Energetický partner

číslo 5, rok 2014, ročník II

Pavel GERGELA[1],

ZPĚTNÉ VYUŽÍVÁNÍ odpadního TEPLA Z VOD vodoléčebného provozu ve zdravotnickém zařízení

Abstrakt

Hlavní autorovou myšlenkou je najít úsporný energetický potenciál v oblasti řešení vnitřního vodovodu a kanalizace. Cílem příspěvku je popsat metodiku návrhu a řešení pro zpětné využití tepelné energie z odpadních vod na příkladu vodoléčebného provozu v lázeňském komplexu. Způsob využití odpadního tepla je popsán s důrazem na zohlednění reálného provozu a vlivů z pohledu tepelné techniky pomocí tepelného výměníku. Odpadní energie je navržena za pomocí nízkonákladového řešení pro přípravu teplé vody. Následující text se zaměří na přehled a aktuálnost současného stavu řešené problematiky. Dále nastíní v metodice řešení postup návrhu řešení, výběr technologického zařízení a vykáže vyhodnocení v podobě úspory energie využitím odpadního tepla na modelovém příkladu.

Klíčová slova

Zpětné využívání odpadního tepla, vnitřní kanalizace, tepelný výměník, odpadní vody, rekuperační systémy, šedé vody.

# 1 Úvod

Moderním trendem v souvislosti se snižováním energetické náročnosti budov je hledání nových způsobů ke snižování celkového množství dodané energie, což vede k zařazení daného objektu do vyšších energetických tříd v průkazu energetické náročnosti budovy. Článek se v tomto ohledu zaměřuje na inovativní řešení využívání zpětně získávaného tepla z odpadních vod vodoléčebného provozu pomocí tepelného výměníku k ohřevu teplé vody.

# 2 SOUČASNÝ stav problematiky

Využití zpětně získávaného tepla z odpadních vod není prozatím v našich poměrech obvyklé, přitom zásluhou těchto energetických zisků lze při jejich zpětném využití snižovat náklady na výrobu tepla, elektrické energie, popř. chladu. O prozatímních zkušenostech vypovídají následující odkazy na zahraniční realizovaná díla, kde bylo pro zpětné získání tepla užito různých druhů tepelných výměníků.

Tepelné výměníky mohou být vložené do kanalizačního potrubí (KASSAG LANGNAU AG, Švýcarsko, viz [1]), integrované do betonové stěny kanalizačního potrubí (Rabtherm Energy Systéme, Švýcarsko, viz [2]), dále jako předizolované kanalizační potrubí s integrovaným ocelovým výměníkem tepla (KASSAG LANGNAU AG, Švýcarsko viz [1]), či jako externí ocelové dvoutrubkové výměníky tepla (JC Equipments Pvt Ltd, Jižní Indie, viz [3]).

Obr. 1 a 2: Příklad tepelného výměníku vloženého do kanalizačního potrubí a externího ocelového dvoutrubkového výměníku tepla [1, 3]

Obr. 3 a 4: Příklad předizolovaného kanalizačního potrubí s integrovaným ocelovým výměníkem tepla a tepelného výměníku integrovaného do betonové stěny kanalizačního potrubí [1, 2]

Jako první realizace rekuperačního systému odpadních vod veřejné kanalizace na světě se jeví stavba obnovy hlavní kanalizace v Curychu roku 1997 - 1999. Jedná se o 201 m dlouhý tepelný výměník produkující až 1 000 kWh energie za hodinu, což šetří 100 litrů topného oleje za hodinu a znamená snížení 1 500 CO2 ročně a výrazně čistší vzduch pro obyvatele města [4].

Obr. 5: Snímek pořízený ze stavby obnovy hlavní kanalizace v Curychu z roku 1 999 [4]

Mezi další úspěšně realizované projekty patří např. stavba obchodního centra v německém Leverkusenu (wellnes, fitness, ordinace), stavba švýcarské rezidence Wässerwiesen ve Winterthur-Wülflingenu či rakouského vídeňského kanálu obchodního řetězce, kde byly použity tepelné výměníky integrované do betonových kanalizačních skruží.

# 3 metodika řešení

V rámci zabývání se využívání odpadního tepla ve vodoléčebném provozu je potřeba definovat jeho kapacitu. Na trhu existuje několik dodavatelů hydromasážních terapeutických celotělových van, případně vířivých lázní a koupelí pro horní i dolní končetiny. Vzhledem k obecné povaze odpadních vod je doporučeno využívat pouze relativně čisté odpadní šedé vody, tzn. vody neobsahující fekálie a moč. Mimo hydromasážní zařízení jsou součástí každé vodoléčby také sprchy, jejichž odpadní vody jsou pro zpětně získání tepla rovněž vhodné. Stanovení velikosti provozu včetně časových dob léčebných procedur a odbavení pacientů je předpokladem pro správné určení množství teplé vody, jejíž tepelný potenciál můžeme navrhnout pro zpětné využití při vypouštění do kanalizace.

Nedílnou součástí metodiky řešení je stanovení výsledné teploty odpadních vod v místě jejich využití. Připusťme, že odpadní vody z hydromasážních zařízení a příslušných sprch budou z místa jejich spotřeby odváděny svodným kanalizačním potrubím do podzemní zaizolované jímky s tepelným výměníkem. Teplota odpadních šedých vod svedených do jímky obsahující potenciálně využitelné odpadní teplo se vyjádří váženým průměrem a to na základě vypouštěného množství odpadní vody z daného zařizovacího předmětu a její teploty dle kalorimetrické rovnice. Odečtením teplotních korekcí právě od této teploty získáme výslednou teplotu odpadních vod v jímce. Teploty na výtocích z jednotlivých zařizovacích předmětů poskytuje ČSN 06 0320 [5]. Teplotní korekci (tepelnou ztrátu) zohledňující přibližný časový pokles teploty přes teplosměnnou plochu zařizovacího předmětu během léčebného procesu a sprch při sprchování lze stanovit dle ČSN EN ISO 12241 [6]. Nejvýznamnější vliv teplotní korekce představuje tepelná ztráta průtokem odpadních vod v potrubí uloženého v zemi. Potrubí je nutné opatřit tepelnou izolací s povrchovou úpravou tvořící parotěsnou zábranu kašírovanou hliníkovou fólií s pokud možno co nejnižší hodnotou součinitele tepelné vodivosti. Výpočtový postup pro určení součinitele prostupu tepla izolovaného potrubí kruhového průřezu udává vyhl. č. 193/2007 Sb. [7], změna teploty se pak určí opět dle ČSN EN ISO 12241 [6]. Součástí stanovení výsledné teploty není zohlednění simulace předpokládané stratifikace. Zanedbání vlivu rozdílných teplot v různých výškových úrovních v jímce je provedeno za předpokladu rovnoměrného přítoku odpadních vod a výsledného tvaru zaizolované podzemní jímky. Do výpočtu je vhodné zohlednit tepelné ztráty na výslednou teplotu šedých vod rezervou Δ θx. Jedná se o tepelné ztráty mající zanedbatelný vliv, popř. z fyzikálního hlediska složitě popsatelný dynamický vliv. Např. tepelnou ztrátu zohledňující rozdíl návrhové teploty vnitřního vzduchu a teploty vody, tepelnou ztrátu zohledňující rozdíl teploty vody a teploty těla vyšetřující osoby (36,3 až 36,5°C – vážený průměr dle věku člověka střední a vyšší věkové skupiny), tepelnou ztrátu průtokem vypuštěné dávky šedé vody potrubím v interiéru, tepelnou ztrátu způsobenou tepelnými vazbami, tepelnou ztrátu odparem, tepelnou ztrátu technologickou nekázní při realizaci a jiné tepelné ztráty.

Zjednodušená popsaná metoda je založena na předpokladu, že odpadní voda v podzemní jímce se neustále během stanovené doby provozu doplňuje a do potrubí studené vody ohřívané odpadním teplem přes tepelný výměník proudí nová voda o stálé teplotě. Je tak uvažováno s ustáleným tepelným stavem, tedy se stacionárními podmínkami. Velikost podzemní jímky musí být navržena tak, aby množství objemu odpadní vody obsahovalo dostatek tepelné energie k předání tepla ohřívanému množství pitné vody na vypočtenou výstupní teplotu teplé vody z podzemní jímky i v důsledku nesoudobosti provozu. Do výpočtu nevstupuje počáteční ochlazení přivádějícím množstvím vody do prázdné nádrže v době zahájení provozu a ochlazení těchto šedých vod v důsledku provozních přestávek.

Odpadní šedé vody po odejmutí tepelného potenciálu mohou být dále sekundárně využity. Ochlazené šedé vody lze využít ke splachování toalet, úklidu, zavlahování a očistě zpevněných ploch, čímž dojde k odlehčení systému vnitřní kanalizace a úspoře pitné vody. V rámci rozsahu řešeného projektu je vhodné analyzovat řešení recyklace šedých vod, protože není ekonomické vypustit kvalitně upravenou vodu do městské ČOV. Inspiraci lze hledat především za hranicemi ČR, např. v Německu existují různé způsoby, jak je možné šedou vodu technicky recyklovat. Tato technologie se značně liší v její složitosti, velikosti, výkonu, kvality a investice.

# 4 Volba metody řešení využívání odpadního tepla z vod

4.1 Návrh tepelného čerpadla

Při studii možností využívání odpadního tepla z vod je potřeba se zmínit o použití tepelného čerpadla. Nevýhody tohoto řešení spočívají ve složité technologii, akumulaci teplé vody a investičních nákladech, provozních nákladech na kompresor a pomocných čerpadel. Velkou nevýhodou tepelných čerpadel pro dané využití je omezení vstupní teploty na primární straně, která může být max. 15°C až 20°C (dle typu TČ). Přitom teplota odpadních vod z vodoléčebných provozů se pohybuje kolem 37°C. Muselo by tak docházet k ochlazování odpadní vody pitnou vodou z vodovodní přípojky, což je nežádoucí a kontraproduktivní. Závěrem je, že použití tepelných čerpadel není vhodným řešením pro využití odpadního tepla z vod v lázeňském provozu.

4.2 Návrh tepelného výměníku

Tento návrh se zabývá metodou využívání odpadního tepla z šedých vod, při níž je použit zjednodušený výpočtový postup pro návrh protiproudého výměníku, který je analogicky aplikován na dané konkrétní řešení.

Dle metodiky řešení uvedené v bodě 3 lze vypočítat průměrnou výslednou teplotu odpadních vod θ1 [°C] a její průtok m’1 [l/s], který bude sveden do podzemní tepelně zaizolované jímky během stanoveného provozu vodoléčby. Potrubí zásobující zdroj ohřevu teplé vody studenou vodou z vodovodní přípojky o teplotě θ2 = 10°C a průtoku m’2 [l/s] systém ohřevu TV bude ponořeno do odpadní vody v jímce, čímž bude docházet k předávání tepelné energie a předehřívání studené vody před plnohodnotným ohřevem na předpokládanou teplotu 55°C.

Na základě vstupních parametrů a výstupních požadavků se dopočítá potřebná teplosměnná plocha, resp. délka a průměr potrubí tepelného výměníku.

Obr. 6 - 9: Model podzemní zaizolované jímky s trubkovým měděným výměníkem

Využívané šedé vody určené ke zpětnému získání tepelné energie budou částečně akumulovány v zaizolované podzemní nádrži s tepelným výměníkem. Jedná se o akumulační objem sloužící k vyrovnání časové nesoudobosti provozu při přítoku a odtoku vody.

Dá se předpokládat, že trubkový měděný výměník pro účely využívání odpadního tepla z vod je méně vhodný a nebude mít takové parametry jako deskový výměník, který dokáže dosáhnout lepšího přiblížení středních teplot a v případech využití odpadního tepla je každý stupeň znatelný pro ekonomiku a návratnost. Trubkový výměník potřebuje mít pro svou funkci mnohem vyšší teplotní rozdíl mezi primární a sekundární stranou.

Dále je potřeba mít na paměti, že znečištěné vody zanáší výměník a zhoršují tak jeho vlastnosti (U). Je tedy zapotřebí zajistit kvalitní úpravu (odkalování, filtraci, tangenciálními odlučovači) odpadní vody. Dále omezit zanášení tím, že výměník bude navržen tak, aby napětí kapaliny na deskách (τ) bylo na vyšší hodnotě (vyšší turbulence), což znatelně zmírní zanášení. Výměník by měl být také snadno přístupný k údržbě, aby dle potřeby jej bylo možné tlakem vody jednoduše opláchnout. Při provozu je vhodné vést záznamy teplot, případně i hydraulické ztráty, kdy při určité změně parametrů by byl doporučený servis (čištění).

# 5 dosažené výsledky na modelovém příkladu

Uvedené postupy byly uplatněny na modelovém příkladu vodoléčebného provozu ve zdravotnickém zařízení, který byl vybaven sedmi hydromasážními vanami a koupelemi o produkci 15,3 m3 odpadních šedých vod za 1 pracovní směnu a návštěvou 77 pacientů. Pro zpětné využívání odpadního tepla byl navržen tepelný deskový výměník dle uvedených parametrů v Tab. 1.

Tab. 1: Parametry deskového výměníku na modelovém příkladu

Parametr | Primární strana | Sekundární strana
Kapalina | Voda | Voda
Hustota [kg/m3] | 994.4 | 996.9
Měrná tepelná kapacita [kJ/(kg.K)] | 4,18 | 4,19
Tepelná vodivost [W/(m.K)] | 0,617 | 0,606
Hmotnostní průtok [kg/s] | 0,55 | 0,37
Vstupní teplota [°C] | 35,6 | 10,0
Výstupní teplota [°C] | 22,0 | 30,0
Součinitel přestupu tepla [W/(m2. K)] | 4113
Teplosměnná plocha 1 výměníku [m2] | 0.9
Počet desek [ks] | 13
Materiál / tl. desek | ALLOY 316 / 0.40
Délka x šířka x výška [mm] | 884 x 264 x 591

Pro ohřev denní potřeby 11,2 m3 teplé vody je potřeba 646 kWh. V případě realizace řešení, kdy by docházelo k předehřevu vody pomocí odpadního tepla, byla by potřeba energie 473 kWh, což odpovídá 173 uspořeným kilowatthodinám denně a 27% snížení nákladů na ohřev TV. Predikovaná investiční náročnost byla vypočtena na 220.000,- bez DPH. V případě odchylky stanovení návštěvnosti o +/-20 % návratnost činí 3 – 4 roky.

Graf 1: Potřeba energie pro ohřev TV znázorňující úsporu energie využitím odpadního tepla

S realizací.

Bez realizace.

# 6 závěr

Využití zpětně získávaného tepla z odpadních vod není prozatím v našich poměrech obvyklé a je tématem budoucnosti. O prozatímních zkušenostech vypovídají především zahraniční inspirativní díla. Ve větším měřítku nabízí zajímavé možnosti zpětné využívání odpadního tepla na městských kanalizačních systémech, v lázeňských provozech nebo hornictví. V našich poměrech se odvážný investor teprve hledá. Je otázkou, zda současná úsporná opatření legislativně přinutí stavební firmy a členské státy Evropské unie zabývat se touto problematikou podrobněji a zpětné využívání odpadního tepla zaznamená pokrok obdobně jako využívání solární energie.

# literatura

[1] KASAG – Containers, pressure vessels, heat exchangers, columns, subassemblies, etc. In: [online]. [cit. 2013-09-11]. Dostupné z:

http://www.kasag.ch/RENEWABLEENERGY/tabid/150/language/en-US/Default.aspx

[2] RABTHERM – Energy systems. In: [online]. [cit. 2013-09-11]. Dostupné z: http://www.rabtherm.ch/index.php?option=com_content&view=article&id=60&Itemid=35&lang=en>

[3] JC EQUIPMENTS PVT LTD – Cooling towers, heat exchangers. In: [online]. [cit. 2013-09-11]. Dostupné z: http://www.jcequipments.com/double-pipe-heat-exchanger.html>

[4] RABTHERM – Energy systems. In: [online]. [cit. 2013-09-11]. Dostupné z: http://www.rabtherm.ch/images/Referenz_Wipkingen_CH_E_2.pdf

[5] ČSN 06 0320: Tepelné soustavy v budovách - Příprava teplé vody - Navrhování a projektování. Praha: Český normalizační institut, 2006.

[6] ČSN EN ISO 12241: Tepelně izolační výrobky pro zařízení budov a průmyslové instalace - Pravidla výpočtu. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 2009.

[7] Vyhláška č. 193/2007 Sb., kterou se stanoví podrobnosti účinnosti užití energie při rozvodu tepelné energie a vnitřním rozvodu tepelné energie a chladu. Praha: Ministerstvo průmyslu a obchodu, 2007.

[1] Ing. Pavel Gergela, Katedra prostředí staveb a TZB, Fakulta stavební, VŠB-Technická univerzita Ostrava, Ludvíka Podéště 1875/17, 708 33 Ostrava - Poruba, tel.: (+420) 597 321 909, e-mail: pavel.gergela@vsb.cz.