inŻynieria Środowiska możliwości pozyskiwania ciepła...

www.industrialfurnaces.pl, www.ppik.pl 21

INŻYNIERIA ŚRODOWISKA

Możliwości pozyskiwania ciepła odpadowego ze ścieków i systemów kanalizacji

W KILKU SŁOWACH

Wstęp

W ostatnich latach możemy zaobserwo-wać wzrost zużycia wody na potrzeby

gospodarstw domowych (mycie, kąpiele, pra-nie, zmywanie, itd.), w obiektach użyteczności publicznej (np. baseny) czy też w przemyśle. W znacznym stopniu do tych celów wymagana jest ciepła woda, której przygotowanie odbywa się kosztem dostarczonej do niej energii. Szacuje się, że ilość energii zużywanej na przygotowanie ciepłej wody użytkowej to ok. 10-15% (czasami do 30%) energii konsumowanej w gospodar-stwach domowych. Przy czym ok. 50% energii jest tracone ze ściekami w typowej kanalizacji.

Temperatura ścieków komunalnych z gospo-darstw domowych zwykle mieści się pomiędzy 10-20 0C, natomiast ścieki powstające w wielu ga-łęziach przemysłu mają jeszcze wyższą tempera-turę – przekraczającą 40 0C. Szacuje się, że dzięki obniżeniu temperatury 1m3 ścieków o 1 °C na go-

W Europie i na świecie coraz większy na-cisk kładzie się na odzysk ciepła ze ścieków i systemów kanalizacyjnych.

Wstępne analizy pokazują, że pomimo znacznych kosztów inwestycyjnych budowa takich instalacji jest ekonomicznie uzasad-niona – koszt instalacji zwraca się w przecią-gu kilku lat, przy czym ich eksploatacja jest bardzo tania. Warto więc wykorzystywać cie-pło odpadowe ze ścieków i systemów kanali-zacji także i w naszym kraju.

J. Górski, D. Matuszewska, Wydział Energetyki i Paliw AGH w Krakowie

dzinę można uzyskać 1,16 kW ciepła. Przy takich parametrach obniżenie ścieków komunalnych o kilka lub kilkanaście stopni może skutkować odzyskiem stosunkowo dużej ilości energii goto-wej do powtórnego zagospodarowania. Warto zatem zastanowić się nad możliwością odzysku tej bezpowrotnie traconej energii.

Rynek wychodząc naprzeciw tym oczekiwa-niom dysponuje zróżnicowaną ofertą gotowych urządzeń do odzysku ciepła zaczynając od tych wykorzystywanych w domach jednorodzinnych, poprzez urządzenia do odzysku ciepła z obiek-tów zużywających duże ilości ciepłej wody (np. pralnie, baseny, szpitale, itd.), aż do rozwiązań proponowanych przy oczyszczalniach ścieków.

Użycie ścieków jako źródła ciepła

Odzysk ciepła odpadowego ze ścieków można prowadzić na wiele sposobów . Najpopularniej-sze technologie oparte są o wymienniki ciepła

SUMMARY

Recovering heat from sewage and se-werage systems has been given promi-nence in Europe and around the world. As preliminary analyses have shown, in spite of substantial investment costs such installations are economically justi-fied: installation expenses are recouped within a few years, and running costs are very low. Therefore, recovering waste heat from sewage and sewerage systems would also be beneficial in Poland.

Harnessing waste heat from sewage and sewerage systems

prof. dr hab. inż. J. GÓRSKI, mgr inż. D. MATUSZEWSKA

22

Rys. 1: Lokalizacja możliwych punktów odbioru ciepła ze ścieków [1]

i pompy ciepła, które już od wielu lat z powodze-niem stosowane są w przemyśle do racjonalnego i efektywnego odzysku ciepła opadowego z róż-nego typu procesów.

Temperatura ścieków komunalnych i prze-mysłowych powoduje, że odzysk ciepła z nich jest uzasadniony energetycznie (oszczędność energii), środowiskowo (obniżenie emisji gazów cieplarniach), jak również ekonomicznie (przy stosunkowo średnim kapitale początkowym, dłu-gotrwałe oszczędności).

Szacując, że woda szara odprowadzana z ła-zienki do kanalizacji (m.in. przy pomocy pryszni-ca, wanny, pralki. Itd.) ma temperaturę 38 – 40 0C. Ilość energii możliwa do uzyskania z 1 m3 takiej wody szarej (o gęstości 1kg/m3 i cieple właści-wym 4,2 kJ/kgK) przy jej ochłodzeniu o DT= 20 0C i wykorzystaniu pompy ciepła o współczynniku efektywności COP = 4 wynosi

Przyjmując poziom emisji CO2 z kotła węglo-wego 0.61 kg/kWh, w tym przypadku zmniejsze-nie jej wartości („carbon footprint”) będzie wyno-sić 10,5 kg CO2/m3 wody. Dla rodziny 4-osobowej (przy założeniu zużycia wody 1.8 m3/mies. i oso-bę), oznacza to obniżenie emisji CO2 o ponad 900 kg w ciągu roku oraz niższe koszty podgrzewania wody (dogrzewanie CWU tylko o ok. 25 0C), co przy szacunkowym koszcie dalszego jej podgrza-nia można przyjąć na poziomie 12 zł/m3, daje re-alne oszczędności powyżej 1000 zł rocznie.

Warto podkreślić, że ścieki są źródłem energii o ograniczonych i zmiennych zasobach, które w dużej mierze zależą od ilości wody użytkowa-nej w budynkach czy w przemyśle. Oprócz ilości, lokalna dostępność ścieków jako źródła ciepła jest limitowana ze względu na dopuszczalny i zwykle niezbyt wysoki poziom ich schładzania. Ma to istotne znaczenie w przypadku odprowa-dzania ścieków do oczyszczalni biologicznej, któ-rej wydajność bezpośrednio zależy od poziomu temperatury ścieków. Ekonomicznie uzasadnio-ne jest odzyskiwanie ciepła ze skoncentrowanych miejsc, gdzie ścieki są dostępne w sposób ciągły i w dużych ilościach (budynki o dużym zużyciu ciepłej wody, np. szpitale, pralnie, obiekty base-nowe, przemysł, osiedla mieszkaniowe, główne ciągi kanalizacji na terenie lokalnych osiedli lub w otoczeniu oczyszczalni ścieków).

E=V�c_p T(1-1/COP)=1·�10�^3·20·4,2·(1-1/4)=63 MJ=17,5 kWh/m^3.

Pomimo tych ograniczeń, ilość energii, którą można efektywnie odzyskiwać ze ścieków jest duża. Badania wykazały, że tylko w Szwajcarii ok. 2 TWh ciepła stosowanego rocznie do ogrzewa-nia pomieszczeń i podgrzewania wody może być odzyskiwane ze ścieków [1].

Lokalizacje instalacji do odzysku ciepła

Istnieje wiele technologii i sposobów odzy-skiwania ciepła ze ścieków. Zasadniczo ciepło ze ścieków można odzyskiwać w trzech strefach sys-temu odprowadzania ścieków, tj. bezpośrednio u źródła, w kolektorze ściekowym oraz za oczysz-czalnią ścieków (Rys. 1).

Przy odbiorze ścieków bezpośrednio ze źródła zazwyczaj stosuje się rozdzielenie instalacji na dwa typy, tak aby ścieki ciepłe (z pralki, zmywarki, prysznica) nie mieszały się z ściekami zimnymi (ze zlewu, ustępu, itp.). Zazwyczaj ścieki ciepłe gro-madzone są w zbiorniku przepływowym, gdzie odbiera się od nich ciepło służące głównie do podgrzewania ciepłej wody.

Przy odbiorze ciepła w kolektorze ściekowym,

a.

b.

c.

piece przemysłowe & kotły VII-VIII/2013



Literatura:[1] Schmid F.: „Sewage water: interesting heat source for heat pumps and chillers”, (www.bfe. admin.ch/php/modules/publikationen/stre-am.php? extlang=en&name-=en_508290240.pdf).[2] Katalog techniczny fi rmy Ecomax, 2013, (http://www.ecomax.info.pl/oferta/zy-pho-bierny-odzysk-cieplej/zypho/42).[3] Katalog techniczny fi rmy Menerga, 2013, (http://www.menerga.com/fi leadmin/redaktion/Polen/44_Aqu-aCond.pdf).[4] Jezuit Z., Górski J.: „Odzysk ciepła ze ścieków komunalnych” (praca nie publik., Rzeszów, 2008).[5] Strona internetowa poświecona wymiennikom GFX, 2013, (http://gfxtech-nology.com).[6] Gabor T., Rusu T., Dan V.: „Technological Variations for Domestic Waste Water Heat Recovery”, ProEnvironment, 3 (2010): 313-317.[7] Opis patentowy patentu PL 198134 B1, 2001, (http://kramarz.pl/opis_patento-wy_PL198134B1.pdf).[8] Joniec. W.: „Odzysk ciepła z kanalizacji”, Rynek Instala-cyjny, Nr 5/2007.[9] Kuliczkowski P., „Alterna-tywne pozyskiwanie energii z kanałów sanitarnych za pomocą technologii bez-wykopowych”, Nowoczesne Budownictwa Inżynieryjne, Marzec-Kwiecień (2010), s.55-58. [10] Waste Water – A Source of Thermal Energy for He-ating. Prospekt fi rmy UHRIG Strassen – Tiefbau GmbH, 2004.( http://www.uhrig--bau.eu/de/therm_liner/) [11] Brandenburger BB Heatliner® – Zukunftsenergie Abwasser. Prospekt firmy Brandenburger Liner GmbH & Co. KG. (http://www.brandenburger.de/en/kanal-sanierung/heatliner/)[12] Brickwedde F.: Energie aus Kanalabwasser – Leit-faden für Ingenieure und Planer.[13] Strona internetowa fi r-my Alfa Laval, 2013, (http://www.alfalaval.com).[14] Strona internetowa fi r-my EnviroSep, (http://www.envirosep.com).[15] Fred T.: “Large-scale heat transfer from wastewater to city heating and cooling systems”, Water and Energy Workshop, IWA WWC, 2008, Vienna. [16] Ekonomika odzysku ciepła ze ścieków. Portal ECOSQUAD, (http://www.ecosquad.pl/ekonomika--odzysku-ciep-a-ze-sciekow.html).

umieszczone w nim specjalne wymienniki służą do odzysku ciepła ze strumienia ścieków. Lokali-zacja taka zapewnia ciągłość dostaw, co jest nie-zmiernie ważne dla ich pracy.

W przypadku odbioru ciepła za oczyszczalnią ścieków, ciepło można odbierać od strumienia oczyszczonych ścieków przy pomocy wymien-ników umieszczonych w kanale służącym do od-prowadzania ścieków do odbiornika. Inną z moż-liwości jest odbieranie ciepła bezpośrednio na skraplaczu pompy, na którą kierowane są oczysz-czone ścieki [1].

Aktualnie dostępne technologie

Jak już wcześniej wspomniano odzysk cie-pła może być prowadzony na wiele sposobów, wpływ na to mają różne czynniki, w tym lokali-zacja punktu odbioru ciepła ze ścieków. Szeroki wachlarz dostępnych technologii sprawia, że rynek obfi tuje w wiele oryginalnych i ciekawych rozwiązań.

W skali lokalnej (odzysk ciepła ze zużytej wody prysznicowej w łazience) na rynku dostępne są rekuperatory ZYPHO pracujące wg opatentowa-nej technologii (Rys. 2). Wykorzystują one ciepło ze zużytej wody prysznicowej do wstępnego ogrzania zimnej wody napływającej do baterii. Zabieg taki pozwala istotnie zmniejszyć zużycie ciepłej wody, a tym samym energii potrzebnej do jej ogrzania. Stosowanie rekuperatora ZYPHO daje m.in. efekty rzędu 1000 zł oszczędności rocz-nie przy 4- osobowej rodzinie ( 1200 kWh zaosz-czędzonej energii), przy 1-5 latach okresu zwrotu inwestycji [2].

Relatywnie dużą ilość ciepła można odzyski-

Rys. 2: Rekuperator ZYPHO przenosi ciepło ze zużytej wody pryszni-cowej na zimną z baterii, gdzie ją wstępnie ją ogrzewa zmniejszając zapotrzebowanie ciepłej wody i energii [2]

1. Kurek 2. Filtr czyszczący 3. Pierścień gwintowy 4. Uszczelka fi 90 5. Regulowana nóżka 6/7. Łączenie wyjściowe 1/2" 8. Odpływ fi 40

wać dzięki zastosowanie centrali odzysku ciepła z rekuperatorem. Rozwiązanie takie jest w szcze-gólności proponowane dla miejsc, gdzie ścieki zastępowane są świeżą wodą (m.in. w obiektach basenowych, rekreacyjnych, spa, hotelach, pral-niach). Ścieki przepływające przez wewnętrzną wężownicę rekuperatora przekazują znaczna ilość ciepła do strumienia wody świeżej przepły-wającej przez zewnętrzną wężownicę rekupera-tora. Takie rozwiązanie powoduje, że ciepła woda może być podgrzewana nawet do 30 0C bez uży-cia innych źródeł ciepła, co pozwala zaoszczędzić nawet do 90% energii [3].

Poniżej przedstawiono schemat oraz widok takiej centrali do odzysku ciepła ze ścieków „Aqu-aCond44”, której producentem jest fi rma Mener-ga (Rys. 3).

Przed kilkunastu laty w USA została opraco-

Rys. 3: Centrala AquaCond 44 – schemat działania i fotografi a [3]


24

wane urządzenie do odzysku ciepła ze ścieków o nazwie GFX (Gravity Film Xchange, Rys. 4). GFX jest przepływowym wymiennikiem spiralnym instalowanym w budynku w pionowej części przewodu kanalizacyjnego (pionie). Ścieki spły-wające przez pion przekazują ciepło do zimnej wody płynącej w przeciwprądzie wewnątrz mie-dzianej spirali otulającej rurę odprowadzającą. Lekkie spłaszczenie rury po stronie wewnętrz-nej w miejscu styku z pionem poprawia przy tym transport ciepła. Technologia ta wykorzy-stuje zjawisko tworzenia się biofi lmu wewnątrz rur kanalizacyjnych, który w sposób istotny spowalnia przepływ wody szarej w rurze, a tym samym więcej ciepła może być odebrane od spływających ścieków do wody przepływającej wnętrza spirali otaczającej rurę. Dużym plusem proponowanego rozwiązania jest zmniejszenie zużycie energii o ponad 7% co daje oszczędność 800-2300 kWh rocznie w przeliczeniu na jedno mieszkanie, przy czym koszt montażu zwraca się już po 2-5 latach [4].

Jak pokazuje powyższy rysunek (Rys. 4), sto-

Rys. 4: Wymiennik GFX oraz przykłady jego montażu w instalacjach z podgrzewaczem c.w.u. [5]

sowane są trzy sposoby montażu wymiennika GFX w instalacji odprowadzania wody szarej. W konfi guracji 4a., strumień usuwanych ście-ków jest taki sam, jak strumienia obiegu wody w wymienniku ciepła. Część podgrzanej wody wchodzi do podgrzewacza wody, zmniejszając zużycia energii potrzebnej do podniesienia jej temperatury do poziomu 60 °C, podczas gdy pozostała część wody miesza się z wodą zimną o temperaturze 25 °C. Jest to najbardziej efek-tywna konfi guracja, a przy tym oszczędności są największe. Wadą jest stopień skomplikowania oraz kosztowność rozwiązania w przypadku gdy podgrzewacz wody jest zbyt daleko od odpły-wu. W niektórych przypadkach przy korzystaniu z prysznica, zimna woda ze zlewu może być go-rąca [6].

W ramach konfi guracji 4b., strumień odpro-wadzanych ścieków jest równy strumieniowi zimnej wody, a strumień podgrzanej wody jest mniejszy i przekazywany do podgrzewacza wody. Najprostszym sposobem zasilania jest in-stalacja wymiennika ciepła w pobliżu podgrze-wacza wody. Temperatura ścieków nie wpływa tu na wygodę konsumenta. Zaleta jest to, że w trakcie używania prysznica nie ma on wpływu na temperaturę zimnej wody w umywalce. Przy tym jest to system skomplikowany i drogi do za-instalowania, zwłaszcza gdy podgrzewacz wody nie znajduje się w pobliżu rury kanalizacyjnej. Konfi guracja ta jest 20% mniej wydajna niż pre-zentowana wcześniej [6].

W ramach konfi guracji 4c., strumień odpro-wadzanych ścieków jest równy strumieniowi zimnej wody, ale przepływ podgrzanej wody jest mniejszy, ponieważ jest kierowana tylko do zbiornika z zimną wodą wodociągową. Główny-mi zaletami jest możliwa instalacja nawet wtedy, gdy kocioł nie jest w pobliżu odpływu oraz pro-sty montaż. Do wad należy zaliczyć wrażliwość układu na zmiany temperatury odprowadza-nych ścieków oraz o 20% mniejsza wydajności niż w przypadku konfi guracji 4a. W niektórych przypadkach, zimna woda z baterii umywalki może być ciepła, gdy równocześnie używany jest prysznic [6].

Również w Polsce zaproponowano oryginal-ne urządzenia do odzysku ciepła ze ścieków, np. patent PL 198134 B1 autorstwa Józefa Krama-rza [7]. Urządzenie to proponuje mechanicznie




wymuszone spowolnianie przepływu ścieków, a także jego stopniowanie podczas pełnego odbioru ciepła (Rys. 5). Ścieki w postaci zuży-tej wody kierowane są na zawór temperatu-rowy, rozdzielający do instalacji odpływowej ciepłej lub zimnej. Poprzez wstępny wymien-nik ciepła ścieki kierowane są do urządzenia odzyskującego i magazynującego ciepło, w którym następuje odbiór ciepła zawartego w ściekach oraz jego przekazanie do czystej wody wypełniającej zbiornik [4]. Brak jest jed-nak informacji dotyczących jego praktyczne-go wdrożenia.

Innym proponowanym sposobem od-zysku ciepła ze ścieków jest odzysk ich nie bezpośrednio u źródła, lecz w kolektorze

Rys. 5: Schemat urządzenia wg patentu PL 198134 B1 [7]

1 - zawór temperaturowo-rozdzielający,2 - instalacja odpływowa- zimna,3 - instalacja odpływowa- ciepła,5,7 - instalacja ciepłej wody użytkowej,6 - urządzenie grzewcze,8 - ujęcie ciepłej wody,9 - zbiornik wody czystej,10 - doprowadzenie zimnej wody użytkowej,13 - kanalizacja zbiorcza budynku,16 - izolacja termiczna,17 - tunel przelotowy (wymiennik ciepła),19 - zawór ciśnieniowo-temperaturowy,x - wymiennik ciepłaa,b,c - urządzenia w których powstają ścieki

centralnym. Przy takim rozwiązaniu ścieki napływające do przewodu kanalizacyjnego oddają ciepło do wymienników ciepła (wbu-dowanych w konstrukcję segmentów rur za-instalowanych w istniejących już kolektorach kanalizacyjnych). Oddane ciepło poprzez me-dium pośredniczące (np. roztwór glikolu) kie-rowane jest do parownika pompy ciepła (Rys. 6) [8].

Ze względu na sposób umieszczania wy-mienników ciepła w kolektorach (zwykle beto-nowych) rozróżnia się cztery podstawowe me-tody [9]:• bezwykopowa lub w wykopie przy budowie

przewodów kanalizacyjnych z wbudowany-mi wymiennikami ciepła,

• bezwykopowa przy remoncie przewodów kanalizacyjnych połączonym z montażem wymienników ciepła,

• bezwykopowy montaż obudowanych wy-mienników ciepła wewnątrz kolektorów ka-nalizacyjnych,

• bezwykopowy montaż nieobudowanych wy-mienników ciepła w kolektorach kanalizacyj-nych. Metoda bezwykopowa lub w wykopie

przy budowie przewodów kanalizacyjnych z wbudowanymi wymiennikami ciepła sto-sowana jest w nowych lub wymienianych przewodach kanalizacyjnych (Rys. 7). Sto-suje się w niej głównie rury z polietylenu lub stali odporne na korozję. Charaktery-zuje się dużą trwałością konstrukcji oraz bezwładnością cieplną, niską podatnością na powstawanie biofilmu oraz wydajnością wymienników ciepła rzędu 1 do 2 kWth/mb rury [9].

Rys. 6: Schemat instalacji odzysku ciepła z kanalizacji przy wykorzy-staniu wymiennika ciepła w kanale i pompy ciepła [8]


26

Bezwykopowa odnowa przewodów kanali-zacyjnych połączona z montażem wymienni-ków ciepła jest to metoda renowacyjna, gdzie montaż wymienników ciepła następuje przy zastosowaniu utwardzanych powłok żywicz-nych (Rys. 8). Badania prototypowej instalacji wykazały wydajność 0,13-0,5 kWth/mb instala-cji [9].

Rys. 7: Rura żelbetowa z wbudowanym wymiennikiem ciepła [10]

Rys. 8: Prototyp instalacji odzysku ciepła ze ścieków z wykorzystaniem technologii renowacji przewodu, a) - za pomocą linerów z żywic termoutwardzalnych, b) - utwardzony wewnątrz starej rury liner żywiczny z wymiennikiem ciepła w postaci rurek z PE [11]

W bezwykopowym montażu obudowanych wymienników ciepła w kolektorach kanali-zacyjnych najczęściej stosuje się wymienniki ciepła z modułami stalowymi w istniejących już kanałach (Rys. 9). Metoda ta charakteryzuje się niskimi kosztami inwestycji, elastycznością przy instalacji (dowolny przekrój kanału i wy-bór długości odcinka), trwałością konstruk-cji oraz wysoką wydajnością dochodzącą do 4kWth/mb instalacji [9].

W bezwykopowym montażu nieobudowa-nych wymienników ciepła w zbiorczych kolekto-rach kanalizacyjnych wymiennik wykonany jest z rur PE (omywanych bezpośrednio przez stru-mień ścieków), umieszonych w kolektorze głów-nym lub w kanale odprowadzającym oczyszczo-ne ścieki do odbiornika. Metoda ta charakteryzuje się niskimi kosztami eksploatacji, możliwością montażu wymienników bez konieczności wstrzy-mania przesyłu ścieków oraz wysoką wydajno-ścią cieplną wymiennika. Główną wadą jest wy-magany duży przepływ ścieków [9].

Rozwój gospodarki komunalno-ściekowej zaowocował pojawieniem się coraz to większej liczby oczyszczalni, gdzie stosunkowo regular-nie dostarczane są znaczne ilości ścieków, któ-

a.

b.

Rys. 9: Typowe rozwązania wymienników obudowanych a) -Wy-miennik ciepła w systemie Therm Liner, b) - Wymiennik w systemie Rabtherm, przed i po ustabilizowaniu betonem [11], [12]żywiczny z wymiennikiem ciepła w postaci rurek z PE [11]

a.

b.




rych temperatura w miesiącach zimowych nie-rzadko jest wyższa od 10 0C, co powoduje, że są doskonałym źródłem niskotemperaturowego ciepła dla pomp ciepła.

W układach grzewczych z pompą ciepła następuję bowiem pobieranie ciepła ze źró-dła o temperaturze niższej i przekazywanie go do źródła o temperaturze wyższej, przy czym sposób w jaki to się odbywa jest zależny od ro-dzaju użytej technologii. Możliwe jest to dzięki doprowadzeniu do pompy ciepła energii (naj-częściej elektrycznej w przypadku urządzeń sprężarkowych).

Najczęstszym ograniczeniem w stosowaniu ścieków w układzie pompy ciepła jest fi zyko-chemiczny skład oczyszczonych ścieków, który powinien zgadzać się z zaleceniami podanymi przez producentów tego typu urządzeń. W tym przypadku istotne mogą okazać się takie czyn-niki jak: odczyn, pH, związki chemiczne (azo-tany, chlorki, chlor wolny, siarczany, żelazo, mangan, tlen oraz wolny kwas węglowy) czy przewodność elektryczna, które mogą wpły-wać na konieczność realizacji dodatkowych badań. Poważnym problem jest wciąż to, że fi -zykochemia ścieków dopływających do oczysz-czalni komunalnych zmienia się, zestawiając to z wymaganiami dotyczącymi użytkowania pomp ciepła, jedynym rozwiązaniem jest uży-cie dodatkowego, pośredniczącego wymienni-ka ciepła.

Do ścieków z dużą zawartością cząstek sta-łych stosuje się spiralne wymienniki ciepła o gładkich ścianach, do których nie przywie-rają osady. Dużą zaletą ich jest posiadanie otwartych pokryw, które umożliwiają ich czysz-czenie. Najbardziej efektywną wymianę ciepła uzyskuje się w wymiennikach przeciwprądo-wych, które dominują w profesjonalnych insta-lacjach. Poniżej przedstawiono taki wymiennik ciepła (Rys. 10) [4].

Oprócz spiralnych wymienników ciepła do odzysku ciepła ze ścieków stosuje się wymien-niki płytowe, które posiadają profi lowaną po-wierzchnię wymiany ciepła (Rys. 11). Można je używać w przypadku, gdy oczyszczone ścieki nie zawierają większych zanieczyszczeń sta-łych. Bardzo istotne jest to, że charakteryzują się one większą efektywnością wymiany ciepła niż wymienniki spiralne [4].

Rys. 10: Spiralny wymiennik ciepła oraz schemat przepływu cieczy [13]

Rys. 11: Przepływ w wymienniku płytowym i przykład jego konstrukcji [13]

W płytowym wymienniku ciepła medium zimne kierowane jest do co drugiej przestrze-ni pomiędzy płytami, natomiast drugi, gorący czynnik wpływa do pozostałych. Media nie mieszają się, są oddzielone cienkimi płytka-mi przez które następuję przenikanie ciepła, natomiast ruch turbulentny płynu wpływa na wysoką wartość współczynnika przejmowania ciepła.

Innym proponowanym rozwiązaniem odzy-sku ciepła z zanieczyszczonych ścieków jest in-stalacja oparta na wymienniku typu „rura w ru-rze”, instalacja taka proponowana jest przez fi rmę EnviroSep, którą zaprezentowano na po-niższym rysunku (Rys. 12).

Rys. 12: Urządzenie do odzysku ciepła ze ścieków fi rmy EnviroSep [14]


28

Przykładowe instalacje

W Europie i na świecie coraz większy nacisk kładzie się na odzysk ciepła ze ścieków i syste-mów kanalizacyjnych. Powstało wiele instalacji wykorzystujących wyżej wspomniane metody.

Największa tego typu instalacja na świecie działa w Helsinkach, Finlandii [15]. Instalacja ta służy zarówno do ogrzewania i chłodzenia ob-sługując 800 tys. mieszkańców (Rys. 13). Oczysz-czone ścieki opuszczając oczyszczalnię (ok. 260 tys. m3/dobę), kierowane są do podziemnej instalacji, gdzie następuję odzysk ciepła, dalej ścieki usuwane są do morza. Koszt budowy tej instalacji wyniósł w przybliżeniu 35 mln euro, przy czym koszty eksploatacji są bardzo niskie. Instalacja dostarcza moc grzewczą na poziomie 90 MWt, natomiast chłodniczą 60 MWt, przy czym temperatura wody grzewczej wynosi 88 0C. Jak do tej pory instalacja działa sprawnie – nie ma problemów z zatykaniem wymiennika ciepła przez nieczystości ze ścieków, czego naj-bardziej się obawiano [4].

Wiele instalacji tego typu powstało w Szwajcarii, m.in. w Bernie powstała oczysz-czalnia ścieków przeznaczona na około 350 tys. mieszkańców (Rys. 14). Szacuje się, że potencjał instalacji to 30 MWt rocznie, przy czym 1400 kW wprowadzanych jest do syste-mu ciepłowniczego w sąsiednim Bremgarten, co stanowi ok. 60% jego zapotrzebowania na ciepło [1].

W niemieckim Luverkusen zaprojektowano instalacje odzysku ciepła ze ścieków na potrze-by grzania i chłodzenia dla Miejskiego Ośrodka Zdrowia (powierzchnia 12 tys. m2). W instalacji

Rys. 13: Poglądowy schemat instalacji do odzysku ciepła ze ścieków w Helsinkach, Finlandia [15]

tej wykorzystano pompę ciepła, której dolnym źródłem są ścieki wpływające do kolektora. Dzię-ki możliwości odwrócenia obiegu pompa ciepła może wytwarzać chłód na potrzeby ośrodka. W rocznym cyklu pracy instalacja ta dostarcza 68% energii używanej do celów grzania lub chłodzenia budynku. Nie bez znaczenia jest ob-niżenie emisji CO2 do 22% (w trybie grzania) [9].

Podsumowanie

W niniejszej analizie wskazano na zasadność użytkowania ciepła odpadowego ze ścieków i systemów kanalizacyjnych. Dostępne techno-logie oraz ich praktyczne realizacje w postaci istniejących instalacji w Europie i na świecie re-prezentują aktualne trendy rozwojowe w pozy-skiwaniu ciepła odpadowego. Wstępne analizy pokazują, że pomimo znacznych kosztów inwe-stycyjnych budowa takich instalacji jest ekono-micznie uzasadniona – koszt instalacji zwraca się w przeciągu kilku lat, przy czym ich eksploatacja jest bardzo tania. Co ważniejsze instalacje takie w sposób istotny wpływają na obniżenie zużycia energii oraz emisje gazów cieplarnianych.

Rozwiązania technologiczne dotyczące odzy-sku ciepła z wody szarej i ścieków znane są już od ponad 25-lat i szeroko wykorzystywane w wielu krajach europejskich i na świecie. To zaplecze gotowych rozwiązań daje lepsze możliwości zrównoważonego rozwoju. Podobnie jak w przy-padku konwencjonalnych rozwiązań i tutaj dla każdej inwestycji należy przeprowadzić szczegó-łową analizę różnych wariantów przedsięwzięcia [16], w tym konfi guracji elementów instalacji i jej optymalizacji. Takie podejście pozwala w sposób racjonalny wykorzystywać ciepło odpadowe ze ścieków i systemów kanalizacji.

Rys. 14: Wymiennik ciepła w oczyszczalni ścieków w Bernie: Moc: 2x700 kWth [1]



inŻynieria Środowiska możliwości pozyskiwania ciepła...

Documents