Rekuperace tepla z kanalizace v obytném domě, roční bilance

Na ohřátí studené vody na teplou vodu (z teploty 10 °C na 50 °C) je potřebná tepelná energie 46,5 kWh/m³. S menším množstvím tepelné energie se voda ohřát nedá, je to dáno fyzikálními zákony. V praxi se často setkáváme se soustavami centrálního zásobování teplou vodou, kde se spotřebuje na ohřev teplé vody výrazně více tepla, protože při její výrobě a distribuci dochází ke ztrátám a běžné spotřeby jsou na úrovni dokonce více než 100 kWh/m³.

Vývojový tým proto hledal možnosti a způsob, jak dosáhnout hodnoty spotřeby tepla na ohřev vody výrazně pod hranicí 46 kWh/m³, což v podstatě nebylo dříve myslitelné. Po několika letech vývoje, zkoušek a propočtů ovšem dnes umíme zajistit ohřev a distribuci teplé vody se spotřebou energie pod 19 kWh/m³!

Princip

K řešení byl využit zdroj tepelné energie, který je nevyčerpatelný a teplo z něj je k dispozici bezplatně. Pro získání tohoto tepla spotřebujeme jen poměrně malé množství elektrické energie na jeho „přečerpání“ do soustavy ohřevu vody nebo otopné soustavy. Teplo, které ve skutečnosti na ohřev vody využijeme, je zdarma, a proto v žádné bilanci tato energie nefiguruje.

Lidé najdou ve vyúčtování pouze spotřebu elektřiny, kterou na zachycení tepla potřebujeme, a vypadá to, jako kdybychom připravovali teplou vodu pouze se spotřebou elektřiny menší než 19 kWh/m³. Kde tento kouzelný zdroj tepla najít? Jde o kanalizaci, která z objektů odnáší velké množství tepla.

Počáteční znalosti

Do jaké míry má smysl zabývat se touto problematikou? Kolik tepelné energie se ukrývá v kanalizaci? Kolik tepla se dá ušetřit zachycením tepla z kanalizace? Když se vývojový tým před několika lety začal této problematice věnovat, prakticky nikde nenašel odpovědi na dané otázky.

Nepomohla odborná literatura, internet, ani žádné studie. Konzultace s odborníky byly jen na úrovni odhadů či předpokladů. Technická řešení efektivní rekuperace tepla z kanalizace pro oblast objektů nebyla u nás ani v zahraničí zmapována.

Návrh řešení

Řešením, se kterým vývojový tým nakonec přišel, je instalace rekuperačního zařízení na zpětné získávání tepla z kanalizace. Základní princip spočívá v umístění tepelného výměníku do systému domovní kanalizace, před zaústěním do veřejné kanalizace. Pomocí výměníku a dalšího technologického zařízení se odebírá teplo z odchozí odpadní vody a na druhé straně se nachází zařízení, které zachycené teplo využívá pro přípravu teplé vody.

Když zařízení připraví dostatečně teplou vodu, přestane objekt odebírat teplou vodu z centrálního zdroje a začne dodávat do domu vodu ohřátou odpadním teplem. Pokud se teplá voda připravená ohřevem z odpadu vyčerpá, přepne se dodávka teplé vody znovu na centrální zdroj tepla.

Tímto řešením bylo dosaženo následujícího:

• Zachycení velkého množství odpadního tepla: v rekuperačním zařízení se zachycuje dostatečné množství tepla potřebné k ohřevu vody pro daný bytový dům, které by jinak uniklo z domu bez využití. Do kanalizace totiž z domu neodchází jen teplo, které přišlo prostřednictvím teplé vody.Do kanalizace se dostane i teplo, které přišlo do objektu otopnou soustavou a přenáší se ohříváním studené vody v nádržkách toalet a jejich následným spláchnutím, spolu s naším biologickým teplem v podobě exkrementů. V kanalizaci také skončí elektrická energie, která se v pračce nebo myčce přemění na teplou odpadní vodu.
• Legislativně průchodné řešení pro zajištění ohřevu vody: výstavba jakýchkoliv lokálních zdrojů tepla ve městech s centrálním dodavatelem tepla není možná, zákon o tepelné energetice to neumožňuje.Rekuperační zařízení ale není zdroj tepla – je to „zachycovač“ tepla, které obyvatelé domu již jednou nakoupili, tepla, které je jejich majetkem, není proto žádná legislativní překážka při jeho instalaci a schvalovacím procesu při stavebních povoleních.
• Vyhodnocení úsporných opatření obyvatel dotyčného objektu: pokud se v objektu připojeném na centrální zdroj tepla v soustavě s více objekty provede vyregulování a zateplení rozvodů teplé vody, úspory z toho opatření se rozdělí pro všechny objekty v okruhu zdroje tepla.Při instalaci zařízení se úspory ze zateplení a vyregulování rozvodů TV v objektu v plném rozsahu projeví ve snížené spotřebě teplé vody dodávané z centrálního zdroje tepla pro objekt a profitují z nich obyvatelé objektu – ne obyvatelé celého okruhu zdroje tepla.
• Ochrana životního prostředí ve městech – snižování teploty: zachycením tepla z kanalizace se omezuje ohřívání ovzduší měst. Kanalizační soustava je obrovský topný kolektor, který vyhřívá (hlavně v zimním období) podzemí měst.Proč se ve městech sníh neudrží, ale v okolí měst je v zimě pěkně bílo? Proč zmizely krysy z okolí objektu, kde jsme začali zachycovat teplo z kanalizace? Jsou to otázky, na které již umíme odpovědět. Tento kanalizační „topný kolektor“ dokážeme vychladit, čímž se podzemí měst ochladí a odebrané teplo z kanalizace zůstane v objektech, kde se opakovaně využije.
• Ochrana ovzduší a výrazné snižování produkce CO₂: zachycené teplo opět vracíme do systému ohřevu vody a vytápění, není proto třeba teplo produkovat spalováním paliv v teplárnách a kotelnách, a tím se výrazně snižuje produkce látek znečišťujících ovzduší.

Zkušenosti – roční bilance

Dnes je možné zhodnotit dosavadní zkušenosti z již ročního provozu rekuperačního zařízení na získávání tepla z kanalizace a ohřev vody v bytovém domě (88 bytů) v Košicích. Šlo o zcela první instalaci takového rozsahu v obytném domě, která byla realizována v období červen až září 2018. V říjnu byla zařízení uvedena do zkušebního provozu a začala se sbírat první data z měřičů.

Konečně mohlo dojít i k porovnání skutečnosti s původními předpoklady a výpočty. Jelikož se jednalo o prototyp zařízení, vyladění technologie trvalo 7 měsíců. Během této doby byl ovšem provoz schopen teplem z kanalizace zajistit ohřev vody již na 88,2 %. Zbývajících 11,8 % teplé vody bylo dodáno standardním způsobem od dodavatele tepla. Během následujících 5 měsíců jsme zvýšili podíl dodané teplé vody ohřáté odpadním teplem na 99,5 %. Dnes již systém dokáže garantovat dodávku teplé vody ohřevem jen odpadním teplem z kanalizace na 100 %.

Co se týče energetické náročnosti zachycování tepla z kanalizace, za prvních 7 měsíců zkušebního provozu bylo dosaženo průměrné spotřeby elektrické energie 21,8 kWh/m³ a v následujících 5 měsících byla tato potřeba stabilizována na průměrné hodnotě 18,6 kWh/m³, kdy je elektřina spotřebována jen na „přečerpávání“ tepla z kanalizace do ohřívané vody, nevyužívá se na přímý ohřev vody.

Když to porovnáme s předchozím obdobím, kdy dodavatel tepla dodával do objektu teplou vodu se spotřebou tepla 121 kWh/m³ na její ohřev a distribuci, dosahujeme energetické úspory 84,63 %.

Když přepočítáme spotřebovanou energii na ohřev vody na primární energii, bilance se nejeví až tak oslnivá. Faktor primární energie je totiž pro teplárny stanoven zvláštním způsobem. Když uvažujeme, že v teplárně se při spálení plynu (fp = 1,36) a uhlí (fp = 1,40) produkuje přibližně polovina elektrické energie a polovina tepla, je zvláštní, že dva produkty téhož výrobního procesu, které jsou oba neoddělitelně přítomny při výrobě, jsou zatíženy v konkrétním případě koeficientem primární energie: TEPLO fp = 0,46, ELEKTŘINA fp = 2,764.

Zohledněním uvedených koeficientů bylo dosaženo energetické náročnosti ohřevu vody z centrálního zdroje tepla v minulosti 55,66 kWh/m³ a nyní 51,41 k2H/m³, čili prostřednictvím umělého zvýhodňování tepláren při určování faktoru primární energie jsme snížili spotřebu primární energie o 7,6 %.

I ve vztahu k životnímu prostředí je naše řešení skutečně výjimečné. Produkci CO₂ jsme snížili oproti původnímu systému dodávky TV z původních 76,19 kg/m³ ohřáté vody na 5,45 kg/m³, což je úspora 92,8 % produkce CO₂.

Pro většinu investorů je samozřejmě nejzajímavější téma „finanční úspora“. Zde se ale nedají výsledky zobecňovat. Každý zdroj tepla má různou efektivitu výroby a distribuce teplé vody, různou cenu tepla a výsledkem je výrazný rozdíl v platbách, které lidé zaplatí za ohřev vody. Běžně se setkáváme s objekty, kde je cena za ohřev vody nad 13 eur/m³, ale byly zaznamenány i objekty, kde byla voda ohřívána za cenu pod 7 eur/m³.

Návratnost investice je tedy třeba vypočítat pro každý objekt individuálně. Pro ilustraci viz tab. 1 se základními údaji, se kterými jsme vstupovali do projektu. Oproti údajům v tabulce dnes už dosahujeme 100% krytí dodávky teplé vody z rekuperátoru a nižší spotřeby elektrické energie, čili výsledná čísla jsou ještě příznivější.

Upozorňujeme, že stav finančních úspor uvedený v tabulce nastane až po dvou letech od uvedení do provozu. První dva roky po provedení jakéhokoli úsporného opatření ke snížení spotřeby tepla se v podmínkách naší legislativy úspory dosáhnout nedá. To se týká všech úsporných opatření (zateplení, regulace, rekuperace). Fixní složka ceny tepla je určena dle spotřeby tepla před dvěma lety, čili i kdyby se snížila spotřeba tepla na nulu, fixní složku bude odběratel platit v plné výši ještě 2 roky.

V konkrétním případě našeho objektu tvoří fixní složka dvě třetiny platby za teplo, kterou je třeba zaplatit i v případě nulového odběru tepla. Je to dáno platnou legislativou, která tak garantuje příjmy dodavatelům tepla ještě na další 2 roky – to se dá komentovat jen velmi kriticky a lze to považovat za vážné téma vhodné k diskusi pro širokou odbornou veřejnost. Navzdory uvedené skutečnosti je plánovaná návratnost investice v první realizaci v horizontu do 7 let.

Závěr

První instalace a roční provoz zařízení na rekuperaci tepla z kanalizace v obytném domě v Košicích potvrdila, že jsme se vydali správným směrem. Měření dokázala, že v podzemí našich měst je obrovský rezervoár tepla, ze kterého se dá čerpat srovnatelné množství tepla, jaké produkují teplárny, kotelny a jiné zdroje tepla v těchto městech. Je to teplo, které uniká z budov nekontrolovaným způsobem ve velmi překvapivém množství.

Při současné realizaci dalšího bytového domu je novým cílem zajistit odpadním teplem, které je zachyceno v rekuperátoru, ohřev vody v plném rozsahu a dodání tepla do otopné soustavy v množství 25 % roční spotřeby tepla.