Kanalizačná sústava a vetrací vzduch odnáša z budov teplo, ktorého množstvo doteraz nebolo zisťované, teplo, ktoré sa doteraz nevyužívalo a ktoré sa dá zhodnotiť. Rekuperáciou tepla z kanalizácie a vetracieho vzduchu v bytových domoch sa dá zachytiť porovnateľné množstvo tepla ako zateplením obvodovej konštrukcie objektu. Bez zamedzenia únikov tepla kanalizáciou a vetraním je pasívny objekt nerealizovateľný.
Úvod
Má zmysel zaoberať sa problematikou odoberania tepla z kanalizačnej vody?
Je technicky realizovateľné zariadenie na odber tepla z kanalizačnej vody v stiesnených podmienkach bytového domu?
Je to ekonomicky efektívne?
Koľko tepelnej energie sa ukrýva v kanalizácii?
Je technicky realizovateľná centrálna vetracia sústava s rekuperáciou tepla vrámci renovácie bytového domu tak, aby sme neobťažovali jeho obyvateľov?
Je centrálna vetracia sústava s rekuperáciou účinná?
Je to ekonomicky efektívne?
To sú hlavné otázky, na ktoré sme hľadali odpoveď posledné roky.
Spätné získavanie tepla z odpadovej vody
Keď sme sa pred niekoľkými rokmi začali problematike získavania tepla z kanalizácie venovať, nenašli sme nikde odpovede na naše otázky. Nepomohla nám odborná literatúra, internet, ani žiadne štúdie. Konzultácie s odborníkmi boli len na úrovni odhadov, či predpokladov. Technické riešenia efektívnej rekuperácie tepla z kanalizácie pre oblasť objektov sme u nás, ani v zahraničí nenašli.
Z uvedených dôvodov bola naša prvá realizácia veľký krok do neznáma, o ktorom sme síce mali teoretické vedomosti, ale naše pocity boli podobné ako mal Neil Armstrong pri prvom pristátí na Mesiaci.
Pri spracovaní technickej dokumentácie a energetickej analýzy pre našu prvú realizáciu rekuperačného zariadenia na zachytávanie tepla z kanalizačnej vody, ktoré sme nazvali ERcuper, pre bytový dom Boženy Němcovej 10-12 v Košiciach (88 bytov) sme odvážne tvrdili, že zabezpečíme pomocou odpadného tepla z kanalizácie prípravu teplej vody (ďalej len TV) v podiele 82 %. Zvyšok dodávky TV (18%) sme predpokladali od pôvodného dodávateľa tepla, zo sústavy CZT Košice.
Náš prototyp zariadenia na odoberanie tepla z kanalizácie a prípravu TV teplom získaným z kanalizácie sme uviedli do skúšobnej prevádzky v priebehu októbra 2018 a po polročnej prevádzke sme dokázali nastaviť technológiu tak, že sme boli schopní zabezpečiť odpadným teplom z kanalizácie ohrev vody pre daný bytový dom na 100%.
Na svetlo sveta sa dostali prvé merania o množstvách tepla, ktoré sa ukrýva v kanalizácii a teda o množstve tepla, ktoré je z objektu vypúšťané bez využitia. To, že množstvo unikajúceho tepla je tak veľké, že sa ním dá zabezpečiť ohrev vody na 100%, vrátane energetických strát z cirkulácie TV prekvapilo aj nás. Naše merania ale dokázali, že pri dochladení splaškovej vody pod hodnotu približne 7°C, dokážeme z kanalizácie získať viac tepla, ako je potrebné pre ohrev TV a pri ďalšej aplikácii technológie môžeme uvažovať aj s čiastočnou podporou vykurovania.
Touto našou prvou realizáciou, ktorá nemá ani vo svetovom meradle obdobu sme dosiahli vyššie ekonomické, aj energetické úspory ako sme sa voči klientovi zaviazali, ale napriek tomu sme našli veľký priestor na zvýšenie účinnosti zariadenia, na zvýšenie energetických ziskov z odpadovej vody a vďaka skúsenostiam z prevádzky sme vyvinuli sme nový výmenník na zachytávanie tepla z nehomogénnych zmesí.
Samozrejme, pre každého technika, ekonóma, správcu, investora sú zaujímavé čísla, preto v nadchádzajúcej tabuľke uvádzam ročnú bilanciu v ktorej pracujeme s číslami z faktúr a fakturačných meradiel.
Pre porovnanie uvádzame, že objekt bol v roku 2017 zásobovaný teplou vodou z centrálneho zdroja tepla, ktorý dosiahol v danom roku mernú spotrebu tepla na ohrev vody 121 kWh/m3. Ročná spotreba TV je pomerne ustálená a pre porovnanie uvažujeme so spotrebou 2664 m3/rok, ktorá bola dosiahnutá v roku 2020. Pri cene tepla, schválenej pre rok 2020 by objekt zaplatil za dodávku teplej vody pôvodným spôsobom zo sústavy CZT (pri rovnakej mernej spotrebe tepla na prípravu TV) za rok 2020: 36 829,2 Eur (vrátane DPH).
Pre zabezpečenie dodávky TV by dodávateľ dosiahol spotrebu 322 344 kWh tepla, čo v prepočte na primárnu energiu vďaka „geniálnemu“ faktoru primárnej energie 0,46 zodpovedá spotrebe 148 278 kWh primárnej energie. Za to označenie „geniálny“ sa ospravedlňujem, ale chcem tým upozorniť na neopodstatnenosť určovania faktoru primárnej energie teplárenských spoločností hlboko pod hodnotu 1,0. Tento problém je ale téma pre samostatnú konferenciu, preto sa jej v tomto príspevku nevenujem.
Pre zabezpečenie dodávky TV by dodávateľ dosiahol produkciu emisií CO2: 193 ton.
Tabuľka energetických a finančných ukazovateľov prevádzky technológie ERcuper v roku 2020:
| Množstvo | Jednotka | |
| Dodávka TV zo zariadenia ERcuper | 2 664,0 | m3 / rok |
| Spotreba elektriny na prenos tepla | 58 542,0 | kWh / rok |
| Spotreba primárnej energie na dodávku a distribúciu TV | 128 792,4 | kWh / rok |
| Produkcia emisií CO2 | 9,37 | ton / rok |
| Platba za elektrinu | 10 830,5 | Eur / rok |
| Platba za teplo pri nulovej spotrebe TV od CZT | 13 156,5 | Eur / rok |
| Servisné náklady | 3 600,0 | Eur / rok |
| Očakávané náklady v roku 2021 | 14 430,5 | Eur / rok |
| Očakávaná úspora v roku 2021 | 22 398,7 | Eur / rok |
| Percentuálna finančná úspora prevádzkových nákladov (od r. 2021) | 60,8 | % |
| Úspora primárnej energie | 13,1 | % |
| Úspora emisií CO2 | 95,1 | % |
Keď som vyššie uviedol, že sme pri tomto projekte vykročili do neznáma ako Neil Armstrong pri prvom pristátí na Mesiaci, dnes môžeme konštatovať, že naša misia bola úspešná a vieme odpovedať na otázky, na ktoré nám pred 3 rokmi nevedel nikto odpovedať a sú uvedené v úvode:
- Narazili sme na oblasť, ktorej sa oplatí venovať veľká pozornosť a našli sme spôsob ako odoberať teplo zo splaškovej vody (aj keď je výrazne obohatená o veľké nečistoty).
- V kanalizácii sa nachádza veľké množstvo tepla, ktoré sa do nej dostáva z mnohých zdrojov a pre jednoduchý odhad množstva tepla, ktoré odíde z objektu kanalizáciou stačí keď ročnú spotrebu teplej a studenej vody v objekte (m3) vynásobíte hodnotou 25, získate hodnotu množstva tepla v kWh, ktoré z priemerného bytového domu odíde. Pri tejto informácii, ktorú sme my nemali je už na každom z nás – Vás, či to teplo odíde bez využitia, alebo sa pokúsime toto teplo využiť.
- Množstvo tepla unikajúce kanalizáciou je porovnateľné s množstvom tepla, ktoré uniká cez obvodové konštrukcie objektov, preto je nevyhnutné venovať sa tejto problematike. Zmysluplnosť investícií do tejto oblasti úsporných opatrení je zrejmá z ročnej bilancie nášho pilotného projektu.
Spätné získavanie tepla z odpadového vzduchu
Pri našej nasledovnej realizácii v bytovom dome Kpt. Jaroša 4 v Košiciach (40 bytov) sme hľadali komplexnejšie riešenie pre zníženie spotreby tepla v objekte. Technológiu zachytenia tepla z odpadovej vody sme už na základe skúseností z predchádzajúcej akcie mali zvládnutú a keďže sme mali záujem dodať teplo aj do sústavy ústredného vykurovania (ďalej len ÚK) objektu výraznejším podielom, začali sme riešiť zachytávanie tepla z odpadového vzduchu. Ide o štandardný bytový dom výstavby z roku cca 1950, kde je riešené vetranie záchodov, kúpelní a odvod vzduchu z digestorov zvislými šachtami v bytových jadrách, ktoré ústia nad strechou domu. Zachytením odpadného vzduchu zo šachiet a jeho ochladením vo výmenníku tepla, sme chceli výraznejším spôsobom podporiť okrem prípravy TV, aj dodávku tepla do sústavy ÚK.
Opäť sme narazili na problém s dimenzovaním VZT jednotky, pretože neboli k dispozícii žiadne údaje o množstve tepla a prietokoch vzduchu vo vetracích šachtách. Konzultácie s poprednými výrobcami a dodávateľmi vzduchotechnických zariadení, ale aj odborníkmi na univerzitách končili konštatovaním, že ide o zanedbateľné množstvá tepla a nemá zmysel s tým zaoberať. Vykročili sme teda znovu do neznáma…
Naše odvážne výpočty nám ale dávali istotu, že zachytením tepla z odpadného vzduchu dokážeme spotrebu tepla na vykurovanie vykryť minimálne na 25%. (zateplený dom, hrúbka izolácie obvodových stien len 8 cm, strecha 20 cm, vymenené okná).
Riešenie zachytávania tepla z odpadného vzduchu pozostávalo z privedenia vzduchu z vetracích šácht tepelne izolovanými potrubiami na streche budovy ku vzduchotechnickej jednotke, ktorej hlavnými zložkami sú výmenník tepla (vzduch-voda) a ventilátor s plynulou reguláciou výkonu, pomocou ktorého udržiavame v objekte minimálny podtlak. Vetranie v objekte prebieha štandardne pootvorením okien, využívaním vetracích štrbín, vniká do objektu chladný čerstvý vzduch, ktorý sa vykurovacou sústavou ohrieva (je na to nadimenzovaná). Ohriaty znečistený vzduch odchádza vďaka podtlaku vetracími šachtami k výmenníku tepla, kde odoberieme z odpadného vzduchu teplo a vzduch, ochladený na teplotu v exteriéri opúšťa budovu.
Čo sme dosiahli:
Dodávka TV na 100% už bola samozrejmosťou, dodávku tepla do vykurovacej sústavy sme zabezpečili v ročnej bilancii na 38% len teplom z odpadovej vody a vzduchu. Išlo o prvý rok prevádzky, kde sme veľký priestor venovali meraniam, optimalizácii prevádzky a výsledok považujeme len za základ, ktorý vieme vďaka získaným, skúsenostiam ďalej zlepšovať.
Čo sme zistili:
Najdôležitejšie zistenie je, že podtlakovým vetraním s centrálnou VZT jednotkou s výmenníkom tepla a ventilátorom s regulovaným výkonom dokážeme z odpadného vzduchu získať výrazne viac tepla, ako sme predpokladali, bez zvýšenia potreby tepla pre vykurovanie.
Meraniami sme zistili že pri lepšom type a dimenzovaní výmenníku a inom radení kompresorov dokážeme z odpadového vzduchu zachytiť viac ako dvojnásobok tepla, ktoré zachytávame dnes, pri výrazne nižšej spotrebe elektriny na chod kompresorov, čerpadiel a ventilátorov.
Už pri tejto prvej aplikácii technológie sme dokázali zabezpečiť teplo pre ohrev vody a vykurovanie objektu bez podpory dodávateľa tepla (len teplom z odpadovej vody a vzduchu) do úrovne denného priemeru vonkajšej teploty +2,5 °C, pri spotrebe elektriny na činnosť zariadení do 14,0 kW. (výpočtová spotreba tepla objektu 68 kW pri te = -13°C, priemerná denná spotreba TV 3,7 m3/h).
Vďaka poznatkom z realizácie a prevádzky predchádzajúcej akcie sme vyvinuli nový výmenník tepla, a naučili sa dochladzovať splaškovú vodu až na úroveň 1°C !
Tak ako pri predchádzajúcej stavbe sú podstatné čísla. Keďže v marci uplynul rok od uvedenia zariadenia do prevádzky, vieme predložiť čísla za celý rok od 15. marca 2020 do 15. marca 2021. Upozorňujem, že ide o čísla zo skúšobnej prevádzky prototypu, čiže čísla, ktoré budú ďalej už len lepšie.
Pre porovnanie uvádzame, že objekt bol v roku 2017 zásobovaný teplom a teplou vodou z centrálneho zdroja tepla, ktorý dosiahol v danom roku mernú spotrebu tepla na ohrev vody 100,15 kWh/m3. Ročná spotreba TV je pomerne ustálená a pre porovnanie uvažujeme so spotrebou 1391 m3/rok, ktorá bola dosiahnutá v roku 2020.
Tabuľka energetických a finančných ukazovateľov prevádzky technológie ERcuper v roku 2020:
| Pôvodná prevádzka | Prevádzka s ERcuper | Jednotka | |
| Dodávka TV | 1 391,14 | 1 391,14 | m3 / rok |
| Dodávka tepla zo zariadenia Ercuper do sústavy TV | 0,00 | 88 035,86 | kWh / rok |
| Dodávka tepla zo zariadenia ERcuper do sústavy ÚK | 0,00 | 42 621,83 | kWh / rok |
| Dodávka tepla z CZT do sústavy TV | 139 322,67 | 0,00 | kWh / rok |
| Dodávka tepla z CZT do sústavy ÚK | 111 760,52 | 69 138,70 | kWh / rok |
| Spotreba elektriny na prenos a distribúciu tepla na ÚK, TV, vetranie | 0,00 | 38 033,00 | kWh / rok |
| Spotreba primárnej energie na prenos a distribúciu tepla na ÚK, TV, vetranie | 115 491,82 | 83 672,60 | kWh / rok |
| Produkcia emisií CO2 | 150,64 | 47,57 | ton / rok |
| Platba za elektrinu | 0,00 | 7 226,30 | Eur / rok |
| Platba za teplo 2020 | 28 685,00 | 16 349,10 | Eur / rok |
| Servisné náklady | 0,00 | 3 600,00 | Eur / rok |
| Celkové náklady | 28 685,00 | 27 175,40 | Eur / rok |
| Očakávané náklady v roku 2022 | 28 685,00 | 18 725,70 | Eur / rok |
| Očakávaná úspora v roku 2022 | 0,00 | 9 959,30 | Eur / rok |
| Percentuálna finančná úspora prevádzkových nákladov (od r. 2021) | 0,00 | 34,72 | % |
| Percentuálna úspora produkcie CO2 | 0,00 | 68,42 | % |
Aj pri tejto realizácii sme teda získali odpovede na otázky z úvodu tohto príspevku:
- Znovu sme narazili na oblasť, ktorej sa oplatí venovať veľká pozornosť, pretože ide o výrazný energetický tok cez budovu a našli sme spôsob ako odoberať teplo z vetracieho vzduchu investične nenáročným a pritom efektívnym spôsobom.
- Technické riešenie je uskutočniteľné v bežných bytových domoch „socialistickej“ výstavby pomerne jednoduchým spôsobom bez znepríjemňovania života obyvateľom objektu.
- Aj keď sme dosiahli väčšie zníženie spotreby tepla, ako sme garantovali, našli sme veľký priestor na zvýšenie efektivity zariadenia a množstva získaného tepla z odpadného vzduchu. Vďaka skúsenostiam z realizácie a prevádzky a zozbieraným dátam sme vyvinuli nový, efektívnejší systém odoberania tepla z odpadného vzduchu, ktorý bude aplikovaný pri nasledujúcej realizácii a verím, že po jeho ročnej prevádzke prinesieme opäť zaujímavé čísla.
Údaje z ročnej prevádzky zariadenia ERcuper, uvedené v tabuľke nás zďaleka neuspokojili, ale získané skúsenosti nás posunuli vo vývoji výrazným spôsobom.
Nasledujúci obrázok znázorňuje tok energií cez objekt, ktorý je opatrený zariadením na získavanie tepla z kanalizačnej vody a z odpadného vzduchu. Pri určení koľko tepla odchádza z objektu kanalizáciou a vetracím vzduchom si treba uvedomiť, že to nie je len teplo, ktoré sa do objektu dostalo z vykurovacej sústavy a vo forme teplej vody. Objekt je zásobovaný teplom vo veľkej miere solárnou energiou, biologickým teplom ľudí, elektrickou energiou, lebo viac ako 99% elektrickej energie spotrebovanej v objekte sa premieňa na teplo.
Pitná voda, ktorá má pri vstupe do objektu štandardne teplotu 10°C, pri svojej ceste cez objekt na seba viaže tepelnú energiu – zohrieva sa a do kanalizácie odteká vždy výrazne teplejšia.
Vetrací čerstvý vzduch, ktorý je vo vykurovacej sezóne studený, až mrazivý vchádza vetracími škárami a otvormi do interiéru budovy a rovnako viaže na seba tepelnú energiu – zohrieva sa na teplotu štandardne 22°C a takýto „teplý, plný energie“ následne opúšťa budovu.
Rekuperačnými zariadeniami sa dajú tieto toky energie v odpadovom vzduchu a kanalizácii zachytiť a vrátiť späť, čo sa nám podarilo realizovanými akciami dokázať.
Sú reálne energeticky pasívne objekty?
Energeticky pasívne domy boli pre väčšinu z nás ešte pred pár rokmi len zaujímavými experimentmi, ktoré boli vzdialené od každodennej praxe.
Doba sa ale mení a od 1.1.2021 musia všetky nové budovy povinne spĺňať prísne kritériá energetickej triedy A0, čiže ako projektanti sme už povinní navrhovať len budovy s takmer nulovou spotrebou energie.
Novú, prísnu požiadavku na spotrebu energie už určite nesplníme len zateplením objektu a vykurovaním pomocou kondenzačného plynového kotla. Nesplníme ju ani inštaláciou tepelného čerpadla, ak to nebude dobrá inštalácia, ktorá vhodne dopĺňa iné opatrenia. A to ani vo veľkých bytových domoch, administratívnych budovách, ani v malých rodinných domoch. Konečne dozrel čas na inteligentné riešenia a konečne sme donútení vnímať každý objekt v širokých súvislostiach tokov energií a hľadania optimálneho riešenia pri porovnávaní nielen investičných a prevádzkových nákladov, ale aj minimalizácie spotreby energie pre prevádzku objektu.
V tejto súvislosti si dovolím nasledovnú úvahu: V predchádzajúcom období stačilo objekt kvalitne zatepliť, zminimalizovať tepelné straty cez obvodové stavebné a výplňové konštrukcie a v princípe boli splnené požiadavky energetickej hospodárnosti budovy.
Keď si ale uvedomíme, aké množstvo tepla uniká z budov kanalizáciou a vetraním, vnímam zateplenie budovy bez zamedzenia únikov tepla kanalizáciou a vetraním ako technické opatrenie porovnateľné so zateplením tunelu, ktorý má otvorené oba konce. Ospravedlňujem sa za prehnaný príklad a nie je mojim záujmom znevažovať tepelnoizolačné systémy obvodových konštrukcií objektov, chcel som len upozorniť na skutočnosť, že robiť jedno opatrenie bez druhého neprináša požadovaný efekt. V oblasti ochrany objektov pred únikmi tepla cez konštrukcie už dnes prekračujeme hranice ekonomickej výhodnosti, pritom väčší únik tepla z objektu kanalizáciou úplne prehliadame a úniky tepla vetraním sa riešia stále len ojedinele.
Ak sa stane samozrejmosťou, že pri návrhu každej budovy budeme okrem minimalizácie únikov tepla cez obvodové konštrukcie riešiť aj minimalizáciu únikov tepla vetraním a kanalizáciou, stanú sa úplnou samozrejmosťou budovy, ktoré sa dajú označiť ako budovy s takmer nulovou potrebou energie.
Na nasledujúcom obrázku je zobrazená zjednodušená schéma zapojenia rekuperačných systémov na zachytávanie tepla z odpadného vzduchu a kanalizácie v energetickej sústave objektu. Podobným spôsobom momentálne riešime návrh niekoľkých objektov a všetky s rezervou splnia požiadavky energetickej triedy A0. Samozrejme, nie sú to energeticky pasívne objekty, ale chýba im k tomu už len malý krok. Napríklad malý zdroj elektrickej energie s využitím energie slnka, vody, alebo vzduchu. To je ale už iná téma.
Záver
Pred rokom som na konferencii Vykurovanie 2020 predstavil náš cieľ – zabezpečiť pri našej najbližšej realizácii odpadným teplom, ktoré zachytíme rekuperačným zariadením, ohrev vody v plnom rozsahu a dodanie tepla do vykurovacej sústavy v množstve 25% z ročnej spotreby tepla.
Náš cieľ sme splnili a dosiahli sme okrem 100% dodávky teplej vody, 38% dodávku tepla pre vykurovanie pomocou zachyteného odpadného tepla.
Našim novým cieľom je pri najbližšej obnove bytového domu zabezpečiť odpadným teplom, ktoré zachytíme z kanalizácie a vetracieho vzduchu ohrev vody v plnom rozsahu a dodanie tepla do vykurovacej sústavy v množstve 70 % z ročnej spotreby tepla. Som si istý, že budúci rok odprezentujeme ešte zaujímavejšie čísla.
