Partneři sekce:
  • SCHELL
  • REHAU

Energetické systémy pro využití tepla z odpadní vody

Energetické systémy pro využití tepla z odpadní vody

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:
  1. zaústění odpadní vody z průmyslu s vysokou teplotou (možné výkyvy teplot při nepravidelné výrobě a změnách ve výrobě),
  2. 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
    QVT 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,
    QWW – 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
    QVT je tepelný výkon výměníku tepla (W),
    Q – 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
    QVT    je    tepelný výkon výměníku tepla (W),
    U    –    součinitel prostupu tepla (W/(m2. K),
    AVT    –    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),
    QVT – 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,
    QWW – průtok odpadní vody (l/s).