Domovní rekuperace tepla z odpadní vody
V budovách činí procento dodané energie spotřebované na ohřev teplé vody přibližně 11%. Rekuperace tepla z odpadních vod je ohromný, a prakticky nevyužívaný, prostor pro vývoj energeticky úsporných ohřívacích systémů pro budovy.
Úvod
Analýza založená na měření energetického potenciálu odpadní vody v šesti budovách v Německu ukazuje na vysokou teplotní úroveň dosud široce nevyužívaného zdroje v podobě odpadní vody. Odpadní voda má průměrnou teplotu přibližně 21 až 26 °C. Na základě měření spotřeby pitné vody je odhadované množství odpadní vody v průběhu pracovního dne průměrně 113 až 133 litrů na den a osobu v rezidenčních budovách, 184 litrů/den a pokoj v hotelech a 327 litrů/den a lůžko v nemocnicích.
Využívání tepelné energie z odpadní vody zajišťované tepelnými čerpadly vede k vysokým sezónním topným faktorům umožňujícím ekonomický i ekologický provoz domovních systémů pro rekuperaci tepla. Za účelem zajištění účinnosti systému je nutné pravidelně odstraňovat biovrstvu narůstající na straně odpadní vody tepelného výměníku v důsledku nutriční bohatosti odpadní vody.
Výzkumný přístup
Na ohřev vody se v Německu využívá přibližně 5% celkové spotřeby energie [1]. V budovách činí procento dodané energie spotřebované na ohřev teplé vody přibližně 11% [2]. V důsledku neustálé snahy o snižování spotřeby tepla v budovách bude procento energie používané na zásobování teplou vodou v následujících letech významně růst. Ohromné množství energie obsažené v odpadní vodě je obvykle bez jakéhokoli využití vypouštěno do stokové sítě. V rámci snahy o dosažení evropských cílů v oblasti ochrany klimatu představuje rekuperace tepla z odpadních vod ohromný, a prakticky nevyužívaný, prostor pro vývoj energeticky úsporných ohřívacích systémů pro budovy.
Obrázek 1. Koncepty rekuperace tepla z odpadní vody.
Myšlenka rekuperace tepla z odpadních vod pomocí tepelných čerpadel bezpochyby není nijak nová. Od osmdesátých let dvacátého století využívají ústřední vytápěcí systémy v Německu, Švýcarsku a skandinávských zemích teplo z odpadních vod (obrázek 1), a to buď ve stokové síti, nebo na výtoku z čističek odpadních vod [3]. Teplota odpadní vody je celoročně přibližně 10 až 15 °C, a v létě dokonce až 20 °C, což zaručuje dostačující zdroj tepla pro provoz tepelných čerpadel [4]. V zimních měsících, kdy je vysoká poptávka po vytápění, je k dispozici odpadní voda o teplotě pouze přibližně 10 °C, což vede ke snížení účinnosti tepelného čerpadla.
Projekt podporovaný Německým ministerstvem dopravy, výstavby a městského rozvoje nazvaný „Domovní rekuperace tepla z domovních odpadních vod za účelem zvýšení energetické účinnosti budov“, na kterém pracuje Katedra konstrukce a technických zařízení budov RWTH university v Aachenu, je ale od této technologie odlišný [5]. Hlavním cílem tohoto projektu je decentralizované využívání tepelné energie ze všech toků odpadní vody v budovách, před vstupem do stokové sítě tak, aby se zabránilo úniku této energie do okolní půdy. To vysvětluje výše použité hodnoty teplot odpadní vody 23 až 26 °C, které jsou výrazně vyšší v porovnání s teplotami v ústředních systémech. Díky takto vysokým teplotám lze významně zvýšit účinnost a nákladovou efektivnost systémů tepelných čerpadel. Vznikne tak tepelný cyklus, v rámci kterého lze tepelnou energii odpadní vody využívat prostřednictvím tepelného čerpadla k výrobě teplé užitkové vody přímo v budovách.
V rámci tohoto výzkumného projektu je prováděna metrologická analýza potenciálu energetického zdroje představovaného odpadní vodou v budovách, včetně simulací různých systémových konceptů, za účelem vyhodnocení účinnosti tohoto systému v porovnání s konvenční výrobou energie.
Koncepce monitorování
Obrázek 2. Koncepce monitorování.
Za účelem stanovení energetického potenciálu toků odpadních vod je nutné ve sledovaných objektech měřit spotřebu studené pitné vody a teplotu odpadní vody. V tomto případě je spotřebované množství pitné vody rovno odhadovanému množství odpadních vod. Teplota odpadní vody se měří redundantně, na každém odtoku se nachází dvě tepelná čidla. Měřicí body se nachází na hlavní stoce, za všemi interními stokami a před místem, kde tok odpadní vody vtéká do stokové sítě (obrázek 2).
Monitorováno je šest objektů: rezidenční dům pro více rodin s 19 obyvateli ve městě Düren, další rezidenční dům pro více rodin s 49 obyvateli v městě Pforzheim, dvě studentské rezidence s 244 a 208 obyvateli, hotel se 150 pokoji a nemocnice s 348 lůžky ve městě Aachen.
Výsledky monitorování
Na obrázcích 3 a 4 vidíte reprezentativní denní kolísání spotřeby pitné vody a teploty odpadní vody v pracovním dnu na základě aritmetického průměru z jednoho z rezidenčních domů a jedné studentské rezidence.
Obrázek 3 (vlevo): Dům pro více rodin, 19 obyvatel, hydrogram pro pracovní den
Obrázek 4 (vpravo): Studentská rezidence (TKH), 244 rezidentů, hydrogram pro pracovní den v přednáškovém období.
Komentář k obrázku 3 - Dům pro více rodin, 19 obyvatel, hydrogram pro pracovní den:
Odvozeno z naměřených dat pro rezidenční dům v Dürenu o 8 bytových jednotkách a 19 rezidentech v období od května 2012 do července 2012. Průměrný průtok v pracovních dnech je 117,0 litrů na den a osobu, neboli 2,2 m3/den. Průměrná teplota odpadní vody byla v tomto období 22,5 °C a průměrná teplota studené pitné vody byla 14,8 °C. Na obrázku 3 vidíte denní kolísání průtoku vody a teploty odpadní vody. Všimněte si, že spotřeba pitné vody začíná ve 4 hodiny ráno a dosahuje maxima 8,8 litrů na hodinu a osobu mezi sedmou a osmou hodinou ráno. V průběhu dne je potom průtok konstantní v rozmezí od 5,6 (13.00 až 15.00) do 6,8 (13.00 až 14.00) litrů na hodinu a osobu. Ve večerních hodinách se průtok lehce zvyšuje až do 21. hodiny, a poté následuje stálý pokles. Teplota odpadní vody dosahuje své maximální průměrné hodinové hodnoty 24,3 °C (7 - 8 hod.) a 25,3 °C (20.00 - 21.00 hod.), tedy v průběhu ranní a večerní špičky. Profily těchto křivek jsou odlišné o víkendech (nejsou uvedeny v grafu). O víkendech začínají ranní špičky spotřeby o tři hodiny později. Je zajímavé, že průměrná spotřeba 133,9 litrů na den a osobu je vyšší v neděli.
Komentář k obrázku 4 - Studentská rezidence (TKH), 244 rezidentů, hydrogram pro pracovní den v přednáškovém období
Výsledky odvozené z naměřených dat pro studentskou rezidenci v budově „Theodore von Kármán“ (TKH) s 244 rezidenty od května 2011 do února 2012 jsou následující: v běžný pracovní den (pondělí až pátek) v přednáškovém období je průměrná spotřeba pitné vody 116,9 litrů na den a osobu, neboli 28,53 m3/den, a průměrná teplota odpadní vody je 24,9 °C. Průměrná teplota studené pitné vody byla v měřeném období kolem 11,8 °C. Na obrázku 4 vidíte reprezentativní denní kolísání průtoku vody a teploty odpadní vody. Je zřejmé, že spotřeba pitné vody začíná v 6 hodin ráno a dosahuje denního maxima přibližně 9 litrů na hodinu a osobu v období od 8 do 10 hodin dopoledne. Spotřeba je trochu nižší v odpoledních hodinách od 16 do 17 hodin. Mezi 22. a 23. hodinou nastává druhá špička spotřeby s hodnotou 6,5 litrů na hodinu a osobu. Křivka teploty odpadní vody vykazuje podobný trend: Maximální hodinová hodnota 27,8 °C se vyskytuje při ranní špičce spotřeby mezi 9. a 10 hodinou dopoledne, zatímco v období od 5 do 6 hodin ráno teplota klesá na hodnotu 19,9 °C. Tvar křivky ukazuje, že v obdobích vysokého průtoku vody je teplota odpadní vody vyšší než v obdobích s nižším průtokem vody. O víkendech jsou profily lehce odlišné (neuvedeno v grafu): Ranní špička spotřeby nastává v sobotu o jednu hodinu později, zatímco v neděli o dvě hodiny později.
Vyhodnocení funkčnosti
Obrázek 5. Možnost využití energie odpadní vody k ohřevu pitné vody prostřednictvím tepelného čerpadla
Díky své vysoké teplotě lze odpadní vodu označit za ideální tepelný zdroj pro systém tepelného čerpadla, viz obrázek 5. Nádrž na odpadní vodu kompenzuje kolísající množství přitékající odpadní vody v průběhu dne a současně slouží jako místo instalace tepelného výměníku na straně kanalizace absorbujícího teplo z odpadní vody. Tepelné čerpadlo zajišťuje požadovaný vzestup teploty a distribuuje teplo do systému ohřevu teplé užitkové vody. U dvoustupňového systému zajišťuje tepelné čerpadlo předehřátí pitné vody, zatímco druhý generátor (například konvenční plynový kotel) zvyšuje teplotu z hladiny předehřátí na teplotu pitné vody o hodnotě 60 °C. Tato teplota brání množení bakterií Legionella a zajišťuje hygienicky přijatelný vodovodní systém.
V kontextu výzkumného projektu [6] jsou analyzovány koncepce různých systémů s ohledem na jejich ekologické a ekonomické přednosti. Tyto analýzy zahrnují simulační výpočty, ve kterých jako vstupní veličiny slouží hydrogramy profilů teploty odpadní vody. V následujících odstavcích uvádíme výsledky simulace pro systém tepelného čerpadla, ve kterém tepelné čerpadlo zajišťuje předehřev teplé užitkové vody na hladinu 45 °C a plynový kotel zvyšuje tuto teplotu na 60 °C. Jedná se o výsledky pro studentskou rezidenci TKH s 244 rezidenty. Existující omezení:
- zajištění, aby teplota teplé užitkové vody byla JDHW = 60 °C
- předehřev teplé užitkové vody pomocí tepelného čerpadla na teplotu Jpre = 45 °C
- teplota studené užitkové vody JDCW = 10 °C
- objem ohřívače vody V-ohřívač = 5 m3
- objem nádrže na odpadní vodu V-odpad = 5 m3
- tepelný výkon tepelného čerpadla 24 kW
- tepelná dezinfekce ohřívače vody jednou denně pomocí plynového kotle
- tloušťka biovrstvy na tepelném výměníku na straně odpadní vody dbio = 1 mm
- tepelná vodivost biovrstvy lbio = 0,5 W/m∙K
Pro simulovaný systém byla vypočtena spotřeba dodané energie na ohřev teplé užitkové vody 991,2 kWh/osobu. Z toho tepelné čerpadlo poskytuje 475,5 kWh/osobu a plynový kotel 515,5 kWh/osobu. Topný faktor tepelného čerpadla je extrapolován na základě dat poskytnutých dodavatelem na 5,5 s pokrytím vytápění 48,0%. Tepelné čerpadlo zajišťuje průměrný vzrůst teploty z 17,7 °C na 44 °C. Podle výpočtů dojde k průměrnému ochlazení odpadní vody na 18 °C. Proto nezle očekávat žádné nežádoucí dopady na procesy čištění odpadních vod v návazných čističkách odpadních vod. Podrobné výsledky najdete v dalších publikacích, které jsme sestavili v rámci našeho výzkumného projektu, viz [6].
Pro účinnost tohoto systému je klíčové omezit tvorbu biovrstvy na straně odpadu tepelného výměníku, například pomocí moderních automatických čisticích metod. Hlavním cílem výzkumného projektu je rozšířit využití odpadní vody jako tepelného zdroje. Domovní rekuperaci tepla z odpadní vody lze považovat za technologii budoucnosti, která by mohla zvýšit energetickou úspornost a účinnost topných zařízení v budovách.
Reference
[1] AG Energiebilanzen e.V. (ed.) (2011): Anwendungsbilanzen für die Endenergiesektoren in Deutschland im Jahr 2008, Berlin, str. 23.
[2] Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (ed.) (2007): CO2-Gebäudereport 2007, Berlin, str. 17.
[3] Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e.V. (ed.) (2009): DWA-Regelwerk, Merkblatt DWA-M 114, Energie aus Abwasser - Wärme- und Lageenergie, Hennef.
[4] Müller, E. A., Schmid, F. (2005): Heizen und Kühlen mit Abwasser - Ratgeber für Bauherrschaften und Gemeinden, Bundesamt für Energie Schweiz (ed.), Bern.
[5] Brunk, M.F., Seybold, C. et al. (2012): Dezentrale Wärmerückgewinnung aus häuslichem Abwasser, Endbericht der RWTH Aachen, Lehrstuhl für Baubetrieb und Gebäudetechnik im Forschungsprogramm Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Aktenzeichen SF-10.08.18.7-10.4 také publikováno jako Brunk, M.F., Seybold, C. et al. (2013): Dezentrale Wärmerückgewinnung aus häuslichem Abwasser, Bauforschung für die Praxis, Bd. 105, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart, ISBN 978-3-8167-9012-9.
[6] Forschungsvorhaben „Dezentrale Abwasserwärmerückgewinnung zur Steigerung der Energieeffizienz von Gebäuden“ im Forschungsprogramm Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesministeriums für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Aktenzeichen SF-10.08.18.7-11.38, Projektleitung Lehrstuhl für Baubetrieb und Gebäudetechnik, Laufzeit 12/2011 – 05/2013, v současnosti nejsou publikovány žádné předběžné zprávy, závěrečná zpráva očekávána v lednu 2014.
About 5% of the total delivered energy consumption in Germany is used for water heating. Referring to buildings, the percentage of the delivered energy consumption for domestic hot water is about 11%. Due to continuous efforts to reduce the heating demand of buildings the percentage of energy used for hot water supply will increase decisively during the upcoming years. This tremendous amount of energy in the waste water is usually discharged unused in the sewage system. In order to achieve the European objectives of climate protection waste water heat recovery provides an enormous and for the most part unexploited potential to develop resource-efficient heating devices in buildings.