Możliwości pozyskiwania ciepła odpadowego ze ścieków i systemów kanalizacji Harnessing waste heat from sewage and sewerage systems prof. dr hab. inż. J. GÓRSKI, mgr inż. D. MATUSZEWSKA Wstęp W KILKU SŁOWACH W Europie i na świecie coraz większy nacisk kładzie się na odzysk ciepła ze ścieków i systemów kanalizacyjnych. Wstępne analizy pokazują, że pomimo znacznych kosztów inwestycyjnych budowa takich instalacji jest ekonomicznie uzasadniona koszt instalacji zwraca się w przeciągu kilku lat, przy czym ich eksploatacja jest bardzo tania. Warto więc wykorzystywać ciepło odpadowe ze ścieków i systemów kanalizacji także i w naszym kraju. W ostatnich latach możemy zaobserwować wzrost zużycia wody na potrzeby gospodarstw domowych (mycie, kąpiele, pranie, 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 gospodarstwach domowych. Przy czym ok. 50% energii jest tracone ze ściekami w typowej kanalizacji. Temperatura ścieków komunalnych z gospodarstw domowych zwykle mieści się pomiędzy 10-20 0 C, natomiast ścieki powstające w wielu gałęziach przemysłu mają jeszcze wyższą temperaturę przekraczającą 40 0 C. Szacuje się, że dzięki obniżeniu temperatury 1m 3 ścieków o 1 C na go- 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 gotowej do powtórnego zagospodarowania. Warto zatem zastanowić się nad możliwością odzysku tej bezpowrotnie traconej energii. Rynek wychodząc naprzeciw tym oczekiwaniom dysponuje zróżnicowaną ofertą gotowych urządzeń do odzysku ciepła zaczynając od tych wykorzystywanych w domach jednorodzinnych, poprzez urządzenia do odzysku ciepła z obiektów zużywających duże ilości ciepłej wody (np. pralnie, baseny, szpitale, itd.), aż do rozwiązań proponowanych przy oczyszczalniach ścieków. Użycie ścieków jako źródła ciepła SUMMARY Recovering heat from sewage and sewerage systems has been given prominence in Europe and around the world. As preliminary analyses have shown, in spite of substantial investment costs such installations are economically justified: 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. Odzysk ciepła odpadowego ze ścieków można prowadzić na wiele sposobów. Najpopularniejsze technologie oparte są o wymienniki ciepła J. Górski, D. Matuszewska, Wydział Energetyki i Paliw AGH w Krakowie www.industrialfurnaces.pl, www.ppik.pl 21
i pompy ciepła, które już od wielu lat z powodzeniem stosowane są w przemyśle do racjonalnego i efektywnego odzysku ciepła opadowego z różnego typu procesów. Temperatura ścieków komunalnych i przemysłowych powoduje, że odzysk ciepła z nich jest uzasadniony energetycznie (oszczędność energii), środowiskowo (obniżenie emisji gazów cieplarniach), jak również ekonomicznie (przy stosunkowo średnim kapitale początkowym, długotrwałe oszczędności). Szacując, że woda szara odprowadzana z łazienki do kanalizacji (m.in. przy pomocy prysznica, wanny, pralki. Itd.) ma temperaturę 38 40 0 C. Ilość energii możliwa do uzyskania z 1 m 3 takiej wody szarej (o gęstości 1kg/m 3 i cieple właściwym 4,2 kj/kgk) przy jej ochłodzeniu o DT= 20 0 C i wykorzystaniu pompy ciepła o współczynniku efektywności COP = 4 wynosi E=Vc_p T(1-1/COP)=1 10^3 20 4,2 (1-1/4)=63 MJ=17,5 kwh/m^3. Przyjmując poziom emisji CO 2 z kotła węglowego 0.61 kg/kwh, w tym przypadku zmniejszenie jej wartości ( carbon footprint ) będzie wynosić 10,5 kg CO 2 /m 3 wody. Dla rodziny 4-osobowej (przy założeniu zużycia wody 1.8 m 3 /mies. i osobę), oznacza to obniżenie emisji CO 2 o ponad 900 kg w ciągu roku oraz niższe koszty podgrzewania wody (dogrzewanie CWU tylko o ok. 25 0 C), co przy szacunkowym koszcie dalszego jej podgrzania można przyjąć na poziomie 12 zł/m 3, daje realne 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 użytkowanej 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 odprowadzania ścieków do oczyszczalni biologicznej, której wydajność bezpośrednio zależy od poziomu temperatury ścieków. Ekonomicznie uzasadnione 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 basenowe, przemysł, osiedla mieszkaniowe, główne ciągi kanalizacji na terenie lokalnych osiedli lub w otoczeniu oczyszczalni ścieków). 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 ogrzewania pomieszczeń i podgrzewania wody może być odzyskiwane ze ścieków [1]. Lokalizacje instalacji do odzysku ciepła Istnieje wiele technologii i sposobów odzyskiwania ciepła ze ścieków. Zasadniczo ciepło ze ścieków można odzyskiwać w trzech strefach systemu odprowadzania ścieków, tj. bezpośrednio u źródła, w kolektorze ściekowym oraz za oczyszczalnią 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 gromadzone 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. Rys. 1: Lokalizacja możliwych punktów odbioru ciepła ze ścieków [1] 22 piece przemysłowe & kotły VII-VIII/2013
umieszczone w nim specjalne wymienniki służą do odzysku ciepła ze strumienia ścieków. Lokalizacja taka zapewnia ciągłość dostaw, co jest niezmiernie ważne dla ich pracy. W przypadku odbioru ciepła za oczyszczalnią ścieków, ciepło można odbierać od strumienia oczyszczonych ścieków przy pomocy wymienników umieszczonych w kanale służącym do odprowadzania ścieków do odbiornika. Inną z możliwości jest odbieranie ciepła bezpośrednio na skraplaczu pompy, na którą kierowane są oczyszczone ścieki [1]. Aktualnie dostępne technologie Jak już wcześniej wspomniano odzysk ciepła może być prowadzony na wiele sposobów, wpływ na to mają różne czynniki, w tym lokalizacja punktu odbioru ciepła ze ścieków. Szeroki wachlarz dostępnych technologii sprawia, że rynek obfituje 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 opatentowanej 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 rocznie przy 4- osobowej rodzinie ( 1200 kwh zaoszczędzonej energii), przy 1-5 latach okresu zwrotu inwestycji [2]. Relatywnie dużą ilość ciepła można odzyski- 1. Kurek 2. Filtr czyszczący 3. Pierścień gwintowy 4. Uszczelka fi90 5. Regulowana nóżka 6/7. Łączenie wyjściowe 1/2" 8. Odpływ fi 40 Rys. 2: Rekuperator ZYPHO przenosi ciepło ze zużytej wody prysznicowej na zimną z baterii, gdzie ją wstępnie ją ogrzewa zmniejszając zapotrzebowanie ciepłej wody i energii [2] wać dzięki zastosowanie centrali odzysku ciepła z rekuperatorem. Rozwiązanie takie jest w szczególności proponowane dla miejsc, gdzie ścieki zastępowane są świeżą wodą (m.in. w obiektach basenowych, rekreacyjnych, spa, hotelach, pralniach). Ścieki przepływające przez wewnętrzną wężownicę rekuperatora przekazują znaczna ilość ciepła do strumienia wody świeżej przepływającej przez zewnętrzną wężownicę rekuperatora. Takie rozwiązanie powoduje, że ciepła woda może być podgrzewana nawet do 30 0 C bez użycia innych źródeł ciepła, co pozwala zaoszczędzić nawet do 90% energii [3]. Poniżej przedstawiono schemat oraz widok takiej centrali do odzysku ciepła ze ścieków AquaCond44, której producentem jest firma Menerga (Rys. 3). Przed kilkunastu laty w USA została opraco- Rys. 3: Centrala AquaCond 44 schemat działania i fotografia [3] Literatura: [1] Schmid F.: Sewage water: interesting heat source for heat pumps and chillers, (www.bfe. admin.ch/php/ modules/publikationen/stream.php? extlang=en&name- =en_508290240.pdf). [2] Katalog techniczny firmy Ecomax, 2013, (http://www. ecomax.info.pl/oferta/zypho-bierny-odzysk-cieplej/ zypho/42). [3] Katalog techniczny firmy Menerga, 2013, (http://www. menerga.com/fileadmin/ redaktion/polen/44_aquacond.pdf). [4] Jezuit Z., Górski J.: Odzysk ciepła ze ścieków komunalnych (praca nie publik., Rzeszów, 2008). [5] Strona internetowa poświecona wymiennikom GFX, 2013, (http://gfxtechnology.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_patentowy_pl198134b1.pdf). [8] Joniec. W.: Odzysk ciepła z kanalizacji, Rynek Instalacyjny, Nr 5/2007. [9] Kuliczkowski P., Alternatywne pozyskiwanie energii z kanałów sanitarnych za pomocą technologii bezwykopowych, Nowoczesne Budownictwa Inżynieryjne, Marzec-Kwiecień (2010), s.55-58. [10] Waste Water A Source of Thermal Energy for Heating. Prospekt firmy 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/kanalsanierung/heatliner/) [12] Brickwedde F.: Energie aus Kanalabwasser Leitfaden für Ingenieure und Planer. [13] Strona internetowa firmy Alfa Laval, 2013, (http:// www.alfalaval.com). [14] Strona internetowa firmy 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). www.industrialfurnaces.pl, www.ppik.pl 23
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 spływające przez pion przekazują ciepło do zimnej wody płynącej w przeciwprądzie wewnątrz miedzianej spirali otulającej rurę odprowadzającą. Lekkie spłaszczenie rury po stronie wewnętrznej w miejscu styku z pionem poprawia przy tym transport ciepła. Technologia ta wykorzystuje zjawisko tworzenia się biofilmu 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 konfiguracji 4a., strumień usuwanych ścieków 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 efektywna konfiguracja, a przy tym oszczędności są największe. Wadą jest stopień skomplikowania oraz kosztowność rozwiązania w przypadku gdy podgrzewacz wody jest zbyt daleko od odpływu. W niektórych przypadkach przy korzystaniu z prysznica, zimna woda ze zlewu może być gorąca [6]. W ramach konfiguracji 4b., strumień odprowadzanych ścieków jest równy strumieniowi zimnej wody, a strumień podgrzanej wody jest mniejszy i przekazywany do podgrzewacza wody. Najprostszym sposobem zasilania jest instalacja wymiennika ciepła w pobliżu podgrzewacza 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 zainstalowania, zwłaszcza gdy podgrzewacz wody nie znajduje się w pobliżu rury kanalizacyjnej. Konfiguracja ta jest 20% mniej wydajna niż prezentowana wcześniej [6]. W ramach konfiguracji 4c., strumień odprowadzanych ścieków jest równy strumieniowi zimnej wody, ale przepływ podgrzanej wody jest mniejszy, ponieważ jest kierowana tylko do zbiornika z zimną wodą wodociągową. Głównymi zaletami jest możliwa instalacja nawet wtedy, gdy kocioł nie jest w pobliżu odpływu oraz prosty montaż. Do wad należy zaliczyć wrażliwość układu na zmiany temperatury odprowadzanych ścieków oraz o 20% mniejsza wydajności niż w przypadku konfiguracji 4a. W niektórych przypadkach, zimna woda z baterii umywalki może być ciepła, gdy równocześnie używany jest prysznic [6]. Również w Polsce zaproponowano oryginalne urządzenia do odzysku ciepła ze ścieków, np. patent PL 198134 B1 autorstwa Józefa Kramarza [7]. Urządzenie to proponuje mechanicznie 24 piece przemysłowe & kotły VII-VIII/2013
wymuszone spowolnianie przepływu ścieków, a także jego stopniowanie podczas pełnego odbioru ciepła (Rys. 5). Ścieki w postaci zużytej wody kierowane są na zawór temperaturowy, rozdzielający do instalacji odpływowej ciepłej lub zimnej. Poprzez wstępny wymiennik 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 jednak informacji dotyczących jego praktycznego wdrożenia. centralnym. Przy takim rozwiązaniu ścieki napływające do przewodu kanalizacyjnego oddają ciepło do wymienników ciepła (wbudowanych w konstrukcję segmentów rur zainstalowanych w istniejących już kolektorach kanalizacyjnych). Oddane ciepło poprzez medium pośredniczące (np. roztwór glikolu) kierowane jest do parownika pompy ciepła (Rys. 6) [8]. Rys. 6: Schemat instalacji odzysku ciepła z kanalizacji przy wykorzystaniu wymiennika ciepła w kanale i pompy ciepła [8] 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 ciepła a,b,c - urządzenia w których powstają ścieki Rys. 5: Schemat urządzenia wg patentu PL 198134 B1 [7] Innym proponowanym sposobem odzysku ciepła ze ścieków jest odzysk ich nie bezpośrednio u źródła, lecz w kolektorze Ze względu na sposób umieszczania wymienników ciepła w kolektorach (zwykle betonowych) rozróżnia się cztery podstawowe metody [9]: bezwykopowa lub w wykopie przy budowie przewodów kanalizacyjnych z wbudowanymi wymiennikami ciepła, bezwykopowa przy remoncie przewodów kanalizacyjnych połączonym z montażem wymienników ciepła, bezwykopowy montaż obudowanych wymienników ciepła wewnątrz kolektorów kanalizacyjnych, bezwykopowy montaż nieobudowanych wymienników ciepła w kolektorach kanalizacyjnych. Metoda bezwykopowa lub w wykopie przy budowie przewodów kanalizacyjnych z wbudowanymi wymiennikami ciepła stosowana jest w nowych lub wymienianych przewodach kanalizacyjnych (Rys. 7). Stosuje się w niej głównie rury z polietylenu lub stali odporne na korozję. Charakteryzuje się dużą trwałością konstrukcji oraz bezwładnością cieplną, niską podatnością na powstawanie biofilmu oraz wydajnością wymienników ciepła rzędu 1 do 2 kw th /mb rury [9]. www.industrialfurnaces.pl, www.ppik.pl 25
Rys. 7: Rura żelbetowa z wbudowanym wymiennikiem ciepła [10] Bezwykopowa odnowa przewodów kanalizacyjnych połączona z montażem wymienników ciepła jest to metoda renowacyjna, gdzie montaż wymienników ciepła następuje przy zastosowaniu utwardzanych powłok żywicznych (Rys. 8). Badania prototypowej instalacji wykazały wydajność 0,13-0,5 kw th /mb instalacji [9]. W bezwykopowym montażu obudowanych wymienników ciepła w kolektorach kanalizacyjnych 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 wybór długości odcinka), trwałością konstrukcji oraz wysoką wydajnością dochodzącą do 4kW th /mb instalacji [9]. a. b. W bezwykopowym montażu nieobudowanych wymienników ciepła w zbiorczych kolektorach kanalizacyjnych wymiennik wykonany jest z rur PE (omywanych bezpośrednio przez strumień ścieków), umieszonych w kolektorze głównym lub w kanale odprowadzającym oczyszczone ścieki do odbiornika. Metoda ta charakteryzuje się niskimi kosztami eksploatacji, możliwością montażu wymienników bez konieczności wstrzymania przesyłu ścieków oraz wysoką wydajnością cieplną wymiennika. Główną wadą jest wymagany duży przepływ ścieków [9]. Rozwój gospodarki komunalno-ściekowej zaowocował pojawieniem się coraz to większej liczby oczyszczalni, gdzie stosunkowo regularnie dostarczane są znaczne ilości ścieków, któa. b. 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] Rys. 9: Typowe rozwązania wymienników obudowanych a) -Wymiennik 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] 26 piece przemysłowe & kotły VII-VIII/2013
rych temperatura w miesiącach zimowych nierzadko jest wyższa od 10 0 C, co powoduje, że są doskonałym źródłem niskotemperaturowego ciepła dla pomp ciepła. W układach grzewczych z pompą ciepła następuję bowiem pobieranie ciepła ze źródła o temperaturze niższej i przekazywanie go do źródła o temperaturze wyższej, przy czym sposób w jaki to się odbywa jest zależny od rodzaju użytej technologii. Możliwe jest to dzięki doprowadzeniu do pompy ciepła energii (najczęściej elektrycznej w przypadku urządzeń sprężarkowych). Najczęstszym ograniczeniem w stosowaniu ścieków w układzie pompy ciepła jest fizykochemiczny skład oczyszczonych ścieków, który powinien zgadzać się z zaleceniami podanymi przez producentów tego typu urządzeń. W tym przypadku istotne mogą okazać się takie czynniki jak: odczyn, ph, związki chemiczne (azotany, chlorki, chlor wolny, siarczany, żelazo, mangan, tlen oraz wolny kwas węglowy) czy przewodność elektryczna, które mogą wpływać na konieczność realizacji dodatkowych badań. Poważnym problem jest wciąż to, że fizykochemia ścieków dopływających do oczyszczalni komunalnych zmienia się, zestawiając to z wymaganiami dotyczącymi użytkowania pomp ciepła, jedynym rozwiązaniem jest użycie dodatkowego, pośredniczącego wymiennika ciepła. Do ścieków z dużą zawartością cząstek stałych stosuje się spiralne wymienniki ciepła o gładkich ścianach, do których nie przywierają osady. Dużą zaletą ich jest posiadanie otwartych pokryw, które umożliwiają ich czyszczenie. Najbardziej efektywną wymianę ciepła uzyskuje się w wymiennikach przeciwprądowych, które dominują w profesjonalnych instalacjach. Poniżej przedstawiono taki wymiennik ciepła (Rys. 10) [4]. Oprócz spiralnych wymienników ciepła do odzysku ciepła ze ścieków stosuje się wymienniki płytowe, które posiadają profilowaną powierzchnię wymiany ciepła (Rys. 11). Można je używać w przypadku, gdy oczyszczone ścieki nie zawierają większych zanieczyszczeń stałych. 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 przestrzeni pomiędzy płytami, natomiast drugi, gorący czynnik wpływa do pozostałych. Media nie mieszają się, są oddzielone cienkimi płytkami przez które następuję przenikanie ciepła, natomiast ruch turbulentny płynu wpływa na wysoką wartość współczynnika przejmowania ciepła. Innym proponowanym rozwiązaniem odzysku ciepła z zanieczyszczonych ścieków jest instalacja oparta na wymienniku typu rura w rurze, instalacja taka proponowana jest przez firmę EnviroSep, którą zaprezentowano na poniższym rysunku (Rys. 12). Rys. 12: Urządzenie do odzysku ciepła ze ścieków firmy EnviroSep [14] www.industrialfurnaces.pl, www.ppik.pl 27
Przykładowe instalacje W Europie i na świecie coraz większy nacisk kładzie się na odzysk ciepła ze ścieków i systemów 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 obsługując 800 tys. mieszkańców (Rys. 13). Oczyszczone ścieki opuszczając oczyszczalnię (ok. 260 tys. m 3 /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 0 C. Jak do tej pory instalacja działa sprawnie nie ma problemów z zatykaniem wymiennika ciepła przez nieczystości ze ścieków, czego najbardziej się obawiano [4]. Rys. 13: Poglądowy schemat instalacji do odzysku ciepła ze ścieków w Helsinkach, Finlandia [15] Wiele instalacji tego typu powstało w Szwajcarii, m.in. w Bernie powstała oczyszczalnia 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 systemu ciepłowniczego w sąsiednim Bremgarten, co stanowi ok. 60% jego zapotrzebowania na ciepło [1]. W niemieckim Luverkusen zaprojektowano instalacje odzysku ciepła ze ścieków na potrzeby grzania i chłodzenia dla Miejskiego Ośrodka Zdrowia (powierzchnia 12 tys. m 2 ). W instalacji Rys. 14: Wymiennik ciepła w oczyszczalni ścieków w Bernie: Moc: 2x700 kwth [1] tej wykorzystano pompę ciepła, której dolnym źródłem są ścieki wpływające do kolektora. Dzięki 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 obniżenie emisji CO 2 do 22% (w trybie grzania) [9]. Podsumowanie W niniejszej analizie wskazano na zasadność użytkowania ciepła odpadowego ze ścieków i systemów kanalizacyjnych. Dostępne technologie oraz ich praktyczne realizacje w postaci istniejących instalacji w Europie i na świecie reprezentują aktualne trendy rozwojowe w pozyskiwaniu ciepła odpadowego. Wstępne analizy pokazują, że pomimo znacznych kosztów inwestycyjnych budowa takich instalacji jest ekonomicznie 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 odzysku 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 przypadku konwencjonalnych rozwiązań i tutaj dla każdej inwestycji należy przeprowadzić szczegółową analizę różnych wariantów przedsięwzięcia [16], w tym konfiguracji elementów instalacji i jej optymalizacji. Takie podejście pozwala w sposób racjonalny wykorzystywać ciepło odpadowe ze ścieków i systemów kanalizacji. 28 piece przemysłowe & kotły VII-VIII/2013