Wykorzystanie wody deszczowej w instalacjach sanitarnych budynków

Ze względu na malejące zasoby wody pitnej na świecie i rosnące na nią zapotrzebowanie celowe jest stosowanie rozwiązań mających na celu jej racjonalne użytkowanie i ograniczających zużycie. Problematyka oszczędzania wody pitnej łączy aspekt ochrony środowiska i ma wymiar ekonomiczny, z pewnością dobitniej przemawiający do jej odbiorców. Dlatego w instalacjach sanitarnych budynków powinny być stosowane rozwiązania pozwalające na ograniczenie zużycia wody wodociągowej.

Zużycie wody w gospodarstwach domowych zależy głównie od standardu wyposażenia pomieszczeń w przybory i urządzenia sanitarne oraz nawyków higienicznych użytkowników instalacji. W Polsce obserwuje się zmniejszenie średniego dobowego zużycia wody przez jedną osobę – obecnie wynosi ono przeciętnie 95 dm³, podczas gdy jeszcze kilka lat temu było to nawet 160 dm³ [1, 2].

Jednak to zmniejszenie zużycia tylko w niewielkim stopniu wiąże się z koniecznością ochrony środowiska. Przede wszystkim względy ekonomiczne związane ze wzrostem cen wody i opomiarowaniem jej zużycia w gospodarstwach domowych wpłynęły na zmianę nawyków użytkowników instalacji wodociągowych [1].

Zmniejszenie zużycia wody wynika z jej ceny, ale także ze stosowania wodooszczędnych przyborów sanitarnych, tj. pralki czy zmywarki, baterii z perlatorami i ogranicznikami wypływu oraz wyposażonych w podwójne przyciski płuczek zbiornikowych do misek ustępowych o mniejszych pojemnościach wody (maksymalna pojemność zbiornika wody zgodnie z dyrektywą UE [3] wynosi obecnie 6 l).

W ostatnich latach coraz większą popularność zdobywają także kompleksowe rozwiązania pozwalające na racjonalne zużycie wody pitnej. Są to instalacje dualne polegające na wykorzystaniu wody deszczowej czy ścieków szarych.

Przy stosowaniu tego typu rozwiązań należy się liczyć z dodatkowymi kosztami związanymi z zakupem elementów tych systemów i montażem dodatkowych instalacji w budynku.

Trzeba jednak położyć także nacisk na aspekt ekologiczny wynikający ze zmniejszenia zużycia wody pitnej, który musi nieść za sobą dodatkowe nakłady finansowe. Przed podjęciem decyzji o zastosowaniu instalacji dualnej w budynku należy przeprowadzić analizę finansową przedsięwzięcia, ale ostateczna decyzja nie powinna bazować wyłącznie na jej wynikach.

Zapotrzebowanie na wodę w instalacjach wodociągowych i możliwości wykorzystania wody deszczowej

Strukturę zużycia wody na potrzeby bytowo-gospodarcze w budynku mieszkalnym przedstawiono na rys. 1 [4].

Z  kolei rys. 2 [5] pokazuje zużycie wody w gospodarstwie domowym z podziałem na poszczególne przybory sanitarne.

Na rys. 3 [5] przedstawiono zużycie wody w budynkach o charakterze komercyjnym.

Tylko część z przedstawionych na rysunkach potrzeb bytowo-gospodarczych wymaga zasilania wodą pitną spełniającą wymagania rozporządzenia w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi [6].

Wodę służącą do prania, sprzątania czy spłukiwania misek ustępowych lub pisuarów z powodzeniem można zastąpić wodą deszczową lub szarą.

Dzięki zastosowaniu instalacji dualnej można zmniejszyć zapotrzebowanie na wodę pitną o około połowę.

Wykorzystanie wody deszczowej do tych celów ma szereg zalet, do których oprócz zmniejszenia zużycia wody wodociągowej zaliczyć można także mniejsze zużycie środków piorących ze względu na niską twardość wody deszczowej czy też uniknięcie opłat za odprowadzenie niewykorzystanej wody deszczowej do kanalizacji.

Woda deszczowa to woda pochodzenia naturalnego powstająca wskutek opadów atmosferycznych. Jej jakość zależy od powierzchni, z której jest zbierana, a także od stanu czystości powietrza atmosferycznego (zawartości sadzy, pyłów przemysłowych czy pyłków roślin w powietrzu).

Wody deszczowe spłukują różnego typu substancje z powierzchni, po których spływają, np. z terenów stacji benzynowych czy z dróg asfaltowych. Stają się wtedy ściekiem zawierającym substancje ropopochodne, jony metali ciężkich i wiele innych niebezpiecznych substancji [1].

Wody deszczowe stanowią poważny problem w miastach i na terenach o gęstej zabudowie. Dlatego duży nacisk kładzie się na projektowanie systemów zrównoważonego gospodarowania wodami opadowymi, pozwalających na ich zagospodarowanie w miejscu powstania [7].

Z punktu widzenia instalacji dualnych woda deszczowa stanowi pożądane źródło zaopatrzenia w wodę.

Instalacja do odzysku wody deszczowej jest prostsza do wykonania w porównaniu z instalacją odzysku wody szarej. Nie trzeba w tym przypadku stosować dodatkowego systemu uzdatniania wody, zatem sam system odzysku wody deszczowej jest tańszy.

Do istotnych wad wody opadowej zaliczyć należy jej wysoką korozyjność – do wykonania instalacji trzeba stosować materiały z tworzyw sztucznych.

Projektując instalację dualną, pamiętać także należy o wykluczeniu możliwości kontaktu wody deszczowej z wodą pitną, aby uniknąć skażenia tej ostatniej [8].

W polskim prawodawstwie brakuje jednak przepisów czy wytycznych, na podstawie których należy projektować systemy odzysku wody deszczowej. Z tego powodu przy projektowaniu posiłkować się można przepisami obowiązującymi w innych krajach UE. Są to niemiecka norma DIN 1989-1:2001-10 [9] i norma brytyjska BS 8515:2009 [10], przy czym norma brytyjska w części dotyczącej wymiarowania systemów odzysku wody deszczowej bazuje na wytycznych niemieckich.

Elementy systemu zagospodarowania wody deszczowej

Oferta rynkowa systemów zagospodarowania wody deszczowej jest bogata. Obejmuje rozwiązania dla domów jednorodzinnych, jak i budynków większych o różnym przeznaczeniu. Wśród systemów wykorzystania wody deszczowej wyróżnić można:

• systemy ogrodowe, służące nawadnianiu terenów zielonych wokół budynku w okresie od wiosny do jesieni oraz wykorzystujące wodę deszczową do prac porządkowych wokół budynku i mycia samochodów,
• systemy domowe, w których wodę deszczową wykorzystuje się do zasilania pralek, na cele porządkowe lub do spłukiwania toalet i pisuarów,
• systemy domowo-ogrodowe, które stanowią połączenie wyżej wymienionych rozwiązań.

Podstawowe elementy instalacji odzysku wody deszczowej, zgodnie z numeracją na rys. 4, to:

• system przewodów kanalizacji deszczowej zbierającej wodę z dachu (1), balkonu, tarasu lub innego terenu o niewielkim zanieczyszczeniu – wg DIN 1989 [9] preferuje się zbieranie wody deszczowej z powierzchni dachu,
• system filtrów montowanych bezpośrednio na rurach spustowych lub filtr centralny (2) – chronią zbiornik wody deszczowej przed przedostaniem się do niego zanieczyszczeń,
• zbiornik magazynujący wodę deszczową (3) o odpowiedniej pojemności – zbiorniki mogą być podziemne lub naziemne (wyróżnia się zbiorniki montowane na zewnątrz budynku
  i w budynkach),
• zespół sterująco-pompowy (4) umożliwiający dostarczenie wody deszczowej ze zbiornika do punktów poboru oraz awaryjne zasilanie instalacji wodą wodociągową na wypadek braku wody deszczowej w zbiorniku,
• wewnętrzna instalacja wody deszczowej (5) doprowadzająca wodę do poszczególnych punktów poboru w budynku, wykonana z tworzywa sztucznego,
• przewody umożliwiające podłączenie zbiornika wody deszczowej do deszczowej lub ogólnospławnej sieci kanalizacyjnej albo system rozsączający nadmiar wody deszczowej w gruncie (6) w przypadku wystąpienia obfitych opadów deszczu i przelania się wody ze zbiornika (tutaj istnieje konieczność wykonania operatu wodnoprawnego, chyba że na terenie, dla którego projektowany jest system odzysku wody deszczowej, nie ma sieci kanalizacyjnej, do której zgodnie z wymaganiem rozporządzenia w sprawie warunków technicznych [11] należy odprowadzić wody opadowe z działki budowlanej).

Wymiarowanie systemu odzysku wody deszczowej

Podstawowym elementem systemu odzysku wody deszczowej jest zbiornik magazynujący wodę. Dlatego poprawne ustalenie jego objętości jest najważniejszym czynnikiem, który decyduje o efektywności zastosowanego w budynku systemu.

Dobór zbiornika o zbyt dużej objętości zwiększa koszty inwestycyjne i może powodować pogarszanie się jakości magazynowanej wody.

Z kolei dobór zbiornika o zbyt małej objętości powoduje nieefektywną pracę systemu – zbiornik nie jest w stanie zmagazynować odpowiedniego zapasu wody deszczowej, która w przypadku dłuższych lub bardziej obfitych opadów deszczu jest tracona, natomiast w okresie braku opadów instalacja musi być zasilana wodą wodociągową, co wpływa na zmniejszenie oszczędności wody pitnej.

Normy BS 8515:2009 [10] i DIN 1989 [9] podają zasadę ustalania optymalnej objętości użytkowej zbiornika magazynującego wodę deszczową. Zgodnie z nią objętość zbiornika powinna równoważyć zależność między dostępnością (uzyskiem) wody deszczowej i jej zapotrzebowaniem.

Żeby poprawnie zwymiarować system, należy uwzględnić następujące czynniki:

• ilość i intensywność opadów na danym terenie,
• wielkość i typ powierzchni odwadnianych,
• liczbę i rodzaj założonych zastosowań dla wody deszczowej – obecnie i w przyszłości.

Podane zostały trzy metody obliczeń wielkości zbiornika wody deszczowej:

• metoda uproszczona (skrócona) – dla małych systemów (domy jednorodzinne lub w zabudowie bliźniaczej), w których występuje stałe dzienne zapotrzebowanie na wodę i obliczenia nie muszą być przeprowadzane,
• metoda pośrednia – w której występują formuły obliczeniowe dla bardziej dokładnego określenia objętości zbiornika wody deszczowej niż w metodzie uproszczonej,
• metoda szczegółowa – stosowana w celu osiągnięcia lepszego przybliżenia rzeczywistych warunków eksploatacji systemu odzysku wody deszczowej, zalecana przede wszystkim dla dużych systemów oraz systemów niestandardowych, w których występuje zmienne zapotrzebowanie na wodę w ciągu roku.

Metoda uproszczona

Według normy niemieckiej [9] metoda ta może być stosowana dla budynków jednorodzinnych lub w zabudowie bliźniaczej albo budynków, w których korzystanie z instalacji wodociągowej przebiega w podobny sposób, jeśli spełnione zostaną następujące warunki:

• średnia roczna ilość opadów wynosi od 500 do 800 mm,
• występuje całoroczne użycie wody na potrzeby bytowo-gospodarcze,
• występuje stałe dzienne zapotrzebowanie na wodę i stała liczba osób w budynku,
• jako powierzchnię odwadnianą przyjmuje się powierzchnię dachu.

W takiej sytuacji niemiecka norma DIN 1989 [9] podaje, że objętość użytkowa zbiornika wody deszczowej powinna wynosić od 25 do 50 dm³/m² podłączonej po­wierzchni odwadnianej z jednej strony, a z drugiej dla każdego użytkownika instalacji powinna zostać zapewniona objętość użytkowa zbiornika między 800 a 1000 dm³. Zatem przy założeniu czteroosobowej rodziny i powierzchni dachu 100 m² objętość użytkowa zbiornika powinna wynosić ok. 4 m³.

Przepisy brytyjskie [10] w nieco odmienny sposób podchodzą do określania objętości zbiornika. Zakładają możliwość stosowania tej metody podobnie jak w normie niemieckiej przy założeniu użycia wody wyłącznie na cele bytowo-gospodarcze i dla małych budynków ze stałą liczbą mieszkańców oraz przy przyjęciu dachu jako powierzchni odwadnianej. Metoda ta bazuje na:

• stosunkowo stałym dziennym zapotrzebowaniu na wodę deszczową dla celów bytowo-gospodarczych, na poziomie 50 dm³/(oso­ba · doba), do spłukiwania toalet i prania,
• przyjęciu średniego rocznego opadu deszczu odpowiednio do lokalizacji budynku,
• przyjęciu jako powierzchni odwadnianej stromych dachów pokrytych dachówką.

W metodzie tej przyjmuje się 18-dniowy okres magazynowania wody deszczowej, który zaspokaja zapotrzebowanie na wodę deszczową w razie braku opadów. Jest to sytuacja typowa dla Wielkiej Brytanii.

Do określenia objętości zbiornika należy zatem przyjąć średni roczny opad dla danej lokalizacji, bazując na załączonej do normy BS 8515 [10] mapie, a następnie, dla większości przypadków, objętość zbiornika określa się, posługując załączonymi wykresami, sporządzonymi odpowiednio dla dwóch, trzech, czterech i pięciu osób zamieszkałych w budynku.

Przykładowy wykres dla budynku zamieszkałego przez cztery osoby przedstawiono na rys. 5.

Jednak jeśli budynek ma dużą powierzchnię dachu i/lub znajduje się w regionie o wysokich wartościach rocznych opadów, według normy [10] objętość użytkowa zbiornika powinna być określana w stosunku do liczby mieszkańców.

Metoda pośrednia

Metoda ta może być stosowana dla budynków wielorodzinnych, administracyjnych i biurowych, komercyjnych i przemysłowych, pod warunkiem że występuje stałe dzienne zapotrzebowanie na wodę. Przepisy niemieckie [9] i brytyjskie [10] bazują w tej metodzie na identycznych zależnościach, dlatego przytoczone zostaną zależności wg normy niemieckiej DIN 1989 [9].

Przy obliczaniu wielkości zbiornika wody deszczowej należy uwzględnić następujące czynniki:

• średnią roczną wartość opadów wyrażoną w dm³/m² lub mm, zależną od lokalizacji budynku – wartość tę można odczytać z map lub dla Polski otrzymać od IMiGW. W Polsce średnia roczna wartość opadów wynosi 600 mm. Jest ona zmienna w zależności od ukształtowania powierzchni. Na rys. 6 przedstawiono mapę sum opadów rocznych dla Polski zaczerpniętą z [12];
• wielkość powierzchni odwadnianej – odwadniana powierzchnia dachu liczona jest jako powierzchnia w rzucie poziomym niezależnie od kształtu i pochylenia dachu, w przypadku innego rodzaju powierzchni do obliczeń przyjmuje się wyłącznie powierzchnię, na którą pada deszcz;
• współczynnik spływu (wydajności) – jego wartość zależy od rodzaju powierzchni odwadnianej oraz od materiału, jakim jest pokryta, wartości wg DIN 1989 [9] oraz za [13] podano w tab. 1;
• hydrauliczną wydajność filtra – najczęściej przyjmuje się ją na poziomie 0,9, należy sprawdzić informację w materiałach producenta.

Po uwzględnieniu powyższych czynników można przystąpić do obliczeń:

1. rocznego uzysku wody deszczowej E_R wg zależności (1):

gdzie:

A_A – powierzchnia odwadniana, m²;
e – współczynnik spływu, -;
h_N – średnia roczna wartość opadów, dm³/m², mm;
η – hydrauliczna wydajność filtra, -.

2. rocznego zapotrzebowania na wodę deszczową BW_a wg zależności (2):

gdzie:

P_d – dzienne zapotrzebowanie na wodę deszczową na osobę wg tab. 2, dm³/(osoba · doba);
n – liczba osób w budynku, -;
A_Bew – powierzchnia nawadniana, m²;
BS_A – specyficzne roczne zapotrzebowanie na wodę deszczową do nawadniania powierzchni wg tab. 2, dm³/m².

Zapotrzebowanie na wodę deszczową dla obiektów komercyjnych i przemysłowych powinno zostać określone w zależności od konkretnych zastosowań.

W celu określenia objętości użytkowej zbiornika wody deszczowej należy porównać roczne zapotrzebowanie na wodę z rocznym uzyskiem. Mniejsza z tych wartości powinna być przyjmowana do wymiarowania zbiornika wody deszczowej.

Odpowiednią pojemność użytkową zbiornika wody deszczowej można obliczyć z zależności (3):

Przy tej metodzie wymiarowania zapewnione jest magazynowanie wody i dostęp do niej przez okres 3 tygodni bez opadów deszczu. W tym miejscu zauważyć można drobną rozbieżność między normą niemiecką i brytyjską, mianowicie w przepisach brytyjskich pojawia się w zależności dotyczącej V_n nie przelicznik 0,06, ale 0,05, wynikający z krótszego okresu magazynowania wody, wynoszącego 18 dni. Przy czym brytyjskie przepisy podają, że w praktyce wymiaruje się objętość zbiornika wody deszczowej przy założeniu okresu magazynowania wody wynoszącego 7 lub 8 dni [10].

Metoda szczegółowa

Metoda ta zgodnie z [9, 10] stosowana jest dla lepszego dostosowania wielkości zbiornika wody deszczowej do rzeczywistych warunków, a w szczególności gdy:

• zapotrzebowanie na wodę jest zmienne w ciągu roku (przy używaniu wody deszczowej na zewnątrz budynku do mycia samochodów, nawadniania ogrodów czy prac porządkowych, przy zastosowaniu wody deszczowej na cele niemieszkalne w budynkach o indywidualnej strukturze zużycia wody),
• uzysk wody deszczowej jest niepewny (np. z powodu stosowania dachów zielonych czy przepuszczalnych nawierzchni),
• proponowane są kosztowne, większe lub bardziej kompleksowe systemy odzysku wody deszczowej.

W takiej sytuacji należy przeprowadzić komputerowe symulacje wydajności systemu odzysku wody deszczowej, bazując na indywidualnych danych dotyczących dziennych rozbiorów wody deszczowej i wysokości dziennego opadu deszczu.

Dzienne zapotrzebowanie na wodę deszczową powinno być szacowane na podstawie indywidualnych pomiarów zużyć wody.

Do symulacji należy przyjmować wysokość dziennych opadów na podstawie wartości otrzymanych z reprezentatywnej serii pomiarowej.

Symulację działania systemu na tych danych należy przeprowadzić dla okresu od co najmniej 5 do 10 lat, biorąc pod uwagę ograniczenia związane z systemem. Im dłuższy okres, tym dokładniej uzyskane wyniki odzwierciedlać będą rzeczywiste warunki pracy systemu. W Niemczech do przeprowadzania tych symulacji oferowane jest odpowiednie oprogramowanie [9].

Podsumowanie

W dobie ciągłego zmniejszania się zasobów wody pitnej na świecie powinno się dążyć do jej racjonalnego wykorzystywania. Dlatego pojawia się coraz więcej urządzeń i kompleksowych rozwiązań umożliwiających oszczędzanie wody pitnej. Jednym z nich jest wykorzystanie wody deszczowej.

Analiza struktury zużycia wody na cele bytowo-gospodarcze wykazuje, że około 50% wody pitnej można zastąpić wodą deszczową, co znacząco ogranicza zużycie wody pitnej, a jednocześnie redukuje ilość ścieków odprowadzanych do kanalizacji.

Zastosowanie systemu odzysku wody deszczowej wymaga poniesienia dodatkowych kosztów inwestycyjnych wynikających z konieczności wykonania instalacji wody deszczowej w budynku i zakupu dodatkowych elementów systemu – przede wszystkim odpowiedniego zbiornika wody deszczowej. Jednak przy inwestycjach tego rodzaju pod uwagę powinny być brane nie tylko koszty inwestycyjne, należy też położyć nacisk na aspekt ekologiczny. Inwestycje pozwalające na wykorzystanie wody deszczowej w miejscu jej powstania w znacznym stopniu minimalizują negatywne oddziaływanie inwestycji na środowisko.

Ze względu na brak w polskim prawodawstwie przepisów, które regulowałyby dobór systemów odzysku wody deszczowej, nie są to rozwiązania często stosowane, mimo że mają duży potencjał. Dlatego należy opracować i wprowadzić na szczeblu centralnym systemy wsparcia dla inwestorów zainteresowanych problematyką proekologiczną, tym bardziej że funkcjonują już w innych krajach UE gotowe metody obliczeniowe i systemy monitorowania systemów odzysku wody deszczowej [9, 10].

Literatura

1. Merc K., Stępniak L., Instalacje dualne jako alternatywa dla tradycyjnych instalacji wodociągowo-kanalizacyjnych, „Inżynieria i Ochrona Środowiska” 2015, t. 18, nr 4, s. 549–562.
2. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 14 stycznia 2002 r. w sprawie przeciętnych norm zużycia wody (DzU nr 8/2002, poz. 70).
3. Development of EU Ecolabel Criteria for Flushing Toilets and Urinals. Technical Report, http://susproc.jrc.ec.europa.eu/toilets/docs/Technical_report_Ecolabel_May_2013a_revised_final.pdf
4. Sosnowski S., Chudzicki J., Tabernacki J., Instalacje wodociągowe i kanalizacyjne, Wydawnictwo „Instalator Polski”, Warszawa 2000.
5. Rainwater Harvesting In The Sustainable Environment, http://www.cibse.org/getmedia/564c9205-c301-4e5b-83a4-30a00e50ec25/CPD-DC.pdf.aspx.
6. Rozporządzenie Ministra Zdrowia z dnia 13 listopada 2015 r. w sprawie jakości wody przeznaczonej do spożycia przez ludzi (DzU 2015, poz. 1989).
7. Burszta-Adamiak E., Projektowanie systemów zrównoważonego gospodarowania wodami opadowymi, „Rynek Instalacyjny” nr 10/2014, s. 71–74.
8. Słyś D., Hala B., Efektywność ekonomiczna instalacji do wykorzystania wód deszczowych w budownictwie jednorodzinnym, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 3/2008, s. 19–23.
9. DIN1989-1:2001-10 Regenwassernutzungsanlagen – Teil 1: Planung, Ausfuhrung, Betrieb und Wartung.
10. BS 8515:2009 Rainwater harvesting systems – Code of practice.
11. Obwieszczenie Ministra Infrastruktury i Rozwoju z dnia 17 lipca 2015 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Infrastruktury w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2015, poz. 1422).
12. http://meteomodel.pl/forum2/index.php?topic=894.0.
13. http://www.powode.pl/index2.htm.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!