Hur påverkas central värmeutvinning ur avloppsvatten av decentraliserade anläggningar? En modellstudie från bostadsområden i Österrike visar på risker för suboptimering.
Av: Jörgen Hanaeus
I den urbana vattencykeln finns olika möjligheter att utvinna energi, såsom rörelseenergi, kemisk energi och värme. Här fokuseras på avloppsnätet.Värme kan utvinnas med värmeväxlare; nära källan som i dusch- och badrum eller centralt som vid ett avloppsverk.
Ett modellbostadsområde konstruerades och beräknades utifrån litteraturdata och antaganden om temperatur och flöden. Ett torrvädersflöde om minst 15 L/s (5 000-10 000 pe) ansågs nödvändigt för lönsamhet i en central återvinning.
Mätningar av flöde och temperatur i ett område med 10 000 personer anslutna fick också ge indata till modellen. Om alla våtrum i området utrustades med värmeåtervinning skulle en centraliserad återvinning tappa 40 % av maximal kapacitet.
Bakgrund
Inom EU är energiutnyttjandet ca 40 MWh per person och år, varav 20 % är hushållsanvändande.
För den urbana vattencykeln behövs energi till exploatering, vattenutvinning, transport, uppvärmning och vattenbehandling. För driftändamål bedöms 220-260 kWh/pe,år åtgå, men avvikelser (minst upp till 700 kWh/pe,år) förekommer. Viktiga faktorer är pumpning contra självfall, ev avsaltning, nivå på avloppsvattenbehandlingen.
För centrala system åtgår (exkl värme) 0,5-2 % av det totala energibehovet per person till systemdriften. För vattenuppvärmning är siffran 5-10 % och denna värmeenergi hamnar nästan uteslutande i avloppsnätet. Återvinning av värme är därför möjlig och kan göras decentraliserat, på bostads- eller kvartersnivå, eller centralt vid avloppsverk. Vanligen används värmeväxlare, ibland värmepump. Vid avloppsverk måste beaktas att den biologiska reningen är temperaturkänslig.
Ofta finns en temperaturskillnad mellan jord-, ledningsluft- och avloppsvattentemperatur i nätet vilket ger en varierande vattentemperatur längs transporten. Särskilt för kombinerade system blir variationerna i flöde och temperatur stora.
Val av lokalisering av värmeåterföringsteknik blir viktigt då pay back-tiden ofta handlar om en dekad eller mer. Det innebär att förändringar längs nätet är fullt möjliga. Artikeln fokuserar på alternativen värmeåtervinning på hushållsnivå resp vid avloppsverk.
Mätningar och beräkningar
För lönsamhet i ett centralt system bedömdes ett avloppsvattenflöde i torrväder behöva vara >15 L/s, vilket svarar mot 5 000-10 000 anslutna personer. En viktig faktor blir också var återvunnen värme ska användas – avstånd och villkor i mängd och tid. Bildad biofilm är också en viktig driftfaktor.
Avloppsvattenproduktionen utgår här från vattenanvändningsdata på hushållsnivå som presenteras i tabellform. För varje användning antas normalfördelning av temperatur, och medelvärde samt standardavvikelse ges. Avsikten är att få en god representation av antal anslutna i block om 1 000 personer. Varmvatten bedöms följa en 24 h-puls och en fördelningskurva över dygnet är antagen. Vattenanvändning i handel, industri eller förvaltningar har undantagits i modellen.
Från litteraturdata hämtades inomhus temperaturförluster för använt vatten vara mellan 2 och 7 °C. Modellen TEMPEST (2014) användes för beräkningar av temperaturförluster längs avloppsnätet. Ett nätunderlag hämtades från ett verkligt område i Österrike men förenklades till att omfatta huvudledningar och bostadsområden. Ledningslängd 3 km med diameter 0,8 m och medellutning 1 ‰. Regionala temperaturvärden på aktuellt ledningsdjup var 12 °C i jord och grundvatten. Flödesmätare med 1 minuts upplösning installerades. Lufttemperatur under mätperioden, som omfattade 10 dagar med torrväder, var 12 °C.
Resultat
Tio modellkörningar genomfördes och resultat för 1 000, 5 000 och 10 000 personer presenteras i termer av avloppsvattenflöde och avloppsvattentemperatur med variationer.
Tidssteg för beräkningarna var 6 minuter.
En lärdom var att variationerna minskade med antalet anslutna; temperaturvariationen för 1 000 anslutna var upp till 4 °C medan den för 10 000 anslutna stannade vid 1 °C.
Beräknade och uppmätta data jämfördes så och den uppmätta variationen blev högre. Verksamheter utöver hushållen fanns och kunde utgöra en förklaring, liksom den förenklat antagna anslutningen längs nätet. Dock var flödesbestämningen god.
Därefter modellräknades med olika andelar teknik-decentraliserade hushåll längs nätet (i 20 %-steg). Utan sådana, 0 %, bedömdes en temperaturskillnad på 3,2 °C finnas för central återvinning (12 °C ansågs behövligt vid avloppsverket). Om den decentraliserade utvinningen tillämpas fullt ut minskas 3,2 °C till 1,9 °C för den centrala utvinningen. Ett centralt system kan med aktuellt flöde utvinna 370 kW medan ett med decentraliserad teknik ger 220 kW – ett 40 %-igt tapp för det centrala systemet alltså.
Slutsatser
Temperaturförhållandena i avloppssystem kan ändras påtagligt i längre perspektiv (10 år, 20 år…) till följd av utvecklad värmeåtervinningsteknik på hushållsnivå. Det är därför klokt att göra en prognos, om införandet av ett centralt återvinningssystem planeras, då pay back-tiden är på dekadnivå.
Källa: Sitzenfrei, R., Hillebrand, S. & Rauch, W. (2017): Investigating the interactions of decentralized and centralized wastewater heat recovery systems. Water Science & Technology 75.5 pp 1243-1250.
Författarna från:
Unit of Environmental Engineering, University of Innsbruck, Technikerstrasse 13, 6020 Innsbruck, Austria
Kontakt: robert.sitzenfrei@uibk.ac.at
