Projektowanie instalacji do powtórnego wykorzystania ścieków szarych w budynkach

Pomysł instalacji dualnej ściśle wiąże się z koncepcją „zielonego budownictwa”, która powstała w latach 70. ubiegłego wieku. Miał wtedy miejsce pierwszy znaczący kryzys energetyczny, zwrócono też uwagę na rosnący problem zanieczyszczenia środowiska.

Podjęto pierwsze próby ograniczenia negatywnego wpływu człowieka na środowisko. Jednym z przejawów tych działań było powołanie stowarzyszeń zajmujących się opracowaniem wytycznych do uzyskiwania tzw. zielonej (ekologicznej) certyfikacji dla budynków. Projekty i budynki z takim certyfikatem charakteryzują się istotnym obniżeniem energochłonności w całym cyklu życia obiektu.

Systemy certyfikacji ekologicznej obiektów budowlanych

Najpopularniejszymi obecnie systemami certyfikacji ekologicznej są:

• BREEAM (Building Research Establishment Environmental Assessment Method) – środowiskowa metoda oceny budynków BRE – Wielka Brytania [2, 6, 8, 17];
• LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) – lider w projektowaniu w zakresie energii i środowiska – USA [7, 13, 17];
• CASBEE (Comprehensive Assessment System for Built Environment Efficiency) – wielokryterialny system oceny efektywności środowiska zabudowanego – Japonia [6, 16];
• DGNB (Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen) – certyfikat budownictwa zrównoważonego – Niemcy [5].

DGNB to system certyfikacji istniejący najkrócej, opracowany przez Niemieckie Stowarzyszenie Budownictwa Ekologicznego. Wydaje się, że jest to najbardziej przejrzysty z wielokryterialnych systemów oceny budynków. Warto zwrócić uwagę, że jest to też jedyny system certyfikacji, w którym aż tak duży nacisk położono na udogodnienia dla niepełnosprawnych.

Certyfikacja DGNB jest możliwa do zastosowania praktycznie w każdym rodzaju budynku – kryteria systemu odnieść można zarówno do budynku biurowego i mieszkaniowego, jak i szkoły czy przedszkola. Daje to praktycznie nieograniczone możliwości stosowania, co w niedługim czasie może się przełożyć na znaczący wzrost popularności i stosowania tego systemu certyfikacji [5].

W Polsce nie powstał do tej pory odpowiedni dla naszych warunków system certyfikacji ekologicznej, stosuje się zatem certyfikaty opracowane na podstawie systemów LEED oraz BREEAM [2, 17].

System LEED umożliwia certyfikację praktycznie każdego typu inwestycji, zarówno nowo budowanych, jak i istniejących obiektów poddawanych renowacji. Mogą jej podlegać różne typy budynków: przemysłowe, biurowe, mieszkalne wielorodzinne, szkoły czy hotele. Wyjątek stanowią domy jednorodzinne, które można certyfikować w tym systemie tylko na terenie Stanów Zjednoczonych [7, 13].

W europejskiej wersji systemu BREEAM certyfikacja obejmować może jedynie budynki biurowe, przemysłowe oraz handlowe. Inny typ budynku musi zostać poddany certyfikacji na podstawie kryteriów indywidualnie przygotowanych przez BRE (Building Research Esta­blish­ment) – brytyjską organizację zajmującą się budownictwem zrównoważonym.

Wymagania certyfikacji ekologicznej związane są z warunkami charakterystycznymi dla danego kraju, z tego względu poszczególne kryteria mogą się znacznie różnić [8, 13, 17].

Z całej grupy różnic wynikających z zastosowania danego sposobu certyfikacji można wspomnieć o dwóch, które będą miały bezpośredni wpływ na projekt wewnętrznych instalacji wodociągowych i kanalizacyjnych (dualnych), a mianowicie:

• przepisy budowlane:
  - wg BREEAM – obowiązują normy europejskie z możliwością dostosowania do przepisów lokalnych,
  - wg LEED – wymagane są przepisy amerykańskie, brak możliwości adaptacji do przepisów lokalnych;
• instalacje:
  - wg BREEAM – obowiązują normy europejskie,
  - wg LEED – stosowane są normy ASHRAE.

Jednym z elementów podlegających certyfikacji jest instalacja zaopatrzenia budynku w wodę, a dokładniej wielkość zapotrzebowania na wodę pitną i możliwość ograniczenia tej wartości przez zastąpienie pewnej objętości wody używanej do celów innych niż spożywcze i na potrzeby higieniczne ściekami szarymi pozyskanymi dzięki instalacji dualnej. Poniżej przedstawiono sposób obliczania zapotrzebowania na wodę na potrzeby certyfikacji obiektu według kryteriów BREEAM [2] i LEED [7].

Oszczędzanie wody w certyfikacji BREEAM

Żeby projekt lub budynek mógł uzyskać zielony certyfikat BREEAM, musi zdobyć wymaganą liczbę punktów z różnych kategorii środowiskowych, między innymi oszczędzania wody.

Liczba punktów przyznawana jest w zależności od oceny np. poziomu innowacyjności, ale przede wszystkim od poczynionych oszczędności – w tym przypadku ograniczenia zużycia wody pitnej w trakcie rocznej eksploatacji budynku. Oszczędność wyrażana jest w procentach, a następnie w punktach (tabela 1). Procent zaoszczędzonej wody pitnej określany jest w stosunku do wartości bazowych zużyć podanych przez BREEAM.

W obliczeniach prognozowanego zużycia wody lub zapotrzebowania na nią należy uwzględnić następujące punkty czerpalne i przybory sanitarne w instalacjach wewnętrznych ocenianego budynku: WC, pisuary, prysznice, umywalki, wanny, zmywarki, ­pralki.

Ponieważ wielkość zapotrzebowania na wodę wiąże się ściśle z przeznaczeniem użytkowym budynku, a jednocześnie procentowy wskaźnik oszczędności wody decyduje o liczbie przyznanych punktów w certyfikacji, w specyfikacji BREEAM podano wzór służący do obliczania wskaźnika oszczędności dla różnych sposobów użytkowania powierzchni w budynku:

gdzie:

I – całkowita ocena zmniejszenia zużycia wody [%],
T_nAct – rzeczywiste zużycie wody dla każdego typu użytkowania [dm³/(osoba · dzień)],
T_nBase – referencyjne zużycie wody dla odpowiadającego typu użytkowania [dm³/(osoba · dzień)],
T_nOcc – współczynnik obciążenia dla odpowiedniego rodzaju powierzchni [–].

Na podstawie obliczonego procentowego wskaźnika oszczędności I przyznawana jest odpowiednia liczba punktów w certyfikacji BREEAM. Budynki oceniane są według wzorców bazowych. 

Jak wspomniano, jeśli oceniany budynek odbiega od ogólnie dostępnych wzorów, musi zostać oceniony indywidualnie przez porównanie z wytycznymi opracowanymi przez BRE Global (Building Research Establishment Global – są to indywidualnie tworzone wytyczne na potrzeby analizowanego budynku).

W tabeli 2 przedstawiono bazowe wartości zużycia wody dla danego typu przyboru sanitarnego oraz wielkość punktów zależną od stopnia zredukowania zużycia wody pitnej w stosunku do wartości bazowych w systemie BREEAM.

Oszczędzanie wody w certyfikacji LEED

W systemie certyfikacji przeprowadzanej według wytycznych amerykańskich przyjmuje się zapotrzebowanie na wodę dla danego punktu czerpalnego według danych zawartych w tabeli 3 – dla budynków niemiesz­kalnych lub tabeli 4 – dla budynków miesz­kalnych.

Żeby określić zapotrzebowanie na wodę wg systemu LEED, należy obliczyć całkowitą objętość zużytej wody, znając wypływ normatywny dla danego punktu czerpalnego i przyboru. Przykładowo dla misek ustępowych przyjmuje się na jedno użycie objętość równą 1,6 galona, a w przypadku spłukiwania miski mniejszą ilością wody – 1,1 galona (1 gal = 3,785 dm³).

W wytycznych tych dopuszcza się zmniejszenie zapotrzebowania na wodę pitną przez pokrycie objętości wody potrzebnej do spłukiwania misek ustępowych przy wykorzystaniu lokalnych źródeł wody, np. z rzeki lub jeziora. Można także zastosować do tego celu odpływ kondensatu z urządzeń klimatyzacyjnych, wody opadowe i ścieki szare.

Aspekty prawne stosowania certyfikatów ekologicznych w Polsce

Proponowane i zalecane rozwiązania w przedstawionych certyfikatach ekologicznych dla budownictwa zwykle nie są zgodne z wymaganiami technicznymi dla budynków i ich elementów obowiązującymi w naszym kraju (np. są ekonomicznie nieuzasadnione) lub nie są w tych wymaganiach brane pod uwagę. 

Służby sanitarne opiniujące dokumentację projektową także są stawiane w kłopotliwej sytuacji, ponieważ brakuje w Polsce jakiejkolwiek podstawy prawnej stosowania niektórych ekologicznych rozwiązań technicznych, np. instalacji wykorzystujących powtórnie ścieki szare. 

Zatem inwestor, który chciałby wybudować budynek spełniający bardzo wysokie wymagania dotyczące ochrony środowiska, niskiego zużycia energii, wody i innych mediów, nie może w sposób tradycyjny uzyskać pozwolenia na budowę.

Na szczęście dla inwestorów chcących postawić budynek wg certyfikatów LEED lub BREEAM dokumentację projektową takiego obiektu można potraktować zgodnie z ustawą o wyrobach budowlanych jako indywidualną dokumentację projektową (art. 10 pkt 1 i 2 ustawy [14]). 

Taka klasyfikacja dokumentacji projektowej związana jest z zastosowaniem w projekcie nowatorskiej koncepcji rozwiązania technicznego, np. instalacji wodociągowych i kanalizacyjnych umożliwiających powtórne wykorzystanie części wody zużytej w projektowanym budynku. 

Dodatkowym problemem przy zastosowaniu instalacji dualnych jest brak jednoznacznej terminologii dotyczącej takich rozwiązań technicznych. W przypadku nazewnictwa rodzaju ścieków bazuje się na definicjach zamieszczonych w normie dotyczącej instalacji kanalizacyjnych [9]:

• ścieki szare – ścieki niezawierające fekaliów i moczu, 
• ścieki czarne – ścieki zawierające fekalia i mocz. 

Definicje te nie wyczerpują niestety określeń niezbędnych w instalacjach dualnych. Przykładem może być potoczne stosowanie zamiennego sformułowania dotyczącego ścieków szarych – woda szara. Takie określenie często przytaczane jest w materiałach marketingowych producentów urządzeń do instalacji dualnych lub używane w języku potocznym. 

Pewnym uzasadnieniem może być wierne tłumaczenie tego terminu z języka angielskiego: greywater – woda szara. Należy jednak zauważyć, że także termin ścieki w języku angielskim brzmi wastewater, czyli w wolnym przekładzie woda zużyta. Oczywiście w branży wodociągów i kanalizacji takie tłumaczenie nie wystarcza, a określenie wastewaterdotyczy ścieków gospodarczych czy komunalnych (nie mylić ze ściekami deszczowymi). 

Dodatkowym problemem jest rozróżnienie ścieków szarych dopływających z przyborów sanitarnych, takich jak umywalki, i ścieków szarych oczyszczonych i powtórnie wykorzystywanych w oddzielnej instalacji, doprowadzanych np. do zbiorników płuczek ustępowych. Ten ostatni rodzaj ścieków ma zupełnie inny skład jakościowy (związane jest to z zastosowaniem różnych procesów ich oczyszczania). 

Na potrzeby opisu technologii i rozwiązań technicznych stosowanych w instalacjach dualnych można zastanowić się nad przyjęciem odrębnych terminów dla tych dwóch rodzajów ścieków szarych, a mianowicie:

• ścieki szare – ścieki dopływające do zbiornika retencyjnego przed ich oczyszczeniem,
• woda szara – ścieki szare po procesach ich oczyszczania i dezynfekcji, gotowe do powtórnego wykorzystania w obiekcie budowlanym.

W krajowych przepisach dotyczących instalacji w budynkach brakuje jednoznacznych odwołań do instalacji dualnych. Można jednak interpretować wymagania ogólne dla instalacji wodociągowych i kanalizacyjnych. 

Ważnym odniesieniem dla możliwości i celowości stosowania instalacji dualnych jest norma PN-EN 12056-1:2002 [9], w której sklasyfikowano instalację kanalizacyjną odprowadzającą oddzielnymi układami ścieki szare i ścieki czarne (tzw. system IV). Z norm krajowych należy także wymienić normę PN‑EN 1717:2003 [10] dotyczącą zabezpieczenia instalacji wodociągowych przesyłających wodę pitną przed ryzykiem wtórnego zanieczyszczenia przez przepływ zwrotny. 

W przypadku instalacji dualnych występują co najmniej dwa układy przewodów, którymi są transportowane ścieki szare (woda szara) oraz woda pitna. Trzeba zaznaczyć, że ewentualne połączenia tych układów mogą być realizowane wyłącznie za pośrednictwem przerwy powietrznej (zabezpieczenia z grupy A).

Należy także wspomnieć o rozporządzeniu w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie [11]. W dokumencie tym znajduje się zapis (§126 pkt 3) o możliwości wykorzystywania w budynkach wód opadowych do celów gospodarczych (podlewanie zieleni przydomowej, pranie, spłukiwanie misek ustępowych itp.). Brakuje natomiast zapisu o możliwości powtórnego wykorzystywania do tych celów ścieków szarych. Krajowy stan prawny powinien być w niedalekiej przyszłości zmieniony pod tym względem. 

Problemy techniczne przy stosowaniu instalacji dualnych

W Polsce brakuje jakichkolwiek wytycznych, zaleceń, literatury technicznej czy doświadczeń praktycznych dotyczących projektowania, wykonania i eksploatacji instalacji dualnych wykorzystujących powtórnie ścieki szare. 

Projektanci szukają zatem danych do projektowania tych instalacji w przepisach i wytycznych zagranicznych. Najczęściej wykorzystuje się w tym celu normy brytyjskie dotyczące projektowania i wymagań dla instalacji transportujących ścieki szare [3, 4]. Jednak przyjmowanie zaleceń i wytycznych opracowanych dla innych krajów może być kłopotliwe nie tylko przy projektowaniu, ale także podczas eksploatacji zamontowanej instalacji dualnej w Polsce. 

Należy pamiętać, że normy i wytyczne techniczne innych krajów zostały opracowane przy uwzględnieniu wielu specyficznych kryteriów, takich jak tradycja korzystania z wody, nawyki kulturowe mieszkańców, warunki klimatyczne itd.

Ze względu na specyfikę działania instalacji dualnej bardzo ważnym zagadnieniem jest trwałość ścieków szarych, czyli ich czas zagniwania. Na ten parametr wpływa wiele czynników, takich jak skład (np. rodzaj stosowanych środków powierzchniowo czynnych), temperatura itp. Dane pochodzące z badań przeprowadzonych w innych krajach mogą być niemiarodajne w stosunku do rzeczywistego składu ścieków szarych w Polsce.

W celu oszacowania trwałości ścieków szarych w zależności od źródła ich powstawania przeprowadzono pomiar czasu zagniwania [12]. W tym celu badaniom poddano próbki ścieków szarych z domu jednorodzinnego, które powstały w wyniku użytkowania wanny, prysznica, umywalki i pralki. 

Badania przeprowadzono w dwóch etapach: w pierwszym analizowano czas zagniwania próbek ścieków pochodzących tylko z jednego przyboru sanitarnego, a w drugim poddano analizie mieszaninę ścieków pochodzących z wymienionych przyborów. 

Wybrano do tego typowe kombinacje ścieków, jakie mogą powstać podczas codziennego użytkowania wymienionych przyborów zarówno w gospodarstwie domowym, jak i w budynkach użyteczności publicznej.W tabeli 5 wyszczególniono czasy zagniwania analizowanych próbek i ich mieszanin o podanych proporcjach.

Czas zagniwania ścieków okazał się ściśle zależeć od zawartości substancji biodegradowalnych. Przyczyną różnej trwałości ścieków dla analizowanych próbek pochodzących z tego samego przyboru są używane podczas mycia różne środki chemiczne. Oznaczenia tych wskaźników są bardzo istotne przy określaniu czasu możliwego przetrzymywania ścieków szarych w zbiorniku magazynującym będącym elementem instalacji dualnej. 

Podsumowanie

W artykule przedstawiono wybrane problemy występujące przy projektowaniu instalacji dualnych. Systemy te stają się coraz atrakcyjniejsze z uwagi na możliwość znacznego ograniczenia zużycia wody pitnej dla budynków objętych różnego rodzaju certyfikatami ekologicznymi.

Rozwiązania techniczne umożliwiające oszczędzanie wody i innych mediów dostarczanych do projektowanego budynku są na tyle kosztowne, że często nie mają ekonomicznego uzasadnienia w obliczu prognozowanych oszczędności, a inwestor i projektant kierują się wyłącznie możliwością uzyskania prestiżowego certyfikatu dla swojego budynku.

Przykładem może być sposób obliczania bilansu zapotrzebowania na wodę i udziału w tym bilansie części ścieków szarych wg standardu LEED dla budynku biurowego zlokalizowanego w jednym z dużych miast Polski. Projektant założył, że około 80% pracowników tego budynku będzie dojeżdżać do pracy rowerami (uzyskał w ten sposób dodatkową punktację LEED za zmniejszenie liczby miejsc parkingowych w podziemiach budynku) i po przyjeździe pracownicy ci będą brali prysznic. 

W ten sposób w bilansie uzyskano odpowiednią ilość ścieków szarych, które następnie mogłyby być powtórnie wykorzystane do spłukiwania misek ustępowych. W sezonie letnim (ok. 4–5 miesięcy) rzeczywiście można taką prognozę zrealizować. Problem jednak pojawi się zimą, kiedy podróżowanie pojazdami jednośladowymi w naszej strefie klimatycznej jest utrudnione. 

Literatura

1. BRE Global – Breeam Europe Presentation, BRE Global, 2010 Edition.
2. BREEAM New Construction, Non-Domestic Buildings, Technical Manual SD5073-2.0:2011.
3. BS 8525-1:2010 Greywater Systems – Part 1: Code of Practice.
4. BS 8525-2:2011 Greywater Systems – Part 2: Specification and method of test for treatment equipment.
5. Jackowska B., Certyfikacja DGNB w pigułce, Portal Budownictwa Ekologicznego, www.ecosquad.pl/certyfikacja-dgnb-w-pigu-ce-.html.
6. Juchimiuk J., Certyfikacja ekologiczna BREEAM w warunkach polskich – trzy budynki biurowe Trinity Park III, Crown Square, Katowice Business Point, „Przegląd Budowlany” nr 5/2011.
7. LEED Green Building Rating System For Core & Shell Development Version 2.0, July 2006, www.usgbc.org.
8. Gawroński M., Innowacyjny według certyfikatu BREEAM, www.muratorplus.pl/ technika/zrownowazony-rozwoj/innowacyjny-wedlug-certyfikatu-breeam_79455.html.
9. PN-EN 12056-1:2002 Systemy kanalizacji grawitacyjnej wewnątrz budynku. Cz. 1: Postanowienia ogólne i wymagania.
10. PN-EN 1717:2003 Ochrona przed wtórnym zanieczyszczeniem wody w instalacjach wodociągowych i ogólne wymagania dotyczące urządzeń zapobiegających zanieczyszczeniu przez przepływem zwrotnym.
11. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie 
(DzU nr 75/2002, poz. 690, z późn. zm.).
12. Sobieraj K., Badania wskaźników zanieczyszczeń ścieków szarych pod kątem ich wykorzystania w instalacjach dualnych, praca dyplomowa magisterska, promotorzy: Chudzicki J., Umiejewska K., Wydział Inżynierii Środowiska Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2012.
13. U.S. Green Building Council LEED 2.0 Specifications, July 2012, www.usgbc.org.
14. Ustawa z dnia 16 kwietnia 2004 r. o wyrobach budowlanych (DzU nr 92/2004, poz. 881).
15. Water Use Reduction. Additional Guidance, July 2012, www.usgbc.org.
16. www.ibec.or.jp/CASBEE/english/overviewE.htm.
17. Zrównoważony rozwój. Porównanie najbardziej popularnych systemów certyfikacji energetycznej BREEAM i LEED, Polish Green Bulding Council (PLGBC), www.muratorplus.pl/technika/ zrownowazony-rozwoj/porownanie-najbardziej-popularnych-systemow-certyfikacji-energetycznej-breeam-i-leed_66921.html.