Využití tepla z lokálně generované odpadní vody: případová studie domov pro seniory Hofmatt, Švýcarsko

Odpadní voda jako zdroj tepla pro systémy tepelných čerpadel představuje vysoce účinný zdroj energie a odvaděč energie. Jeho použití je však často omezeno na velké průměry kanalizace a vysoké průtoky. Tento článek představuje alternativu k využití tepla z odpadních vod: využití odpadního tepla lokálně generované odpadní vody jako obnovitelného a udržitelného zdroje energie pro výrobu teplé vody a vytápění budov, jako na příkladu starobního domu Hofmatt ve Švýcarsku, který je popsán níže.

Úvodní informace

Vzhledem k neustále se zlepšující kvalitě plášťů budov neustále klesá poptávka po teple moderních budov. Moderní pláště v maximální možné míře zajišťují, aby vzduch v místnosti unikal nebo aby byl vzduch v místnosti vypouštěn do venkovního prostředí přes výměníky tepla, aby se ztratilo co nejméně energie. Takový energetický potenciál je skryt i v našich odpadních vodách, ale obvykle odtéká kanalizací, aniž by byl využit. Právě zde přichází do hry využití odpadního tepla. Cílem je další využití energie obsažené v odpadní vodě.

K dosažení tohoto cíle jsou nutné výměníky tepla, které oddělují proud znečištěné odpadní vody od proudu čisté chladicí vody. Takové výměníky tepla jsou k dispozici pro instalaci do kanalizace nebo pro externí nadzemní instalaci. Jedná se o systémy testované v terénu, které prokázaly svou účinnost.

Většina dříve realizovaných projektů využívá odpadní vodu, když již dosáhla kanalizace. Ve švýcarském domově důchodců Hofmatt jsme se rozhodli vydat novou a velmi slibnou cestou: Vnitřní proud odpadní vody využíváme k získávání energie pro účely vytápění a ohřevu užitkové vody.

Využití odpadních vod u zdroje má velký potenciál. Denní produkce odpadních vod na osobu činí v průměru 130 l. Teplota vody je 23-25 °C. Při chlazení o 15 K lze za den a na osobu získat přibližně 2,26 kWh energie. Při přípustné roční spotřebě energie 55 kWh/m² podle KfW85 a při předpokládaných 170 dnech vytápění stačí toto množství energie k vytápění přibližně 7 m² obytného prostoru při 100procentním využití.  Jednu z největších energetických netěsností moderních budov lze tímto způsobem přímo uzavřít (viz obrázek 2).

Starobní dům Hofmatt, který se nachází v malebné krajině nedaleko Basileje v blízkosti „zahradního města“ Mnichov, je základem rodiny Zaeslinů na památku jejich dvou synů, kteří v roce 1891 zemřeli při železniční nehodě. V té době byl Hofmatt rekreačním domovem pro osoby léčené z nemocnice v Basileji. Od roku 1940 se tento dům používal jako ochranná budova a v šedesátých letech se stal domovem pro seniory a pečovatele. První křídlo s přibližně 60 lůžky bylo postaveno v letech 1966 až 1968, další západní křídlo bylo postaveno v roce 1977. Domov byl poprvé modernizován v roce 1984 a v roce 1995 následovalo další rozšíření, které položilo základy pro dětský pokoj se 124 postelemi.

V roce 2010 se začalo s kompletní rekonstrukcí a dalším rozšířením budovy. Na veletrhu IFAT 2010 společnost HUBER SE poprvé představila výměník tepla, který je speciálně navržen pro aplikace s odpadními vodami. Když se o tom inženýři skupiny ETA Group dozvěděli, představili svůj nápad na malá decentralizovaná řešení pro využití odpadního tepla. Již brzy bylo jasné, že výměník tepla RoWin je pro společnost Hofmatt ideálním výměníkem tepla pro využití odpadní vody.

Domov pro seniory a jesle se od roku 2012 renovuje a do budovy budou přidány dva nové bloky. Modernizace budovy zahrnuje zcela novou energetickou koncepci. Důležitou roli v této koncepci hraje využití zbytkového tepla z vnitropodnikové odpadní vody a jídelny. Veškerá odpadní voda vzniklá v komplexu je shromažďována v šachtě před domem (viz obrázek 1) a poté protéká výměníkem tepla pro odpadní vody HUBER RoWin. Při tomto procesu je tepelná energie odebírána z průtoku teplé odpadní vody o teplotě 23 °C a dodávána do tepelného čerpadla.

Na začátku fáze plánování uvažovali o instalaci ručně čištěného výměníku tepla. U ručně čištěného výměníku tepla prochází odpadní voda při vstupu do systému filtrační jednotkou, aby byl výměník tepla chráněn před hrubými materiály. Kvůli tvorbě biofilmu a chybějícímu preventivnímu čištění povrchu je nutné systém čistit ručně, což způsobuje vysoké náklady na údržbu. Kromě toho je pro výměník tepla nutná poměrně velká hřídel.

Dodavatel EBM se proto společně s majiteli a provozovateli zařízení rozhodl použít systém HUBER RoWin, který svou práci provádí bezúdržbově díky plně automatickému čištění modulů výměníku tepla.  Kromě toho turbulenční generátor zajišťuje trvale vysokou kapacitu přenosu tepla i při dávkovém podávání. Instalace plně automatického síta v šachtě odpadní vody zajišťuje spolehlivou ochranu čerpadla a výměníku tepla před hrubým materiálem. Kromě toho stačila mnohem menší šachta na odpadní vodu. Šachtové poklopy byly nainstalovány plynotěsně a proti zápachu (viz obrázek 3). Šachtu tak bylo možné umístit přímo vedle budovy, aniž by obtěžovala obyvatele emisemi.

Na straně vytápění se používá tepelné čerpadlo s pístovým kompresorem s přímou kondenzací. Čerpadlo dokáže ohřívat teplou vodu v kombinovaných skladovacích nádržích až na 70 °C. Přípojka dálkového vytápění EBM Münchenstein je k dispozici jako 100% záloha a pro špičkové zatížení. Nápad na speciální stanici dálkového vytápění s plně integrovanými částmi zařízení přišel od společnosti HLK Consulting GmbH z Dornachu. Jejich koncepce zahrnovala ohřev teplé užitkové vody v kombinaci s přídavným ohřevem místo pouhého ohřevu teplé užitkové vody. Toto řešení bylo realizováno již před 15 lety v řadě zařízení v Basileji, kde bylo jako zdroj tepla využíváno odpadní teplo z chladicích procesů. V tomto případě je zdrojem tepla odpadní voda. Skupina ETA Group byla odpovědná za dodávky na klíč do závodu. Také elektrické ovládání celého kompaktního zařízení pocházelo z per ETA Group. Celková koncepce zařízení nestála více než původně plánované řešení, ačkoli navíc umožňuje zvýšené využití odpadního tepla díky přídavnému topení.

Společnost HUBER SE dodala výměník tepla HUBER RoWin velikosti 4S, nejmenší dostupnou velikost, a bouřkové síto ROTAMAT® RoK 1. Výměník tepla byl nainstalován ve sklepě budovy vedle tepelného čerpadla (viz obrázek 4).

Společnost ETA Group dodala tepelné čerpadlo s pístovým kompresorem a přímou kondenzací, které dokáže ohřívat teplou vodu až na 70 °C. Společnost ETA Group nainstalovala skladovací nádrže Jenni, které jsou vhodné pro provoz s přímou kondenzací. Protože není použit žádný jiný výměník tepla, lze zlepšit účinnost systému a také zvýšit dosažitelnou teplotu. Uvnitř vrstveného zásobníku je k dispozici teplá užitková voda o teplotě 65 °C v horní části, o teplotě 30-40 °C pro vytápění budovy uprostřed a o teplotě 25 °C ve spodní části pro dodatečné chlazení zkapalněného chladiva. Kompresor s regulací otáček zvyšuje účinnost v režimu částečného zatížení.

Provozní zkušenosti

Zařízení bylo uvedeno do provozu v roce 2012. Skupina ETA Group i EBM Münchenstein pozitivně hodnotí dvouleté provozní zkušenosti.

Od vyřešení problémů s ozubením systém produkoval teplou užitkovou vodu o teplotě 65 °C a zajišťoval dodávku velké části vytápění s poměrem energetické účinnosti 3,2. Dosud nebyla nutná žádná údržba, ani u výměníku tepla, ani u sběrného šachtu.

Tento projekt byl ideální pro zúčastněné strany, aby získaly zkušenosti s provozem takových zařízení v malém měřítku. Nyní jsou dobře připraveni je začlenit do plánování větších projektů.

V moderních budovách je velká část tepelné energie potřebná k výrobě teplé vody, která je následně vypouštěna do kanalizace a čistírny odpadních vod bez využití obsaženého energetického potenciálu. Tuto energetickou mezeru lze nyní uzavřít využitím tepla z odpadních vod. Uvolněnou energii lze rekuperovat. To snižuje spotřebu primární energie a emise CO₂. Využití odpadní vody tak může významně přispět k celkové energetické optimalizaci budov. Využívání odpadní vody je také uznáváno jako regenerativní alternativní opatření podle zákona o teple z obnovitelných zdrojů energie (EEWärmeG).

Budoucí projekty by se však neměly zaměřovat pouze na rekuperaci tepla z odpadní vody, měla by se také zvážit možnost chlazení odpadní vodou. Prostřednictvím jednoduché reverzace okruhu tepelného čerpadla lze stejný systém, který se používá k vytápění budovy v zimě, použít k chlazení v létě. Výsledkem je výrazné zkrácení doby amortizace bez nutnosti instalovat další zařízení pro chlazení.

Díky více než 130leté historii společnosti je HUBER spolehlivým partnerem při plánování projektů a je schopen uspokojit zákazníky svými technicky vysoce kvalitními produkty. Díky celosvětové prodejní síti je možné poskytnout zákazníkům na všech kontinentech světa technická řešení potřebná pro využití odpadní vody.

Dobrými důvody pro takové zařízení jsou snadno dostupná odpadní voda, krátké rozhodovací procesy a to, že zdroj energie i odvod energie jsou doslova pod jednou střechou. Za příslušných rámcových podmínek se určitě doporučuje koncepci opakovat.

V moderních budovách je velká část tepelné energie potřebná k výrobě teplé vody, která je následně vypouštěna do kanalizace a čistírny odpadních vod bez využití obsaženého energetického potenciálu. Tuto energetickou mezeru lze nyní uzavřít využitím tepla z odpadních vod. Uvolněnou energii lze rekuperovat. To snižuje spotřebu primární energie a emise CO₂. Využití odpadní vody tak může významně přispět k celkové energetické optimalizaci budov. Využívání odpadní vody je také uznáváno jako regenerativní alternativní opatření podle zákona o teple z obnovitelných zdrojů energie (EEWärmeG).

Budoucí projekty by se však neměly zaměřovat pouze na rekuperaci tepla z odpadní vody, měla by se také zvážit možnost chlazení odpadní vodou. Prostřednictvím jednoduché reverzace okruhu tepelného čerpadla lze stejný systém, který se používá k vytápění budovy v zimě, použít k chlazení v létě. Výsledkem je výrazné zkrácení doby amortizace bez nutnosti instalovat další zařízení pro chlazení.

Díky více než 130leté historii společnosti je HUBER spolehlivým partnerem při plánování projektů a je schopen uspokojit zákazníky svými technicky vysoce kvalitními produkty. Díky celosvětové prodejní síti je možné poskytnout zákazníkům na všech kontinentech světa technická řešení potřebná pro využití odpadní vody.

Dobrými důvody pro takové zařízení jsou snadno dostupná odpadní voda, krátké rozhodovací procesy a to, že zdroj energie i odvod energie jsou doslova pod jednou střechou. Za příslušných rámcových podmínek se určitě doporučuje koncepci opakovat.