Wykorzystanie wód opadowych w budynkach

Zagospodarowanie wód opadowych jest coraz częstszym problemem na terenach miejskich. Systemy kanalizacyjne dociążane przez przyłączanie nowych zlewni stają się hydraulicznie niewydolne, co jest często przyczyną powstawania powodzi miejskich.

Poznaj zasady zrównoważonego gospodarowania deszczówką »

Jednocześnie stosowane przez wiele dziesięcioleci tradycyjne systemy odwodnień, projektowane w myśl zasady, by z powierzchni szczelnej jak najszybciej odprowadzić wody opadowe do systemu kanalizacyjnego i odbiornika, doprowadzają do zachwiania naturalnego obiegu wody w przyrodzie, czego konsekwencją jest m.in. obniżenie poziomu wód gruntowych. Z drugiej strony systematycznie rosną ceny wody wodociągowej, co jest skutkiem wzrastających wymagań w zakresie jej jakości i wzrostu kosztów zaawansowanych technologii uzdatniania.

Możliwości wykorzystania wód opadowych

Woda opadowa może być wykorzystywana wszędzie tam, gdzie nie jest wymagana woda o jakości do picia doprowadzana siecią wodociągową. W budynkach mieszkalnych wodę opadową wykorzystuje się najczęściej do spłukiwania toalet i podlewania zieleni, ale może być używana również np. do prania. W obiektach komunalnych i przemysłowych dodatkowo stosuje się ją do nawadniania terenów zielonych, boisk sportowych, na cele rolnicze czy do mycia pojazdów.

Analiza struktury zużycia wody przeznaczonej na cele bytowo-gospodarcze (tab. 1) wskazuje, że w gospodarstwach domowych ok. 30–50% wody wodociągowej można zastąpić wodą deszczową. W tym celu wykorzystuje się przede wszystkim wodę zbieraną z dachów, ponieważ jej jakość jest najczęściej na tyle dobra, że nie trzeba jej już uzdatnianiać.

Dowiedz się, jak wykorzystywane są wody opadowe w miastach »

Wystarczy na ogół zastosowanie filtrów na doprowadzeniu wody z dachu do zbiornika ją gromadzącego. Zbieranie wody z innych powierzchni (takich jak np. podwórza, parkingi, ulice o małej intensywności ruchu, z których odpływające wody zawierają stosunkowo mało zanieczyszczeń) wiąże się często z koniecznością bardziej zaawansowanego oczyszczania i ewentualnie dezynfekcji promieniami UV.

Wykorzystanie wody opadowej w budynkach jest coraz bardziej powszechne, np. w Niemczech, gdzie rocznie instaluje się ponad 50 000 urządzeń do tego celu, także w Wielkiej Brytanii, krajach skandynawskich, Japonii i Australii. Szczególnie pozytywnie oceniane są systemy stosowane w obiektach wielkopowierzchniowych, np. obiektach sportowych, handlowych czy lotniskach. Wysokość opadów występujących w Polsce nie jest na ogół niższa niż w krajach, w których systemy te są z powodzeniem stosowane [3, 4, 6].

Wymagania dla instalacji

Wykorzystanie wód opadowych w budynku wymaga zastosowana odpowiedniego systemu umożliwiającego jej zbieranie, gromadzenie i przesyłanie do punktów poboru. Jeśli woda ma być wykorzystywana wewnątrz budynku, konieczne jest wykonanie dualnej instalacji wodociągowej, co oczywiście najlepiej przewidzieć już na etapie projektowania obiektu. Instalacja umożliwiająca wykorzystanie wody opadowej powinna zatem składać się z następujących elementów:

• system zbierania wód z powierzchni dachu z urządzeniami do podczyszczania (filtr),
• zbiornik do gromadzenia wody o odpowiedniej pojemności,
• instalacja do uzupełniania zbiornika np. wodą wodociągową z systemem zabezpieczającym przed mieszaniem obu wód (na wypadek występowania dłuższych okresów suszy),
• pompa podająca wodę do instalacji zasilającej punkty poboru,
• dualna instalacja w budynku wykonana z materiałów o odpowiedniej odporności chemicznej lub instalacja zlokalizowana na zewnątrz budynku doprowadzająca wodę do punktów poboru, odpowiednio zabezpieczona np. przed użytkowaniem wody przez dzieci,
• system odprowadzania nadmiaru wód ze zbiornika (do urządzeń rozsączających wodę w gruncie lub do kanalizacji z zabezpieczeniem przed możliwością cofania się ścieków z kanału).

Schemat instalacji ze zbiornikiem zlokalizowanym na zewnątrz budynku przedstawiono na rys. 1.

Przeczytaj analizę wytycznych wymiarowania odwodnień dachowych »

Dobór wielkości zbiornika

Najkosztowniejszym elementem systemu jest zbiornik do gromadzenia wody opadowej. Może być wykonany z betonu, tworzyw sztucznych lub stali, ale najczęściej wykorzystywane są zbiorniki z tworzyw sztucznych. Umieszcza się go wewnątrz budynku (w piwnicy, na najniższej kondygnacji lub na strychu) albo na zewnątrz jako zbiornik podziemny lub nadziemny. W przypadku zbiornika zewnętrznego, który ma być wykorzystywany przez cały rok do zasilania instalacji wewnątrz budynku, konieczne jest jego umieszczenie poniżej głębokości przemarzania gruntu.

Stosowane są różne metody określania wielkości zbiornika, przyjmuje się najczęściej jedną z podanych poniżej zależności:

• 5% średniego rocznego opadu,
• 14–30-dniowe zapotrzebowanie na wodę deszczową do spłukiwania toalet, 3–miesięczne do podlewania ogrodu,
• 1 m³ zbiornika na 1 osobę korzystającą z instalacji,
• 1 m³ zbiornika na 25 m² dachu, z którego zbierana jest woda opadowa.

Można też wykorzystać szczegółowy bilans dopływu wody do zbiornika (w oparciu o opady dobowe) i dobowe zapotrzebowanie. Sposób ten zalecany jest w przypadku wymiarowania instalacji w dużych obiektach, gdyż pozwala na optymalny dobór wielkości zbiornika z uwzględnieniem specyfiki opadów w danym rejonie. Do obliczeń powinny być wykorzystywane dane o opadach z kilku lat. Metoda ta jest z reguły stosowana do określania efektywności systemu podawanej jako stopień pokrycia przyjętego zapotrzebowania na wodę deszczową w danej instalacji.

Poniżej podano przykładowe obliczenia pojemności zbiornika dla instalacji w budynku jednorodzinnym o powierzchni dachu 125 m², zamieszkałym przez 4 osoby, w którym woda deszczowa ma być wykorzystywana jedynie do spłukiwania toalet. Zapotrzebowanie na wodę deszczową wyniesie zatem ok. 150 l/d. Wysokość opadu przyjęto na poziomie średnim dla powierzchni Polski, tj. 600 mm.

Pojemność zbiornika według podanych wyżej uproszczonych metod wygląda następująco:

• jako 5% średniego opadu: V = 0,05×125 m²×0,6 m = 3,75 m³;
• na pokrycie zapotrzebowania przez 14–30 dni: V = (14–30)×0,15 m³ = 2,1–4,5 m³;
• według liczby osób korzystających z instalacji: V = 4×1 m³ = 4 m³;
• według powierzchni dachu: V = 125/25×1 m³ = 5 m³.

Aby ocenić podane sposoby doboru wielkości zbiornika, dla instalacji przeprowadzono szczegółowe obliczenia w oparciu o dobowe wysokości opadu występujące w Łodzi w latach 2003–2009 (w okresie marzec–grudzień). Potencjalne możliwości systemu obliczono jako stosunek ilości wody opadowej, która może być zbierana z powierzchni dachu, do zapotrzebowania na tę wodę w danym okresie, a efektywność systemu jako procentowe pokrycie zapotrzebowania na wodę deszczową przy zastosowaniu zbiornika o określonej pojemności: 4, 6 i 8 m³. Wyniki obliczeń przedstawiono w tab. 2.

Jak widać, niemal w całym okresie (z wyjątkiem roku 2005) ilość wody, która może być zbierana z dachu, jest większa niż przyjęte zapotrzebowanie na nią, zatem teoretycznie nie ma potrzeby uzupełniania zapotrzebowania wodą wodociągową. Jednak w zależności od wielkości zbiornika część wody opadowej przy dużych opadach musi być odprowadzana do kanalizacji (lub gruntu), co sprawia, że efektywność systemu jest niekiedy niższa.

Efektywność ta maleje także w przypadku występowania długich okresów suszy, gdy zbiornik musi być uzupełniany wodą wodociągową. Widać to wyraźnie na rys. 2 i 3, gdzie przedstawiono przykładowe wysokości dobowych opadów i poziom wody w zbiorniku w tym czasie. W przypadku tego typu instalacji, zwłaszcza przy stosunkowo małej objętości zbiornika, należy liczyć się z dużą zmiennością poziomu pokrycia zapotrzebowania na wodę w poszczególnych latach, co związane jest z wysokością i charakterystyką występowania opadów.

Dane podane w tab. 2 wskazują, że w analizowanym przypadku przy odpowiednio dużym zbiorniku gromadzącym wodę deszczową istnieje możliwość wykorzystania jej również na inne cele, np. do prania, na cele porządkowe czy do podlewania zieleni.

Konserwacja instalacji

W przypadku gdy nie stosuje się filtru na dopływie do zbiornika (przy wykorzystaniu wody opadowej jedynie do podlewania zieleni) wymagane jest okresowe czyszczenie zbiornika i usuwanie nagromadzonych osadów. Jeżeli stosowany jest filtr, należy go w miarę potrzeb oczyszczać lub, w przypadku filtrów samoczyszczących, tylko dokonywać okresowych przeglądów. Inne prace konserwacyjne należy przeprowadzać w zależności od wymagań producentów elementów instalacji [2].

Koszt systemów

W wypadku każdej inwestycji, która nie jest bezwzględnie konieczna (z powodu wymagań formalno-prawnych lub możliwości funkcjonowania obiektu), o podjęciu decyzji co do jej wykonania decydują koszty inwestycyjne i eksploatacyjne. Obecnie koszty inwestycyjne systemów do wykorzystania wody deszczowej w budynku jednorodzinnym wynoszą kilka–kilkanaście tysięcy zł.

Poznaj Modele opadów do bezpiecznego projektowania kanalizacji »

Czas zwrotu nakładów wynikający ze zmniejszenia opłat za wodę wodociągową szacowany jest w Polsce na minimum kilkanaście, ale znacznie częściej na kilkadziesiąt lat. W innych krajach, gdzie systemy te stosowane są powszechnie, czas zwrotu nakładów inwestycyjnych to na ogół kilka–kilkanaście lat.

Głównymi czynnikami wpływającymi na efektywność ekonomiczną systemów są:

• wielkość, a zwłaszcza równomierność opadów występujących na danym terenie (znacznie korzystniejsze są opady występujące równomiernie w ciągu roku, wody pochodzące z deszczu nawalnego i tak trafią w większości do kanalizacji lub gruntu, a w przypadku długich przerw miedzy opadami trzeba wykorzystywać wodę wodociągową),
• optymalny dobór wielkości zbiornika na wodę (większy zbiornik zapewni większą efektywność wykorzystania wody opadowej, ale jest droższy, jego pojemność należy zawsze dostosować do zapotrzebowania na wodę i możliwości jej dopływu, czyli wielkości powierzchni dachowej, z której zbierana jest woda),
• ogólne koszty budowy systemu i jego eksploatacji (w tym również koszty pompowania wody do instalacji),
• cena wody wodociągowej – obecnie w większości przypadków jedyna korzyść ekonomiczna stosowania systemów wynika z ograniczenia zużycia wody wodociągowej. Ponieważ w przyszłości cena ta będzie prawdopodobnie w dalszym ciągu wzrastać, stosowanie systemów wykorzystujących wody opadowe będzie coraz bardziej atrakcyjne ekonomicznie,
• ewentualne ulgi w opłatach za odprowadzanie ścieków opadowych do kanalizacji. Jest to jeden z głównych powodów powszechnego stosowania systemów wykorzystujących wody opadowe w wielu krajach. Opłaty za ścieki opadowe pobierane są najczęściej na podstawie wielkości powierzchni szczelnej przyłączanej do kanalizacji. W przypadku zbierania i wykorzystania wód opadowych z dachu koszty te mogą być znacznie niższe.

Wykorzystanie zbiorników do retencji ścieków opadowych

Zbiorniki do gromadzenia wody deszczowej w celu jej późniejszego wykorzystania mogą również służyć do ograniczenia maksymalnego odpływu ścieków deszczowych do sieci kanalizacyjnej, a więc pełnić funkcję zbiorników retencyjnych. Ponieważ zbiornik gromadzący wodę na potrzeby instalacji w budynku powinien być maksymalnie napełniony, podczas gdy zbiornik retencyjny pusty, konieczne jest w takim wypadku zwiększenie jego pojemności.

Przeczytaj także: Retencja kanałowa. Obniżanie maksymalnego odpływu ścieków opadowych »

Doświadczenia innych krajów wskazują, że powszechne stosowanie zbiorników do wykorzystania wód opadowych przynosi wymierne korzyści dla funkcjonowania sieci kanalizacyjnych:

• pozwalają one ograniczyć maksymalne przepływy w kanalizacji. Wprowadzenie zbiorników wody deszczowej o objętości 5 m³ na 100 m² powierzchni dachu dla 30% powierzchni nieprzepuszczalnej w przypadku zużycia dobowego na poziomie 100 l/100 m² pozwala obniżyć wielkość maksymalnego spływu do kanalizacji, redukując parametry deszczu 5-letniego do wielkości charakterystycznych dla opadu 1-rocznego);
• korzystnie wpływają na funkcjonowanie przelewów burzowych. Zbiorniki magazynujące wody opadowe z dachów pozwalają osiągnąć wskaźnik 300 m³/ha powierzchni zredukowanej, tj. kilkakrotnie więcej niż objętość zbiorników przed przelewami. W przypadku gdy pojemność zbiorników pozwala na takie samo ograniczenie częstotliwości działania przelewów burzowych jak zbiorników dolnych, objętość zrzutów jest mniejsza i zredukowany jest przepływ maksymalny [3, 5, 6].

Niektóre dostępne programy komputerowe służące do projektowania sieci kanalizacyjnych umożliwiają uwzględnienie w systemie odprowadzania ścieków z terenu zbiorników do gromadzenia i wykorzystania wody deszczowej, co ułatwia ocenę wpływu zastosowania tych urządzeń na warunki pracy sieci kanalizacyjnej.

Podsumowanie

Systemy służące do gromadzenia i wykorzystania wody opadowej pozwalają na wymierne oszczędności wody pobieranej z sieci wodociągowej, a także na ograniczenie maksymalnego odpływu ścieków deszczowych do kanalizacji. Wzrastające ceny wody wodociągowej oraz perspektywa wprowadzenia opłat za ścieki opadowe odprowadzane z powierzchni szczelnych do sieci kanalizacyjnej pozwalają przypuszczać, że systemy te będą wykorzystywane coraz powszechniej.

W kraju dostępne jest wiele gotowych do stosowania urządzeń, a oferujące je firmy proponują dobór wielkości zbiornika w zależności od warunków lokalnych i zapotrzebowania na wodę. Instalacje tego typu mogą być szczególnie efektywne w domach jednorodzinnych i obiektach wielkopowierzchniowych.

Literatura

1. Chudzicki J., Sosnowski S., Instalacje wodociągowe, projektowanie, wykonanie, eksploatacja, Seidel-Przywecki 2009.
2. Geiger W., Dreiseitl H., Nowe sposoby odprowadzania wód deszczowych. Poradnik, ProjprzemEKO 1999.
3. Herrmann T., Schmida U., Rainwater utilisation in Germany: efficiency, dimensioning, hydraulic and environmental aspects, Urban Water vol. 1/2000.
4. Sakson G., Efektywność wykorzystania wody deszczowej w budynkach mieszkalnych i użyteczności publicznej, VI Zjazd Kanalizatorów Polskich Polkan’07, monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN , vol. 46/2007.
5. Vaes G., Berlamont J., The impast of rainwater reuse on CSO emissions, „Water Science and Technology” vol. 39(5)/1999.
6. Zawilski M., Sakson G., Systemy wykorzystywania wody deszczowej i ich wpływ na funkcjonowanie kanalizacji miejskiej, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 9/2004.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!