Možnosti využitia odpadového tepla z kanalizácie pre energetické systémy s tepelnými čerpadlami

Článok sa venuje možnostiam využívania odpadového tepla z kanalizácie ako zdroja tepla a chladu pre tepelné čerpadlá. Cieľom je preskúmať technické a environmentálne výhody tejto technológie v porovnaní s tradičnými vykurovacími systémami. Rôzne typy tepelných čerpadiel umožňujú efektívnu konverziu nízkopotenciálneho tepla zo zdrojov ako vzduch, voda a zem, pričom významné možnosti spočívajú práve vo využití stabilného tepla z kanalizácie. Príspevok predstavuje aj výhody kombinácie tepelných čerpadiel s veľkoplošnými vykurovacími a chladiacimi systémami.

Energetická efektívnosť sa v súčasnosti stáva jedným z kľúčových faktorov v moderných stavebných a inžinierskych technológiách. S narastajúcimi nárokmi na znižovanie spotreby energie a ochranu životného prostredia sa čoraz viac hľadajú riešenia, ktoré by umožnili využívať obnoviteľné zdroje a zároveň znižovať náklady na prevádzku. V tejto súvislosti získavajú tepelné čerpadlá stále väčší význam, a to najmä pri využívaní odpadového tepla.

Jedným z inovatívnych spôsobov využitia tepelnej energie je získavanie tepla z kanalizácie. Kanalizačné systémy, bežné v mestských oblastiach, generujú odpadové teplo, ktoré sa dosiaľ využívalo len minimálne. Tento odpadový tepelný potenciál však ponúka veľký priestor na implementáciu systémov tepelných čerpadiel, ktoré umožňujú efektívne využiť odpadové teplo na vykurovanie a chladenie budov.

Takýto prístup nielenže znižuje náklady na energiu, ale prispieva aj k ochrane životného prostredia, pretože na získavanie a distribúciu tepla využíva existujúce infraštruktúry. Cieľom tejto práce je analyzovať možnosti implementácie systémov vykurovania a chladenia, ktoré využívajú tepelné čerpadlá a odpadové teplo z kanalizácie. Budeme sa zaoberať aj teoretickými aspektmi fungovania tepelných čerpadiel či technickými požiadavkami na inštaláciu takýchto systémov.

Princíp a typy tepelných čerpadiel

Tepelné čerpadlá dokážu efektívne transformovať nízkoteplotnú tepelnú energiu z okolitého prostredia (napríklad zo vzduchu, z vody alebo zo zeme) na vyššiu teplotu, ktorá je vhodná na vykurovanie alebo chladenie. Základným princípom ich fungovania je využitie termodynamického cyklu, ktorý zahŕňa procesy ako kompresiu, kondenzáciu, expanziu a absorpciu tepla.

Existujú rôzne typy tepelných čerpadiel, z ktorých najčastejšie sa používajú:

• VZDUCH – VODA: Získava teplo zo vzduchu a následne ho prenáša do vykurovacieho systému budovy.
• VODA – VODA: Získava teplo z podzemných alebo povrchových vôd, čo je obzvlášť výhodné v oblastiach, kde sú dostupné zdroje vody.
• ZEM – VODA: Využíva stabilnú teplotu zeme na vykurovanie alebo chladenie. Toto TČ je efektívne, ale vyžaduje si vyššie počiatočné náklady na inštaláciu.

Teplotný rozdiel medzi vstupným a výstupným médiom v tepelnom čerpadle umožňuje efektívnu výmenu energie, pričom čerpadlá využívajú energiu, ktorá by inak bola stratená alebo nevyužitá.

Na posúdenie účinnosti tepelných čerpadiel sa používajú dva dôležité ukazovatele energetickej účinnosti vykurovacích a chladiacich systémov: výkonové číslo  (ďalej COP, Coefficient of Performance) a výkonové číslo chladenia alebo tiež chladiaci faktor (ďalej EER, Energy Efficiency Ratio).

Sú bezrozmerné a vyjadrujú pomer medzi množstvom tepla alebo chladu odobratým z vnútorného prostredia a elektrickou energiou spotrebovanou na tento výkon v konkrétnom „pracovnom bode“. Napríklad, ak má tepelné čerpadlo COP 4, znamená to, že na každú spotrebovanú jednotku elektrickej energie vyrobí štyri jednotky tepla/chladu.

Čím sú hodnoty COP a EER vyššie, tým je zariadenie v režime vykurovania alebo chladenia účinnejšie a tým sú náklady na spotrebovanú elektrickú energiu nižšie. Dá sa tiež odvodiť, že v danom pracovnom bode platí EER = COP – 1.

Ako príklad možno uviesť tepelné čerpadlo vzduch – voda. Výrobca uvádza účinnosť 20 kW tepelného čerpadla COP = 3,59, ktorá platí pri teplote vonkajšieho vzduchu -5 °C a teplote vykurovacej vody 35 °C. V prípade, že by namiesto vonkajšieho vzduchu bola transformovaná energia z kanalizácie, kde dosahuje teplota priemerne 12 °C, COP toho istého tepelného čerpadla by sa zvýšilo na 5,11 [7].

Tento istý princíp platí aj pri chladení, kde sa v kanalizácii v letných mesiacoch udržiava teplota od 10 do 20 °C. To je pre potreby chladenia výrazný rozdiel v prípade, ak sa v okolí tepelného čerpadla vyskytuje vzduch, ktorý môže mať teplotu aj 30 °C. Ak je jednotka tepelného čerpadla umiestnená na streche objektu, teploty sú ešte ďaleko vyššie, a teda výkonové číslo chladenia EER je nižšie [7, 4]. Pri ohreve teplej vody tepelným čerpadlom je pri vonkajšej teplote -5 °C COP = 2,76 a pri teplote 12 °C je COP = 3,9 [7].

Získavanie odpadového tepla z kanalizácie

Tepelné čerpadlá pracujú na princípe prenášania tepla z jedného prostredia do druhého. Pri využití odpadového tepla z kanalizácie sa čerpadlo zapája do výmenníka tepla, ktorý extrahuje nízkopotenciálnu energiu z odpadovej vody a konvertuje ju na teplo s vyššou teplotou, použiteľné na vykurovanie alebo prípravu teplej vody.

Tento proces je mimoriadne efektívny, keďže teplota odpadovej vody je v porovnaní s inými obnoviteľnými zdrojmi relatívne stabilná počas celého roka. Teplota v kanalizácii sa zvyčajne pohybuje od 10 do 20 °C, pričom v zime neklesne pod 10 °C. Táto stabilita umožňuje efektívne využitie tepelných čerpadiel na vykurovanie aj chladenie budov. Teplota odpadovej vody pritom závisí od viacerých faktorov, ako sú klimatické podmienky, hustota osídlenia a charakter odpadových vôd (domácnosti, priemysel, mestá, obce) [2, 3].

V súčasnosti sú rozšírené dva princípy využívania tepla z vonkajšej kanalizácie: pomocou externého výmenníka tepla a pomocou výmenníka tepla integrovaného do potrubia kanalizácie.

Princípom riešenia s externým výmenníkom tepla je odvádzanie odpadovej vody z kanalizácie do tzv. mokrej studne. Odtiaľ sa môže odpadová voda využiť rôznymi spôsobmi. Samotný proces výmeny tepla neprebieha vnútri kanalizácie, ale mimo nej, a to buď použitím odpadovej vody, spravidla upravenej, v medziokruhu tepelného čerpadla, alebo sa voda čerpá priamo do výparníka tepelného čerpadla.

Výhodou tohto systému je vysoká technická flexibilita, pretože možno použiť štandardné produkty. Faktory ako konštrukcia kanalizačného potrubia, prierez a sklon neovplyvňujú ani neobmedzujú konštrukciu a typ výmenníka tepla. Inštalácia je jednoduchá a prístupná na údržbu a servis. Tento systém je však obmedzený prietokom odpadovej vody, jej teplotou a priestorom dostupným na inštaláciu zariadenia a úpravu a čerpanie odpadovej vody.

Ďalším faktorom je znečistenie, ktoré je pri tomto type systému výzvou. Dá sa tomu však predísť úpravou odpadovej vody pred jej použitím vo výmenníku tepla alebo tepelnom čerpadle. Systém získavania energie z vonkajšej kanalizácie pomocou externého výmenníka tepla je na obr. 2.

Princíp riešenia integrovaného výmenníka tepla v potrubí kanalizácie spočíva v procese výmeny tepla vnútri kanalizácie. Výmenník tepla je inštalovaný buď na dne kanalizačného potrubia a prenáša teplo do medziokruhu tepelného čerpadla, alebo môžu byť kanalizačné potrubia obklopené okruhmi, v ktorých prúdi teplonosná látka a  distribuuje teplo do tepelného čerpadla.

V porovnaní so systémami s externým výmenníkom tepla je výhodou tohto systému nižšia spotreba pomocnej energie. Nevýhodou sú vyššie náklady na inštaláciu, ako aj to, že systém je závislý od konštrukcie a stavu existujúcej kanalizácie. Ďalšími obmedzeniami sú prietok a teplota odpadovej vody. Pri tomto systéme môžu byť aj problémy so znečistením teplovýmennej plochy výmenníka tepla.

Aby sa tomu predišlo, možno implementovať zariadenia na úpravu odpadovej vody pred jej vtekaním do kanalizácie rôznymi filtračnými technikami, resp. použiť špeciálne materiály a štruktúry povrchov výmenníka tepla v kombinácii s optimalizáciou prietokov. Potom sa po určitých prevádzkových obdobiach vykonáva aj čistenie výmenníkov tepla alebo možno zväčšiť plochu výmenníka tepla.

Na obr. 3 je znázornený princíp, ktorý využíva prvky výmenníka tepla inštalované priamo v spodnej časti kanalizačného potrubia. Prvky výmenníka tepla sú vyrobené z nehrdzavejúcej ocele a sú zapojené paralelne alebo sériovo cez medziobvod k tepelnému čerpadlu. To umožňuje flexibilitu systému a možnosť inštalácie do rôznych typov kanalizácií.

Na obr. 4 je príklad využívania integrovaného výmenníka tepla pre systémy potrubí novej kanalizácie. Výmena tepla prebieha cez výmenníky tepla z nehrdzavejúcej ocele v spodnej časti kanalizačného potrubia, ktoré sú priamo pripojené k tepelnému čerpadlu pomocou dvoch potrubí (prívodné a vratné potrubie výmenníka tepla).

Tretie potrubie vedie vratnú teplonosnú látku z tepelného čerpadla do spodnej časti kanalizačného potrubia (obr. 5). Výhodou tohto systému je, že odpadová voda sa nemusí čistiť, pretože sa nepoužíva priamo v tepelnom čerpadle. Tým sa znižujú problémy so znečistením a upchávaním v systéme tepelného čerpadla.

Obmedzenia systému spočívajú v mieste inštalácie, pretože je potrebné integrovať ho do nových kanalizácií. Vhodný je pre spotrebiteľov s potrebou vykurovania od 50 do 4 000 kW na vykurovanie budov, ako sú športoviská, bazény, školy, verejné budovy, obytné budovy, administratívne budovy alebo priemyselné podniky.

Použitie tepelných čerpadiel nie je žiadnou novinkou, ale v spojení s odpadovým teplom prináša množstvo výhod, ako sú:

• zvýšená energetická efektívnosť vďaka stabilnému zdroju tepla,
• redukcia emisií CO₂ a iných skleníkových plynov,
• možnosť integrácie do existujúcej kanalizačnej infraštruktúry, ako aj miestnych čistiarní odpadových vôd,
• stabilita a predvídateľnosť zdroja energie,
• nižšie prevádzkové náklady v porovnaní s tradičnými vykurovacími systémami

Z hľadiska úspory energie, financií a životného prostredia prinášajú spomínané systémy tieto výzvy:

• počiatočné investičné náklady na inštaláciu výmenníkov tepla v kanalizačných systémoch,
• náročnosť integrácie do starších budov a mestských oblastí,
• hygienické a technické normy týkajúce sa práce s odpadovou vodou,
• potreba pravidelnej údržby a monitorovania systémov.

Tepelné čerpadlo využívajúce odpadovú vodu ako zdroj energie vs tradičný výmenník tepla

Mestská odpadová voda, ktorú využíva tepelné čerpadlo, slúži  ako zdroj tepla a chladu pre vnútorné vykurovanie a chladenie. Na správne fungovanie pritom tepelné čerpadlo spotrebováva malé množstvo elektrickej energie. Systém dokáže zabezpečiť vykurovanie aj chladenie, čo znamená jeho dvojité využitie. Moderným podnikom výrazne pomáha znižovať prevádzkové náklady a zároveň predstavuje ekologickejšiu alternatívu v porovnaní s tradičnými systémami využívajúcimi na vykurovanie a chladenie uhlie alebo podzemnú vodu. 

Porovnanie s tepelným čerpadlom využívajúcim vzduch ako zdroj energie

Tepelné čerpadlo využívajúce odpadovú vodu sa vyhýba problémom vzduchových čerpadiel, pri ktorých je nutné odstraňovať v zimných mesiacoch námrazu. Teplota odpadovej vody je počas celého roka relatívne stabilná, čo zabezpečuje spoľahlivejší výkon. Pri bežných podmienkach môže koeficient výkonu COP pri chladení dosiahnuť hodnotu 5 až 6, pričom pri vykurovaní dochádza k výraznej úspore nákladov.

Porovnanie s  tepelným čerpadlom využívajúcim geotermálnu podzemnú vodu ako zdroj energie

Systém využívajúci odpadovú vodu nepotrebuje čerpať podzemnú vodu, čím sa zabraňuje nadmernej spotrebe vodných zdrojov. Nie je potrebné riešiť ani problém dopĺňania podzemnej vody a budovania infraštruktúry na jej čerpanie, čím sa šetria energetické aj materiálové zdroje. Navyše sa predchádza negatívnym vplyvom na podzemné vody z dôvodu nesprávneho dopĺňania.

Porovnanie s elektrickými kotlami a kotlami na pevné palivo

Tepelné čerpadlo využívajúce odpadovú vodu poháňa elektrická energia, no pri výrobe rovnakého množstva tepla a chladu spotrebuje až o 65 % menej elektriny ako elektrický kotol. V porovnaní s kotlami na fosílne palivá dokáže usporiť až polovicu energie. Tradičné kotly produkujú pri spaľovaní paliva veľké množstvo škodlivých plynov a tuhých častíc, čo znečisťuje ovzdušie. Tepelné čerpadlo využívajúce odpadovú vodu však využíva výmenu tepla s odpadovou vodou, takže je oveľa ekologickejšie a energeticky efektívnejšie.

Tepelné čerpadlo v kombinácii s veľkoplošnými systémami vykurovania a chladenia

Kombinácia tepelných čerpadiel s veľkoplošnými vykurovacími a chladiacimi systémami predstavuje vysoko efektívne riešenie pre moderné budovy, priemyselné objekty a rozsiahle infraštruktúrne projekty. Tento koncept je založený na využití nízkoteplotného zdroja energie a rovnomerného rozvodu energie, čím sa zvyšuje energetická účinnosť a komfort užívateľov.

Výhody tejto kombinácie:

• Vysoká účinnosť – tepelné čerpadlá fungujú najefektívnejšie pri nízkoteplotných systémoch, ako sú podlahové, stenové a stropné vykurovanie/chladenie.
• Úspora energie – veľkoplošné systémy dokážu pracovať pri nižších teplotách vykurovacej vody (25 – 40 °C) a vyšších teplotách chladiacej vody (16 – 20 °C), čím sa minimalizuje spotreba energie.
• Zlepšený tepelný komfort – rovnomerné rozloženie teploty v priestore bez prievanu a výrazných teplotných rozdielov.
• Ekologickosť – zníženie emisií CO₂ pri použití obnoviteľných zdrojov tepla (geotermálna energia, odpadová voda, vzduch, podzemná voda).
• Flexibilita – možnosť kombinácie s ďalšími systémami, ako sú solárne kolektory, rekuperačné jednotky či fotovoltické systémy.

Typy veľkoplošných vykurovacích a chladiacich systémov vhodných pre tepelné čerpadlá:

• Podlahové vykurovanie a chladenie – rúrky rozvádzajúce teplo/chlad sú zabudované do podlahy. K výhodám patria vysoká tepelná zotrvačnosť a komfortné sálavé teplo.
• Stenové vykurovanie a chladenie – efektívne riešenie pre nízkoenergetické a pasívne budovy s rovnomerným rozvodom tepla.
• Stropné sálavé panely – vhodné hlavne pre chladenie, keďže chladný strop absorbuje teplo z miestnosti, čím sa vytvára príjemná vnútorná klíma bez pocitu prievanu.
• Betónová aktivácia jadra budovy TABS (Thermally Active Building Systems – tepelné aktívne systémy budov) – systém využíva na stabilizáciu vnútornej teploty tepelnú zotrvačnosť betónových konštrukcií [6].

Zefektívnenie a optimalizácia problematiky pomocou umelej inteligencie

Prístupy, ktoré využívajú analytické, prediktívne a optimalizačné schopnosti umelej inteligencie (ďalej AI), môžu výrazne zefektívniť správu a prevádzku systémov vykurovania, chladenia a získavania odpadového tepla, čím sa znižujú náklady, zlepšuje komfort a zvyšuje energetická efektivita.

Optimalizácia riadenia a distribúcie energie

• Prediktívne modelovanie a optimalizácia: Pomocou strojového učenia a analytických nástrojov môže umelá inteligencia predpovedať na základe historických dát a aktuálnych podmienok (napr. teplota, vlhkosť, počasie) spotrebu energie v reálnom čase. Týmto spôsobom môže optimalizovať distribúciu odpadového tepla a regulovať, kedy a kde ho najúčinnejšie využiť, aby sa minimalizovali straty.
• Riadenie systémov vykurovania a chladenia: Analýza údajov zo snímačov a z iných zariadení v reálnom čase umožňuje inteligentné riadenie rozvodu tepla a chladu v budovách alebo na veľkých plochách, čo zabezpečuje maximálnu efektivitu. To môže zahŕňať dynamické prispôsobenie teploty a prevádzkových podmienok podľa aktuálnych potrieb a požiadaviek. 

Prediktívna údržba a diagnostika systémov

• Detekcia anomálií a porúch: AI môže monitorovať údaje z rôznych snímačov v systémoch vykurovania a chladenia (napríklad tlak, teplota, prietok) a identifikovať odchýlky od normálnych hodnôt, ktoré by mohli signalizovať poruchy alebo neefektívne fungovanie. Predpovedanie týchto problémov skôr, než nastanú, pomáha znižovať prestoje a zvyšovať životnosť zariadení.
• Údržba na základe stavu: Včasné zistenie potreby údržby alebo výmeny komponentov na základe analýzy stavu systémov (namiesto pravidelných intervalov) minimalizuje náklady a optimalizuje prevádzkovú efektivitu. 

Dizajn a simulácie systémov

• Simulácie a modelovanie: AI má schopnosť vytvárať a simulovať rôzne scenáre využitia odpadového tepla v rôznych prostrediach (napríklad priemyselné, mestské oblasti, budovy). Pomocou nich možno navrhnúť a testovať najefektívnejšie riešenia ešte pred ich implementáciou, čo vedie k nižším nákladom a lepším výsledkom.
• Energetické modely: Vytváranie modelov pre návrh systémov vykurovania a chladenia, ktoré sú schopné integrovať obnoviteľné zdroje energie a odpadové teplo, zvyšuje ich energetickú účinnosť. 

Optimalizácia prevádzkových nákladov

• Zníženie spotreby energie: Na základe analýzy spotreby energie sa dajú identifikovať oblasti, kde možno znížiť náklady na energiu – či už optimalizovaním spôsobu výroby a distribúcie tepla, alebo navrhovaním úspor v správe budov.
• Porovnávanie alternatívnych technológií: Analýza rôznych možností na získavanie a distribúciu odpadového tepla a porovnávanie ich efektivity a nákladov umožňuje vybrať najlepšie technologické riešenie na konkrétny problém. 

Integrácia s inými systémami

• Synergie s obnoviteľnými zdrojmi energie: Možnosť integrácie systémov odpadového tepla s obnoviteľnými zdrojmi, ako sú solárne panely alebo fotovoltika.
• Smart mestá a infraštruktúra: Možnosť koordinácie rôznych zložiek mestských energetických systémov (teplo, chladenie, osvetlenie, doprava) na zníženie strát a maximalizovanie energetickej efektivity.

Záver

Využitie tepelných čerpadiel v kombinácii s odpadovým teplom z kanalizácie predstavuje efektívne a ekologické riešenie vykurovania a chladenia budov. Táto technológia umožňuje využitie stabilného a často nevyužitého zdroja energie, čím znižuje spotrebu primárnych energií a minimalizuje negatívny vplyv na životné prostredie.

Porovnanie so vzduchovými, geotermálnymi a tradičnými vykurovacími systémami ukazuje, že tento prístup je nielen energeticky efektívny, ale aj ekonomicky výhodný. Kombinácia tepelných čerpadiel s veľkoplošnými vykurovacími a chladiacimi systémami ešte viac zvyšuje účinnosť a zlepšuje tepelný komfort v budovách.

Napriek určitým výzvam, ako sú počiatočné investičné náklady a technické požiadavky na integráciu, výhody tohto riešenia prevažujú. Implementácia týchto systémov do existujúcej infraštruktúry predstavuje významný krok k udržateľnejšiemu a energeticky efektívnejšiemu hospodáreniu s teplom v mestskom prostredí.

Prácu podporilo Ministerstvo školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky prostredníctvom grantu VEGA 1/0118/23.

TEXT: Ing. Branislav Kožák, doc. Ing. Daniela Koudelková, PhD., Katedra technických zariadení budov na SvF STU v Bratislave

Článok bol uverejnený v časopise TZB Haustechnik 4/2025.