Dualne instalacje kanalizacyjne i zagospodarowania wody opadowej w domu jednorodzinnym

Woda pobierana z sieci wodociągowej jest coraz droższa, a jej zasoby maleją, dlatego tak ważne jest wykorzystanie każdego litra wody pobranej i uzdatnionej. Gromadzenie ścieków szarych, czyli wody zanieczyszczonej, ale wolnej od fekaliów, jest opłacalne ekonomicznie i środowiskowo. W tradycyjnych domach do spłukiwania w miskach ustępowych wykorzystuje się wodę uzdatnioną, która jest w pełni zdatna do picia [2]. Nie ma przeciwskazań, aby do spłukiwania toalet wykorzystywać wodę szarą, odprowadzaną instalacją dualną z urządzeń sanitarnych, takich jak: wanna, prysznic, pralka czy umywalka. Ścieki z tych urządzeń są kierowane do filtra w celu zatrzymania większych zanieczyszczeń stałych i dalej, już jako woda szara, gromadzone w zbiorniku. Ścieki szare nie zawierają fekaliów – w przeciwieństwie do ścieków czarnych, bytowych, których nie wolno ponownie używać [2]. Z kolei woda deszczowa to surowiec, który można wykorzystać do podlewania ogródków i prac porządkowych na terenie posesji. Jej ujęcie wymaga inwestycji w zbiornik, który będzie ją magazynował i retencjonował.

Charakterystyka ogólna budynku

Przedmiotem analizy jest niepodpiwniczony, dwupiętrowy, wolnostojący budynek mieszkalny z wbudowanym garażem jednostanowiskowym, bez wbudowanych balkonów i tarasów. Ma on zwięzłą i prostą bryłę, z dwuspadowym dachem, na którym zlokalizowane są panele fotowoltaiczne. Dane techniczne budynku: powierzchnia zabudowy – 373,85 m², powierzchnia użytkowa – 339,45 m³, kubatura – 1046,8 m³, liczba kondygnacji – 2, wysokość kondygnacji – 2,90 m. Bilans zagospodarowania działki: powierzchnia działki – 712,5 m², powierzchnia zabudowy budynku – 373,85 m², powierzchnia użytkowa – 339,45 m², powierzchnia utwardzona – 74,50 m², powierzchnia zieleni – 485 m². Działka ma pełne uzbrojenie, przyłącze wodociągowe i kanalizacyjne oraz energetyczne. Wody opadowe zbierane są za pomocą rynien i rur spustowych, a następnie kierowane do zbiornika znajdującego się pod ziemią. W zbiorniku zamontowany jest filtr koszowy służący do wstępnego oczyszczenia wody, dzięki któremu można ją wykorzystać do celów gospodarczych na posesji.

Budynek jako źródło energii wykorzystuje panele fotowoltaiczne o mocy 5 kW w ramach prosumenckiego systemu on-grid, z możliwością odzyskania 80% energii oddanej do sieci. Ogrzewany jest gruntową pompą ciepła, stosowaną także do przygotowywania ciepłej wody. W budynku zastosowano wentylację mechaniczną nawiewno-wywiewną z odzyskiem ciepła. Aby wykorzystać wszystkie możliwości zmniejszenia nakładu energii, budynek usytuowano tak, żeby pomieszczenia dzienne, kuchnia i salon były zlokalizowane od południa, a garaż i kotłownia od północy. W celu ograniczenia strat ciepła łazienki, czyli pomieszczenia z najwyższą temperaturą, usytuowane są w środku budynku i graniczą tylko z jedną ścianą zewnętrzną, mającą dodatkowo bardzo dobrą izolację termiczną.

Zobacz także: Jak rozwiązać problem ubóstwa energetycznego?

Instalacje wodociągowe i kanalizacyjne

Woda do budynku doprowadzana jest poprzez przyłącze wodociągowe wyposażone m.in. w zestaw wodomierzowy z zaworem antyskażeniowym EA zabezpieczającym sieć wodociągową przed wtórnym zanieczyszczeniem. W instalacji ciepłej wody użytkowej z uwagi na oddalenie przyborów od zasobnika c.w.u. konieczna jest cyrkulacja. Budynek wyposażony jest w instalację kanalizacji sanitarnej wraz z przyłączem kanalizacyjnym.

Instalacja do wykorzystania wód deszczowych

Odprowadza ona rynnami wody opadowe z dachu budynku do podziemnego zbiornika z filtrem koszowym, który ma za zadanie oczyścić wodę z większych zanieczyszczeń. W instalacji znajduje się pompa zatapialna dostarczająca wodę do hydrantu ogrodowego o średnicy DN 25. Na okres zimowy woda jest wypompowywana ze względu na zagrożenie pęknięcia zbiornika. W wypadku suszy lub zmniejszonych opadów atmosferycznych możliwe jest napełnienie zbiornika wodą ze studni głębinowej. Ilość wody deszczowej w skali roku obliczono przy uwzględnieniu średniej rocznej wysokości opadów, powierzchni dachu i współczynnika spływu pokrycia dachowego [6] – patrz tabela 1.

Dobór zbiornika na wodę deszczową:

uzysk wody:

115 676 l/rok: 365×21 = 6655,32 l

gdzie:

365 – liczba dni w roku,

21 – współczynnik przechowywania wody, 21 dni.

Dobrano zbiornik o pojemności 7000 l i wymiarach 2,4×3,175×1,48 m. Zbiornik ma część dopływową i oczyszczającą z filtrem oraz część odpływową z pompą zatapialną, która doprowadza wodę deszczową do hydrantu ogrodowego. Dobrano pompę o wydajności 3,6 m3/h i wysokości podnoszenia 12,6 m, uwzględniając parametry instalacji prowadzącej do hydrantu ogrodowego.

Zobacz dlaczego szambo 10m3 to najczęstszy wybór na działce bez kanalizacji >>

Drenaż rozsączający

W instalacji wykorzystującej wody opadowe przewidziano przelew awaryjny, który ma za zadanie odprowadzić nadmiar wód deszczowych do gruntu, gdy poziom wody w zbiorniku będzie bliski maksymalnemu. Element taki jest w instalacji niezbędny i służy do zabezpieczenia całego systemu. Za odprowadzenie ścieków do gruntu odpowiada drenaż rozsączający z rur drenarskich o średnicy DN 100 mm. Długość drenażu przyjmuje się dla domu jednorodzinnego w zakresie od 100 do 150 m [6]; dla analizowanego budynku przyjęto 125 m.

Instalacja do wykorzystania ścieków szarych – instalacja dualna

Instalacja ta zbiera wodę zużytą (ścieki szare) z urządzeń sanitarnych, takich jak: umywalki, brodziki, wanny i pralki. Nie pobiera ścieków ze zmywarki i zlewozmywaka, gdyż są one zanieczyszczone tłuszczami. Ścieki szare przepływają przez filtr, który ma dokładnie odseparować cząstki stałe zawieszone od wody. Oczyszczona woda gromadzona jest w zbiorniku na ścieki szare i za pomocą pompy zatapialnej przewodami doprowadzana do płuczek przy miskach ustępowych. Ponownie użyta w urządzeniu sanitarnym woda odprowadzana jest do kanalizacji. Przewody instalacji zostały wykonane z rur stalowych i dodatkowo oznaczone etykietami, aby zapobiec ich pomyleniu z innymi przewodami, np. wody wodociągowej.

Zbiornik na ścieki szare

Zbiornik na wodę zużytą dobrano na podstawie dziennego przypływu ścieków. Szacuje się, że ilość ścieków czarnych (na potrzeby spłukiwania misek ustępowych) będzie wynosić 69 dm3. Założono możliwość częstszego korzystania z tych urządzeń sanitarnych, dlatego dobrano zbiornik nieco większy – o pojemności 100 l. Zbiornik jest wyposażony w filtr, który służy do separacji elementów stałych. Ścieki szare przechodzą następnie proces dezynfekcji podchlorynem sodu, który ma za zadanie usunąć znajdujące się w nich mikroorganizmy (patogeny, bakterie, wirusy).

Pompa na ścieki szare

Pompa tłoczy ścieki szare ze zbiornika do płuczek ustępowych w toaletach znajdujących się w budynku. Wyposażona jest w pływak i włącznik ciśnieniowy podłączony na przewodzie tłocznym. W momencie spuszczenia wody w misce ustępowej otwiera się zawór w płuczce ustępowej i następuje spadek ciśnienia w przewodzie tłocznym. Podczas spadku ciśnienia pompa zatapialna automatycznie się włącza, uzupełnia ciśnienie do poziomu maksymalnego, a następnie się wyłącza. Dobrano pompę o wydajności 1,13 m³/h i wysokości podnoszenia 16,9 m.

Woda i ścieki w skali roku

Przeanalizowano ilość wody zużywanej w budynku, produkowane ilości ścieków szarych i czarnych oraz ilość wód deszczowych odprowadzanych z powierzchni dachu. Na potrzeby obliczeń przyjęto, że w budynku mieszka pięć osób. W tabeli 2 podano dzienne, miesięczne i roczne zapotrzebowanie na wodę dla wszystkich mieszkańców budynku oraz szacowane zapotrzebowanie na wodę do celów ogrodowych. Zużycie przyjęto na podstawie rozporządzenia w sprawie określania przeciętnych norm zużycia wody [7] – dla jednego mieszkańca wynosi ono 120 dm³/(M · d), a dla ogródków przydomowych 2,5 dm³/(m² · d). Wyodrębniono ilość wody do celów ogrodowych w przedziale czasowym 15 dni w miesiącu, w okresie od 15 kwietnia do 15 września. Przyjęto szacunkowy czas opadów atmosferycznych i faktyczną ilość zapotrzebowania na wodę do pielęgnacji zieleni w ciągu roku. Ilość miesięcznego i rocznego zapotrzebowania na wodę pozwoli odpowiednio oszacować wielkość zbiornika na wodę deszczową i potrzeby dotyczące dodatkowego źródła wody. W ­tabeli 2 przedstawione zostały także obliczenia dotyczące zapotrzebowania na wodę pięciu mieszkańców domu.

Porównanie kosztów

Do analizy wybrano dwa budynki o takich samych powierzchniach – działki: 485 m², całkowitej zabudowy: 375 m². Porównano koszty zużycia wody, odprowadzania ścieków oraz podlewania terenu zielonego.

Pierwszy dom to budynek tradycyjny, który pobiera wodę pitną z sieci wodociągowej oraz odprowadza ścieki szare i czarne z urządzeń sanitarnych do kanalizacji. Nie gromadzi wód opadowych i odprowadza je w jedno miejsce znajdujące się nad lub pod gruntem. Do podlewania ogrodu mieszkańcy korzystają również z wody z sieci wodociągowej. Energię elektryczną dom pobiera tylko z przyłącza energetycznego, nie ma żadnych dodatkowych źródeł energii.

Drugi budynek jest energooszczędny, tak samo jak tradycyjny pobiera wodę z sieci wodociągowej, jednak wykorzystuje ją tylko do niektórych urządzeń sanitarnych. Woda pitna nie jest doprowadzana do misek ustępowych. Jest to możliwe dzięki instalacji wykorzystującej ścieki szare do spłukiwania płuczek ustępowych. Budynek ma przyłącze energetyczne oraz instalację PV. Wyposażony jest także w instalację do wykorzystania wód opadowych gromadzonych w podziemnym zbiorniku do podlewania terenu zielonego. Analiza dotyczy trzech aspektów: poboru wody, odprowadzania ścieków oraz podlewania ogrodu.

W tabeli 3 przedstawiono pobór wody w budownictwie tradycyjnym i z instalacją dualną. Wymieniono czynności, do których woda jest niezbędna. Na podstawie wartości, które zostały zaczerpnięte z literatury [2], oszacowano zużycie wody przypadające na jednego mieszkańca jako 125 l na dobę. Łączne dobowe zapotrzebowanie na wodę do spłukiwania wynosi 38 dm3 na osobę, co w przypadku 5 osób daje dziennie 190 dm³. Dobowy potencjał uzyskiwana ścieków szarych w przeliczeniu na 1 osobę to: umywalka – 12 dm³, kąpiel – 33 dm³ i pranie – 18 dm³, łącznie 63 dm³. Zatem dobowy potencjał ścieków szarych w pięcioosobowym domu wynosi 315 dm³, mamy więc do czynienia z nadwyżką ponad 100 dm³.

W budynku energooszczędnym z instalacją dualną nie uwzględniono poboru wody pitnej przez miski ustępowe, gdyż są one spłukiwane wodą szarą. Tym samym zużycie wody spada o 38 l dziennie na jednego mieszkańca, co daje dobowe zużycie 87 l na mieszkańca. W tradycyjnym rozwiązaniu przyjmuje się, że ilość odprowadzanych ścieków przez instalację kanalizacyjną równa się ilości wody pobieranej z sieci wodociągowej. W budynku z instalacją dualną wykorzystującą ścieki szare do kanalizacji odprowadzane są wyłącznie ścieki szare ze zmywarki i zlewozmywaka oraz ścieki czarne z misek ustępowych.

Woda wodociągowa służy także do podlewania ogrodu i niekiedy mycia samochodu, jednak ta druga czynność, aby być zgodna z prawem i zasadami poszanowania środowiska, wymaga wykonania powierzchni uszczelnionej, która zbiera wodę zużytą do mycia i odprowadza do zbiornika z separatorem substancji ropopochodnych, a następnie do kanalizacji. Założono zatem, że woda będzie używana tylko do podlewania terenu zielnego. Przyjęto na podstawie literatury [2], że podlewanie ogródka przydomowego w okresie wegetacji (15 kwietnia–15 września) wymaga 2,5 dm³ wody na 1 m². Teren zielony ma powierzchnię 485 m² i jego jednorazowe podlewanie pochłania 1,2 m³ wody. W przypadku upraw do obliczeń zapotrzebowania na wodę przyjmuje się podlewanie co drugi dzień, a praktyka podpowiada, że dla trawników co trzeci dzień. Przyjęto, że teren zielony to trawnik, wymaga zatem w okresie wegetacji 50 podlewań, co daje zapotrzebowanie na 60 600 dm3, czyli ok. 60 m3 wody w okresie wegetacji.

W domu energooszczędnym system podlewania ogrodu jest zupełnie odmienny. Do wszystkich czynności, które są wykonywane poza budynkiem, wykorzystuje się wodę deszczową gromadzoną w podziemnym zbiorniku, dlatego pobór wody wodociągowej na cele ogrodowe jest zerowy. Jeżeli wystąpi chwilowa susza, wodę do celów gospodarczych można pobierać z przydomowej studni. Koszt poboru wody z takiej studni jest niewysoki – obejmuje energię potrzebną do pompowania, wymaga jednak wcześniej poniesienia nakładów inwestycyjnych rzędu paru tysięcy złotych na odwiert i pompę.

Energia zużywana w budynku

Zgodnie z danymi GUS, średnie zużycie energii elektrycznej w statystycznym gospodarstwie domowym w domu jednorodzinnym, bez uwzględniania energii na c.o. i c.w.u., wynosi 2500 kWh. W budynku energooszczędnym z instalacją PV o mocy 5 kWp roczny uzysk energii przyjęto na poziomie 4740 kWh. Przyjmuje się, że ok. 20% energii z instalacji PV, czyli 940 kWh, może być wykorzystane na miejscu, a pozostała część – 3800 kWh – oddana do sieci, z której w ramach programu prosumenckiego można było do 2022 r. odzyskać 80% bez ponoszenia kosztów, tj. 3040 kWh. Energię „zmagazynowaną” w systemie energetycznym wykorzystuje m.in. pompa ciepła na potrzeby c.o. i przygotowania c.w.u. Z uwagi na fakt, że w artykule nie są analizowane koszty ogrzewania, przyjęto, iż także pompy do ścieków szarych i wody deszczowej korzystają z energii z instalacji PV, tym samym pomijane są koszty pompowania wody opadowej do podlewania terenów zielonego oraz pompowania ścieków szarych do spłukiwania toalet w domu energooszczędnym.

Koszty energii i wody

Porównano koszty zużywanej wody i odprowadzanych ścieków w domu tradycyjnym oraz domu energooszczędnym zamieszkanym przez 5 osób. Do kosztów użytkowania zaliczono:

• pobór wody z sieci wodociągowej na cele wewnątrz budynku,
• odprowadzenie ścieków do sieci kanalizacyjnej,
• pobór wody z sieci wodociągowej do celów gospodarczych na zewnątrz budynku.

Do obliczeń wykorzystano stawki opłat wg taryfy w Warszawie z grudnia 2021 roku: 3,89 zł za 1 m³ wody; 5,96 zł za 1 m³ ścieków.

Roczne koszty użytkowania domu tradycyjnego w zakresie analizowanych funkcji:

Woda: 0,125 m³×5 osób×365 dni = = 228,12 m³×3,89 zł = 887,40 zł.

Ścieki: 0,125 m³×5 osób×365 dni = = 228,12 m³× 5,96 zł = 1359,95 zł.

Utrzymanie terenu zielonego – przyjęto montaż odrębnego wodomierza dla instalacji służącej do podlewania i tym samym brak opłat za odprowadzanie ścieków: 60 m³×3,89 zł = 233,40 zł.

Łączne koszty wody i ścieków oraz podlewania ogrodu w domu tradycyjnym wyniosły 2480 zł.

Roczne koszty użytkowania domu energo­oszczędnego w zakresie analizowanych funkcji:

Woda: 0,085 m³×5 osób×365 dni = = 155,12 m³×3,89 zł = 603,42 zł.

Z uwagi na fakt, że ścieki nie są opomiarowane, przyjęto, że na potrzeby rozliczeń z MPWiK ilość ścieków odpowiada ilości pobranej wody, czyli koszt ten wynosi 603,42 zł.

Utrzymanie terenu zielonego – całość zapotrzebowania, tj. 60 m³, pokrywają wody opadowe, przy pominięciu kosztów pompowania i uwzględnieniu energii elektrycznej z instalacji PV.

Łączne koszty wody i ścieków w domu energooszczędnym: 1206 zł.

Podsumowanie

Na podstawie zamieszczonych szacunkowych obliczeń można jednoznacznie stwierdzić, że koszty ponoszone za pobieraną wodę i odprowadzane ścieki w budynku energo­oszczędnym z instalacją dualną oraz instalacją gromadzenia wody deszczowej są o wiele niższe w porównaniu do kosztów eksploatacji budynku tradycyjnego. Mniejsze jest zapotrzebowanie na wodę uzdatnioną do celów bytowych, wyeliminowano także podlewanie terenu zielonego wodą uzdatnioną z sieci wodociągowej. Instalacja gromadzenia wody deszczowej i rozsączająca to także mniejsze zapotrzebowanie na wydajność sieci kanalizacji deszczowej. Co bardzo ważne, instalacja wody deszczowej gromadzi wodę w okresie wegetacji, czyli w czasie obfitych opadów, i wprowadza ją systematycznie do gleby, zapobiegając stepowieniu obszarów zurbanizowanych. Także po okresie wegetacji, gdy intensywności opadów są mniejsze, wody opadowe są wprowadzane do gruntu dzięki instalacji rozsączającej. Tym samym rozwiązania w postaci instalacji dualnych oraz gromadzenia wód opadowych na cele podlewania terenów zielonych i ich ewentualnego rozsączania dają wymierne korzyści środowiskowe oraz umożliwiają zmniejszanie wydatków na infrastrukturę kanalizacyjną na terenach zurbanizowanych z zabudową ­jednorodzinną. Budynki takie są elementem koncepcji gospodarki o obiegu zamkniętym, mającej na celu wyeliminowanie odpadu i przekształcenie go w produkt dla kolejnego procesu oraz dbałość o jakość środowiska.

Artykuł powstał na podstawie pracy dyplomowej inżynierskiej pt. „Projekt instalacji wewnętrznych w budynku jednorodzinnym energooszczędnym z wykorzystaniem założeń gospodarki o obiegu zamkniętym” opracowanej w Zakładzie Zaopatrzenia w Wodę i Oczyszczanie Ścieków Wydziału Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska Politechniki Warszawskiej

Literatura

1. Strzałkowska Małgorzata, Projekt instalacji wewnętrznych w budynku jednorodzinnym energooszczędnym z wykorzystaniem założeń gospodarki o obiegu zamkniętym, praca dyplomowa inżynierska, Wydział Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska, Politechnika Warszawska, 2022

2. Chudzicki Jarosław, Sosnowski Stanisław, Instalacje wodociągowe, Seidel-Przywecki Sp. z o.o., Warszawa 2011

3. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (DzU 2002, nr 75, poz. 690, z późn. zm.)

4. Lachman Paweł (red.), Poradnik: Dom bez rachunków, Kraków 2019, https://dombezrachunkow.com/wp-content/uploads/2019/05/2019_Poradnik_Dom_Bez_Rachunkow.pdf

5. PN-EN 12056-2:2002 Systemy kanalizacji grawitacyjnej wewnątrz budynków. Część 2: Kanalizacja sanitarna – projektowanie układu i obliczenia

6. Chudzicki Jarosław, Sosnowski Stanisław, Instalacje kanalizacyjne, Seidel-Przywecki Sp. z o.o., Warszawa 2011

7. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 14 stycznia 2002 r. w sprawie określenia przeciętnych norm zużycia wody (DzU 2002, nr 8, poz. 70)

8. Zużycie energii w gospodarstwach domowych w 2018 roku, Główny Urząd Statystyczny, Warszawa 2019