Teplo z kanalizace

voda

ekonomika a obchod

Odpadní voda, odtékající z objektů do čističek, je potenciálním zdrojem značného množství tepelné energie.

Tato informace není nikterak nová. Co však v této souvislosti velmi chybí, jsou praktické zkušenosti. Pokud má mít využití tepla z odpadní vody větší smysl, respektive nejde jen o výzkum, je nutné do kanalizace instalovat dostatečně velký tepelný výměník. A to bez povolení majitele a provozovatele kanalizace není možné.

Praktický příklad využití tepla z odpadní vody lze nalézt ve Stuttgartu-Bad Cannstadt. V části Seelberg bylo mezi lety 2009 až 2012 postaveno 6 bytových domů. Teplo z odpadní vody je důležitou součástí tepelného hospodářství komplexu, založeného na elektrickém tepelném čerpadle, které odnímá teplo odpadní vodě a po zvýšení teploty lze vyrobené teplo použít pro vytápění a přípravu teplé vody. Elektrickou energii pro pohon tepelného čerpadla vyrábí ze zemního plynu kogenerační jednotka a souběžně produkované teplo je rovněž využito. Pro pokrytí špičkových odběrů tepla je ­určen plynový kondenzační kotel.

Technika, která byla v rámci projektu použita, vede k 50% úspoře primární energie. Po dvouletém monitorování provozu byly odhaleny možnosti navýšení úspor o dalších 15 %. Výsledky jsou dokumentovány v rámci studie podporované Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU). Poznatky získané během tohoto projektu jsou přenositelné, jak potvrzují autoři.

Obr. 1 • Velký podíl na pokrytí potřeby tepla sídelního útvaru Seelberg ve Stuttgart-Bad Cannstadt má teplo získané z odpadních vod.

Popis projektu

Ve sledovaných bytových domech je 111 bytů s celkovou obytnou plochou 10 500 m² a k tomu ve vícepodlažním objektu dalších 27 bytů a 4300 m² obytné plochy a cca 2000 m² plochy pro jiné účely. Vedle běžných uživatelů bytů komplex zahrnuje i dětské zařízení a 25 speciálních bytů pro seniory a osoby s omezenou schopností pohybu. Všechny budovy jsou postaveny ve vysokém energetickém standardu KfW-60-Haus (EnEV 2004) £ 60 kWh/(m²·a). Cílem projektu bylo snížit emise CO₂ tak, jak to bylo možné v rámci kalkulace provozních výdajů, ale aby byl dosažen energetický standard KfW 60.

Před zahájením projektu odborníci zkoumali čtyři varianty založené na centrálním rozvodu tepla. Referenční variantou bylo decentrální zásobování teplem jednotlivě v každém objektu s využitím plynových kondenzačních kotlů. Zvolena byla centrální varianta využívající teplo z odpadní vody, elektrické tepelné čerpadlo, kogenerační jednotku a špičkovací, nízkoteplotní plynový kotel. Návrh této varianty se vyznačoval enormním snížením primární energie o 41 %, a tedy i emisí CO₂. Ještě větší úspory primární energie by bylo možné dosáhnout s využitím biomasy, například spalováním pelet, ale to, vzhledem k emisím, například prachu, nebylo z důvodu těsné vazby na ostatní městskou zástavbu, přijatelné. Podle záměru projektu mělo cca 90 % tepla vzniknout činností tepelného čerpadla a kogenerační jednotky s tím, že 60 % dodá tepelné čerpadlo a 30 % kogenerační jednotka. Zbylých 10 % špičkové spotřeby pokryje plynový kotel. Teplo z odpadní vody v ročním objemu cca 690 MWh/a se podílí na celkové potřebě okolo 45 %. 15 % energie pochází z elektrického výkonu kogenerační jednotky, kterým je poháněno tepelné čerpadlo.

Odpadní voda jako zdroj tepla

Realizace projektu byla zahájena v roce 2009 prvními výkopy a dokončena v roce 2012 dokončením napojení posledních objektů na tepelnou rozvodnou síť. První část objektů se na rozvod tepla napojila v dubnu 2011. Tepelný výměník, kterým je odnímáno tepla z odpadní vody, je umístěn v hlavním kanalizačním sběrači vedoucím pod přístupovou silnicí k tomuto sídelnímu útvaru. Stanoven byl maximální denní průtok 3000 litrů za sekundu při intenzivních deštích a max. 500 litrů za sekundu v noci a při suchém počasí. Tyto podmínky významně ztížily hledání doby, kdy bylo možné ve stoce pracovat a instalovat výměník.

Obr. 2 • Pohled na tepelný výměník uložený na dně kanalizačního sběrače

Výměník

Z průtoků vody, a možnosti jejího eventuálního dočasného zadržení v retenční nádrži, vyplynula jediná možná varianta montáže, a to v časovém limitu mezi 0 a 5 hodinou v noci. Výměník, který se skládá ze segmentů o délce 1 metru, byl proto sestavován po etapách a celková délka výměníku je 76 metrů. Teplosměnná plocha výměníku je 1,29 m² na běžný metr, celkem 98 m².

Obr. 3 • Tepelný výměník tvoří segmenty z nerezového plechu dlouhé 1 metr, které byly do sběrače spouštěny revizní šachtou

Energetický koncept

Výpočtová potřeba tepla je cca 730 kW. Čtyřstupňové tepelné čerpadlo, s výkonem cca 170 kW, pokrývá základní potřebu tepla pro vytápění a přípravu teplé vody. Zdrojem tepla pro činnost tepelného čerpadla je odpadní voda v kanalizačním sběrači (energetický potenciál 120 kW, průtok kanalizací 200 l/s, průtok výměníkem 28,7 m³/h) vzdáleném cca 100 metrů. Teplota vody okolo 16 °C (minimálně 8, maximálně 22 °C) umožňuje dosáhnout vysoký topný faktor okolo 4,0. Elektřinu pro pohon tepelného čerpadla vyrábí kogenerační jednotka poháněná zemním plynem s tepelným výkonem 100 kWt a elektrickým 50 kWe. K vyrovnávání nerovnoměrností výroby a odběru tepla je jak u čerpadla, tak jednotky, instalován zásobník o objemu 5000 litrů, a oba jsou řazeny sériově. Odpadní teplo z kogenerační jednotky je mísením využito ke zvyšování teploty otopné vody z kombinace tepelné čerpadlo – kogenerační jednotka na 70 °C. Špičky, nebo výpadky pokrývá nízkoteplotní plynový kotel 575 kW. Součástí je sofistikované řešení co největšího vychlazení zpátečky formou různých předávacích stanic. Vše je propojeno a elektronicky řízeno.

Obr. 4 • Vztah provozní doby jednotlivých zařízení a tepelného výkonu

Obr. 5 • Grafické zachycení zlepšení nákladů na výrobu tepla po optimalizaci v roce 2012. Optimalizací provozních parametrů se sice mírně snížil topný faktor, se kterým pracuje tepelné čerpadlo, ale výrazně klesly roční náklady

Optimalizace

Analýza, prováděná během prvních dvou let provozu, ukázala na další možnost snížení emisí CO₂. Optimalizací spolupráce jednotlivých zařízení lze zvýšit redukci spotřeby primární energie z projektových 41 na 54 %. Stupeň využití kombinace tepelné čerpadlo – kogenerační jednotka, během roku 2012, dosáhl 1,85, to znamená, že z 1 vložené kWh v plynu bylo získáno 1,85 kWh tepla. Tato hodnota rovněž potvrdila správnost volby použitého energetického konceptu, tedy pokrytí základního zatížení paralelním provozem tepelného čerpadla a kogenerační jednotky, středního zatížení kogenerační jednotkou a nejvyššího zatížení nízkoteplotním kotlem.

Během prvního roku provozu docházelo občas k poruchám, které vyplynuly z nepřizpůsobení provozu tepelného výměníku a tepelného čerpadla. Příčiny poruch byly odstraněny a dále již nevznikají.

Na základě sledování teplot v rozvodné síti byly optimalizovány řídicí procesy vedoucí k lepšímu vychlazování zpátečky a dosaženy i zlepšené ekonomické výsledky.

Závěr

Provozní zkušenosti po dvou letech provozu jsou pozitivní. Předpoklady projektu byly dosaženy. Optimalizaci řízení a drobnými úpravami zapojení se podařilo původní předpoklady úsporného provozu ještě zvýšit.

upraveno podle SHT 10/2013