Jak využít teplo z kanalizace na přípravu teplé vody v budovách?

V domácnostiach spotrebúvame najviac energie na vykurovanie, chladenie a na ohrev vody. Nízkoenergetické stavby s dokonalou izoláciou stien a výplňových konštrukcií výrazne znižujú spotrebu energie na vykurovanie a chladenie. Otázkou znižovania energetickej náročnosti budov ostáva zníženie spotreby energie na ohrev teplej vody. Spätné získavanie tepla z odpadovej vody a jeho využitie na predohrev teplej vody je jednou z možností zníženia spotreby energie. Rekuperáciou odpadového tepla znižujeme spotrebu energie z konvenčných zdrojov využívajúcich fosílne palivá. Využívanie alternatívnych zdrojov energie šetrí peniaze aj životné prostredie.

Rekuperácia tepla z kanalizácie

Slovo recyklácia, predstavuje proces opätovného využitia predtým už použitých materiálov a produktov. Recyklácia vo veľkej miere prispieva k redukcii emisií skleníkových plynov, znižuje množstvo uskladneného odpadu a zabraňuje plytvaniu vzácnych prírodných zdrojov.

Energiu je možné taktiež recyklovať. Rekuperácia je proces zhromažďovania odpadových látok – energie na spätné využitie. Rekuperáciou vieme spätne využiť odpadové teplo napr. zo vzduchu alebo z odpadovej vody. Rekuperačné systémy efektívne prispievajú k zníženiu energetickej náročnosti moderných budov. Kanalizáciou odvádzame z budov odpadovú vodu s priemernou ročnou teplotou v rozmedzí 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. Odpadová voda je nízkopotenciálny zdroj tepla, ktorý môžeme zaradiť medzi obnoviteľné zdroje energie. Rekuperácia tepla z kanalizácie ponúka veľa výhod ekonomických aj ekologických.

Teplo z odpadovej vody môžeme odoberať z kanalizácie mimo objektov alebo vo vnútri objektov (obr. 1). Možnosť spätného získavania odpadového tepla mimo budovy nám núkajú kanalizačné systémy s väčším prietokom (min. 15 l.s⁻¹) a väčším priemerom potrubia (min. 800 mm). Vo vnútri budov môžeme odpadové teplo využiť na predohrev teplej vody .

Princíp rekuperácie tepla z kanalizácie na priamy predohrev teplej vody

Obr. 1 Schéma rekuperačného systému pre priamy predohrev teplej vody:
1 – prívod studenej vody, 2 – ochladená odpadová voda, 3 – výmenník tepla, 4 – predohriata teplá voda, 5 – splašková voda od zariaďovacieho predmetu, 6 – teplá voda zo zásobníkového ohrievača, 7 – zariaďovací predmet, 8 – zásobníkový ohrievač, 9 – prívod studenej vody do zásobníkového ohrievača

Pre využitie tepla zo splaškovej vody na priamy predohrev teplej vody sa navrhujú malé rekuperačné systémy, ktorých hlavnou časťou je výmenník tepla. Výhodou takýchto rekuperačných systémov je, že k ich prevádzke nie je potrebné tepelné čerpadlo. Na ich prevádzku teda nie je potrebná dodávka elektrickej energie. Využitie malých rekuperačných systémov výrazne prispieva k zníženiu energetickej náročnosti prípravy teplej vody.

Rekuperačný systém je založený na princípe odovzdávania tepla zo splaškovej odpadovej vody cez teplovýmennú plochu výmenníka tepla. Extrahované teplo sa potom odovzdáva protiprúdu studenej vody, ktorý je cez výmenník privádzaný do zmiešavacej batérie zariaďovacieho predmetu (obr. 1). Vo výmenníku tepla sa odpadová voda ochladzuje a čistá studená voda sa ohrieva. Využitie tepla zo splaškovej odpadovej vody na priamy predohrev teplej vody sa odporúča pre sprchy a umývadlá, kde potreba teplej vody prevyšuje potrebu studenej vody. Takýto spôsob rekuperácie tepla nie je vhodný do kuchynských zariadení, kde je potreba aj studenej, aj teplej vody. Ďalším dôvodom nevhodnosti tohto systému v kuchyni je to, že sa z kuchynský drezov odvádza odpadová voda, ktorá obsahuje oleje, ktoré by sa mohli rýchlo usádzať na výmenníku tepla a tým by sa znížila účinnosť prenosu tepla. Výmenníky tepla pre sprchy, môžu byť zapojené paralelne pre viacero zariaďovacích predmetov.

Princíp rekuperácie tepla z kanalizácie v kombinácii so zásobníkom s integrovaným výmenníkom tepla

Obr. 2 Schéma rekuperačného systému pre predohrev teplej vodyv kombinácii so zásobníkom:
1 – prívod studenej vody, 2 – ochladená odpadová voda, 3 – zásobník splaškovej odpadovej vody s integrovaným výmenníkom tepla, 4 – predohriata teplá voda, 5 – splašková voda od zariaďovacieho predmetu, 6 – teplá voda, 7 – zariaďovací predmet, 8 – zásobníkový ohrievač teplej vody

Predohrev teplej vody sa môže zabezpečiť aj zo zásobníka, kde sa akumuluje splašková voda z viacerých zariaďovacích predmetov (obr. 2).

V zásobníku je integrovaný výmenník tepla, ktorým prúdi studená voda. Z akumulačnej nádrže vychádza ako predohriata teplá voda, ktorá prúdi ďalej do zásobníkového ohrievača. Do zásobníkového ohrievača sa tak namiesto studenej vody s teplotou 10 °C privádza predohriata teplá voda s teplotou v rozmedzí od 20 °C do 24 °C. Splašková odpadová voda sa v zásobníku akumuluje a keď dosiahne maximálnu hladinu, vypustí sa cez vypúšťací otvor do kanalizačného potrubia. Splašková voda odchádza z akumulačnej nádrže ochladená. S týmto spôsobom rekuperácie odpadového tepla vieme zabezpečiť predohriatu teplú vodu pre viac zariaďovacích predmetov naraz. Zásobník sa umiestňuje čo najbližšie k zariaďovacím predmetom s ohľadom na tepelné straty v odpadovom potrubí. Akumulačná nádrž je tepelne izolovaná kvôli zníženiu tepelných strát a na zvýšenie účinnosti rekuperácie tepla.

Výmenníky pre rekuperáciu tepla z kanalizácie v budove

Systémy využívajúce odpadové teplo zo splaškovej kanalizácie vo vnútri budov sa dajú využiť v každej budove, kde je spotreba teplej vody. Výhodou malých rekuperačných systémov je, že k ich prevádzke nie je potrebná elektrická energia a tepelné čerpadlo. V porovnaní s veľkými rekuperačnými systémami je ich návrh a realizácia jednoduchšia s nižšími investičnými nákladmi.

a) Výmenník tepla do odpadového potrubia

a)

b)

Obr. 3 Výmenníky tepla do odpadového kanalizačného potrubia:
a) výmenník tepla so špirálou medených potrubí [1], b) výmenník tepla z hladkého medeného potrubia [2]

Pre využitie tepla z odpadovej vody môžeme do odpadového potrubia inštalovať výmenník z medeného dvojplášťového potrubia. Vnútorný plášť tvorí hladké medené potrubie, ktorým odteká odpadová voda. Vonkajší plášť výmenníka je tvorený špirálou medených potrubí obtočených okolo vnútorného potrubia, obr. 3a, alebo je tvorené z ďalšieho dvojplášťového hladkého medeného potrubia, obr. 3b.

Medený dvojplášťový výmenník tepla do odpadového potrubia je protiprúdový. Vo vonkajšom plášti odpadového potrubia prúdi studená voda do zmiešavacej batérie. Teplovýmennú plochu výmenníka tvorí stena vnútorného potrubia, cez ktorú odovzdáva teplo odpadová voda chladnejšej studenej vode. Tak je zabezpečený prívod predohriatej teplej vody do zmiešavacej batérie, obr. 4. Splašková voda je do výmenníka tepla privádzaná cez tzv. rotátor odpadovej vody, obr. 5. To spôsobuje turbulentné prúdenie odpadovej vody na stene vnútorného potrubia, čím sa zabezpečuje efektívny výkon výmenníka tepla.

Obr. 5 Detail napojenia výmenníka tepla do odpadového potrubia [2]:
1 – pripojenie studenej vody, 2 – pripojenie predohriatej teplej vody, 3 – rotátor, 4 – objímka, 5 – kotva, 6 – napojenie na kanalizačné odpadové potrubie

1 – zásobníkový ohrievač
2 – výmenník tepla do odpadového potrubia
3 – prívod studenej vody
4 – ochladená odpadová voda
5 – rotátor odpadovej vody
6 – predohriata teplá voda
7 – prívod teplej vody
8 – spätný ventil
9 – uzatvárací ventil
10 – sprcha

 

Obr. 4 Schéma zapojenia výmenníka tepla do odpadového kanalizačného potrubia [2]

Najvýhodnejšie je inštalovať výmenník tepla tesne pod zariaďovací predmet (napr. sprchu) vo vykurovanej miestnosti. Tento typ výmenníka nie je vhodný pod kuchynské drezy pretože sa z nich často odvádza odpadová voda s olejmi, ktoré sa môžu usadiť na stene výmenníka a tak znížiť jeho účinnosť. V športových strediskách alebo v bazénových halách je možné inštalovať 4 až 8 výmenníkov tepla paralelne zapojených vedľa seba. Odpadová voda sa do jednotlivých výmenníkov odvádza cez rozdeľovač, ktorý rovnomerne rozdeľuje odpadovú vodu do výmenníkov. Predohriata teplá voda sa z výmenníkov zbiera cez zberné potrubie.

Pri návrhu a inštalácii treba dbať na kombináciu materiálov jednotlivých prvkov. Medené dvojrúrkové výmenníky do odpadového potrubia nie sú vhodné do vodovodných systémov z pozinkovanej ocele z dôvodu zvýšenia pravdepodobnosti korózie kovových materiálov vplyvom chemických reakcií medi a zinku.

b) Sprchové vaničky s integrovaným výmenníkom tepla

V tomto prípade tvorí rekuperačný systém špeciálna sprchová vanička, pod ktorú je inštalovaný výmenník tepla, obr. 6, 7. Systém je navrhnutý tak, aby pri zachovaní bežnej výšky sprchovej vaničky poskytoval výmenník tepla maximálny výkon.

a)

b)

Obr. 6 Sprchová vanička s integrovaným výmenníkom tepla [2]:
a) teplovýmenná špirála vnútri výmenníka, b) uzavretý výmenník tepla

Obr. 7 Detail sprchovej vaničky s integrovaným výmenníkom tepla [2]:
1 – sprchová vanička, 2 – medený výmenník tepla, 3 – prívod studenej vody, 4 – odvod ochladenej odpadovej vody, 5 – odtok odpadovej vody zo sprchovej vaničky, 6 – predohriata teplá voda, 7 – magnet, 8 – čelná doska

1 – zásobníkový ohrievač
2 – sprchová vanička s integrovaným výmenníkom tepla
3 – prívod studenej vody
4 – ochladená odpadová voda
5 – odpadový otvor pre odvod splaškovej vody
6 – predohriata teplá voda
7 – teplá voda zo zásobníka
8 – sprchová hlavica

 

Obr. 8 Schéma zapojenia sprchovej vaničky s integrovaným výmenníkom tepla [2]

Odpadová voda odteká odpadovým otvorom na vypuklú medenú platňu, pod ktorú je pripevnený medený výmenník v tvare špirály s dĺžkou 20 m. Cez výmenník prúdi studená voda, ktorá je ohrievaná teplom z odpadovej vody. Teplovýmennú plochu tvorí plocha samotnej platne a medenej špirály. Vo výmenníku je menej ako 1 liter vody a preto je schopná predohriať teplú vodu vo veľmi krátkom čase. Takéto výmenníky tepla sa odporúča inštalovať do rodinných domov, plavární, telocviční, sociálnych zariadení, a pod. (obr. 8).

Pri návrhu a inštalácii sprchovej vaničky s integrovaným medeným výmenníkom tepla treba dbať na kombináciu materiálov. Cez medený výmenník v sprchovej vaničke privádzame predohriatu teplú vodu do zásobníkovej nádrže a do rozvodov vody. Sprchovú vaničku sa odporúča navrhovať v kombinácii s medenými alebo viacvrstvovými plastovými potrubiami.

c) Rekuperačné panely s nerezovým výmenníkom tepla

Obr. 9 Rekuperačný panel s nerezovým výmenníkom tepla [3]

Rekuperačný panel pozostáva z plastového vodotesného puzdra a z nerezového protiprúdového výmenníka, obr. 9. Umiestňuje sa na pripájacie alebo odpadové potrubie čo najbližšie k zariaďovacím predmetom (umývadlá, sprchy) z dôvodu zníženia tepelných strát. Odpadová voda sa odvádza zo zariaďovacieho predmetu cez rekuperačný panel do kanalizačnej sústavy. Rekuperačný panel pracuje na princípe protiprúdu.

Obr. 10 Predohrev studenej vody pre priamy predohrev teplej vody pomocou rekuperačného panela [3]:
1 – prívod teplej vody, 2 – prívod studenej vody do výmenníka tepla, 3 – odvod ochladenej odpadovej vody, 4 – odvod odpadovej vody zo zariaďovacieho predmetu, 5 – prívod predohriatej teplej vody

Odpadová voda obteká v rekuperačnom paneli okolo výmenníka tepla v plastovom puzdre. Studená voda sa k zariaďovaciemu predmetu privádza cez výmenník tepla. Cez teplovýmennú plochu výmenníka je teplo odoberané z odpadovej vody a odovzdávané studenej vode. Teplota studenej vody sa tak zvýši z 10 °C na cca 24 °C.

Predohriata teplá voda sa privádza priamo do zmiešavacej armatúry alebo do zásobníkového ohrievača, čím sa znižuje energetická náročnosť prípravy teplej vody, ktorú práve odoberáme pri sprchovaní alebo pri umývaní rúk, obr. 10.

Revízia a kontrola rekuperačného panela sa môže vykonávať cez kontrolný otvor v podlahe, obr. 11. Rekuperačný panel je určený do prevádzok, kde sa neodvádzajú odpadové vody obsahujúce rôzne oleje. Čistenie a údržba sa vykonáva zvýšením prietoku odpadovej vody, tj. preplachovaním sa odstraňuje biofilm z plochy výmenníka. V objektoch, kde sa prevádzkuje viacero spŕch, ako napríklad športové haly, bazény, kúpaliská, či hotely, je možné navrhnúť paralelne zapojené rekuperačné panely, ktoré sú schopné spätne využiť väčšie množstvo odpadového tepla.

Obr. 11 Inštalácia rekuperačného panela v sprchovom kúte rodinného domu [5]

Obr. 12 Schéma automatickej regulácie rekuperačného systému:
1 – meranie teploty teplej a predohriatej teplej vody, 2 – regulačný ventil, 3 – meranie teploty na výtoku, 4 – zásobníkový ohrievač, 5 – rekuperačný panel

Teplota na výtoku závisí od teploty predohriatej teplej vody, ktorá sa môže meniť v závislosti od teploty odpadovej vody. Cez regulačný ventil je možné automaticky regulovať teplotu na výtoku a tak zabezpečiť komfortnú prevádzku spŕch alebo umývadiel, obr. 12.

d) Rekuperácia tepla z odpadovej vody s akumulačnou nádržou splaškovej vody s integrovaným výmenníkom

V domácnostiach ale aj v športových prevádzkach je možné využiť teplo z odpadovej vody cez akumulačnú nádrž. Odpadová voda sa zbiera v akumulačnej nádrži. Výmenník tepla, ktorý je zabudovaný do nádrže, odoberá teplo odpadovej vode a odovzdáva ho studenej vode vo výmenníku, obr. 13.

Obr. 13 Akumulačná nádrž s integrovaným výmenníkom tepla na akumuláciu odpadovej vody [4]:
1 – snímač teploty, 2 – výmenník tepla, 3 – odvod ochladenej odpadovej vody, 4 – predohriata teplá voda, 5 – automatický odvzdušňovací ventil, 6 – prívod studenej vody, 7 – prívod splaškovej vody, 8 – vypúšťacie potrubie, 9 – nastaviteľný podstavec

Obr. 14 Inštalácia akumulačnej nádrže s integrovaným výmenníkom tepla [4]

Cez akumulačnú nádrž sa dá využiť odpadové teplo z väčšieho množstva odpadovej vody. Izolácia nádrže je z polyuretánu hrúbky 50 mm. Vonkajšia aj vnútorná stena nádrže je z nerezovej ocele a objem je 120 l. Dĺžka integrovaného výmenníka tepla je 20 m. Do nádrže môžeme odvádzať vodu zo spŕch, umývadiel a tiež z práčky.

Kontrola a čistenie akumulačnej nádrže je náročnejšie, ako pri ostatných výmenníkoch. V tomto prípade sa odpadová voda v nádrži akumuluje a to znamená, že nečistoty a kal z odpadovej vody sa usádzajú na dne nádrže. Údržba si vyžaduje pravidelné preplachovanie nádrže, aby sa neznížila účinnosť integrovaného výmenníka tepla. Pri spodnej hrane nádrže sa nachádza vypúšťací otvor, odkiaľ je možné odviesť kal a nečistoty z nádrže, obr. 14.

Záver

Rozsah možností využitia tepla z odpadovej vody je veľký. Otázkou ostáva výber vhodných spotrebiteľov a využiteľných miest. Pre optimálne využitie tepla z odpadových vôd berieme do úvahy dve základné podmienky: dostatočný prietok v kanalizačnom systéme a dostatočnú teplotu odpadovej vody. Pre rodinné a bytové domy, športové haly, bazény, či hotely sú z hľadiska šetrenia energie vhodným riešením rekuperačné systémy využívajúce teplo z kanalizácie vo vnútri budov na predohrev teplej vody. Výhodou takýchto malých rekuperačných systémov je absencia potreby elektrickej energie na prevádzku, jednoduchý a nenáročný návrh, k prevádzke nie je potreba inštalácie tepelného čerpadla a investície sú oveľa menšie ako pri veľkých rekuperačných systémoch s tepelným čerpadlom.

Návratnosť týchto systémov však závisí od rôznych faktorov ako je prietok odpadovej vody, množstvo spotrebovanej teplej vody, dĺžka a frekvencia umývania alebo sprchovania.

Literatúra

• [1] POWER PIPE: Medený dvojplášťový výmenník tepla do odpadového potrubia.
• [2] HEI-TECH: Sprchové vaničky Recoh tray a medený dvojplášťový výmenník tepla do odpadového potrubia.
• [3] IVAR.CS, Domové a bytové rekuperačné panely.
• [4] EART SAVE PRODUCTS ESP: Akumulačná nádrž splaškovej vody s integrovaným výmenníkom pre rekuperáciu tepla.
• [5] Domový a bytový rekuperačný panel IVAR BEE 600 od firmy IVAR CS (foto archív autoriek)