ENERGIA

Odzysk ciepła z kanalizacji

Waldemar Joniec

Przy budowie nowoczesnych domów niskoenergetycznych i pasywnych stosowane są technologie, dzięki którym możliwe
jest oszczędzanie energii. Najczęściej wykorzystuje się materiały do izolacji ścian oraz montowane są szczelne okna, a
także odzyskiwane jest ciepło z wentylacji. Jednakże w ściekach odprowadzanych do kanalizacji „drzemie” dość dużo
energii. Na świecie powstało kilka technologii odzysku ciepła ze ścieków.

Jednym z kierunków pozyskania ciepła z odprowadzanych ścieków jest
opracowanie małego wymiennika umiejscowionego w pobliżu ujścia ciepłych
ścieków do instalacji kanalizacyjnej. Ten kierunek został wybrany, gdyż wg
szacunków w krajach UE jest ok. 58 mln zmywarek, 232 mln pralek i 63 mln
pryszniców, które pochłaniają blisko 90% całkowitej energii wykorzystanej do
ogrzewania wody użytkowej w gospodarstwach domowych. Daje to w
przybliżeniu 26 500 TJ energii cieplnej. Prace nad wdrożeniem takiego
wymiennika prowadzi stowarzyszenie Lowheat [5]. Wymiennik ma odzyskać
50% energii zużytej do ogrzania wody, a jego koszt zakupu nie powinien
wynosić więcej niż ok. 200 EUR. Wprowadzenie do powszechnego stosowania
takich wymienników pozwoliłoby zmniejszyć całkowite zużycie energii w
budynkach mieszkalnych o 7%, co daje oszczędności ok. 1000 kWh rocznie
dla jednego mieszkania, a w skali Europy pozwoli zaoszczędzić 10 mld kWh
energii. W ramach tego projektu w firmie Pera [6] opracowano wymiennik
Warmit ze stali nierdzewnej i tworzywa, który w optymalnych warunkach
odzyskuje do 50% ciepła z wody użytej pod prysznicem.
Natomiast w USA, w ramach projektu dotowanego przez DOE Iventions
Program [8] opracowano urządzenie o nazwie GFX. Jest to prosty w budowie
przepływowy wymiennik pionowy odzyskujący ciepło ze ścieków w budynkach.
Wymiennik ten instaluje się w dostępnej, pionowej części przewodu
kanalizacyjnego (pionu) w budynku. Urządzenie składa się z 3'' lub 4'' rury,
przez którą przepływają ciepłe ścieki oraz 1'' miedzianej spirali owiniętej
wokół

rury

kanalizacyjnej.

Ciepło

jest

przekazywane

ze

ścieków

przepływających przez pion, do zimnej wody płynącej jednocześnie ku górze
w spirali okalającej tę rurę. Rury w spirali są lekko spłaszczone w miejscu, w
którym dotykają pionu, a specjalny stop lutowniczy łączący spiralę z pionem
zmniejsza rezystancję cieplną i poprawia tym samym transfer energii. Kluczem do opatentowania tego urządzenia było
spostrzeżenie, że ścieki tworzą biofilm wewnątrz rur kanalizacyjnych, gdy spływają swobodnie w otwartym kanale, a to
istotnie spowalnia ich przepływ i tym samym zwiększa efektywność transferu ciepła ze spływających ścieków do spirali
otaczającej rurę.

Badania przeprowadzone przez Pennsylvania Power and Light [7] wykazały, że
koszt montażu GFX w mieszkaniach zwraca się po 2÷5 latach. Badania zostały
przeprowadzone na zamontowanym GFX (koszt 500 USD), a oszczędności
sięgnęły 800÷2300 kWh rocznie, w zależności od liczby łazienek w budynku.
Opłacalność takiej inwestycji rosła wraz z liczbą codziennych kąpieli pod
prysznicem. Ponadto, oprócz redukcji kosztów energii, zastosowanie tego
wymiennika pozwala na skrócenie czasu potrzebnego na podgrzanie wody, a
ma to znaczenie, jeśli w danej chwili z prysznica korzysta więcej osób niż
zazwyczaj.
Drugi kierunek poszukiwania technologii odzysku ciepła z kanalizacji opiera się
na wykorzystaniu dużych wymienników oraz pomp ciepła. Pierwsze badania w
Europie nad wykorzystaniem ciepła w budynkach mieszkalnych ze ścieków
odprowadzanych do kanalizacji rozpoczęto w latach 80. w Szwajcarii.
Zbudowano kilkanaście prototypów urządzeń, jednak nie znalazły one
powszechnego zastosowania. Wysokie koszty inwestycyjne i niska sprawność

Fot. 1 Widok zainstalowanego
wymiennika GFX współpracującego
z pojemnościowym elektrycznym
podgrzewaczem wody

Rys. 1. Różne konfiguracje instalacji z wymiennikiem GFX i podgrzewaczem
c.w.u. [9]

Fot. 2. Widok elementu sieci
kanalizacyjnej z wymiennikiem ciepła

Strona 1 z 5

Rynek Instalacyjny :: Odzysk ciepła z kanalizacji

2008-01-04

http://www.rynekinstalacyjny.com.pl/index2.php?option=com_content&task=view&i...

ówczesnych pomp ciepła nie zachęcały do takich inwestycji. Przed kilku laty
idea odzysku ciepła z kanalizacji ponownie zaczęła być aktualna. Propaguje ją
m.in. program „EnergieSchweiz für Infrastrukturanlagen” [2], w który
zaangażowane są m.in. branżowe zrzeszenia zawodowe. Obecnie ceny paliw, a
szczególnie oleju opałowego zachęcają do ponownego zainteresowania się tymi
rozwiązaniami. W Szwajcarii działa 29 takich instalacji, a kilkanaście
następnych jest w fazie projektowania. Pilotażowe inwestycje z różnymi
rozwiązaniami technologicznymi powstały w Niemczech oraz Austrii (wzrasta
zainteresowanie

ich

szerszym

zastosowaniem).

Według

szacunków

niemieckich, w 10% istniejących budynków mieszkalnych można zapewnić
energię na pokrycie zapotrzebowania na ciepło do ogrzewania i wodę użytkową
z odzysku ciepła z kanalizacji [1]. Instalacje do odzysku ciepła z kanalizacji
zapewniają dodatkowe źródło energii w długiej perspektywie czasowej.
Pozwalają na niezależne uzyskiwanie energii do wytwarzania ciepła w okresie
grzewczym i chłodu latem. Inwestycje te wpływają na zmniejszenie emisji CO

2

i oszczędzanie energii pierwotnej oraz na zmniejszenie zależności od paliw
kopalnych.

Latem temperatura wody w kanalizacji wynosi ok. 20°C, zimą spada do 10÷12 °C. Ciepło zawarte w ściekach można
odzyskać dzięki zastosowaniu specjalnych wymienników umiejscowionych w dolnej części grawitacyjnego kanału
kanalizacyjnego. Wymienniki mogą być elementem nowych sieci lub mogą być dodawane do istniejących już kanałów
(fot. 2., 3., 4., 5.).
Ścieki napływające do przewodu kanalizacyjnego na długości rurociągu z wymiennikiem oddają ciepło i jest ono poprzez
medium kierowane do pompy ciepła (rys. 3.). To rozwiązanie podnosi efektywność pompy ciepła do takiego poziomu, że
jest ona w stanie zapewnić odpowiednią temperaturę (ok. 50°C) do ogrzewania. Natomiast w okresie letnim pompy
ciepła mogą przekazywać ciepło do kanalizacji i dostarczać chłód do budynków. Obecnie pompy ciepła osiągają COP
powyżej 4,5, a nawet 5. To oznacza, że jedna jednostka energii elektrycznej daje 5 jednostek ciepła. Prawie 1,5 kWh
ciepła można uzyskać z 1 m3 ścieków o różnicy temperatur 1 K pomiędzy ściekami i chłodnym medium. Np. zbiorczy

wraz z płytą minimalizującą
powstawanie biofilmu i zatrzymywanie
się osadów [1]

Fot. 3. Widok wymienników przed

zamontowaniem do kanału [4]

Rys. 2. Schemat ideowy odzysku ciepła ze ścieków [3]

Rys. 3. Schemat instalacji odzysku ciepła z kanalizacji przy wykorzystaniu
wymiennika w kanale kanalizacyjnym i pompy ciepła [1]

Rys. 4. Różne lokalizacje wymienników odzyskujących ciepło ze ścieków: a)
wymiennik w budynku bezpośrednio w instalacji pod urządzeniem
odprowadzającym wodę do ścieków, b) wymiennik w kanale zbiorczy, c)
wymiennik na wyjściu kolektora z oczyszczalni ścieków [3]

Strona 2 z 5

Rynek Instalacyjny :: Odzysk ciepła z kanalizacji

2008-01-04

http://www.rynekinstalacyjny.com.pl/index2.php?option=com_content&task=view&i...

kanał kanalizacyjny o przepływie 100 l/s może dostarczyć ok. 500 kW ciepła.
Uzyskiwanie energii, jak to przedstawiono na rys. 4., można z powodzeniem prowadzić w trzech miejscach: w
budynkach, sieciach kanalizacyjnych oraz kanałach wychodzących z oczyszczalni.

Urządzenia do odzysku ciepła można instalować bezpośrednio przy urządzeniu (np. przy zlewie lub umywalce), ale
wówczas okresowe korzystanie z tego urządzenia i mała ilość ścieków nie pozwolą na efektywne wykorzystanie tego
rozwiązania do współpracy z pompami ciepła. Rozwiązanie to jest zasadne w dużych budynkach, jak np. szpitale, hotele,
gdzie stale i systematycznie korzysta się z urządzeń wprowadzających ciepłe ścieki do kanalizacji. Największy potencja
odzyskiwanej energii ze ścieków ma miejsce w kanałach zbiorczych na terenach z budynkami zamieszkania zbiorowego i
biurowcach, które to budynki są jednocześnie dużymi odbiorcami energii na potrzeby ogrzewania i przygotowania ciepłej
wody, a także potrzebują w okresach letnich chłodu. Problemem w sieciach kanalizacyjnych z wymiennikami mogą być
osadzające się na ich powierzchni części stałe i biofilm, które będą powodować obniżenie sprawności instalacji odzysku
ciepła nawet o 50%. Dlatego kanały te wymagają systematycznych, okresowych kontroli i profesjonalnego czyszczenia.
W celu minimalizacji zjawiska osadzania się biofilmu na powierzchni wymienników w kanałach stosuje się specjalne
pokrycia, a także blachy miedziane.
Zjawisko osadzania się części stałych i powstawania biofilmu w takim stopniu, jak ma to miejsce w nieczyszczonych
ściekach, nie zachodzi w przypadku sieci odprowadzających ścieki z oczyszczalni. Jednak znalezienie w bezpośrednim
sąsiedztwie dużego odbiorcy dla energii uzyskiwanejz kolektorów odprowadzających ścieki z oczyszczalni jest trudne.

Rys. 5. Różne konfiguracje urządzeń w instalacji do odzysku ciepła ze ścieków

z sieci kanalizacyjnej; układy: a) monowalentny, b) biwalenty, c)
multiwalentny 1 – pompa ciepła, 2 – kocioł, 3 – agregat kogeneracyjny [3]

Rys. 6. Zapotrzebowanie na ciepło w poszczególnych miesiącach dla potrzeb
ogrzewania i przygotowania c.w.u. w szkole z internatem w Bawarii [1]

Rys. 7. Schemat instalacji odzysku ciepła z kanalizacji w Zwingen [4]

Strona 3 z 5

Rynek Instalacyjny :: Odzysk ciepła z kanalizacji

2008-01-04

http://www.rynekinstalacyjny.com.pl/index2.php?option=com_content&task=view&i...

Energię tę można by spożytkować do osuszania osadów ściekowych lub do włączenia jej w procesy zachodzące w
oczyszczalni, ewentualnie do ogrzewania pomieszczeń o różnym przeznaczeniu.
Układy odzysku ciepła ze ścieków mogą być monowalentne lub współpracować z różnymi urządzeniami grzewczymi w
rożnych kombinacjach (rys. 5.). Biwalentny układ optymalnie wykorzystuje ciepło ze ścieków i nie wymaga nadmiernych
nakładów inwestycyjnych.
Wykorzystanie układów do odzysku ciepła ze ścieków z ich niskimi kosztami eksploatacyjnymi oraz okresowymi
przeglądami i czyszczeniem kanałów wobec rosnących kosztów tradycyjnych urządzeń grzewczych wykorzystujących
olej opalowy sprawia, że są one coraz bardziej opłacalne.
Realizacje układów odzysku ciepła ze ścieków powinny być poprzedzone bardzo starannymi obliczeniami. Nie można
zapominać, że podstawowym zadaniem instalacji i sieci kanalizacyjnych jest sprawne odprowadzanie ścieków do
oczyszczalni oraz ich oczyszczenie. Wykorzystanie ciepła ze ścieków zależy od bardzo wielu czynników, np. od:

- temperatury ścieków w przewodach kanalizacyjnych,
- ich ilości (natężenia chwilowego i średniego przepływu),
- zagęszczenia,
- przekroju poprzecznego kanału,
- odległości pomiędzy wymiennikiem a odbiorcą ciepła,
- wielkości przepływu i możliwości wykorzystania odzyskanego ciepła przez odbiorcę,
- innych warunków sanitarnych w kanale i wynikających z jego budowy.

W praktyce może być popełnionych wiele błędów na etapie projektowania
układów odzyskiwania ciepła z kanalizacji. Są to m.in. błędne oszacowanie
ilości ścieków bytowych i deszczowych; przewymiarowanie urządzeń, w tym
pomp; nadmierny hałas pomp ciepła; nieuwzględnianie powstawania biofilmu
na wymienniku; niewystarczająca dokumentacja i brak odpowiednich
uzgodnień pomiędzy stronami. Znalezienie gotowych, uniwersalnych rozwiązań
dla tego typu układów w literaturze jest niemożliwe, gdyż każdy przypadek
różni się bardzo wieloma danymi, począwszy od ilości ścieków i ich natężenia
przepływu oraz stosunku ścieków bytowych i deszczowych po rodzaj kanału
odprowadzającego ścieki, materiał z jakiego jest wykonany, jego rozmiary i
przekrój poprzeczny.
Szacunki niemieckie wskazują na dość duży potencjał odzysku ciepła z
kanalizacji, szczególnie na terenach z budynkami zamieszkania zbiorowego [1].
Praktycznie każda gmina o liczbie 50 tys. mieszkańców może wyodrębnić po 15
osiedli lub skupisk budynków, w których można stosować odzysk ciepła z
kanalizacji.
Pierwsze realizacje w Niemczech wskazują na potrzebę dalszego wdrażania
układówdo odzysku ciepła z kanalizacji. Np. zespół szkół z internatem w
Bawarii został wyposażony w układ odzysku ciepła z kanalizacji wraz z
pompami ciepła, agregatem kogeneracyjnym i kotłami szczytowymi. Układ ten
zapewnia ok. 70% zapotrzebowania budynków na ciepło do celów grzewczych i
przygotowania c.w.u. Jak kształtuje się ono w poszczególnych miesiącach
ilustruje rys. 6. Kotły są używane tylko do pokrycia zapotrzebowania na ciepło
do ogrzewania w miesiącach chłodniejszych i to w niewielkiej ilości, w stosunku
do poprzedniego maksymalnego zapotrzebowania w ilości 800 kW podczas
zimowych miesięcy.
Innym przykładem realizacji jest instalacja w Zwingen w Szwajcarii (rys. 7.).
Osiedle 31 domów jednorodzinnych od 1999 r. wykorzystuje instalację odzysku
ciepła z pobliskiego kanału kanalizacyjnego tylko do potrzeb ogrzewania. Kocioł
gazowy kondensacyjny pokrywa szczytowe zapotrzebowanie na energię
cieplną. Instalacja osiąga roczny stopień pracy na poziomie 4,5 – choć był
planowany w wysokości 5; zakładany plan nie został zrealizowany, gdyż ścieki
osadzające się na wymienniku są brudne (do kanalizacji włączono ścieki z
papierni). Schłodzenie ścieków wynosi poniżej 0,1 K. Pierwotna funkcja
kanalizacji nie jest zakłócona.
Inwestycja w instalację odzysku ciepła z sieci kanalizacyjnej wymaga uwzględnienia kilku specyficznych uwarunkowań
różniących ją od typowych inwestycji. Przede wszystkim należy zidentyfikować optymalne obiekty, dokonać analizy
finansowej planowanych technicznych rozwiązań i zidentyfikować ewentualne środki na dofinansowanie inwestycji oraz
znaleźć odpowiednią formę finansowania. Trzeba też rozpoznać stosunki własnościowe i przeprowadzić negocjacje
pomiędzy stronami, a szczególnie pomiędzy przedsiębiorstwem wod-kan a dostawcą energii cieplnej i mieszkańcami.

Literatura
1. Mitsdoerffer R., Christ O., Moeser C., Zum Heizen und Kühlen gibt es Abwasser, Wasserwirtschaft Wassertechnik 11
12/2006.
2.

www.infrastrukturanlagen.ch

.

3. Müller E., Schmid F., Stodtmeister W., Kobel B., Heizen und Kühlen mit Abwasser. In: Ratgeber für Bauherrn und
Kommunen, 2005.
4. Buri R., Kobel B., Energie aus Kanalabwasser – Leitfaden für Ingenieure und Planer, Institut Energie in
Infrastrukturanlagen, Zürich 2005.
5.

www.lowheat.iphe.org.uk

.

6.

www.pera.com

.

7. Tomlinson J. J., Heat Recovery from Wastewater Using a Gravity-Film Heat Exchanger, Federal Energy Management
Program, U.S. Department of Energy (DOE), DOE/EE-0247, July 2005.
8.

www.eren.doe.gov

.

Fot. 4. Widok kanału o małym przekroju
z wymiennikiem [4]

Fot. 5. Widok kanału o przekroju
owalnym z wymiennikiem [4]

Strona 4 z 5

Rynek Instalacyjny :: Odzysk ciepła z kanalizacji

2008-01-04

http://www.rynekinstalacyjny.com.pl/index2.php?option=com_content&task=view&i...

Zamknij okienko

9.

www.gfxtechnology.com

.

Strona 5 z 5

Rynek Instalacyjny :: Odzysk ciepła z kanalizacji

2008-01-04

http://www.rynekinstalacyjny.com.pl/index2.php?option=com_content&task=view&i...