Ścieki jako dolne źródło ciepła

Wstęp

Energia cieplna zawarta w ściekach, to kolejne niedocenione, dolne źródło taniej energii dla pomp ciepła. Przy dużych, zbiorczych kolektorach sanitarnych, przepływ ścieków jest całodobowy, a ich temperatura stabilna w ciągu roku. W okresie zimowym waha się między 10-12°C, w lecie wzrasta do 17-20°C. Taki przedział temperatur powoduje, że ścieki stają się korzystnym rozwiązaniem dla pomp ciepła pracujących w układach grzanie/chłodzenie, zapewniając wysoką sprawność i niskie koszty pozyskania energii. Według danych niemieckich potencjał energii zawartej w ściekach wynosi około 1,2-1,5kWh na każdy m3. Z tego samego m3 ścieków można pozyskać w oczyszczalniach około 0,05-0,1 m3 biogazu o wartości opałowej około 6kWh/m3, czyli 0,3-0,6 kWh energii. Innymi słowy: potencjał ciepła odpadowego w ściekach jest wielokrotnie większy większy, niż potencjał gazów ściekowych w oczyszczalniach.

Według innych danych  (art. ENERGIE AUS KANALABWASSER, Leitfaden für Ingenieure und Planer), opłacalność wykorzystania ścieków do ogrzewania budynków następuje zazwyczaj dla przepływów ścieków od 15 l/s, tj. dla gmin od około 10 000 mieszkańców oraz w przewodach o średnicy wewnętrznej co najmniej 800 mm. W każdym przypadku zastosowane rozwiązania preferują tylko duże, przemysłowe pompy ciepła, o mocach >150kW.

Rozwiązania techniczne

Odzysk ciepła ze ścieków można prowadzić w wielu miejscach.

  • w instalacjach wewnętrznych budynków
  • w kolektorach sanitarnych
  • w instalacjach przemysłowych

 Temperatura ścieków w wewnętrznych instalacjach sanitarnych, dochodzi do kilkudziesięciu stopni. Ich spływ jest jednak okresowy, tym samym pozyskiwanie ciepła jest wątpliwej jakości. Stosowanie wymienników ciepła dla ścieków tzw. „szarych”, pochodzących z instalacji natryskowych, jest już praktykowane. Jednak ciepło takie nie nadaje się raczej dla pompy ciepła. Jest natomiast korzystnym rozwiązaniem dla ograniczenia zużycia energii z tytułu przygotowania c.w.u. Poniżej jedno z rozwiązań, prezentowane przez firmę Innova o nazwie BEE Innova.

Fot. Wymiennik ciepła dla ścieków szarych BEE Innova (fot. Innova)

Wymiennik prezentowany na zdjęciu instalowany jest w posadzkach i ma za zadanie wymieniać ciepło pomiędzy odpływającymi z brodzika ściekami, a wodą wodociągową. Ścieki „szare” przepływają tutaj u góry wymiennika ogrzewając absorber aluminiowy, do którego zamocowana jest wężownica z wodą wodociągową. Możliwe jest przy tym podgrzewanie wody zimnej doprowadzonej do mieszacza natryskowego, lub wody zasilającej podgrzewacz. Oba rozwiązania na poniższych ilustracjach.

Rys. Dwie wersje odzysku ciepła ze ścieków szarych. (rys. Innova).

Ciepło z kolektora sanitarnego

Wymaga stosowania specjalnych wymienników ciepła umieszczonych w bezpośrednim sąsiedztwie przepływających ścieków. Z technicznego punktu widzenia możliwe są tutaj następujące rozwiązania i technologie:

  • Kolektory sanitarne z prefabrykowanymi rurami wymiennika ciepła
  • Montaż wymienników ciepła w gotowych kolektorach, podczas ich remontu
  • Montaż wymienników zabudowanych metodą bezwykopową
  • Montaż wymienników niezabudowanych metoda bezwykopową

Pierwsze rozwiązanie wymaga użycia do budowy kolektorów sanitarnych specjalistycznych rur z prefabrykowanymi rurami wymiennika ciepła (fot.)

Fot. Rura betonowa z wymiennikiem ciepła. (fot. Eawag)

Montaż wymaga w tym przypadku dużej precyzji i odpowiedzialności od ekip roboczych. Rury zatopione są w betonie w części dennej, gdzie jego ilość jest dużo większa, niż w pozostałym przekroju. Wewnątrz rur płynie zwykle roztwór glikolu jako pośredni czynnik roboczy, oddający ciepło wymiennikowi pompy ciepła. Wadą rozwiązania jest opór cieplny betonu i związane z tym straty przy wymianie ciepła

W przypadku istniejących kanałów sanitarnych, istnieje możliwość wykonania wymienników ciepła metodą bezwykopową. Na rynku istnieje szereg technologii dopasowanych do rur o przekroju kołowym, jak i jajowym. Wymienniki takie wykonywane są zwykle z blachy nierdzewnej i stanowią nakładki montowane w dnie kanału. Ścieki płyną w tym wypadku bezpośrednio po powierzchni nakładki, pełniącej w tym przypadku rolę wymiennika ciepła. Bezpośrednio pod nią zamocowane są rury z glikolem. To ostatnie rozwiązanie nosi nazwę Therm-liner. Poniżej przykładowy wymiennik ciepła w dwóch wariantach produkowany przez firmę Uhrig Kanaltechnik.

Rys. Therm-liner wariant A

Rys. Therm-liner wariant B.

Fot. Instalowanie systemu Therm-liner (fot. Uhrig)

Fot. Gotowy wymiennik w kanale jajowym (po lewej), okrągłym (po prawej)

Nakładki wymienników ciepła mogą być też wykonane z betonu. Na zdjęciu poniżej wymienniki ciepła rabtherm.

Fot. Wymienniki ciepła dla ścieków wykonane w formie betonowych odlewów (fot. Rabtherm)

Ile ciepła można odzyskać?

Ilość dostępnego ciepła zależy od średnicy kolektora, a w praktyce od wielkości przepływu ścieków w m3/h. Przyjmuje się, że z 1m3 ścieków, przy spadku temperatury 1K, można odzyskać  do 1,2kWh energii. Poniżej na wykresie średnie ilości energii, dla różnych spadków temperatury.

Rys. Zyski energii w kWh w zależności od przepływu ścieków, przy spadku temperatury od 0,1-1°C.

Biorąc pod uwagę powyższy wykres, przy przepływie rzędu 400 l/s i spadku temperatury 4 °C, można uzyskać w ciągu 1 h do:

 1,2 x 400 x 3600/1000 x 4 =  6900kWh energii

Są to imponujące ilości, choć w praktyce raczej niemożliwe do odzyskania. Im większy przepływ jednostkowy, tym trudniejsze schłodzenie ścieków. Spadki temperatury rzędu kilku stopni są możliwe tylko przy małych przepływach, lub spowolnieniu przepływu ścieków. Zależą też od: sprawności wymiennika ciepła, jego budowy, czasu kontaktu ścieków z wymiennikiem, itp. Wysoka sprawność wymiennika ciepła, wymaga zwykle ścieków wstępnie oczyszczonych, przefiltrowanych przez sita. W przeciwnym wypadku wymiennik potrafi szybko pokryć się trudnymi do usunięcia osadami, ograniczającymi wymianę ciepła. Poniżej przykład wymiennika ciepła niezabudowanego firmy HUBER.

Rys. Wymiennik ciepła Rowin firmy HUBER w kanale ściekowym. (rys. Huber.se)

Kompaktowa konstrukcja wymiennika Rowin pozwala umieszczać go w zbiorniku, lub bezpośrednio w kanale ściekowym, dzięki czemu przestrzeń montażowa jest optymalnie wykorzystana. Problemem podczas pracy jest pokrywanie się rur wymiennika biofilmem, co wymaga jego okresowego czyszczenia. W powyższym rozwiązaniu czyszczenie odbywa się w sposób mechaniczny i realizowane jest mobilnym zestawem poruszającym się wzdłuż rur wymiennika. Usunięte szczotkami osady sedymentują na dno zbiornika, skąd usuwane są strumieniem płynących ścieków. W zbiornikach wolnostojących dno wykonywane jest jako stożkowe, a gromadzące się osady okresowo przemieszczane przenośnikiem ślimakowym.

Fot. Wymienniki ciepła Rowin dla ścieków w wersji wolnostojącej. (fot. Huber)

Zanieczyszczenia zawarte w ściekach dla wymienników niezabudowanych powinny być zminimalizowane, dlatego zaleca się stosowanie wymienników Rowin na wylotach z oczyszczalni ścieków, gdzie poziom zanieczyszczeń jest znikomy.