinkované oceli z důvodu zvýšení pravděpodobnosti koroze kovových materiá­lů vlivem chemických reakcí mědi a zinku.

Sprchové vaničky s integrovaným výměníkem tepla

V tomto případě tvoří rekuperační systém speciální sprchová vanička, pod kterou se instaluje výměník tepla (obr. 6, 7). Systém je navržen tak, aby výměník tepla poskytoval při zachování běžné výšky sprchové vaničky maximální výkon.

Odpadní voda odtéká odpadním otvorem na vypouklou měděnou desku, pod kterou je připevněný měděný výměník ve tvaru spirály s délkou 20 m. Výměníkem proudí studená voda, která se ohřívá teplem z odpadní vody. Teplovýměnnou plochu tvoří plocha samotné desky a měděné spirály. Ve výměníku je menší množství vody než 1 l, proto se teplá voda předehřeje ve velmi krátké době. Takové výměníky tepla se doporučuje instalovat do rodinných domů, plováren, tělocvičen, sociálních zařízení apod. (obr. 8).

Také při návrhu a instalaci sprchové vaničky s integrovaným měděným výměníkem tepla je třeba dbát na správnou kombinaci materiálů. Měděným výměníkem ve sprchové vaničce se přivádí předehřátá teplá voda do zásobníkové nádrže a rozvodů vody. Sprchovou vaničku se doporučuje navrhovat v kombinaci s měděnými nebo vícevrstvými plastovými potrubími.

Obr. 7  Detail sprchové vaničky s integrovaným výměníkem tepla [2]
1 – sprchová vanička, 2 – měděný výměník tepla, 3 – přívod studené vody, 4 – odvod ochlazené odpadní vody,
5 – odtok odpadní vody ze sprchové vaničky, 6 – předehřátá teplá voda, 7 – magnet, 8 – čelní deska

Rekuperační panely s výměníkem tepla z nerezové oceli

Rekuperační panel se skládá z plastového vodotěsného pouzdra a protiproudového výměníku z nerezové oceli (obr. 9). Umísťuje se na připojovací nebo odpadní potrubí co nejblíže k zařizovacím předmětům (umyvadla, sprchy) z důvodu snížení tepelných ztrát. Odpadní voda se odvádí ze zařizovacího předmětu přes rekuperační panel do kanalizační soustavy. Rekuperační panel pracuje na principu protiproudu.

Odpadní voda obtéká v rekuperačním panelu kolem výměníku tepla v plastovém pouzdře. Studená voda se k zařizovacímu předmětu přivádí přes výměník tepla. Přes teplovýměnnou plochu výměníku se teplo odebírá z odpadní vody a odevzdává se studené vodě. Teplota studené vody se tak zvýší z 10 °C přibližně na 24 °C.

Předehřátá teplá voda se přivádí přímo do směšovací armatury nebo do zásobníkového ohřívače, čímž se snižuje energetická náročnost přípravy teplé vody, která se právě odebírá při sprchování nebo mytí rukou (obr. 10).

Revize a kontrola rekuperačního panelu mohou být vykonávány skrz kontrolní otvor v pod­laze (obr. 11). Rekuperační panel je určen do provozů, odkud se neodvádějí odpadní vody obsahující různé oleje. Čištění a údržba jsou realizovány zvýšením průtoku odpadní vody, tj. proplachováním se odstraňuje biofilm z plochy výměníku. V objektech, kde je provozováno více sprch, jako například sportovní haly, bazény, koupaliště či hotely, je možné navrhnout paralelně zapojené rekuperační panely, které jsou schopné zpětně využít větší množství odpadního tepla.

Teplota na výtoku závisí na teplotě předehřáté teplé vody, která se může měnit v závislosti na teplotě odpadní vody. Regulačním ventilem lze automaticky regulovat teplotu na výtoku, a tak zabezpečit komfortní provoz sprch nebo umyvadel (obr. 12).

Rekuperace tepla z odpadní vody s akumulační nádrží splaškové vody s integrovaným výměníkem

V domácnostech, ale i ve sportovních provozech lze využít teplo z odpadní vody přes akumulační nádrž. Odpadní voda se sbírá v akumulační nádrži. Výměník tepla, který je zabudován do nádrže, odebírá teplo odpadní vodě a odevzdává ho studené vodě ve výměníku (obr. 13).

Akumulační nádrží se dá využít odpadní teplo z většího množství odpadní vody. Nádrž má objem 120 l a je izolovaná polyuretanem o tloušťce 50 mm. Vnější i vnitřní stěna jsou z nerezové oceli. Délka integrovaného výměníku tepla je 20 m. Do nádrže se dá odvádět voda ze sprch, umyvadel a též z pračky.

Kontrola a čištění akumulační nádrže jsou náročnější než u jiných výměníků. V tomto případě se odpadní voda v nádrži akumuluje, což znamená, že nečistoty a kal z ní se usazují na dně nádrže. Údržba vyžaduje pravidelné proplachování nádrže, aby se nesnížila účinnost integrovaného výměníku tepla. U spodní hrany nádrže se nachází vypouštěcí otvor, odkud lze odvést kal a nečistoty (obr. 14).

Obr. 13  Akumulační nádrž s integrovaným výměníkem tepla na akumulaci odpadní vody [4]
1 – snímač teploty, 2 – výměník tepla, 3 – odvod ochlazené odpadní vody, 4 – předehřátá teplá voda,
5 – automatický odvzdušňovací ventil, 6 – přívod studené vody, 7 – přívod splaškové vody, 8 – vypouštěcí potrubí, 9 – nastavitelný podstavec

Závěr

Rozsah možností využití tepla z odpadní vody je velký. Otázkou zůstává výběr vhodných spotřebitelů a využitelných míst. Pro optimální využití tepla z odpadních vod je třeba vzít v úvahu dvě základní podmínky: dostatečný průtok v kanalizačním systému a dostatečnou teplotu odpadní vody. U rodinných a bytových domů, sportovních hal, bazénů či hotelů jsou z hlediska šetření energií vhodným řešením rekuperační systémy využívající teplo z kanalizace uvnitř budov k předohřevu teplé vody. Mezi výhody těchto malých rekuperačních systémů patří absence potřeby elektrické energie a instalace tepelného čerpadla na provoz, jednoduchý a nenáročný návrh a mnohem menší investice než u velkých rekuperačních systémů s tepelným čerpadlem.

Rekuperační systémy využívající odpadní teplo z kanalizace patří v západních zemích Evropské unie, jako jsou Švýcarsko, Holandsko či Německo, k běžně projektovaným systémům, lze je ale aplikovat i v našich podmínkách (pozn. redakce: jak je vidět z realizace tohoto čísla, vítězný projekt Energy Globe Award ČR 2013 už s takovýmito řešeními počítal).

Návratnost těchto systémů však závisí na různých faktorech, jako je průtok odpadní vody, množství spotřebované teplé vody či délka a frekvence umývání nebo sprchování.

Příspěvek byl zpracován v rámci projektu VEGA č. 1/0832/14.

Foto a obrázky: archiv autorek

Literatura
Firemní a komerční podklady:
1.    POWER PIPE, Medený dvojplášťový výmenník tepla do odpadového potrubia.
2.    HEI-TECH, Sprchové vaničky Recoh tray a medený dvojplášťový výmenník tepla do odpadového potrubia.
3.    IVAR.CS, Domové a bytové rekuperačné panely.
4.    EART SAVE PRODUCTS ESP, Akumulačná nádrž splaškovej vody s integrovaným výmenníkom pre rekuperáciu tepla.
5.    Domový a bytový rekuperační panel IVAR BEE 600 od firmy IVAR CS.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.