Odzysk ciepła ze ścieków w pralniach przemysłowych

W ostatnich dekadach także w przemyśle zaczął się kształtować trend zgodny z ideami ekologii i energooszczędności dotyczący jak największego wykorzystania pobranej i wytworzonej w procesach technologicznych energii poprzez maksymalizację stopnia jej odzysku. Energia tracona jest m.in. w ciepłych ściekach odprowadzanych do kanalizacji.

Odzysk ciepła ze ścieków jest technicznie możliwy i ma sens zwłaszcza tam, gdzie usuwa się odpowiednio duże ilości ciepłych ścieków i zastępuje świeżą ciepłą wodą. Z takimi procesami spotkać się można m.in. w laboratoriach chemicznych, pralniach przemysłowych i przyszpitalnych, zakładach przetwórczych, obiektach sportowych i terapeutycznych, a także w krytych pływalniach [1–3].

Biorąc pod uwagę straty ciepła w instalacjach kanalizacyjnych, można przyjąć, że średnia temperatura ścieków odprowadzanych z urządzeń pralniczych oraz wspomagających je układów odzyskujących wody pralnicze w poszczególnych fazach prania i płukania oraz odprowadzanych dalej do zbiorników retencyjnych wynosi ok. 31°C [4].

W obiektach, w których mamy do czynienia ze znacznymi ilościami ciepłych ścieków, koszt ciepła bezpowrotnie traconego wraz ze ściekami odprowadzanymi do kanalizacji może iść w dziesiątki, a nawet setki tysięcy złotych. Często koszty te stanowią 60–70% całkowitych kosztów ciepła potrzebnego do funkcjonowania tych obiektów. Poniżej podano przykłady różnych rozwiązań technicznych podgrzewania wody i układów odzysku ciepła w pralniach przemysłowych.

Dobór układu podgrzewania wody świeżej

Przykład 1. Wymiennik ciepła

Woda świeża podgrzewana jest w wymienniku ciepła (rys. 1). Do podgrzewania wody o temperaturze 10°C do 35°C należy zastosować wymiennik ciepła o parametrach sieci 80/60°C i dostarczyć 30 kW ciepła. W układzie tym współczynnik odzysku ciepła wyrażony jako stosunek zapotrzebowania na ciepło do dostarczonej energii wynosi 1.

Przykład 2. Rekuperator i wymiennik ciepła

Woda świeża podgrzewana jest w rekuperatorze i wymienniku ciepła (rys. 2). Odprowadzane do kanalizacji ścieki o temperaturze początkowej 31°C schładzane są w rekuperatorze ścieki/woda świeża do 14°C. Jednocześnie woda świeża podgrzewana jest z 10 do 27°C. Do podgrzania wody o temperaturze 27°C do 35°C należy zastosować dodatkowy wymiennik ciepła o parametrach sieci 80/60°C i dostarczyć 10 kW ciepła. W układzie tym współczynnik odzysku ciepła wynosi 3.

Przykład 3. Pompa ciepła

Podgrzewanie wody świeżej następuje w skraplaczu pompy ciepła (rys. 3). Podczas odprowadzania do kanalizacji ścieków o temperaturze 31°C następuje ich schłodzenie w parowaczu wody pompy ciepła do 12°C.

Jednocześnie następuje podgrzanie wody świeżej w skraplaczu pompy ciepła z 10 do 35°C. Do uzyskania wymiany ciepła na skraplaczu i parowniku pompy ciepła należy zastosować pompę ze sprężarką o mocy elektrycznej 7,5 kW. W układzie tym współczynnik odzysku ciepła wynosi 4.

Podgrzewanie wody świeżej następuje w rekuperatorze i skraplaczu pompy ciepła (rys. 4). W trakcie odprowadzania do kanalizacji ścieków o temperaturze 31°C następuje ich schładzanie w rekuperatorze ścieki/woda świeża do 14°C. 

Kolejne schładzanie ścieków następuje w parowniku pompy ciepła – do temperatury 8°C. Jednocześnie woda świeża podgrzewana jest w rekuperatorze z 10 do 27°C, a następnie w skraplaczu pompy ciepła z 27 do 35°C. 

W układzie tym współczynnik odzysku ciepła jest najwyższy i wynosi 10. Oznacza to, że do podgrzania wody świeżej o temperaturze 10 do 35°C należy dostarczyć 10 razy mniej energii elektrycznej niż w układzie z wymiennikiem ciepła (tab. 1). Z tego punktu widzenia rozwiązanie to należy uznać za najkorzystniejsze. W układzie tym występuje też największe schłodzenie ścieków. 

Dobór układu odzysku ciepła ze ścieków

Obiekty pralni przemysłowych charakteryzują się nierównomiernym rozłożeniem obciążenia zrzutu ścieków do kanalizacji w ciągu doby. Zależy to od liczby pracujących jednocześnie urządzeń pralniczych. Dlatego w instalacji należy zastosować zbiornik retencyjny na ścieki, który umożliwi stały ich dopływ do centrali odzysku ciepła ze ścieków, niezależnie od stopnia wykorzystania pralni. 

Z kolei przekazane do wody świeżej ciepło należy akumulować w zasobnikach ciepłej wody użytkowej służących do magazynowania ciepłej wody świeżej przeznaczonej do dalszego wykorzystania w procesach zachodzących w pralni. Pomiędzy zbiornikiem na ścieki i pompą ścieków należy zastosować filtr wstępny ścieków (łapacz włosów i włókien).

Układ odzysku ciepła ze ścieków (rys. 5) powinien się składać z: zbiornika retencyjnego na ścieki, filtra wstępnego ścieków, pompy ścieków, centrali odzysku ciepła ze ścieków oraz orurowania i zaworów, a także z automatyki umożliwiającej współpracę z istniejącymi układami wodno-kanalizacyjnymi i przyłączy ścieków.

Układ odzysku ciepła ze ścieków z centralą z rekuperatorem

Zastosowana w tym układzie centrala odzysku ciepła ze ścieków z rekuperatorem ma następujące parametry:

• czas pracy: 8400 h/rok,
• sposób odzysku ciepła: rekuperator,
• wydajność cieplna: 32 kW dla temperatury ścieków na dopływie 28°C i wody świeżej na dopływie 10°C, 
• pobór mocy elektrycznej: 0,4 kW (pompa ścieków i automatyka).

Dla przyjętego czasu pracy układu oraz ceny ciepła i energii elektrycznej koszt zużytej przez układ energii elektrycznej wyniesie: 0,4 kW × 8400 h × 0,50 zł/kWh = 1680 zł/rok.

Koszt odzyskanego ciepła to: 32 kW × 8400 h
× 50 zł/GJ × 0,0036 = 48 384 zł/rok.

Zaoszczędzona kwota (różnica pomiędzy kosztem odzyskanego ciepła a kosztem zużytej energii elektrycznej) wyniesie zatem: 48 384 zł/rok – 1680 zł/rok = 46 704 zł/rok.

Koszt układu odzysku ciepła ze ścieków o wydatku 1,8 m3/h z centralą odzysku ciepła z rekuperatorem to ok. 110 tys. zł. Szacunkowy czas zwrotu poniesionej inwestycji wyniesie: 110 000 zł : 46 704 zł/rok = 2,36 lat.

Układ odzysku ciepła ze ścieków z centralą z rekuperatorem i pompą ciepła

Zastosowana w układzie centrala odzysku ciepła ze ścieków z rekuperatorem i pompą ciepła ma następujące parametry:

• czas pracy: 8400 h/rok,
• sposób odzysku ciepła: rekuperator i pompa ciepła,
• wydajność cieplna: 52 kW temperatury ścieków na dopływie 28°C i temperatury wody świeżej 10°C,
• pobór mocy elektrycznej: 3,8 kW (pompa ciepła + pompa ścieków + automatyka).

Dla przyjętego czasu pracy układu oraz ceny ciepła i energii elektrycznej koszt zużytej energii elektrycznej wyniesie: 3,8 kW × 8400 h
× 0,05 zł/kWh = 15 960 zł/rok.

Koszt odzyskanego ciepła to: 52 kW × 8400 h
× 50 zł/GJ × 0,0036 = 78 624 zł/rok.

Zaoszczędzona kwota (różnica pomiędzy kosztem odzyskanego ciepła a kosztem zużytej energii elektrycznej) wyniesie: 78 624 zł/rok – 15 960 zł/rok = 62 664 zł/rok.

Koszt układu odzysku ciepła ze ścieków o wydatku 1,8 m3/h z centralą odzysku ciepła z rekuperatorem i pompą ciepła to ok. 150 tys. zł. Szacunkowy czas zwrotu poniesionej inwestycji wyniesie: 150 000 zł : 62 664 zł/rok = 2,39 lat.

Koszty ciepła dostarczonego do urządzeń pralniczych oraz ciepła traconego ze ściekami pokazano na rys. 6.

Zastosowanie układu odzysku ciepła ze ścieków

Czas zwrotu inwestycji zarówno dla układu odzysku ciepła z centralą z rekuperatorem, jak i układu z rekuperatorem i pompą ciepła wynosi poniżej 3 lat. Jednak układ z rekuperatorem i pompą ciepła pozwala po następnych 3 latach eksploatacji zaoszczędzić kwotę 187 922 zł, natomiast układ z rekuperatorem – 140 112 zł (rys. 7). 

Zaoszczędzona kwota z odzysku ciepła ze ścieków w układzie z rekuperatorem i pompą ciepła jest zatem 1,34 razy większa niż w układzie z rekuperatorem. Potwierdza to założenie z przykładu 4, że układ z rekuperatorem i pompą ciepła jest najkorzystniejszy z punktu widzenia ekonomiki odzysku ciepła ze ścieków.

Przykładowy zrealizowany układ odzysku ciepła ze ścieków przedstawiono na fot. 1 i 2. W układzie tym zmierzono temperatury wody świeżej i ścieków w trakcie pracy centrali odzysku ciepła ze ścieków pracującej z rekuperatorem oraz rekuperatorem i pompą ciepła (tab. 2). Uzyskane wyniki potwierdzają, że ilość odzyskanego ciepła jest większa w przypadku centrali odzysku ciepła pracującej z rekuperatorem i pompą ciepła niż dla centrali pracującej tylko z rekuperatorem. 

Wnioski

Zarówno układ z rekuperatorem, jak i z rekuperatorem i pompą ciepła to inwestycje, w przypadku których finansowanie i zwrot poniesionych na termomodernizację instalacji kosztów następuje ze środków uzyskanych z ciepła odzyskanego ze ścieków. Zastosowanie układu odzysku ciepła ze ścieków w obiektach pralni może przynieść znaczne oszczędności w zakresie podgrzewu wody wodociągowej przy wykorzystaniu ciepła odpadowego.

Czas zwrotu inwestycji w instalację odzysku ciepła ze ścieków jest bardzo krótki, wynosi bowiem mniej niż 3 lata pracy układu, niezależnie od tego, czy zostanie on wyposażony w rekuperator i pompę ciepła, czy też sam rekuperator. Jednak jak wykazano, najbardziej efektywny pod względem energetycznym i ekonomicznym układ odzysku ciepła ze ścieków to instalacja z rekuperatorem oraz pompą ciepła.

Literatura

1. Kolaszewski A., Odzysk ciepła ze ścieków, II Sympozjum Naukowo-Techniczne „Instalacje basenowe”, Ustroń 1999.
2. Kolaszewski A., Odzysk ciepła ze ścieków w krytej pływalni, III Konferencja Naukowo-Techniczna „Nowe technologie w sieciach i instalacjach wodociągowo-kanalizacyjnych”, Ustroń 2000.
3. Kolaszewski A., Ekonomika odzysku ciepła ze ścieków w krytej pływalni, IV Konferencja Naukowo-Techniczna „Nowe technologie w sieciach i instalacjach wodociągowo-kanalizacyjnych”, Ustroń 2004.
4. Sokołowski C., Wymagania sanitarno-higieniczne dla krytych pływalni, MZiOS, Warszawa 1998.
5. Ney A., Doerk H., Warme aus Abwasser, „Sanitärtechnik und Wärmerückgewinnung“ nr 9/1996.
6. Katalogi firmy MENERGA® Apparatebau GmbH.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!