Почему бы не использовать тепло от сточных вод?

21 января 2013 в 15:00

Системы водоснабжения крупных городов напоминают не просто топку печки ассигнациями, а такую топку печки ассигнациями, которую сопровождают настежь открытые окна и двери — причём в двадцатиградусный мороз. В самом деле, в то время как сточные воды из сотен миллионов душевых кабин и ванн по всему миру имеют относительно высокую температуру и даже при минус двадцати на поверхности сохраняют после длительного пребывания в трубе температуру не ниже 14–15 ˚С, холодная вода из городской системы водоснабжения с огромными энергозатратами подогревается, перед тем как попасть в кран в виде воды горячей.

Согласно одной из оценок этого расточительства, в США ежегодно не менее 350 млрд кВт ч — более 1 000 киловатт-часов на душу населения — в прямом смысле сливается в канализацию. Именно столько энергии было потрачено на подогрев воды до того, как она вытекла из американских домохозяйств в виде сточных вод. 

Как бороться проблемой? А вот как. Средняя температура стоков равна 15,6 ˚C. Насосы, по устройству сходные с тепловыми, которые работают на отопление домов, используют эту воду для нагрева (с небольшими дополнительными энергозатратами) воды, поступающей в домохозяйства. Речь идёт о замкнутых контурах, поэтому перемешивание стоков с питьевой водой невозможно. В отличие от геотермального теплового насоса, требующего бурения на значительную глубину, а затем и закачки/подъёма воды (что также забирает энергию), этому теплонасосу не нужен вертикальный перенос жидкости: трубы с вытекающей и втекающей в дом водой находятся очень близко. Поэтому на один киловатт-час, потраченный на работу насоса, приходится шесть и более киловатт-часов сбережённого тепла. Отметим, что в случае обычного теплового насоса эта цифра редко бывает выше трёх-четырёх киловатт-часов.

Оборотной стороной работы такого насоса может быть не только подогрев воды в кранах. Насос может греть воду в радиаторах отопления, а летом, напротив, охлаждать воздух в помещении при помощи «охлаждающих балок» у потолка или тех же радиаторов отопления (хотя в последнем случае эффективность охлаждения воздуха будет ниже).

Первая крупномасштабная система такого рода в Северной Америке действует в Ванкувере (Канада), где она обеспечивает 70% теплоэнергетических нужд так называемой Олимпийской деревни, которая после проведения памятных нам игр стала приличным пригородом. Её выводные трубы, кстати, не слишком портят вид района.

В Японии (Токио) и Норвегии (Осло) всё это давно уже обыденность. А в мае этого года новинка добралась и до США: в Чикаго заработала система, созданная специалистами Чикагского университета. Городу она обошлась в $175 тыс., а окупится через три года. Установка работает с водой на городской станции водоочистки, направляя получаемую из сточных потоков тепловую энергию на нужды самой станции (затраты на подогрев воды снизились в итоге на 50%), что позволило выполнить систему весьма компактной.

С другой стороны, пока такое решение не приносит энергетических выгод непосредственным домовладельцам. Система использует лишь 2% тепловой энергии стоков, поскольку многое рассеивается в трубах, не успевая дойти до центров очистки. Чтобы повысить эффективность тепловых насосов, работающих от сточных вод, подобные установки нужно интегрировать в каждое крупное здание.

Ещё один вариант локальной системы разрабатывает Линн Мюллер (Lynn Mueller), глава канадской компании International Wastewater Heat Exchange Systems. Локальность позволяет перехватывает сточные воды ещё до того, как они выходят из здания, пока их температура не опустилась ниже 21 ˚С, что резко увеличивает эффективность теплового насоса. Дома, утеплённые вполне стандартно для севера США (150 мм минваты), сократили своё общее теплопотребление на 40–45% — почти вдвое, так как в нормальном жилом доме примерно половина энергии уходит на нагрев воды для бытовых нужд, а не на отопление:

Компания думает о дальнейшей коммерциализации таких систем для отдельно стоящих жилых домов, добиваясь от установки большей компактности и минимизируя её стоимость. Будем оптимистами и мы: судя по темпам внедрения иных энергосберегающих мер, общепринятых в западном мире, наше поколение ещё вполне может увидеть появление первых устройств такого рода и в Украине.