Стічні води можна використати як джерело енергії

23.02.2015 1213 0
Стічні води можна використати як джерело енергії

Нагрів води для потреб гарячого водопостачання становить 20–25% від загального споживання енергії в стандартному будинку, і велика частина навантаження припадає на підігрів води для прийняття ванни або душа. Вартість гарячої води, як правило, займає друге місце у графі витрат на послуги ЖКГ в багатоквартирних житлових будинках, поступаючись по вартості тільки витратам, що витрачаються на опалення приміщень. Дослідження показали, що для гігієнічних процедур людині досить 1/10 частини води, що використовується у душі. Значить близько 90% теплої води, що підводиться до змішувача душа, зливається в каналізацію невикористаною.

Крім теплої води від душу, свій внесок також вносять пральні і посудомийні машини, які нагрівають воду за допомогою електрики.

Утилізація і повторне використання більшої частини енергії стічної води дозволить заощадити теплову енергію і знизити загальну вартість гарячої води.

Стаття присвячена дослідженням використання рекуперації тепла побутової стічної води для збільшення енергетичної ефективності будівель, яке було проведено в Німеччині.


Аналіз вимірів, які отримані на основі оцінки енергетичного потенціалу стічної води для шести будівель в Німеччині, показує високий рівень їх температури. У той же час даний ресурс отримання енергії досі не знайшов широкого застосування. Стічна вода має середню температуру близько 21–26°C. Кількість стічної води, що знаходиться в прямій залежності від споживання питної води для різних типів будівель, у будні становить в середньому від 113 до 133 л/добу на людину для житлових будинків, 184 л/добу на один номер для готелів і 327 л/добу на одне ліжко для лікарень. Застосування теплової енергії стічної води за допомогою теплових насосів дозволяє досягти високих показників економії тепла, пов'язаних з високим впливом сезонних факторів продуктивності, а також екологічного використання систем рекуперації тепла в будинках. Одним з важливих факторів забезпечення ефективності роботи системи є регулярне видалення біоплівки, яка утворюється на тій частині теплообмінника, яка омивається стічною водою.

Передумови проведення дослідження

Близько 5% від загального споживання енергії, що витрачається в Німеччині, використовується для нагріву води. Аналіз загального енергоспоживання будівель показав, що відсоток споживання енергії на нагрів гарячої води становить близько 11%. Завдяки безперервним зусиллям по скороченню енерговитрат на опалення будівель, відсоток енергії, що витрачається на підігрів води системами гарячого водопостачання, буде з кожним роком тільки зростати. Величезна кількість теплової енергії, що міститься в стічних водах, як правило, не використовується, а просто випускається в каналізацію.

Для досягнення європейських цілей щодо захисту клімату використання тепла стічної води надає величезний і по більшій частині невикористаний потенціал для розвитку ресурсоэффективного теплопостачання будівель.

Ідея утилізації тепла стічної води з тепловими насосами, звичайно, не нова. З 1980-х централізовані системи в Німеччині, Швейцарії і Скандинавських країнах використовують тепло стічної води, що збирається або в каналізаційних колекторах, або на очисних спорудах. Температура стічної води у місцях збору складає приблизно від 10 до 15°C протягом усього року і навіть доходить до 20°C у літній час, цього достатньо для гарантованої і безперебійної роботи теплових насосів. У зимові місяці, коли відзначається висока потреба в тепловій енергії, температура стічної води в місцях централізованого встановлення теплових насосів становить лише близько 10°C, що призводить до зниження ефективності роботи теплового насоса.

Дана стаття буде присвячена опису проекту під назвою «Рекуперація тепла побутових стічних вод у будинках для збільшення енергетичної ефективності будівель», який підтриман Федеральним міністерством транспорту, будівництва та міського розвитку. Основне завдання даного проекту відрізняється від мети вищеописаних технічних рішень. У проекті головним завданням є децентралізоване використання теплової енергії усіх потоків стічної води перед випуском її у зовнішню каналізацію, щоб запобігти розсіювання енергії в грунт. Температура стічної води перед випуском її із будівлі становить близько 23–26°C у середньому, що істотно вище в порівнянні з температурою в централізованих системах утилізації тепла стічної води. Як наслідок, ефективність і рентабельність системи теплових насосів можна рішуче збільшити. Таким чином, застосовується схема, у якій теплова енергія стічної води може бути використана безпосередньо в будівлі для отримання гарячої води за допомогою теплового насосу.

В контексті дослідницького проекту оцінювався потенціал використання енергії стічної води всередині будівель, а також проводилося моделювання енергозбереження для різних концепцій системи, у тому числі і для оцінки ефективності системи у порівнянні з традиційною енергетикою.

Концепція моніторингу

Для того щоб визначити енергетичний потенціал стічної води, необхідно знати споживання холодної питної води, а також температуру стічної води, ці значення повинні бути виміряні на контрольних об'єктах. Приймається, що спожита кількість питної води дорівнює кількості стічної води, що відводяться від будівлі. Температура стічної води вимірюється, відповідно, двома датчиками температури в кожній системі каналізації. Точки вимірювання розташовуються на головних магістральних каналізаційних трубах і перед випуском стічної води в зовнішню каналізаційну систему (рис. 1).

Рис. 1. Концепція моніторингу.

Шість об'єктів, що спостерегалися, включають: житловий будинок з 19 мешканцями у місті Diiren, багатоповерховий житловий будинок з 49 мешканцями у місті Pforzheim, два студентських гуртожитки на 244 та 208 постояльців, бізнес-готель на 150 номерів та лікарню на 348 ліжко-місць у місті Aachen.

Результати моніторингу

Типові добові зміни споживання питної води і температури стічної води у будні, на основі середньоарифметичного значення по одному з декількох будинків і одного з студентських гуртожитків, представлені на рис. 2, 3.

Рис. 2. Добові зміни споживання питної води і температури стічної води у будні в житловому будинку (19 мешканців).

Рис. 3. Добові зміни споживання питної води і температури стічної води у будні в студентському гуртожитку (244 мешканця).

За даними вимірювання для житлового 8-квартирного будинку у місті Diiren, де проживають 19 осіб, з травня по липень 2012 року середня витрата у будні склала 117,0 л/добу на людину, або, 2,2 м3/добу. Середня температура стічної води склала 22,5°C, а середня температура холодної питної води протягом цього періоду – 14,8°C. На рис. 2 показано щоденне коливання витрати води та температури стічної води. Можна відзначити, що споживання питної води починається у 4:00 ранку і досягає свого максимуму в 8,8 л/год на людину між 7:00 і 8:00 ранку. Згодом протягом дня витрата перебуває на постійному рівні між 5,6 (з 2:00 до 3:00 ночі) і 6,8 (з 1:00 до 2:00 ночі) л/год на людину. У вечірні години витрата незначно збільшується, і після 21:00 спостерігається поступове зниження витрати споживаної води. Температура стічної води досягає максимальних значень при ранкових та вечірніх пікових навантаженнях на систему водопостачання: 24,3 (з 7:00 до 8:00 ранку) і 25,3°C (з 20:00 до 21:00). Профілі побудованих кривих відрізняються по суботах і неділях (не показано на графіку). Ранковий пік водоспоживання у вихідні дні відзначається на три години пізніше, ніж у будні. Примітно, що середня витрата, що становить 133,9 л/добу на людину, зафіксована у неділю.

Для студентського гуртожитку в Theodorevon Karman з 244 постояльцями у період з травня 2011 року по лютий 2012 року за даними вимірюваннями були отримані наступні результати: у будні дні (з понеділка по п'ятницю) в навчальний період року середнє споживання питної води складає 116,9 л/добу на людину (відповідно 28,53 м3/добу), а середня температура стічної води – 24,9°C. Середня температура холодної питної води склала близько 11,8°C протягом періоду вимірювання. На рис. 3 показані типові добові зміни витрати води і температури стічної води. Вочевидь, що споживання питної води починається в 6:00 ранку і досягає свого денного максимуму близько 9 л/год на людину з 8:00 до 10:00 ранку. В післяполуденні години, між 16:00 і 17:00, споживання трохи нижче. З 21:00 і до 22:00 – другий пік споживання: 6,5 л/год на людину. Крива температури стічної води показує аналогічну тенденцію: максимальне погодинне значення 27,2°C можна спостерігати під час раннього піку споживання з 9:00 до 10:00 ранку. Також відзначено, що температура падає до 19,9°C з 5:00 і до 6:00 ранку. Форма кривої показує, що у періоди з великою кількістю витрати води температура стічної води вище, ніж у періоди з меншим потоком води. По суботах і неділях профілі трохи відрізняються (не показано на графіку): піки споживання у першій половині дня починаються з одночасовою затримкою по суботах і з двогодинним запізненням по неділях.

Оцінка продуктивності

З-за високого рівня температури стічна вода може бути класифікована як ідеальне джерело тепла для системи з тепловим насосом. Як показано на рис. 4, бак для накопичення стічної води компенсує коливання кількості стічної води, що надходить протягом дня, і служить в той же час місцем встановлення одностороннього теплообмінника, який поглинає тепло з стічної води. Тепловий насос передає отриману теплову енергію теплообміннику, який використовується для нагріву води. Система призначена для двоступеньового нагріву води: тепловий насос здійснює попереднє нагрівання питної води, після чого другий генератор тепла (наприклад, звичайний газовий котел) піднімає температуру попередньо нагрітої води до рівня температури, яка необхідна для гарячого водопостачання – 60°C. Це робиться для того, щоб запобігти розмноження бактерій легіонели та забезпечити санітарно-гігієнічні вимоги для систем ГВП.

Рис. 4. Можливість використання енергії стічної води для нагріву питної води за допомогою теплового насосу.

В контексті дослідницького проекту різні схеми технічних рішень проаналізовані щодо їх екологічних та економічних переваг за розрахунками моделювання, де гідрографи енергоємності профілів стічної води служать в якості вхідних величин для моделювання. Такі результати моделювання представлені на прикладі студентського гуртожитку з 244 постояльцями для системи теплового насоса, в якій тепловий насос забезпечує попередній нагрів гарячої води до 45°C, а потім за допомогою газового котла температура гарячої води підвищується до 60°C. Також при вимірах були поставлені наступні значення:

  • забезпечення температури гарячої води: 60 °C
  • підігрів гарячої води через тепловий насос: 45 °C
  • внутрішня температура холодної води: 10 °C
  • обсяг водонагрівача: 5 м3,
  • обсяг зберігання стічної води: ~ 5 м3,
  • теплова потужність теплового насосу: 24 кВт,
  • термічна дезінфекція водонагрівача: один раз в день за допомогою газового котла.

З-за насиченості стічної води живильним середовищем, як і очікувалося, відбулося формування біоплівок на всіх контактних поверхнях. Особливий інтерес тут представляє утворення біоплівки на тій частині теплообмінника, яка контактує зі стічною водою, оскільки біоплівка має низьку теплопровідністю і таким чином виконую роль ізолятору, що може значно знизити теплопередачу теплообмінника. При моделюванні біоплівки з середньою товщиною 1 мм, при якій потрібно регулярне очищення теплообмінника для стічної води в одноденний інтервал:

  • товщина біоплівки на теплообміннику, що контактує зі стічною водою: 1 мм
  • теплопровідність біоплівки: 0,5 Вт/мК.

Для модельованої системи споживана енергія для приготування гарячої води 991,2 кВт·год на одну людину розраховується з даних, що тепловий насос забезпечує 475,5 кВт·ч на людину і газова котельня – 515,5 кВт·год на людину. Коефіцієнт потужності теплового насоса екстраполюється, як 5,5 з тепловою дією 48,0%. У середньому тепловий насос працює з підвищенням температури від 17,7 до 44°C. На підставі розрахунків стічна вода охолоджуються в середньому до 18°C. Таким чином, шкідливого впливу низьких температур на роботу очисних споруд не очікується.

Дослідження показало, що для ефективної роботи системи необхідно скоротити формування біоплівки на поверхнях теплообмінника, що контактують зі стічною водою, наприклад, за допомогою інноваційних та автоматизованих методів очищення. Основна мета дослідницького проекту – використання стічної води у якості джерела тепла. Рекуперацію тепла стічної води безпосередньо в будівлі можна розглядати як перспективну технологію, яка дозволяє збільшити енергетичну і ресурсну ефективність нагрівальних приладів у будівлях.

Джерело "Планета клімату"