Reklama

Možnosti využití tepla z vnějších kanalizačních systémů

8.9.2014

doc. Ing. Jana Peráčková, PhD., Ing. Veronika Podobeková, Stavebná fakulta, STU Bratislava, Katedra technických zariadení budov

Recenzovaný

Kanalizací odvádíme z budov odpadní vodu s průměrnou teplotou od 10 °C do 25 °C. Teplo získané z odpadní vody je možné optimálně využít v nízkoenergetických budovách na nízkoteplotní vytápění, na vysokoteplotní chlazení a rovněž na předehřev v přípravě teplé vody.

Reklama

Pri súčasnom trende výstavby nízkoenergetických domov a domov s nulovou spotrebou energie sa využívajú čoraz kvalitnejšie materiály na zateplenie, osádzajú sa okná a dvere s výbornými tepelnoizolačnými vlastnosťami a pri návrhu sa kladie väčší dôraz na orientáciu a dispozičné usporiadanie. V snahe dosiahnuť čo najnižšiu spotrebu energie využívame rôzne alternatívne zdroje energie aj odpadové teplo.

Kanalizáciou odvádzame z budov odpadovú vodu s priemernou teplotou od 10 °C do 25 °C. Teplo získané z odpadovej vody je možné optimálne využiť v nízkoenergetických budovách na nízkoteplotné vykurovanie, na vysokoteplotné chladenie priestorov a tiež na predohrev teplej vody. Hlavnými časťami rekuperačného systému využívajúceho tepla z kanalizácie mimo objektov sú výmenník tepla a tepelné čerpadlo. Dispozícia a tvar výmenníkov sú rozhodujúce faktory pre prenos tepla. Návrh výmenníkov tepla závisí od rôznych požiadaviek a od vhodnosti samotného kanalizačného systému.

Pre takýto rekuperačný systém sú vhodné zdroje odpadovej vody s väčším prietokom a dimenziou (min. 15 l/s a min. DN 800), napríklad zo skupín objektov na bývanie, z administratívnych objektov, z bazénov a kúpalísk a priemyselnej výroby.

Podmienky pre návrh výmenníkov

Pre správny návrh a realizáciu systémov s rekuperáciou tepla z kanalizačných potrubí sú rozhodujúce tieto faktory:

krátka vzdialenosť medzi spotrebným miestom (administratíva, bazény, priemyselné prevádzky, viac rodinných domov) a umiestnením rekuperačného systému,
teplota odpadovej vody, pokiaľ možno konštantná cca 10–15 °C, alebo vyššia,
minimálny prietok odpadovej vody 15 l/s,
minimálny priemer kanalizačného potrubia DN 800 pre dodatočnú inštaláciu výmenníkov; pri prefabrikovaných kanalizačných prvkoch s integrovanými výmenníkmi min. svetlosť DN 400,
pri využívaní tepla pre vykurovací systém je potrebná nízka teplota vykurovacej vody a efektívne je navrhnúť rekuperačný systém ako bivalentný,
dostatočné tlakové pomery v kanalizačnom potrubnom rozvode,
prietok odpadovej vody, jeho zmeny, nečistoty v rôznych úsekoch, ako aj teplota odpadovej vody majú veľký význam pre návrh a preto musia byť vopred stanovené,
prietoková rýchlosť odpadovej vody v potrubí by mala byť čo najvyššia (min. 1,0 m/s), aby sa nečistoty neusádzali na dne potrubia a nevytváral sa biofilm na výmenníku tepla,
znečistenie výmenníka tepla sa určí priebežnou kontrolou výstupných údajov (objemový prietok okruhu, teplota prívodnej a vratnej vody v okruhu výmenníka, teplota odpadovej vody v kanalizácii) [4].

Druhy výmenníkov na využitie tepla z väčších kanalizačných systémov

Druh a spôsob osadenia výmenníka tepla v kanalizačnom potrubí závisí od kanalizačného systému. Výmenníky tepla je možné osadiť do existujúcich alebo do nových potrubí. Môžu sa použiť pre všetky druhy odpadových vôd. Poloha umiestnenia výmenníka tepla závisí od parametrov kanalizačného systému. Z dôvodu lepšej dostupnosti sa však odporúča osádzať výmenníky k hornej hrane kanalizačného potrubia. Podľa spôsobu osadenia a konštrukcie môžeme výmenníky rozdeliť na:

výmenníky tepla vložené do kanalizačného potrubia,
výmenníky tepla integrované do betónovej steny kanalizačného potrubia,
predizolované kanalizačné potrubia s integrovaným oceľovým výmenníkom tepla,
externé oceľové dvojrúrkové výmenníky tepla.

Pre správny návrh výmenníkov tepla zohľadňujeme tieto požiadavky:

vylúčenie potreby čistenia výmenníka tepla (výnimka pre čistenie kanalizačného potrubia),
žiadna alebo len malá údržba výmenníkov počas celej životnosti systému,
ekonomicky rentabilné predimenzovanie výmenníka tepla (teplovýmennej plochy), aby bola zabezpečená výkonnostná rezerva,
dosiahnuť optimálne hodnoty výkonu výmenníka [4].

Výmenníky tepla vložené do kanalizačného potrubia

Prvky výmenníka tepla je možné inštalovať v nových aj existujúcich potrubiach. Môžu byť vložené v spodnej časti potrubia alebo pri hornej hrane. Výmenník tepla umiestnený pri hornej hrane má výhodu pre kontrolu a revíziu. Inštalácia je však investične náročnejšia.

Obr. 1 Oceľový výmenník vložený do spodnej časti kanalizačného potrubia b) bez zalomenia [4]

Obr. 1 Oceľový výmenník vložený do spodnej časti kanalizačného potrubia: a) so zalomením [5], b) bez zalomenia [4]

Obr. 2b Prierez kanalizačného potrubia s oceľovým výmenníkom tepla: 1 – kanalizačné potrubie, 2 – vratná ochladená voda do výmenníka, 3 – zberné potrubie (zapojenie podľa Tichelmanna), 4 – výmenník tepla, 5 – výstup ohriatej vody z výmenníka [4]

Obr. 2 Prierez kanalizačného potrubia s oceľovým výmenníkom tepla: 1 – kanalizačné potrubie, 2 – vratná ochladená voda do výmenníka, 3 – zberné potrubie (zapojenie podľa Tichelmanna), 4 – výmenník tepla, 5 – výstup ohriatej vody z výmenníka [4]

Obr. 3 Rozvetvený systém prívodného a vratného potrubia podľa Tichelmanna pre rovnomerné prúdenie cez výmenník tepla: 1 – vratné potrubie, 2 – smer toku splaškovej odpadovej vody, 3 – výmenník tepla, 4 – zberné potrubie, 5 – prívodné potrubie [3]

Výmenníky tepla majú rôzne tvary, môžu byť zaoblené a tak kopírovať tvar kanalizačného potrubia. Výmenníky tepla so zalomením zabezpečujú dostatočný prenos tepla zväčšením teplovýmennej plochy v zalomení aj v prípade, keď je prietok odpadovej vody v kanalizácii menší.

Teplo z odpadovej vody je odvádzané a odovzdávané cez teplovýmennú plochu výmenníka. Pod výmenníkom sú umiestnené tri potrubia (prívodné, vratné a rozdeľovacie potrubie), ktoré zabezpečujú prenos tepla z kanalizácie do tepelného čerpadla a do užívateľského systému (vykurovací systém, systém ohrevu teplej vody, chladiaci systém), obr. 2. Rozdeľovacie potrubie umožňuje zapojenie výmenníkov tepla za sebou do systému Tichelmann.

Jednotný prietok v každom výmenníku tepla v rekuperačnom systéme je možné dosiahnuť pomocou Tichelmannovho systému (obr. 3), ak tlaková strata vo výmenníku tepla je dostatočne vysoká [3].

Jednotlivé segmenty výmenníkov tepla resp. častí kanalizačného potrubia s výmenníkom tepla sa vyrábajú v dĺžkach od 1 až do 3 m. Pomocou Tichelmannovho zapojenia môžeme v kanalizácii zapojiť až niekoľko výmenníkov za sebou.

Výmenníky tepla integrované do betónovej steny kanalizačného potrubia

Obr. 4a Integrovaný výmenník tepla v stene betónového kanalizačného potrubia

Obr. 4b Integrovaný výmenník tepla v stene betónového kanalizačného potrubia: 1 – betónová rúra, 2 – prívod studenej vody do výmenníka, 3 – zberné potrubie (Tichelmann), 4 – výmenník tepla, 5 – výstup ohriatej vody z výmenníka [6]

Obr. 4 Integrovaný výmenník tepla v stene betónového kanalizačného potrubia: 1 – betónová rúra, 2 – prívod studenej vody do výmenníka, 3 – zberné potrubie (Tichelmann), 4 – výmenník tepla, 5 – výstup ohriatej vody z výmenníka [6]

Vstavané výmenníky tepla (obr. 4) sú vhodné pri výmenne kanalizačných potrubí alebo pri výstavbe nových kanalizačných rozvodov. Výhodou týchto výmenníkov je rýchla výstavba a tiež, že výmenník neuberá z priemeru kanalizačného potrubia.

Povrch výmenníkov tepla môže byť profilovaný. Rôzne výstupky spôsobujú miestne turbulentné prúdy a tým sa zvyšuje prenos tepla. Tepelné výkony pre rôzne priemery potrubí sú uvedené v tabuľke 1.

Tab. 1 Tepelný výkon oceľových výmenníkov tepla [4]
Priemer potrubia [mm]	Tepelný výkon (vykurovanie) [kW/m]
1 200	3,2
1 400	3,7
1 600	4,2
1 800	4,8
2 000	5,3

Predizolované kanalizačné potrubia s integrovaným oceľovým výmenníkom tepla

Obr. 5 Predizolované kanalizačné potrubie s integrovaným oceľovým výmenníkom tepla: b) pred montážou [4]

Obr. 5 Predizolované kanalizačné potrubie s integrovaným oceľovým výmenníkom tepla: a) uložené vo výkope [4], b) pred montážou [4]

Teplovýmennú plochu pri týchto výmenníkoch tvorí samotné dvojplášťové kanalizačné potrubie, ktoré odovzdáva teplo distribučnému potrubiu inštalovanému v tepelnej izolácii, obr. 5. Predizolované kanalizačné potrubia je možné použiť iba pri výstavbe nových potrubných systémov alebo pri výmene starých kanalizačných potrubí. Samotné kanalizačné potrubie tvorí dvojplášťové oceľové potrubie z profilovaného plechu. Materiál distribučných potrubí je tiež z nehrdzavejúcej ocele. Izolácia kanalizačného potrubia je z polyuretánu. Izolácia zabezpečuje maximálny prenos tepla medzi odpadovou vodou a teplonosnou látkou v distribučných potrubiach a minimalizujú sa tepelné straty. Sú vhodné pre gravitačné systémy, aj pre tlakové systémy.

Obr. 6 Predizolované kanalizačné potrubie s integrovaným oceľovým výmenníkom tepla – a) pre gravitačný systém: 1 – vonkajší plášť z polyetylénu, 2 – tepelná izolácia, 3 – kanalizačné potrubie (výmenník tepla), 4 – odpadová voda (zdroj tepla), 5 – výstup ohriatej vody z výmenníka, 6 – rozdeľovacie potrubie (Tichelmann), 7 – prívod studenej vody do výmenníka [4]

Obr. 6 Predizolované kanalizačné potrubie s integrovaným oceľovým výmenníkom tepla – b) pre tlakový systém: 1 – vonkajší plášť z polyetylénu, 2 – tepelná izolácia, 3 – kanalizačné potrubie (výmenník tepla), 4 – odpadová voda (zdroj tepla), 5 – výstup ohriatej vody z výmenníka, 6 – rozdeľovacie potrubie (Tichelmann), 7 – prívod studenej vody do výmenníka [4]

Obr. 6 Predizolované kanalizačné potrubie s integrovaným oceľovým výmenníkom tepla – a) pre gravitačný systém, b) pre tlakový: 1 – vonkajší plášť z polyetylénu, 2 – tepelná izolácia, 3 – kanalizačné potrubie (výmenník tepla), 4 – odpadová voda (zdroj tepla), 5 – výstup ohriatej vody z výmenníka, 6 – rozdeľovacie potrubie (Tichelmann), 7 – prívod studenej vody do výmenníka [4]

Pri gravitačných systémoch sú distribučné potrubia umiestnené na boku oceľového kanalizačného potrubia, obr. 6a. Prenos tepla a tiež tepelný výkon výmenníka závisí od prietoku (výšky hladiny) odpadovej vody v potrubí. Pri tlakových systémoch sú distribučné potrubia umiestnené pri hornej hrane kanalizačného potrubia, obr. 6b. Technické parametre k predizolovaným kanalizačným potrubiam sú uvedené v tab. 2. Schéma zapojenia predizolovaného kanalizačného potrubia s integrovaným výmenníkom tepla je na obr. 7.

Tab. 2 Tepelný výkon pre predizolované kanalizačné potrubia
s integrovaným výmenníkom tepla [4]
Priemer potrubia [mm]	Tepelný výkon pre vykurovanie [kW/m]
Priemer potrubia [mm]	gravitačný systém	tlakový systém
200	0,6	1,6
400	1,1	3,2
600	1,6	4,8
800	2,1	6,3
1200	3,2	–

Obr. 7 Schéma zapojenia predizolovaného kanalizačného potrubia s integrovaným výmenníkom tepla – tlakový systém: 1 – kanalizačné potrubie (výmenník tepla), 2 – tepelná izolácia, 3 – vratná ochladená voda, 4 – odpadová voda (zdroj tepla), 5 – výstup ohriatej vody z výmenníka, 6 – zberné potrubie (Tichelmann), 7 – tepelné čerpadlo, 8 – kondenzátor, 9 – výparník, 10 – kompresor, 11 – expanzný ventil, 12 – vykurovací systém alebo príprava teplej vody v budove, 13 – čerpadlo

Externý dvojrúrkový oceľový výmenník tepla

Výmenník tepla sa skladá z dvoch potrubí vložených jeden do druhého, obr. 8. Odpadová voda prúdi vnútorným potrubím, kde je využitá ako zdroj tepla. Medzi vonkajším a vnútorným potrubím je medzipriestor, ktorým preteká čistá voda. Stena vnútorného potrubia prenáša teplo z odpadovej vody do čistej vody v distribučnom systéme.

Obr. 8 Schéma externého protiprúdového dvojrúrkového oceľového výmenníka tepla: 1 – prívod studenej vody do výmenníka tepla, 2 – výstup odpadovej vody, 3, 4 – príruby, 5 – prívod odpadovej vody, 6 – výstup ohriatej vody z výmenníka tepla [8]

Obr. 9a Príklady externých dvojrúrkových oceľových výmenníkov tepla [7]

Obr. 9b Príklady externých dvojrúrkových oceľových výmenníkov tepla [4]

Obr. 9 Príklady externých dvojrúrkových oceľových výmenníkov tepla [7, 4]

Špeciálne dvojrúrkové potrubie ponúka mnohé výhody oproti klasickým potrubiam v súvislosti s obsahom pevných častíc v odpadovej vode. Takýto systém je vhodný pre šedú aj čiernu vodu. Ukážky externých dvojrúrkových výmenníkov sú na obr. 9.

Výmenník tepla nie je priamo integrovaný do potrubného systému kanalizácie. Odpadová voda sa zo zdroja čerpadlom vháňa do výmenníka alebo je prečerpávaná cez akumulačnú nádrž, obr. 10, 11.

Obr. 10 Schéma zapojenia externého dvojrúrkového oceľového výmenníka tepla do kanalizačného systému: 1 – kanalizačné potrubie, 2 – odpadová voda, 3 – obehové čerpadlo, 4 – externý výmenník tepla [4]

Obr. 11 Schéma zapojenia externého dvojrúrkového oceľového výmenníka tepla v kombinácii s akumulačnou nádržou: 1 – kanalizačné potrubie, 2 – odpadová voda, 3 – obehové čerpadlo, 4 – externý výmenník tepla, 5 – akumulačná nádrž [4]

Externý dvojrúrkový výmenník tepla je z nehrdzavejúcej ocele, vyrába sa v dĺžkach od 3 m do 6 m. Dvojitá stena vnútorného potrubia zabezpečuje bezpečnú prevádzku výmenníka tepla.

Záver

Výmenníky tepla v kanalizačných systémoch predstavujú ďalšiu možnosť využitia nízkopotenciálneho tepla pre vykurovanie a ohrev teplej vody. Najčastejšie sa využívajú integrované výmenníky tepla, zabudované do ležatých potrubí. Pre optimálne využitie tepla z odpadových vôd berieme do úvahy dve základné podmienky, dostatočný prietok v kanalizačnom systéme a dostatočnú teplotu odpadovej vody. Zvyčajne pre väčšie rekuperačné systémy s tepelným čerpadlom je potrebné zabezpečiť minimálny prietok 15 l/s a najmenší priemer kanalizačného potrubia 800 mm. Takéto podmienky sú obyčajne splnené v obciach nad 10 000 obyvateľov. Vhodnými spotrebiteľmi tepla sú väčšie budovy, sídliská a komplexy budov v blízkosti zdroja tepla s rozsahom výkonu 150 kW až 2000 kW. Pri návrhu väčších rekuperačných systémov treba dbať na správny návrh tepelného čerpadla. Pre efektívnu prevádzku treba zvážiť aj návrh bivalentného systému v kombinácii s vykurovacím kotlom alebo kogeneračnou jednotkou. Rekuperačné systémy využívajúce odpadové teplo z kanalizácie sa prevádzkujú v západných krajinách európskej únie ako je Švajčiarsko, Holandsko či Nemecko. Tieto systémy je možné aplikovať aj v našich podmienkach. V prípade návrhu a realizácie rekuperačných systémov s tepelným čerpadlom znamenajú najväčší problém vstupné investície. Kým v západných krajinách podobné projekty majú celonárodnú podporu, u nás štát neposkytuje zatiaľ žiadne dotácie na podobné projekty.

Na Slovensku sa tieto systémy spätného získavanie tepelnej energie z kanalizačných systémov doposiaľ nerealizujú, avšak vzhľadom na významné úspory energie by bolo vhodné ich aplikovať v praxi aj v našich podmienkach. Pri návrhu spätného získavania tepla zo stokovej siete je nutná spolupráca projektanta s budúcim správcom kanalizácie, ktorý musí vedieť takéto systémy erudovane prevádzkovať.

Literatúra

[1] PERÁČKOVÁ, J.: Spätné získavanie tepelnej energie z kanalizačných systémov. In: TZB Haustechnik. – ISSN 1210-356X. – Roč. 17, č. 7 (2009), s. 40-42
[2] Heizen und Kühlen mit Abwasser. Institut energie in Infrastrukturanlagen Bundesverband Wärmepumpe (BWP) e.V., München, 2005
[3] BURI R., KOBEL B.: Leitfaden für Ingenieure und Planer. Institut Energie in Infrastrukturanlagen Zürich, ECO.S Energieconsulting Stodmeister, Berlin 2005.

Firemné materiály

[4] KASAG LANGNAU AG: Výmenníky pre rekuperáciu tepla z odpadovej vody.
[5] Klinger und Partner DE: Oceľový výmenník tepla so zalomením.
[6] Rabtherm energy systems: Integrovaný výmenník tepla v stene betónového kanalizačného potrubia.
[7] JC Equipments Pvt Ltd: Externý dvojrúrkový výmenník tepla.
[8] Wikimedia commons: Schéma externého dvojrúrkového výmenníka tepla.

English Synopsis

Possibilities of using heat from sewer systems outside buildings

Removed from the building drainage wastewater with an average temperature of 10 °C and 25 °C. Heat recovered from wastewater can be optimally used in low-energy buildings for low-temperature heating, space cooling at high temperature and also to preheat domestic hot water.