Výměníky rekuperace tepla z kanalizačních systémů

Teplo získané z odpadní vody lze optimálně využít k nízkoteplotnímu vytápění, vysokoteplotnímu chlazení a k přípravě teplé vody v nízkoenergetických budovách. Pro naplnění tohoto potenciálu je však nutná spolupráce projektanta se správcem kanalizace.

Při současném trendu výstavby nízkoenergetických domů a domů s nulovou spotřebou energie se používají stále kvalitnější mate­riály k zateplení, osazují se okna a dveře s vý­bornými tepelně izolačními vlastnostmi a při návrhu se klade důraz na orientaci a dispoziční uspořádání. Ve snaze dosáhnout co nejnižší spotřeby energie se využívají různé alternativní zdroje energie i odpadní teplo.

Kanalizací odtéká odpadní voda s průměrnou teplotou od 10 do 25 °C. Teplo získané z odpadní vody tak lze optimálně využít v nízkoenergetických budovách k nízkoteplotnímu vytápění, vysokoteplotnímu chlazení a zároveň k předehřevu vody. U těchto systémů jsou vhodné zdroje odpadní vody s větším průtokem, například ze skupin objektů na bydlení, z administrativních objektů, bazénů či koupališť a průmyslové výroby.
Hlavními částmi rekuperačního systému pro zpětné získání tepla z odpadní vody jsou výměník tepla a tepelné čerpadlo. Rozhodujícími faktory při přenosu tepla jsou přitom dispozice a tvar výměníků, jejich návrh závisí na různých požadavcích a vhodnosti samotného kanalizačního systému.

Podmínky návrhu výměníků
Na správný návrh a realizaci systémů s rekuperací tepla z kanalizačních potrubí mají rozhodující vliv tyto faktory:

• krátká vzdálenost mezi spotřebitelem a umístěním systému zpětného získávání tepla (administrativa, bazény, průmyslové provozy, více rodinných domů),
• teplota odpadní vody (nejlepší je konstantní, přibližně 10 až 15 °C nebo vyšší),
• minimální průtok odpadní vody 10 l/s,
• minimální průměr kanalizačního potrubí DN 1000 pro dodatečnou instalaci výměníků (u prefabrikovaných kanalizačních prvků s integrovanými výměníky je minimální průměr DN 400),
• nízká teplota vytápěcí vody (otopný systém v objektu) a rekuperační systém navržený jako bivalentní,
• dostatečné tlakové poměry v potrubním rozvodu,
• veličiny jako průtok odpadní vody, jeho změny, nečistoty v různých úsecích, teplota odpadní vody musejí být stanoveny předem,
• co nejvyšší průtoková rychlost odpadní vody v potrubí (minimálně 1 m/s); cílem je, aby se nečistoty (biofilm) neusazovaly na dně potrubí,
• 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) [3].

Druhy výměníků tepla
Druh a způsob osazení výměníku v kanalizačním potrubí závisejí na kanalizačním systému. Výměníky tepla je možné osadit do existujících nebo nových potrubí a lze je použít u všech druhů odpadních vod. Poloha výměníku tepla je dána parametry kanalizačního systému, z důvodu lepší dostupnosti se však doporučuje osazovat výměníky k horní hraně kanalizačního potrubí. Podle způsobu osazení a konstrukce se výměníky rozdělují na:

• výměníky tepla vložené do kanalizačního potrubí,
• výměníky tepla integrované do betonové stěny kanalizačního potrubí,
• předizolované kanalizační potrubí s integrovaným ocelovým výměníkem tepla,
• externí ocelové dvoutrubkové výměníky tepla.

Při návrhu výměníků tepla je třeba zohlednit tyto požadavky:

• vyloučení potřeby čištění výměníku tepla (výjimka při čištění kanalizačního potrubí),
• žádná nebo jen malá údržba výměníků během celé životnosti systému,
• ekonomicky rentabilní předdimenzování tepelného výměníku (plochy), aby byla zabezpečena výkonnostní rezerva,
• dosažení optimálních hodnot výkonu výměníku [3].

–>–>
Výměníky tepla vložené do kanalizačního potrubí
Prvky výměníku tepla je možné instalovat v nových i existujících potrubích. Mohou se vložit do spodní části potrubí nebo k horní hraně. Výměník tepla umístěný u horní hrany je výhodný z hlediska kontroly a revize, instalace je však investičně náročnější.

Teplo se z odpadní vody odvádí a odevzdává přes teplosměnnou plochu výměníku. Pod výměníkem jsou umístěna tři potrubí (přívodní, vratné a rozdělovací), která zabezpečují přenos tepla do tepelného čerpadla a do uživatelského systému (otopný systém, systém přípravy teplé vody, chladicí systém), (obr. 2). Schéma zapojení ocelového výměníku tepla vloženého do kanalizačního potrubí je zobrazeno na obr. 3 a technické parametry jsou uvedeny v tab. 1.

Obr. 2 Ocelový výměník tepla vložený do kanalizačního potrubí
1 – kanalizační potrubí, 2 – přívod studené vody do výměníku, 3 – rozdělovací potrubí, 4 – výměník tepla,
5 – výstup ohřáté vody z výměníku [3]

Obr. 3  Schéma zapojení ocelového výměníku tepla vloženého do kanalizačního potrubí
1 – kanalizační potrubí, 2 – odpadní voda, 3 – přívod studené vody do výměníku, 4 – rozdělovací potrubí,
5 – výstup ohřáté vody z výměníku, 6 – výměník tepla, 7 – tepelné čerpadlo, 8 – kondenzátor, 9 – výparník,
10 – kompresor, 11 – expanzní ventil, 12 – systém vytápění v budově, 13 – oběhové čerpadlo

Obr. 4  Integrovaný výměník tepla ve stěně betonové kanalizační trubky
1 – betonová trubka, 2 – přívod studené vody do výměníku, 3 – rozdělovací potrubí, 4 – výměník tepla,
5 – výstup teplé vody z výměníku [5]

Výměníky tepla integrované do stěny kanalizačního potrubí
O vestavěných výměnících je možné hovořit jen v případě nových potrubí. Výhodami jsou rychlá výstavba a to, že výměník neubírá z prů­měru kanalizačního potrubí. Nevýhodou je špatná přístupnost při kontrole a revizi.

Předizolované kanalizační potrubí s integrovaným ocelovým výměníkem
Teplosměnnou plochu tvoří u těchto výmění­ků samotné dvouplášťové kanalizační potrubí, které odevzdává teplo distribučnímu potrubí instalovanému v tepelné izolaci (obr. 5).

Předizolované kanalizační potrubí lze použít jen při výstavbě nových potrubních systémů nebo při výměně starých kanalizačních potru­bí. Jsou vhodná u gravitačních i tlakových systémů. U gravitačních systémů jsou distribuční potrubí umístěna na boku ocelového kanalizačního potrubí (obr. 6). Přenos tepla závisí na průtoku (výšce hladiny) odpadní vody. Schéma zapojení předizolovaných kanalizačních potrubí je na obr. 7 a technické parametry jsou uvedeny v tab. 2. U tlakových systémů jsou distribuční potrubí umístěna u horní hrany kanalizačního potrubí (obr. 8). Technické parametry k předizolovaným kanalizačním potrubím určeným do tlakových systémů jsou uvedeny v tab. 2.

Obr. 5  Předizolované kanalizační potrubí s integrovaným ocelovým výměníkem tepla
a) před montáží, b) uložené ve výkopu [3]

Obr. 6  Předizolované kanalizační potrubí určené do gravitačního systému
1 – vnější plášť z polyetylenu, 2 – tepelná izolace, 3 – kanalizační potrubí (výměník tepla), 4 – odpadní voda,
5 – výstup ohřáté vody z výměníku, 6 – rozdělovací potrubí, 7 – přívod studené vody do výměníku [3]

Obr. 7  Schéma zapojení předizolovaného kanalizačního potrubí s integrovaným výměníkem tepla – gravitační systém
1 – vnější plášť z polyetylenu, 2 – tepelná izolace, 3 – kanalizační potrubí (výměník tepla), 4 – odpadní voda,
5 – výstup ohřáté vody z výměníku, 6 – rozdělovací potrubí, 7 – přívod studené vody do výměníku, 8 – tepelné čerpadlo, 9 – výparník, 10 – kondenzátor, 11 – expanzní ventil, 12 – kompresor, 13 – systém vytápění v budově,
14 – oběhové čerpadlo

Obr. 8  Předizolované kanalizační potrubí určené do tlakového systému
1 – vnější plášť z polyetylenu, 2 – tepelná izolace, 3 – kanalizační potrubí (výměník tepla), 4 – odpadní voda, 5 – přívod studené vody do výměníku, 6 – rozdělovací potrubí, 7 – výstup ohřáté vody z výměníku [3]

Externí dvoutrubkové ocelové výměníky tepla
U tohoto typu se výměník tepla skládá ze dvou potrubí vložených do sebe (obr. 9). Odpadní voda proudí vnitřním potrubím, kde se využívá jako zdroj tepla. Mezi vnějším a vnitřním potrubím je meziprostor, jímž protéká čistá voda. Stěna vnitřního potrubí přenáší teplo z odpadní vody do čisté vody v distribučním systému.

Speciální dvoutrubkové potrubí nabízí oproti klasickým potrubím mnohé výhody související s obsahem pevných částic v odpadní vodě. Tento systém se hodí u šedé i černé vody. Ukázky externích dvoutrubkových výměníků jsou na obr. 11.

Výměník tepla není přímo integrován do potrubního systému kanalizace. Odpadní voda se ze zdroje vhání čerpadlem do výměníku nebo se přečerpává přes akumulační nádrž (obr. 12, 13). Technické specifikace externích výměníků jsou uvedeny v tab. 3.

Obr. 9  Schéma externího protiproudového dvoutrubkového ocelového výměníku tepla
1 – přívod studené vody do výměníku tepla, 2 – výstup odpadní vody, 3, 4 – příruby, 5 – přívod odpadní vody, 6 – výstup ohřáté vody z výměníku tepla [7]

Obr. 10  Schéma zapojení předizolovaného kanalizačního potrubí s integrovaným výměníkem tepla – tlakový systém
1 – vnější plášť z polyetylenu, 2 – tepelná izolace, 3 – kanalizační potrubí (výměník tepla), 4 – odpadní voda,
5 – výstup ohřáté vody z výměníku, 6 – rozdělovací potrubí, 7 – přívod studené vody do výměníku, 8 – tepelné čerpadlo, 9 – výparník, 10 – kondenzátor, 11 – expanzní ventil, 12 – kompresor, 13 – systém vytápění v budově,
14 – čerpadlo, 15 – zdroj odpadní vody

Obr. 11  Příklady externích dvoutrubkových ocelových výměníků tepla [6, 3]

Obr. 12 Schéma zapojení externího dvoutrubkového ocelového výměníku tepla do kanalizačního potrubí
1 – kanalizační potrubí, 2 – odpadní voda, 3 – oběhové čerpadlo, 4 – externí výměník tepla [3]

Obr. 13 Schéma zapojení externího dvoutrubkového ocelového výměníku tepla v kombinaci s akumulační nádrží
1 – kanalizační potrubí, 2 – odpadní voda, 3 – oběhové čerpadlo, 4 – externí výměník tepla, 5 – akumulační nádrž [3]

Závěr
Na Slovensku se systémy zpětného získávání tepelné energie z kanalizačních systémů dosud stále nerealizují, vzhledem k významným úsporám energie by je však bylo vhodné aplikovat v praxi i v našich podmínkách. Při návrhu zpětného získávání tepla ze stokové sítě je nevyhnutelná spolupráce projektanta s budoucím správcem kanalizace, který musí umět tyto systémy erudovaně provozovat. Bohatší a pozitivní zkušenosti s nimi už mají v západní Evropě (Německo, Švýcarsko apod.), kde se tyto systémy realizují s největším úspěchem.

Ing. Veronika Podobeková, doc. Ing. Jana Peráčková, Ph.D.
Recenzoval: doc. Ing. Ján Takács, Ph.D.
Foto a obrázky: archiv autorek, firemní materiály

Autorky působí na Katedře technických zařízení budov Stavební fakulty STU v Bratislavě.

Literatura
1.    Peráčková, J.: Spätné získavanie tepelnej energie z kanalizačných systémov.
    In: TZB Haustechnik. roč. 17, 2009, č. 7, s. 40–42.
2.    Heizen und Kühlen mit Abwasser. München: Institut energie in Infrastrukturanlagen Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V., 2005.
3.    KASAG LANGNAU AG, dostupné na
    http://www.kasag.ch/RENEWABLEENERGY/tabid/150/language/en-US/Default.aspx
4.    Klinger und Partner DE, dostupné na
    http://www.klinger-partner.de/uw/abwasserwaerme.php
5.    Rabtherm Energy Systems, dostupné na
    http://www.rabtherm.ch/index.php?option=com_content&view=article&id=60&Itemid=35&lang=en
6.    JC Equipments Pvt Ltd, dostupné na
    http://www.jcequipments.com/double-pipe-heat-exchanger.html
7.    Wikimedia commons, dostupné na
    http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Double-Pipe_Heat_Exchanger.png

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.