Ресурсосбережение в системах водоснабжения и водоотведения

А. Л. Наумов, ООО «НПО ТЕРМЭК»

М. М. Бродач, профессор МАрхИ

Для повышения энергоэффективности зданий и сооружений за последние годы в России удалось внедрить достаточно много инновационных технологий в области усиления теплозащиты оболочки зданий, повышения эффективности систем отопления, вентиляции, кондиционирования воздуха, электропотребления. Сфера горячего водоснабжения (ГВС), пожалуй, наиболее консервативная в части энергосбережения среди прочих инженерных систем, хотя в структуре теплопотребления жилых и общественных зданий горячее водоснабжение занимает значительное место (до 50% – в жилых зданиях, до 15–20% – в общественных).

Конкурс «Зеленое Строительство»

Вода для жизни

Россия является одним из лидеров по запасу водных ресурсов (только озеро Байкал объемом 23 тыс. км³ составляет 20% мировых ресурсов пресной воды), однако в стране большое количество регионов с дефицитом воды: прикаспийские территории, Северный Кавказ, отдельные регионы Урала, Алтая, Нечерноземья. Распределение доступных водных ресурсов для хозяйственной деятельности в стране характеризуется значительной неравномерностью. Так, материковые стоки пресной воды, выносимые в Северный Ледовитый и Тихий океаны, составляют более 90%, а на долю бассейнов Каспийского и Азовского морей, где проживает 80% населения, приходится менее 9% стоков рек. Волжский бассейн испытывает большую техногенную нагрузку. Из-за 18%-ного водозабора на хозяйственную деятельность естественный годовой сток Волги сократился более, чем на 10%. Еще хуже ситуация обстоит в бассейнах Дона, Кубани, Терека, Урала, где водозабор достигает 30–40% ресурса рек.

Но даже в благополучных регионах наметилась тенденция прогрессирующего роста цен как на саму воду, так и на тепловую энергию для ее подогрева. На рис. 1 приведена динамика роста тарифов на холодную и горячую воду на примере г. Москвы.

Рисунок 1. Рост тарифов на холодную и горячую воду в Москве

За три последних года цена на эти ресурсы удвоилась.

Среди технически развитых стран мы являемся рекордсменами по душевому водопотреблению (рис. 2).

Рисунок 2. Расход холодной воды на 1 жителя в сутки и ее стоимость

Уже сейчас цена за 1 м³ воды в нашей стране достигла $0,8 (Москва) в то время, как еще 10 лет назад она составляла $0,1.

По оптимистичным оценкам, полезное водопотребление в наших домохозяйствах составляет 75%, на утечки приходится 7%, а на нерациональное водопользование – 18% (рис. 3).

Рисунок 3. Структура водопотребления

Вместе с тем активный переход жителей на приборный учет потребления воды показал снижение фактического водопотребления по отношению к расчетному в 1,5–2 раза. Что в этом показателе относится к «бережливости» жителей, а что к «припискам» водоснабжающих организаций, судить трудно. По данным руководства Мосводоканала, за последние два года средняя температура канализационных стоков в Москве повысилась на 1,5–2 °C, что по их мнению свидетельствует о повышении «бережливости» жителей.

Температура канализационных стоков формируется смешением горячей воды (норматив +65 °C) и холодной воды (5–7 °C зимой и 12–15 °C летом). Если основываться на этих данных, то среднее соотношение потребляемой горячей и холодной воды в стоках составляет соответственно 40–45% и 55–60%.

Это соотношение достаточно приближенное, т.к. не учитывает ряд факторов, таких как подогрев холодной воды в стиральных машинах, специфику водопотребления производственных и коммунальных предприятий. Тем не менее оно дает представление о соотношении расходов холодной и горячей воды.

В работе [9] приводится усредненное соотношение водопотребления в российском домохозяйстве (рис. 4).

Рисунок 4. Структура водопотребления российского домохозяйства

Анализ водоразбора по отдельным потребителям (рис. 4) показывает близкое соотношение стоков горячей и холодной воды – 42% и 58% соответственно.

Рисунок 5. Характер суточного водопотребления в расчете на одного жителя

Динамика режимов водопотребления в жилых и общественных зданиях характеризуется резко выраженной неравномерностью в течение суток, которая в свою очередь зависит от числа потребителей, объединенных общей сетью.

На рис. 5 показан примерный суточный график водопотребления для 10 и 100 водоразборных точек. Обе кривые имеют утренний и вечерний максимумы. Увеличение числа потребителей сглаживает график водопотребления от случайных характеристик к вероятностному распределению.

Рациональное водопользование

В стандарте СТО НОСТРОЙ 2.35.4–2011 «“Зеленое строительство”. Здания жилые и общественные. Рейтинговая система оценки устойчивости среды обитания» особое внимание уделено экономии ресурсов в системах горячего и холодного водоснабжения. В категории «Рациональное водопользование» содержатся критерии, оценивающие водосбережение, заложенное в проекте здания. Например, критерий «водосберегающая арматура» имеет уже сегодня реализованные энерго- и ресурсосберегающие решения в системах горячего и холодного водоснабжения. К ним можно отнести:

• меры по сокращению водопотребления за счет установки счетчиков воды, контроля давления перед водоразборной арматурой, применения водосберегающей арматуры, устранения утечек;
• меры по сокращению энергопотребления в ГВС за счет использования систем солнечных коллекторов для горячего водоснабжения в южных регионах.

Критерий «Утилизация стоков» пока не имеет в России решений широкого применения. Однако «серые» стоки являются большим потенциальным источником сбережения воды и энергии. Под «серыми» стоками принято понимать стоки от умывальников, ванных, душей. К мероприятиям по их использованию относятся:

• теплонасосные системы утилизации тепла для систем ГВС, которые, к сожалению, не получили распространения в нашей стране по экономическим соображениям;
• кожухотрубные теплообменники для утилизации теплоты канализационных стоков. Попытки использовать такие решения оказались неудачными из-за их быстрого загрязнения;
• системы очистки «серых» стоков для повторного использования в качестве технической воды для смыва унитазов, мойки автомобилей, мойки тротуаров, полива зеленых насаждений. Такие системы в последние годы получили широкое распространение за рубежом.

Иногда к «серым» стокам причисляют стоки от стиральных и посудомоечных машин, моек. В первой группе «серых» стоков уровень загрязнения сравнительно не велик и определяется, помимо бытовых загрязнений, слабой концентрацией мыла, шампуней, гелей для душа. Очистка «серых» стоков первой группы достаточно хорошо отработана и не требует больших затрат. Вторая группа «серых» стоков требует более сложных технологий чистки и фильтрации, т.к. содержит большое количество органических отходов (мойки и посудомоечные машины) и ПАВ (поверхностно активные вещества) стиральных порошков и эмульсий. Включение в состав утилизируемых «серых» стоков тех или иных компонентов определяется технико-экономическим обоснованием (располагаемые водные ресурсы, их стоимость, стоимость технологий очистки). В большинстве регионов экономически целесообразна утилизация «серых» стоков первой группы.

Утилизация теплоты «серых» стоков

Вопросы утилизации теплоты «серых» стоков относятся к классу задач теплообмена через стенку в системе «вода – вода». Аналогом этой задачи могут служить исследования процессов теплопередачи в емкостных аккумуляторах горячей воды с трубчатыми теплообменниками. Такое оборудование выпускается рядом предприятий и в расчетах используются экспериментально установленные коэффициенты теплопередачи.

Для расчетов теплообмена в баках-аккумуляторах горячей воды используют значения коэффициентов теплопередачи для теплообменников из стальных труб – 290 Вт/м²·°C и для медных или латунных – 350 Вт/м²·°C. Эти сравнительно низкие значения коэффициентов теплопередачи приводят к необходимости развивать поверхность теплообмена и увеличивать массогабаритные характеристики аппаратов.

В рамках научно-исследовательской работы, выполняемой по заказу Минобрнауки РФ, ООО «НПО ТЕРМЭК» разработаны технические решения энергосберегающей системы горячего водоснабжения (ЭСГВ). Канализация осуществляется самотечной последовательно от всех приборов и централизованно выводится в систему наружной канализации. На рис. 6 приведена принципиальная схема ЭСГВ индивидуального дома.

Рисунок 6. Принципиальная схема ЭСГВ индивидуального дома (вариант 1) УН – унитаз; СМ – стиральная машина; М – мойка; У – умывальник; Д – душ (ванная)

Схемное решение предполагает разделение стоков. Стоки фекальные объединяют унитаз, стиральную машину и мойку. «Серые» стоки – умывальник и душ (ванну). Такое деление обусловлено следующими соображениями:

• стоки от умывальника и душа имеют незначительные загрязнения и могут быть очищены до качества технической воды сравнительно простыми устройствами очистки (промывной фильтр с песчаной и угольной насадкой);
• объем стоков от умывальника и душа практически соответствуют потребности в воде смывных бачков унитазов (превышение объема стоков на 10–15% над расходом воды для унитазов);
• теплосодержание «серых» стоков соответствует возможности утилизации теплоты для нагрева горячей воды на 25–30%.

Принцип работы ЭСГВ состоит в утилизации теплоты «серых» стоков для нагрева холод-ной воды в теплообменнике первой ступени и повторного использования «серых» стоков для водоснабжения смывных бачков.

Стоки от душа и умывальника поступают в теплоизолированный контейнер, проходя предварительную очистку в фильтре 1, улавливающем все механические примеси. В контейнере размещен змеевик теплообменника, по которому поступает холодная вода для подогрева первой ступени ГВС, далее она догревается до 50–65 °C в теплообменнике второго подогрева в индивидуальном тепловом пункте (ИТП).

Под змеевиком теплообменника располагаются барботажные трубки, через которые в «серые» стоки поступают мелки пузырьки воздуха (0,1–0,5 мм).

Система барботажа выполняет три функции:

• аэрации и флотации «серых» стоков с поглощением загрязняющих веществ;
• предотвращения осаждения на змеевике теплообменника механических загрязнений;
• обеспечение циркуляции воды в межтрубном пространстве теплообменника для интенсификации процесса теплопередачи.

Недостатком использования скоростных теплообменников (кожухотрубных, пластинчатых) для утилизации теплоты «серых» стоков является их быстрое засорение и загрязнение. Это связано не только с трудностями технологической очистки, но и с нестационарностью процессов водоотведения, когда периодически скорость движения жидкости падает до нуля и происходит осаждение частиц. Кроме того, характер циркуляции жидкости в межтрубном пространстве кожухотрубных теплообменников предполагает изменение скорости локальных течений, отличающихся в 3–5 раз.

Из контейнера загрязненная часть «серых» стоков отводится в канализацию, а очищенные через бактерицидный фильтр поступают в смывные бачки унитазов. Контейнер снабжается вентиляционной трубой, отводящей загрязненный воздух за пределы здания.

Глубина очистки «серых» стоков определяется технико-экономическими критериями, главным образом, стоимостью воды и очистных систем.

В зарубежной практике в состав утилизируемых «серых» стоков в ряде случае включают стоки от мойки и от стиральных машин. Эти два источника существенно повышают нагрузку на очистные устройства, т.к. содержат достаточно большой объем органических соединений и моющих веществ, включая поверхностно активные вещества (ПАВ).

На рис. 7 приведена принципиальная схема энергосберегающей системы горячего водоснабжения с включением в «серые» стоки стоков от мойки и стиральной машины.

Рисунок 7. Принципиальная схема ЭСГВ индивидуального дома (вариант 2) УН – унитаз; СМ – стиральная машина; М – мойка; У – умывальник; Д – душ (ванная)

Принцип работы схемы такой же, как и в первом случае. На потенциал утилизации тепла включение этих стоков существенного влияния не оказывает, т.к. средняя температура стоков от стиральной машины 35–40 °C, от мойки – 20–25 °C.

Надо отметить, что в этом случае объем очищаемых «серых» стоков примерно на 60–80% больше, чем в первом случае. Это намного больше потребности в водоснабжении унитазов. В данном случае техническая воды может быть дополнительно направлена на уборку территории, полив зеленых насаждений или на автомобильную мойку.

Выводы

Природная вода является необходимым условием обеспечения комфорта среды обитания человека, а также стратегическим национальным продуктом, принадлежащим не только настоящим, но и будущим поколениям. Для сохранения, защиты и эффективного использования природной воды необходимо быстро разработать соответствующую национальную систему нормативного обеспечения, технических рекомендаций по проектированию сберегающих систем водоснабжения и водоотведения, а также разработать пособие по проектированию зданий с эффективным водопользованием, имея ввиду конечную цель – здание с нулевым потреблением воды. Важнейшим представляется строительство демонстрационных объектов с эффективным водопользованием и с нулевым потреблением воды.

Литература

1. СТО НОСТРОЙ 2.35.4–2011 «”Зеленое строительство”. Здания жилые и общественные. Рейтинговая система оценки устойчивости среды обитания».
2. Ю.А. Табунщиков, А. Л. Наумов, Ю.В. Миллер. Критерии энергоэффективности в «зеленом» строительстве // Энергосбережение. 2012. № 1.
3. Ю.А. Табунщиков, В.В. Гранев, А. Л. Наумов, Р.С. Акиев. Национальная рейтинговая система оценки качества здания // AВОК. 2011. № 3.
4. Табунщиков Ю.А., Гранев В.В., Наумов А.Л. Рейтинговая система оценки качества зданий // АВОК. 2010. № 6.
5. М. М. Бродач. От водосбережения к зданию с нулевым водопотреблением // Сантехника. 2010. № 6.
6. М. М. Бродач. Зеленое водоснабжение и водоотведение // Сантехника. 2009. № 4.
7. М. М. Бродач. Вода – источник жизни и движущая сила для устойчивого развития // Сантехника. 2009. № 5.
8. Ю.А. Табунщиков. «Зеленые здания» – нужны ли архитектору и инженеру новые знания // AВОК. 2009. № 7.
9. М. М. Бродач. Водоснабжение жилых зданий – проблема учета и расчетов // Сантехника. 2004. № 1.