Об использовании тепла сточных вод
А.М. Ройзен, к.ф.-м.н., научный руководитель проектов, компания «ААЗ» (Ассоциация Авторской Защиты), г. Санкт-Петербург
Идея возврата части тепловой энергии, уходящей в канализацию с горячей водой не нова, но в силу разных причин широкого распространения в России не получила. Мы не будем обсуждать здесь все причины, затронем лишь те, которые требуют определенных технических решений.
Обычная схема включает в себя тепловой насос и систему теплообменных устройств, которые устанавливаются на очищенных стоках. Тепловой насос, отбирая от стоков низкопотенциальную энергию, повышает температуру теплоносителя в выходном контуре. Главным недостатком такого решения является проблема ретранспортировки полученной энергии. Недостаток устраняется, если оборудовать такой системой не городской коллектор, а например отдельный дом. В этом случае отбор энергии придется производить от неочищенных стоков, что потребует создания непростых теплообменных устройств. Теплообменник не должен препятствовать движению стоков загрязненных всевозможными твердыми, волокнистыми жировыми и прочими включениями. Неизбежное заиливание стенок не должно существенно ухудшать режим отбора тепла. Необходимо предельно снизить эксплуатационные затраты и упростить обслуживание системы. Учитывая сравнительно большой срок окупаемости (4-5 лет), требуется обеспечить соответствующую долговечность системы.
Разработчики нашей компании имеют в своем арсенале решение, касающееся теплообменных устройств. Но отсутствуют еще два необходимых элемента разработки: теплоаккумулятор с гидрообвязкой и автоматика. Для разработки этих позиций требуется привлечение дополнительных средств.
Для определения эффективности предлагаемой разработки, приведем некоторые экономические оценки.
Нормы расхода горячей воды и энергии для ее приготовления в расчете на одного человека за один месяц составляют 4,7 м³ и 0,28 Гкал соответственно. Стоимость 1м³ воды составляет 19 руб., стоимость 1 Гкал 1050 руб., включая НДС. Данные усреднены для центральной части России.
Для определенности проведем расчеты на один подъезд пятиэтажного дома. В таком подъезде проживает порядка 50 чел.
Объем стока горячей воды составит:
50 * 4,7 = 235 м³/мес. или 7,83 м³/сут.
Учитывая, что основное потребление приходится на 3-4 вечерних часа и 1-2 утренних, примем продолжительность эффективного теплосъема равной 6 ч, т.е. усредненный поток составит 1,3 м³/ч.
Энергосодержание этих стоков составит:
Гкал
или 90,4 кВт·ч
Поскольку снять удастся только 40-50% энергии, то в итоге получаем порядка 40 кВт·час.
Учитывая, что тепловой насос на каждый отобранный от среды 1 кВт . ч энергии затрачивает примерно 0,25 кВт . ч электроэнергии, мощность теплового насоса должна составлять 10 кВт. Стоимость теплового насоса составляет примерно 15 тыс. руб. за один 1 кВт, т.е. необходимый нам насос будет стоить 150 тыс. руб. Остальное оборудование и монтаж будут стоить примерно 70 тыс. руб.
Возвращаемая энергия в денежном выражении составит:
0,28 Гкал * 50 чел. * 0.5 * (1050 + 19) руб.= = 7483 руб./мес.
Затраты на электроэнергию составят:
Отнесем 83 руб. на эксплуатационные затраты и в итоге получим 3800 руб.
Срок окупаемости составит:
лет.
На самом деле срок окупаемости будет короче, поскольку стоимость горячего водоснабжения будет неуклонно расти. Только в 2010 г. эти цены возросли в среднем на 23%.
Заключение
Использование тепловых насосов в системе возврата тепловой энергии могло бы считаться очень эффективным при значительно меньшей их стоимости. Но импортное оборудование такого плана очень дорого. В настоящее время мы работаем над созданием импортозамещающего оборудования для утилизации вторичных ресурсов. Разработчики нашей компании уже приступили к реализации проекта внедрения теплообменников для Комитета по строительству и ЖКХ одного из регионов. Планируемое окончание проекта — конец 2010 г. Мы надеемся представить на рынок свою уже апробированную установку с оценкой ее эффективности от самих эксплуатационных организаций и структур. Ее станет возможно тиражировать и на другие регионы.
Но для запуска всей системы возврата тепловой энергии стоков — действительно эффективной и надежной, — необходимы еще два элемента разработки: теплоаккумулятор с гидрообвязкой и автоматика. Изготовление и монтаж этих двух элементов не может быть стандартным — проект является адресным и адаптированным к конкретным условиям. Расчет должен быть привязан к конкретному объекту.
ДЛЯ СПРАВКИ
Эффективность тепловых насосов
В процессе работы компрессор затрачивает электроэнергию. На каждый затраченный киловатт-час электроэнергии тепловой насос вырабатывает 2,5-5 кВт . ч тепловой энергии. Соотношение вырабатываемой тепловой энергии и потребляемой электрической называется коэффициентом трансформации (или коэффициентом преобразования теплоты) и служит показателем эффективности теплового насоса. Эта величина зависит от разности уровня температур в испарителе и конденсаторе: чем больше разность, тем меньше эта величина.
По этой причине тепловой насос должен использовать по возможности большее количество теплоносителя из источника низкопотенциального тепла, не стремясь добиться его сильного охлаждения. В самом деле, при этом растет эффективность теплового насоса, поскольку при слабом охлаждении источника тепла не происходит значительного роста разницы температур. По этой причине тепловые насосы делают так, чтобы масса низкотемпературного источника тепла была значительно большей, чем нагреваемая масса.
Материал из Википедии
Одним из возможных вариантов дальнейшего внедрения мы видим выполнение и запуск пилотного проекта полной системы в Санкт-Петербурге. Т.о., мы стараемся добиться политической воли на запуск системы энергосбережения через утилизацию вторичных энергоресурсов как для отдельных объектов, так и в системе ЖКХ.
Расчет показывает, что:
при установке такой системы на три дома, снятая с коллектора тепловая энергия целиком покрывает потребность в горячем водоснабжении одного из этих домов;
при установке на каждый подъезд 6-ти подъездного 130-ти квартирного дома тепловая энергия 5-ти из них обеспечивает потребность 6-го в горячем водоснабжении;
объектами для установки могут стать как старые дома, поставленные на капитальный ремонт, так и новые объекты.
Посмотреть данную технологию более подробно,
Вы можете в Каталоге энергосберегающих технологий
Использование тепла сточных вод для дома
C. Seybold, Alumni, RWTH Aachen University, Chair of Construction Business and Building Services Aachen, Germany,
M. f. Brunk, Head of chair, RWTH Aachen University, Chair of Construction Business and Building Services Aachen, Germany
Нагрев воды для нужд горячего водоснабжения составляет 20–25% от общего потребления энергии в стандартном доме, и большая часть нагрузки приходится на подогрев воды для принятия ванны или душа. Стоимость горячей воды, как правило, занимает второе место в графе расходов на услуги ЖКХ в многоквартирных жилых зданиях, уступая по стоимости только расходам, затрачиваемым на отопление помещений. Исследования показали, что для гигиенических процедур человеку достаточно 1/10 части используемой в душе воды. Значит около 90% теплой воды, подводимой к смесителю душа, сливается в канализацию неиспользованной.
Кроме теплой воды от душа, свой вклад также вносят стиральные и посудомоечные машины, нагревающие воду с помощью электричества.
Утилизация и повторное использование большей части энергии сточной воды позволит сэкономить тепловую энергию и снизить общую стоимость горячей воды.
Статья посвящена исследованиям использования рекуперации тепла бытовых сточных вод для увеличения энергетической эффективности зданий, проведенным в Германии.
Анализ измерений, полученных на основе оценки энергетического потенциала сточных вод для шести зданий в Германии, показывает высокий уровень их температуры. В то же время данный ресурс получения энергии до сих пор не нашел широкого применения. Сточные воды имеют среднюю температуру около 21–26 °C. Количество сточных вод находится в прямой зависимости от потребления питьевой воды и для различных типов зданий в будни составляет в среднем от 113 до 133 л/сут на человека для жилых домов, 184 л/сут на один номер для гостиниц и 327 л/сут на одну койку для больниц. Применение тепловой энергии сточных вод при помощи тепловых насосов позволяет достигнуть высоких показателей экономии тепла, связанных с высоким влиянием сезонных факторов производительности, а также экологичного использования систем рекуперации тепла в доме. Одним из важных факторов обеспечения эффективности работы системы является регулярное удаление биопленки, которая образуется на той части теплообменника, которая омывается сточными водами.
Предпосылки проведения исследования
Около 5% от общего потребления энергии, расходуемой в Германии, используется для нагрева воды. Анализ общего энергопотребления зданий показал, что процент потребления энергии на нагрев горячей воды составляет около 11%. Благодаря непрерывным усилиям по сокращению энергозатрат на отопление зданий, процент энергии, затрачиваемой на подогрев воды системами горячего водоснабжения, будет с каждым годом только возрастать. Огромное количество тепловой энергии, содержащейся в сточных водах, как правило, не используется, а просто выпускается в канализацию.
Для достижения европейских целей по защите климата использование тепла сточных вод предоставляет огромный и по большей части неосвоенный потенциал для развития ресурсоэффективного теплоснабжения зданий.
Идея утилизации тепла сточных вод с тепловыми насосами, конечно, не нова. С 1980-х централизованные системы в Германии, Швейцарии и Скандинавских странах используют тепло сточных вод, собираемое либо в канализационных коллекторах, либо на очистных сооружениях. Температура сточных вод в местах сбора составляет приблизительно от 10 до 15 °C в течение всего года и даже доходит до 20 °C в летнее время, этого достаточно для гарантированной и бесперебойной работы тепловых насосов. В зимние месяцы, когда отмечается высокая потребность в тепловой энергии, температура сточных вод в местах централизованной установки тепловых насосов составляет лишь около 10 °C, что приводит к снижению эффективности работы теплового насоса.
Данная статья будет посвящена описанию проекта под названием «Рекуперация тепла бытовых сточных вод в домах для увеличения энергетической эффективности зданий», поддержанного Федеральным министерством транспорта, строительства и городского развития. Основная задача данного проекта отличается от цели вышеописанных технических решений. В проекте главной задачей является децентрализованное использование тепловой энергии всех потоков сточных вод перед выпуском их в наружную канализацию, чтобы предотвратить рассеивание энергии в почву. Температура сточных вод перед выпуском их из здания составляет около 23–26 °C в среднем, что существенно выше по сравнению с температурой в централизованных системах утилизации тепла сточных вод. Как следствие, эффективность и рентабельность системы тепловых насосов можно решительно увеличить. Таким образом, применяется схема, в которой тепловая энергия из сточных вод может быть использована непосредственно в здании для получения горячей воды при помощи теплового насоса.
В контексте исследовательского проекта оценивался потенциал использования энергии сточных вод внутри зданий, а также проводилось моделирование энергосбережения для различных концепций системы, в том числе и в целях оценки эффективности системы по сравнению с традиционной энергетикой.
Концепция мониторинга
Для того чтобы определить энергетический потенциал сточных вод, необходимо знать расход потребления холодной питьевой воды, а также температуру сточной воды, эти значения должны быть измерены на контрольных объектах. Принимается, что потребляемое количество питьевой воды равно количеству сточных вод, отводимых от здания. Температура сточных вод измеряется, соответственно, двумя датчиками температуры в каждой системе канализации. Точки измерения располагаются на главных магистральных канализационных трубах и перед выпуском сточных вод в наружную канализационную систему (рис. 1).
 | ||
 |
 |
 |
