Využití tepelné energie z kanalizačních systémů

Uplatňování koncepce zvyšování energetické efektivnosti budov ve spojení s jejich povinnou energetickou certifikací vede ke snaze o využívání obnovitelných zdrojů energie a maximální využití zpětného získávání tepla. Využití těchto netradičních zdrojů umožňuje snížení celkového množství dodané energie a primární energie, a tím i zařazení budovy do lepší energetické třídy. Velmi zajímavým se v tomto směru jeví využití tepla z kanalizačních systémů v budovách, a to jak z kanalizace mimo budovu, tak i ze zařízení na předčištění splaškové odpadní vody.

Odpadní vody z budov se mohou při správném technickém návrhu stát zdrojem energie pro chladicí systémy a systémy vytápění. V zimě mohou pomoci vytápět, v létě chladit vnitřní vzduch v budově. Teplota splaškové odpadní vody se během roku pohybuje od 10 do 20 °C. Splašková odpadní voda odváděná z budov je z tohoto důvodu ideálním zdrojem tepla na efektivní provoz tepelných čerpadel.

Nabídka energie a její zpětné získávání
V oblastech s rozvětveným kanalizačním systémem se nabízí více možností k získávání tepelné energie. Ke zjištění vhodného místa je nutné v prvé řadě ověřit, zda toto místo disponuje takovým množstvím splaškové vody, které by úplně nebo částečně pokrylo potřebu tepelné energie na zásobování budovy teplem.

K získávání tepla z kanalizačních systémů se doporučuje minimální průtok odpadní vody 15 l/s. V úvahu se bere tzv. střední, průměrná hodnota průtoku při odvádění odpadních vod. Průtok odpadní vody (l/s) by se měl rovnat 1/32 potřebě tepla (kW) na vytápění otopnými tělesy, podlahové vytápění, ohřev teplé vody apod. Maximální odebraný výkon (kW) by se měl rovnat osminásobné průměrné hodnotě průtoku odpadní vody (l/s).

Tepelnou energii ze splaškové odpadní vody lze získat z (obr. 1):
a) kanalizace v budově,
b) výměníků tepla z kanalizace mimo objekt,
c) předčišťovacího zařízení splaškové vody.



Obr. 1 Zpětné získávání tepla ze splaškové vody
a) v budově, b) z kanalizace mimo objekt, c) z předčišťovacího zařízení

Kanalizace v budově
Budovy, z nichž se odvádí větší a konstantní objemový průtok odpadní vody (například nemocnice, průmyslové stavby, plovárny apod.), jsou vhodné ke zpětnému získávání tepla přímo uvnitř objektů. Pro tento účel se odpadní voda odvede vnitřním kanalizačním systémem do sběrné nádrže, z níž se odebere teplo. Výhodou tohoto systému je relativně vyšší teplota odpadní vody.

Kanalizace mimo objekt
Zpětné získávání tepla z ležatých kanalizačních potrubí větších průměrů nebo z podtlakových kanalizačních systémů uložených v zemi má tu výhodu, že je zabezpečeno dostatečné a kontinuální množství odpadní vody k získávání tepla. Tento zdroj získávání tepla z odpadní vody má větší potenciál, takže je vhodný pro většinu velkých staveb, které se nacházejí uprostřed hustěji zastavěného území, sídliště apod. – čili tam, kde je hustá kanalizační síť.

Předčišťovací zařízení
Další alternativou je získávání tepelné energie z předčišťovacího zařízení. Je to jednoduchý technický princip získávání tepla. Použití je však prostorově omezeno, protože čistírny odpadních vod jsou často příliš vzdálené od zastavěného území a taktéž od místa spotřeby získávaného tepla.

Odevzdávání tepla výměníky
Nevyhnutelnou součástí zpětného získávání tepla z kanalizačních potrubí v zemi jsou výměníky tepla pro odpadní vody. V zahraničí se používá více typů výměníků – například výměníky integrované do prefabrikovaných kanalizačních skruží ve dně potrubí (obr. 2), které jsou vhodné u nových tras nebo rekonstrukcí potrubí. Průměr potrubí s integrovaným výměníkem je minimálně 500 mm. Prefabrikovaná potrubí s integrovaným výměníkem se vyrábějí kromě kruhových průměrů i pro různé jiné tvary kanálových potrubí, například pro vejcovitý nebo oválný profil. V případě existujících potrubí lze vložit výměník do dna potrubí. Doporučuje se minimální světlý průměr existujícího potrubí 800 mm, předpokladem je dlouhodobé využívání kanálu.

Změna teploty odpadní vody v kanalizačním potrubí
Při průtoku odpadní vody v kanalizačním potrubí dochází různými cestami k přenosu tepla mezi odpadní vodou a okolím (obr. 3).

Obr. 3:  Alternativy zásobování teplem tepelným čerpadlem se zpětným využitím tepla z odpadní vody (bloková tepelná elektrárna)
a) monovalentní, b) bivalentní, c) multivalentní výroba tepla

Pokles teploty (teplotní rozdíl) odpadní vody (°C) závisí na:

• odebraném množství tepla přes výměník tepla (tepelného toku) z odpadní vody Wop (kW),
• objemovém průtoku odpadní vody Q (l/s),
• hustotě odpadní vody (při teplotě odpadní vody 0 až 20 °C se za konstantu považuje 1 kg/l),
• specifické tepelné kapacitě c odpadní vody (při teplotě odpadní vody 0 až 20 °C se za konstantu považuje 4,19 kJ/(kg . °C)).

Čím je objemový průtok splaškové vody větší, tím je pokles teploty odpadní vody menší

(°C)    (1)

Například při objemovém průtoku Q = 25 l/s a odebraném teple odpadní vody W_op = 100 kW se odpadní voda ochladí o 1 °C. Při objemovém průtoku Q = 150 l/s a odebraném teple odpadní vody Wop = 300 kW se odpadová voda ochladí o 0,5 °C. Uvedené příklady ukazují, že při větším průtoku odpadní vody se může zpětně získat velké množství tepla, přičemž teplota odpadní vody poklesne o méně než 1 °C.

Pro případ průměrných vstupních hodnot za podmínek tzv. suchého počasí v zimním období jsou relevantní tyto údaje:

• veličiny, které ovlivňují teplotu odpadní vody:
  • teplota na výstupu z výměníku tepla,
  • objemový průtok odpadní vody,
  • teplota a vlhkost vzduchu v kanalizačním potrubí;
• pokles teploty odpadní vody v kanalizačním potrubí (v zimě se pohybuje kolem 1 °C),
• poklesne-li teplota odpadní vody během zpětného získávání tepla pod 8 °C, stoupá znovu podél toku v kanalizačním potrubí, protože teplota zeminy v hloubce uložení potrubí je vyšší (pohybuje se kolem 8 až 12 °C).

Způsoby výroby tepla s využitím tepla z odpadní vody
Srdcem zpětného získávání tepla z odpadní vody je výměník tepla a srdcem zásobování teplem je tepelné čerpadlo, které získané teplo zpracovává a dodává do objektu. Tepelné čerpadlo může být jediným zdrojem tepla, pak jde o tzv. monovalentní zásobování, nebo se mů­že kombinovat s jinými zdroji tepla (obr. 4).

Obr. 4: Výroba tepla tepelným čerpadlem na odpadní vodu z kanalizace

Monovalentní výroba – výroba tepla tepelným čerpadlem
Koncepce návrhu zásobování teplem s využitím tepla z odpadní vody závisí především na vytyčení cíle. Pokud je možné odebrat mnoho tepelné energie z odpadní vody a cílem je vyloučení fosilního paliva, je vhodné získávat teplo výlučně pomocí tepelného čerpadla, tj. monovalentním způsobem. V případě kombinace více druhů systémů vytápění v budově lze použít agregáty se dvěma až čtyřmi kompresory nebo paralelně zapojit více tepelných čerpadel. Nevýhodou systému je potřeba většího průtoku odpadních vod. Příklad monovalentní výroby tepla z odpadní vody je na obr. 5.

Bivalentní výroba tepla – tepelné čerpadlo v kombinaci s kotlem
V zahraničí se nejčastěji využívá teplo z odpadní vody zpracované tepelným čerpadlem v kombinaci s kotlem na pokrytí odběrových špiček. Tepelné čerpadlo tvoří základní tepelný zdroj a kotel představuje doplňkový zdroj tepla. Tato kombinace zabezpečuje zásobování teplem i v případě, že z nějakých důvodů poklesne množství odebraného tepla z kanalizace. V běžném provozu se kotel využívá jen během odběrových špiček. V porovnání s monovalentním provozem jsou investiční náklady v tomto případě nižší.

Multivalentní výroba tepla
Nejlepší výsledky efektivity výroby tepla představuje kombinace tepelného čerpadla pro odpadní vodu a blokové tepelné elektrárny. Bloková elektrárna vyrábí teplo na vytápění a také elektrickou energii pro pohon tepelného čerpadla. Podobným způsobem mohou být využity i další zdroje energie, jako například energie spodní vody, teplo z chladicích zařízení, teplo z technologických výrobních procesů, stlačených plynů nebo tlakových větracích zařízení. Multivalentní teplárny (centrální výrobny tepla) jsou výhodné pro velké odběry tepla.

Chlazení z odpadní vody
V letním období se zpětně získané teplo z odpadní vody v kanalizaci může využít i k chlazení v objektu. Teplota splaškové odpadní vody se v létě pohybuje do 20 °C, což je vhodná teplota pro činnost tepelného čerpadla (obr. 6).

Všechna zařízení na odběr tepla z odpadní vody, jako jsou například výměník tepla a tepelné čerpadlo, se využijí i při výrobě chladu. Není nutné žádné přídavné zařízení, tj. nedochází ani ke zvýšení investičních nákladů na výrobu chladu.

doc. Ing. Jana Peráčková, Ph.D.
Autorka působí na Katedře technických zařízení budov Stavební fakulty STU v Bratislavě.

Recenzoval: prof. Ing. Jaroslav Valášek, Ph.D.

Příspěvek vznikl v rámci projektu VEGA č. 1/0730/08.

Foto a obrázky: archiv autorky, Bundesverband Wärmepumpe, Dano Veselský, Pavel Zálešák

Literatura
1.  Wanner, O. a kol.: Wärmerückgewinnung aus Abwassersystemen, BFE-Projekt Nr. 44177, Schlussbericht. EAWAG, CH-8600 Dubendorf, 2004.
2. Buri, R. – Kobel, B.: Leitfaden für Ingenieure und Planer. Institut Energie in Infrastrukturanlagen Zürich, ECO.S Energieconsulting Stodtmeister, Berlin, 2005.
3. Wärmen und Kühlen mit Abwasser. Institut Energie
in Infrastrukturanlagen Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e. V., München, 2005.

Článek byl uveřejněn v časopisu TZB HAUSTECHNIK.