Rekuperácia tepla z kanalizácie v bytovom dome na ohriatie studenej vody
Ročná bilancia
Na základě ročního provozu konkrétního zařízení rekuperujícího teplo z odpadní vody vypouštěné do kanalizace do přípravy teplé vody dokumentuje autor skutečný potenciál úspory energií.
1. Základné fakty o ohreve vody
Na ohriatie studenej vody na teplú vodu (z teploty 10 °C na 50 °C) je potrebná tepelná energia 46,5 kWh/m3. S menším množstvom tepelnej energie sa voda ohriať nedá, je to dané fyzikálnymi zákonmi. V praxi sa často stretávame so sústavami centrálneho zásobovania teplou vodou (CZT), kde sa spotrebuje na ohrev teplej vody výrazne viac tepla, pretože pri jej výrobe a distribúcii dochádza ku stratám a bežné spotreby sú na úrovni dokonca viac ako 100 kWh/m3.
Vývojový tím našej spoločnosti hľadal možnosti a spôsob, ako dosiahnuť hodnotu spotreby tepla na ohrev vody výrazne pod hranicu 46 kWh/m3, čo v podstate nie je možné. Po niekoľkých rokoch vývoja, skúšok a prepočtov dnes vieme zabezpečiť ohrev a distribúciu teplej vody so spotrebou energie pod 19 kWh/m3!
2. Princíp riešenia
Nie, nevymysleli sme perpetuum mobile, my sme našli a využili zdroj tepelnej energie, ktorý je nevyčerpateľný a teplo z neho je k dispozícii bezplatne. Na získanie tohto tepla spotrebujeme len pomerne malé množstvo elektrickej energie na jeho „prečerpanie“ do sústavy ohrevu vody, alebo vykurovacej sústavy. Teplo, ktoré v skutočnosti na ohrev vody využijeme je zadarmo a preto v žiadnej bilancii táto energia nefiguruje. Ľudia nájdu vo vyúčtovaniach len spotrebu elektriny, ktorú na zachytenie tepla potrebujeme a vyzerá to, ako keby sme pripravovali teplú vodu len so spotrebou elektriny menšou ako 19 kWh/m3. Kde sme tento zdroj našli? Ide o kanalizáciu, ktorá z objektov odnáša veľké množstvo tepla.
3. Naše vstupné údaje
Do akej miery má zmysel zaoberať sa touto problematikou? Koľko tepelnej energie sa ukrýva v kanalizácii? Koľko tepla sa dá ušetriť zachytením tepla z kanalizácie? Keď sme sa pred niekoľkými rokmi začali tejto problematike venovať, nenašli sme nikde odpovede na naše otázky. Nepomohla nám odborná literatúra, internet, ani žiadne štúdie. Konzultácie s odborníkmi boli len na úrovni odhadov, či predpokladov. Technické riešenia efektívnej rekuperácie tepla z kanalizácie pre oblasť objektov sme u nás, ani v zahraničí nenašli.
4. Riešenie
Obr. 1: Principiálna schéma rekuperačného zariadenia
Našim riešením je inštalácia rekuperačného zariadenia na spätné získavanie tepla z kanalizácie. Základný princíp spočíva v umiestnení tepelného výmenníka do systému domovej kanalizácie, pred zaústením do verejnej kanalizácie. Pomocou výmenníka a ďalšieho technologického zariadenia sa odoberá teplo z odchádzajúcej odpadovej vody a na druhej strane zariadenia sa zachytené teplo využíva na prípravu teplej vody. Keď zariadenie pripraví dostatočne teplú vodu, prestane objekt odoberať teplú vodu z centrálneho zdroja a začne sa dodávať do domu voda ohriata odpadným teplom. Ak sa teplá voda pripravená ohrevom z odpadu minie, prepne sa dodávka teplej vody znovu na centrálny zdroj tepla.
Týmto riešením sme dosiahli:
• Zachytenie veľkého množstvo odpadného tepla:
V rekuperačnom zariadení sa zachytáva dostatočné množstvo tepla, potrebné na ohrev vody pre daný bytový dom, ktoré by inak uniklo z domu bez využitia. Do kanalizácie totiž z domu neodchádza len teplo, ktoré prišlo prostredníctvom teplej vody. Do kanalizácie sa dostane aj teplo, ktoré prišlo do objektu vykurovacou sústavou a prenáša sa ohrievaním studenej vody v rozvodoch, v nádržkách toaliet a ich následným spláchnutím, spolu s našim biologickým teplom v podobe exkrementov. V kanalizácií tiež skončí elektrická energia, ktorá sa v práčke, alebo umývačke premení na teplú odpadovú vodu.
• Legislatívne priechodné riešenie na zabezpečenie ohrevu vody:
Výstavba akýchkoľvek lokálnych zdrojov tepla v mestách s centrálnym dodávateľom tepla nie je na Slovensku možná, Zákon o tepelnej energetike to neumožňuje. Rekuperačné zariadenie ale nie je zdroj tepla – je to „zachytávač“ tepla. Tepla, ktoré obyvatelia domu už raz nakúpili, ktoré je ich majetkom, nie je preto žiadna legislatívna prekážka pri jeho inštalácii a schvaľovacom procese pri stavebných povoleniach.
• Zhodnotenie úsporných opatrení obyvateľov dotknutého objektu:
Ak sa v objekte pripojenom na centrálny zdroj tepla v sústave s viacerými objektmi vykoná vyregulovanie a zateplenie rozvodov teplej vody, úspory z toho opatrenia sa rozdelia pre všetky objekty v okruhu zdroja tepla. Pri inštalácii nášho zariadenia sa úspory zo zateplenia a vyregulovania rozvodov TV v objekte v plnom rozsahu prejavia v zníženej spotrebe teplej vody dodávanej z centrálneho zdroja tepla pre objekt a profitujú z nich obyvatelia objektu – nie obyvatelia celého okruhu zdroja tepla.
• Ochranu životného prostredie v mestách – znižovanie teploty:
Zachytením tepla z kanalizácie sa obmedzuje ohrievanie ovzdušia miest. Kanalizačná sústava je obrovský vykurovací kolektor, ktorý vyhrieva (hlavne v zimnom období) podzemie miest. Prečo sa v mestách sneh neudrží, ale v okolí miest je v zime pekne bielo? Prečo zmizli potkany z okolia objektu, kde sme začali zachytávať teplo z kanalizácie? Sú to otázky na ktoré už vieme odpovedať. Tomuto kanalizačnému „vykurovaciemu kolektoru“ dokážeme odobrať teplo, čím sa podzemie miest ochladí a odobraté teplo z kanalizácie zostane v objektoch, kde sa opakovane využije.
• Ochranu ovzdušia a výrazné znižovanie produkcie CO2:
Zachytené teplo, ktoré opätovne vraciame do systému ohrevu vody a vykurovania, netreba produkovať spaľovaním palív v teplárňach a kotolniach, čím sa výrazne znižuje produkcia látok znečisťujúcich ovzdušie.
5. Naše skúsenosti – ročná bilancia
Dnes sa vieme rozdeliť o skúsenosti z ročnej prevádzky rekuperačného zariadenia na získavanie tepla z kanalizácie a ohrev vody v bytovom dome (88 bytov) v Košiciach. Išlo o úplne prvú inštaláciu takéhoto rozsahu v bytovom dome, ktorú sme zrealizovali v období jún až september 2018. V októbri sme uviedli zariadenie do skúšobnej prevádzky a začali zbierať prvé údaje z meračov. Konečne sme mohli začať porovnávať skutočnosť s našimi predpokladmi a výpočtami. Keďže išlo o prototyp zariadenia, vyladenie technológie nám trvalo 7 mesiacov. Už počas tejto doby sme boli schopní teplom z kanalizácie zabezpečiť ohrev vody na 88,2 %. Zvyšných 11,8 % teplej vody bolo dodaných štandardným spôsobom od dodávateľa tepla. Počas nasledovných 5 mesiacov sme zvýšili podiel dodanej teplej vody ohriatej odpadným teplom na 99,5 %. Dnes už vieme garantovať dodávku teplej vody ohrevom len odpadným teplom z kanalizácie na 100 %.
Čo sa týka energetickej náročnosti zachytávania tepla z kanalizácie, dosiahli sme za 7 mesiacov skúšobnej prevádzky priemernú spotrebu elektrickej energie 21,8 kWh/m3 a v nasledujúcich 5 mesiacoch sme ju ustabilizovali na priemernej hodnote 18,6 kWh/m3, pričom elektrická energia je spotrebovaná len na „prečerpávanie“ tepla z kanalizácie do ohrievanej vody, nevyužíva sa na priamy ohrev vody. Keď to porovnáme s predchádzajúcim obdobím, keď dodávateľ tepla dodával do objektu teplú vodu so spotrebou tepla 121 kWh/m3 na jej ohrev a distribúciu, dosahujeme energetickú úsporu 84,63 %.
Keď prepočítame spotrebovanú energiu na ohrev vody na primárnu energiu, bilancia sa nejaví až taká oslnivá. Faktor primárnej energie je totiž pre teplárne stanovený zvláštnym spôsobom. Keď uvažujeme, že v teplárni sa pri spálení plynu (fp = 1,36) a uhlia (fp = 1,40) produkuje približne polovina elektrickej energie a polovina tepla, je zvláštne, že dva produkty toho istého výrobného procesu, ktoré sú oba neoddeliteľne prítomné pri výrobe, sú zaťažené v konkrétnom prípade koeficientom primárnej energie:
| Teplo | fp = 0,46 |
| Elektrina | fp = 2,764. |
Zohľadnením uvedených koeficientov bola dosiahnutá energetická náročnosť ohrevu vody z centrálneho zdroja tepla v minulosti 55,66 kWh/m3 a teraz dosahujeme hodnotu 51,41, čiže napriek umelému zvýhodňovaniu tepla produkovaného teplárňami pri určovaní faktoru primárnej energie sme znížili spotrebu primárnej energie o 7,6 %.
Aj vo vzťahu k životnému prostrediu je naše riešenie skutočne výnimočné. Produkciu CO2 sme znížili oproti pôvodnému systému dodávky TV z pôvodných 76,19 kg/m3 ohriatej vody na 5,45 kg/m3, čo je úspora 92,8 % produkcie CO2.
6. Finančná úspora
Pre väčšinu investorov je samozrejme najzaujímavejšia téma „finančná úspora“. Tu sa ale nedajú výsledky zovšeobecňovať. Každý zdroj tepla má rôznu efektivitu výroby a distribúcie teplej vody, rôznu cenu tepla a výsledkom je výrazný rozdiel v platbách, ktoré ľudia zaplatia za ohrev vody.
Bežne sa stretávame s objektmi, kde je cena za ohrev vody nad 13 Eur/m3, ale zaevidovali sme aj objekty, kde bola voda ohrievaná za cenu pod 7 Eur/m3. Návratnosť investície teda treba vypočítať pre každý objekt individuálne.
Pre ilustráciu uvádzame výpočtovú tabuľku so základnými údajmi s ktorými sme vstupovali do projektu. Oproti údajom v tabuľke má objekt väčšie tepelné straty v rozvodoch teplej vody, čo je možné vylepšiť zateplením rozvodov. Na druhej strane dnes už dosahujeme 100% krytie dodávky teplej vody z rekuperátora, čiže výsledné čísla sú ešte priaznivejšie.
| Pôvodný stav | Spotreba teplej vody (ďalej len TV) (2016) | 2 267,40 | m3/rok |
| Merná spotreba tepla na ohrev TV (2016) | 121,00 | kWh/m3 | |
| Cena tepla (2016) | 0,102 | Eur/kWh | |
| Cena tepla – fixná zložka (2016) | 291,2378 | Eur/kW | |
| Cena tepla – variabilná zložka (2016) | 0,0420 | Eur/kWh | |
| Fixná spotreba tepla | 74,3332 | kW | |
| Variabilná spotreba tepla | 276 328,57 | kWh | |
| Fixná zložka ceny tepla (2016) | 21 648,64 | Eur | |
| Variabilná zložka ceny tepla (2016) | 11 605,800 | Eur | |
| Ročná spotreba tepla na ohrev TV | 276 328,57 | kWh | |
| Ročný náklad na ohrev TV | 33 254,44 | Eur | |
| Náklad na ohrev 1 m3 TV | 14,67 | Eur/m3 | |
| Navrhnutý stav | Spotreba TV | 2 267,40 | m3/rok |
| Merná spotreba tepla na ohrev TV | 64,00 | kWh/m3 | |
| Servisné a prevádzkové náklady, revízie, ... | 3 600,00 | Eur/rok | |
| Cena elektriny (celková – vrátane distribúcie) | 0,130 | Eur/kWh | |
| Ročná spotreba tepla na ohrev TV | 145 113,60 | kWh | |
| Spotreba elektriny na rekuperáciu (kW/kW) | 0,210 | (-) | |
| Krytie výroby tepla: rekup-er | 95,00 | % | |
| Ročná spotreba elektriny na ohrev TV: rekup-er | 28 950,16 | kWh | |
| Ročná spotreba tepla na ohrev TV: dodávateľ tepla | 13 717,77 | kWh | |
| Ročný náklad na ohrev TV – elektrina | 3 763,52 | Eur/rok | |
| Ročný náklad na ohrev TV – teplo (po úprave fixnej zložky) | 1 329,95 | Eur/rok | |
| Ročný náklad na ohrev TV | 8 693,47 | Eur | |
| Náklad na ohrev 1 m3 TV | 3,83 | Eur/m3 | |
| Ročná úspora pri ohreve TV | 24 560,97 | Eur |
Upozorňujeme, že stav finančných úspor uvedený v tabuľke nastane až po dvoch rokoch od uvedenia do prevádzky. Prvé dva roky po vykonaní akéhokoľvek úsporného opatrenia na zníženie spotreby tepla sa v podmienkach legislatívy Slovenska finančná úspora v podstate dosiahnuť nedá. To sa týka všetkých úsporných opatrení (zateplenie, regulácia, rekuperácia).
Fixná zložka ceny tepla sa platí podľa spotreby tepla pred dvomi rokmi, čiže aj keby sa znížila spotreba tepla na nulu, fixnú zložku bude odberateľ platiť v plnej výške ešte 2 roky.
V konkrétnom prípade nášho objektu tvorí fixná zložka dve tretiny platby za teplo, ktorú treba zaplatiť aj v prípade nulového odberu tepla. Je to dané platnou legislatívou, ktorá tak garantuje príjmy dodávateľom tepla ešte na ďalšie 2 roky, čo sa dá komentovať len veľmi kriticky a čo považujeme za vážnu tému na diskusiu pre širokú odbornú verejnosť.
7. Plánovaná návratnosť investície
Napriek uvedenej skutočnosti je plánovaná návratnosť investície v našej prvej realizácii v horizonte 7 rokov pri uvažovanom medziročnom náraste cien energií (tepla aj elektriny) 3,5 %. Ešte raz ale upozorňujeme na fakt, že finančné a energetické úspory, ktoré sme dosiahli pri uvedenej realizácii sa nedajú plošne zovšeobecniť. Preto kladieme dôraz na informovanosť našich klientov a partnerov a aby sme ich neuvádzali do nereálnych predstáv ponúkame každému záujemcovi o dodávku našej technológie bezplatne vypracovanie predbežnej energeticko-finančnej analýzy z ktorej sa dá na reálnych číslach zhodnotiť výhodnosť investície. Na jej spracovanie potrebujeme nasledovné údaje: adresa objektu, spotreba teplej vody (m3/rok), spotreba tepla na ohrev vody (kWh/rok, alebo GJ/rok), fixná zložka ceny tepla (Eur/kW), variabilná zložka ceny tepla (Eur/kWh), kontakt na záujemcu.
8. Záver
Naša prvá inštalácia a ročná prevádzka zariadenia na rekuperáciu tepla z kanalizácie v bytovom dome v Košiciach nám potvrdila, že sme sa vydali správnym smerom. Merania nám potvrdili, že v podzemí našich miest je obrovský rezervoár tepla, z ktorého sa dá čerpať porovnateľné množstvo tepla, aké produkujú teplárne, kotolne a iné zdroje tepla v týchto mestách. Je to teplo, ktoré uniká z budov nekontrolovaným spôsobom v množstve, ktoré aj nás prekvapilo. Našim technickým riešením sme dosiahli vysokú spoľahlivosť dodávky teplej vody bez prerušení, bez obmedzení v denných, alebo nočných hodinách. Vďaka veľkým akumulačným objemom splaškovej, aj ohrievanej vody dokážeme prerušiť odber elektriny na prečerpávanie tepla počas výkonových špičiek bez obmedzenia kvality dodávky teplej vody.
Pri našej súčasnej realizácii ďalšieho bytového domu, ktorý práve uvádzame do prevádzky je našim cieľom zabezpečiť odpadným teplom, ktoré zachytíme v rekuperátore, ohrev vody v plnom rozsahu a dodanie tepla do vykurovacej sústavy v množstve 25 % z ročnej spotreby tepla. Som si istý, že budúci rok odprezentujeme ešte zaujímavejšie čísla.
Foto: z realizácie strojovne vo Voderadoch
Foto: z meraní v teréne
Článek je mírně poupravenou verzí přednášky, která byla součástí mezinárodní vědecko-technické konference Vykurovanie 2020, Slovensko, Podbánské, 10. až 14. února 2020.
Based on the yearly operation of a specific device recovering heat from waste water discharged into the sewerage system for hot water preparation, the author documents the true potential of energy savings.