12.5.4.1
Využití tepla šedé vody
Ing. Bohumír Číhal
Odpadní voda jako zdroj tepelné energie
Šedé vody jsou vody z van, sprch, umývadel, praček a výlevek. Složení a množství těchto vod je silně závislé na typu zařízení, které ji produkuje a na životním stylu obyvatelstva. Jejich teplota je proto různá a je závislá na mnoha faktorech v rámci těchto zařízení (např. návštěvnost zařízení, směnovitost provozu apod.). Využití energie z těchto vod se přímo nabízí, za zvážení ale stojí, v kterých případech je to (z různých hledisek) vhodné a přínosné. Logické je, že ekonomičnost bude lepší tam, kde je větší produkce odpadních vod, vypouští se voda s vyšší teplotou a kde je i větší potřeba užitkové vody. K posouzení je třeba individuální posouzení každého objektu. Proto se touto tématikou zabývá i v předchozí kapitole zmíněný vývojový projekt TAČR "Využití šedé a dešťové vody v budovách", z něhož uvedeme některé výstupy.
Průměrný objem vyprodukované šedé vody se pohybuje u rodinných domů mezi 55 – 112 l/EO.den (pozn: EO = jednotka pro výpočet bilance znečištění vztažená na 1 obyvatele). Některé aplikace, jako hotely, bazény, wellnes centra, mají spotřebu teplé vody až 400 l/EO.den a teplota vypouštěné vody je vyšší než teplota běžných komunálních vod. Pohybuje se mezi 18 – 35 °C. Při rostoucích cenách energií je recyklace tepla ze šedých vod jedním ze způsobů jak snížit náklady na ohřev teplé užitkové vody (TUV), provozní teplé vody, popřípadě na vytápění objektu. Ačkoliv je toto téma v ČR stále ještě na okraji pozornosti, jsou již realizovány první aplikace, ať už na znovu využití vody nebo na rekuperaci tepla.
Obr. č. 1: Možné zapojení lokálního systému předehřevu vody
Využití tepelného potenciálu se přitom přímo nabízí, a to jak v liniových objektech, jako jsou kanalizační potrubí, tak i v objektech na kanalizační síti. Samostatnou kapitolou je pak využití tepla přímo v objektech. Nejčastěji se k získání energie z odpadní vody používají šedé vody, tj. vody ze sprch a koupelen. Důvody jsou dva: jsou relativně čisté a je v nich obsaženo více tepla než v jiných vodách. Spotřeba energie na ohřev teplé užitkové vody, která tvoří velkou část šedých vod, tvoří dnes 25 až 75 % celkových nákladů na energie domácností podle tepelných parametrů objektu (např. pasivní dům). Nyní využíváme pouze 10 % energie, kterou vložíme do ohřátí teplé užitkové vody.
Energetické využití tepla z šedých vod
Teplota šedé vody je různá a závisí na mnoha faktorech, jako je návštěvnost zařízení, směnnost provozu apod. Proto je potřebné individuální posouzení každého objektu. Logické je, že ekonomičnost bude lepší tam, kde je vyšší produkce odpadních vod i potřeba a kde se vypouští voda s vyšší teplotou. Recyklace tepla ze šedých vod je jedním ze způsobů, jak snížit náklady na ohřev teplé užitkové vody, provozní spotřebu teplé vody, popřípadě na vytápění objektu.
NahoruPoužívané metody
Odebírání tepla z odpadní vody lze provádět buď lokálně, nebo centrálně. O volbě metody rozhoduje průtok odpadní vody. Pro menší aplikace a rodinné domy je investičně zajímavější lokální rekuperace tepla, která reaguje na aktuální spotřebu. U větších aplikací je možno odpadní vodu akumulovat, odebrat z ní potřebné teplo a až po té jí vypustit do stokové sítě nebo na čistírnu odpadních vod.
Lokální systémy
Lokální systémy rekuperace tepla jsou založené na principu odebírání tepla z odtékající vody, která předehřívá studenou vodu do sprch nebo jiných aplikací. Existují opět dva druhy aplikací:
Obě uvedená řešení odebírání tepla jsou vhodná pro rodinné domy a menší provozy.
Předehřev studené vody pro okamžitou spotřebu
Výhodou tohoto zapojení je, že se voda předehřívá v souvislosti se spotřebou. Časová prodleva, od které je předehřátá voda k dispozici, je závislá na délce potrubí a umístění tepelného výměníku.
Obr. č. 2: Schéma možného zapojení lokálního systému pro okamžitou spotřebu
Teplota předehřáté vody se pohybuje kolem 20 °C a lze ji přímo napojit do okruhu sprch nebo umyvadel. Toto opatření má za následek snížení spotřeby rozváděné teplé užitkové vody. Ve směšovací baterii se smíchává menší podíl teplé vody s větším podílem vody předehřáté. Tento systém má větší účinnost než předehřátí vody do zásobníku teplé užitkové vody, protože je umístěn blíže směšovací baterii a snižují se ztráty v rozvodném potrubí.
Pro hrubou představu o kalkulování nákladů uvádíme příklad uváděný u objektu se spotřebou teplé vody (40 °C) 0,328 m3/den.
Tab.č. 1: Vstupní informace pro kalkulaci
Tab. č. 2: Kalkulace úspor při použití předehřevu studené vody
Předehřev studené vody do zásobníku teplé užitkové vody
Druhou uváděnou možností je vést předehřátou vodu do zásobníku teplé užitkové vody, kde se dohřívá na příslušnou požadovanou teplotu. Tento systém je investičně náročnější a má menší účinnost než výše popsaný systém. S výhodou lze při odvádění vody do zásobníku použít tzv. stratifikace teploty, to znamená předehřátou vodu odvádět do místa ve výměníku, které má příslušnou teplotu. Rozvrstvení objemu zásobníku podle teploty (stratifikace), resp. hustoty vody vychází z prostého fyzikálního principu: chladnější a těžší voda se drží u dna, teplejší stoupá vzhůru.
Obr. č. 3: Rozdíl mezi stratifikovaným a promíchaným zásobníkem
Energetickou výhodu teplotního rozvrstvení lze vysvětlit na příkladu dvou uvedených zásobníků teplé vody o objemu 300 l. Uživatel vyžaduje 150 l teplé vody o teplotě 50 °C, přičemž teplota přiváděné studené vody je 10 °C. U prvního zásobníku je horní část zásobníku (150 l) ohřáta na 50 °C a dolní část zásobníku zůstává na teplotě 10 °C. Druhý zásobník je při dokonalém promíchání celý nahřátý na 30 °C. Do obou zásobníků bylo dodáno stejné množství tepla. Uživatel prvního zásobníku má k dispozici požadované množství vody o požadované teplotě. Uživatel druhého zásobníku nemá k dispozici vodu požadované teploty a požadované množství vody ze zásobníku musí být dohříváno dodatkovým zdrojem tepla. Jedna soustava funguje správně (100 % pokrytí potřeby), druhá špatně i přes to že mají ostatní prvky stejné.
Teplotní vrstvení je ovlivňováno především způsobem přívodu a odběru pracovní látky zásobníku. Pro správnou funkci zásobníku je nutné nejen vrstvení podle teploty vytvořit, ale hlavně je udržet, aby nedegradovalo. Pro přirozené udržení teplotního vrstvení objemu zásobníku vlivem vztlakových sil se zásadně používají stojaté štíhlé zásobníky, u kterých dochází k přirozenému teplotnímu rozvrstvení objemu a jeho snadnému udržení. Pro řízení teplotního rozvrstvení se využívá speciálních samočinných stratifikačních vestaveb nebo regulačních prvků.
Pro zásobníky tepla s řízeným vrstvením se používají různé způsoby jak dosáhnout teplotního vrstvení při nabíjení zásobníku, některé z nich uvádíme na následujícím obrázku.
Obr. č. 4: Různé způsoby řízeného teplotního vrstvení
První způsob řízení stratifikace ventily ovládanými na základě porovnávání teploty v dané vrstvě zásobníku a teploty přiváděné vody (na obrázku vlevo), se využívá při rozdělení objemu akumulace do více zásobníků, např. u velkých soustav pro bytové domy. Jednodušším způsobem bez nároku na regulaci a elektrickou energii jsou samočinné trubkové stratifikační vestavby, které pracují na základě rozdílu hustot mezi přiváděnou vodou z výměníku a vrstvami akumulačního zásobníku. Voda je přiváděna vždy pod vrstvu, která má nižší hustotu. Trubkové vestavby (uprostřed) jsou levné prvky, zpravidla z plastového potrubí. Odbočky jsou opatřeny velmi lehkými zpětnými klapkami. Speciální talířové vestavby (vpravo) mají gravitační zpětné klapky. U trubkových vestaveb je důležité udržet nízkou rychlost v přívodním potrubí, aby nebylo teplotní rozvrstvení narušeno účinkem kinetické energie proudu přiváděné vody.
Obr. č. 5: Příklad stratifikační vestavby z odpadních PVC trubek
Centrální systémy
Centrální systémy jsou vhodné pro větší objekty, které produkují větší množství šedých vod. U těchto aplikací, kde je odběr vody kolísavý, se voda shromažďuje v akumulační jímce, která slouží jako zdroj tepla pro primární okruh tepelného čerpadla. Jedná se o komplexní zařízení pro čištění šedých vod a odběr tepla.
Obr. č. 6: Doplnění zařízení pro čištění šedých vod o odběr tepla
Velkou výhodou tohoto uspořádání je velice jednoduchá konstrukce tepelného výměníku, který je možno řešit plastovými resp. kovovými trubkami nebo hadicemi s nízkými investičními náklady.
Obr. č. 7: Tepelný výměník ve vyrovnávací nádrži
Úskalím tohoto řešení je, že nemůžeme vodu ochladit na libovolnou teplotu. Pokud necháme tepelnému čerpadlu odebírat teplo z šedé vody bez kontroly teploty, může se stát, že jímka zamrzne. Teplo z jímky…
