ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩАЯ ТЕХНОЛОГИЯ ВОДООТВЕДЕНИЯ ДЛЯ РАЙОНОВ АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ

В. П. Харитонов, профессор, доктор техн. наук (Москва), независимый эксперт

Cегодня в освоенных зонах Арктики существует много проблем. Например, Мурманск остается одним из немногих городов в России, где ежедневно десятки тысяч кубометров сточных вод сбрасываются в Кольский залив без очистных сооружений [7]. В пригородных поселках приемниками сточных вод служат ручьи или самотечные сети, также впадающие в Кольский залив. В 2021 году подготовлена проектно-сметная документация на строительство первой очереди очистных сооружений, весь проект обойдется в 20 млрд руб. [6].

Компактные блочно-модульные станции очистки хозяйственно-бытовых сточных вод

Проблемы экологии, связанные с водоотведением, особенно остры при строительстве крупных автономных объектов, которые будут возводить уже в ближайшее время на побережье семи северных морей, омывающих берега России, на архипелагах и островах Северного Ледовитого океана и в зонах вечномерзлых грунтов Дальнего Востока и Крайнего Севера. Поэтому представляется своевременным налаживание в стране производства компактных блочно-модульных станций очистки хозяйственно-бытовых сточных вод производительностью от 10 м³/ч. Очищенные в такой установке сточные воды можно в соответствии с правилами СНиП и СанПин отводить в открытые водоемы, реки, озера и моря. Однако при низких температурах и вечномерзлых грунтах это остается трудоемкой и энергозатратной технологией водоотведения [5].

Ситуация с водоотведением и проблемами экологии еще более усложняется в зонах вечномерзлых грунтов с промерзаемыми водоемами и водотоками, являющимися приемниками сточных вод, или при отсутствии приемлемых приемников на доступном расстоянии от объекта строительства.

Теплота сточных вод и тепловое загрязнение окружающей среды

Попробуем сравнить величину теплопотерь здания от выпуска сточных вод с величиной тепловой экологической нагрузки на окружающую среду от сточных вод. Кто-то спросит: «Разве это не одно и то же?» В вопросе кроется некий подвох, скрытая опасность ошибиться.

Мы абсолютно убеждены в законах сохранения: «...Все перемены, в натуре случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего у одного тела отнимется, столько присовокупится к другому...» — так говорил М. В. Ломоносов в «Размышлениях о причине теплоты и холода» в 1744 году. Применительно к экологическим проблемам в Арктике это, в частности, означает, что вся энергия, поступающая в здание и выделяемая внутри него от сгорания топлива, от потребляемой электроэнергии, от людей и животных, в полной мере передается в окружающую среду и порой негативно влияет на нее. Свою лепту в тепловой баланс здания вносит и вода.

Таблица Теплофизические свойства воды и льда

Расчет теплопотерь со сточными водами
Сложившаяся практика расчета теплопотерь со сточными водами предельно проста: вода поступает в здание, например, с температурой 7 °С, а сточные воды в том же количестве покидают здание после очистки с температурой, например, 20 °С. Теплоемкость воды в этом диапазоне температур практически постоянна. Достаточно умножить расход воды на теплоемкость и разность температур, чтобы получить величину теплопотерь здания со сточными водами. Например, теплопотери здания при отводе из него 1 л воды составят:

Q₁ = G • C_воды • ΔT = 1 • 4,2 • (20 – 7) = 54,6 кДж.

При системе очистки воды производительностью 10 т в сутки мощность теплопотерь здания от сброса стоков составит 6,3 кВт.

А теперь главная интрига: равна ли эта величина теплопотерь тепловой экологической нагрузке на окружающую среду? Правильно ли мы понимаем и применяем закон сохранения энергии? Насколько правильно мы подсчитываем экологическую нагрузку для зоны вечномерзлых грунтов? Например, в тех случаях, когда место выпуска очищенных сточных вод представляет собой промороженный ландшафт?
Оценим ориентировочно масштаб проблемы для этой ситуации. Допустим, температура наружного воздуха в месте выпуска очищенных сточных вод равна –10 °С. Тогда каждый литр сточной воды, сливаемой на промерзший грунт, ледяной или снежный покров, охладится сначала от 20 до 0 °С, отдавая тепло окружающей среде, затем произойдет замораживание этой воды со значительно большим теплоотводом, и, наконец, новый лед охладится до температуры окружающей среды, отдавая последнее «излишнее» тепло.

Влияние на окружающую среду теплоты сточных вод
Теплота фазового перехода первого рода (теплота льдообразования): q = 330 кДж/кг. Теплоемкость льда примерно в 2 раза меньше теплоемкости воды ( см. табл.), а теплота льдообразования столь велика, что тепла, отводимого при замораживании 1 л воды, достаточно для нагревания 1 л воды комнатной температуры до температуры кипения или для нагревания на 10° приблизительно 30 м³ воздуха.
Экологическая тепловая нагрузка на окружающую среду от 1 л воды, вылитой на промерзший грунт, составит:

что почти в 8 раз превышает теплопотери здания от сброса 1 кг сточных вод. При этих температурных условиях экологическая нагрузка от работы системы очистки производительностью 10 т в сутки будет эквивалентна тепловым выбросам мощностью 50,2 кВт. Отсюда вытекают два вывода:

1. Влияние сброса сточных вод на экологию районов с низкими отрицательными температурами наружного воздуха более значимо, чем может показаться.
2. Рекуперация тепла сточных вод представляет собой эффективный способ энергосбережения (если, конечно, умудриться использовать это тепло в добрых целях, например для отопления здания).
   Таким образом, тепловая нагрузка на окружающую среду будет существенно (почти на порядок) превышать теплопотери здания от сточных вод.

Эффективность рекуперации тепла без изменения агрегатного состояния существенно ниже. Например, в статье [4] о рекуперации тепла сточных вод для нагревания воды в системах теплоснабжения здания с 58 до 88 °С с применением двухступенчатых тепловых насосов утилизируемым источником тепла являются сточные воды, которые подвергают охлаждению в испарителе на 6 °С (с 16 до 10 °С). В [4] дано описание устройства рекуперации тепла хозяйственно-бытовых сточных вод здания, содержащего двухступенчатую холодильную установку с компрессорно-конденсаторным блоком и испарительным блоком. При этом удельный теплосъем при охлаждении сточных вод составил 25,2 кДж на 1 л сточных вод.
Однако рекуперация низкопотенциального тепла в Арктической зоне с использованием теплоты фазового перехода позволяет получить удельный теплосъем (с 1 кг воды) примерно в 17 раз (!) выше.

Энергосберегающая технология водоотведения

Рассмотренная далее новая технология водоотведения является энергосберегающей [3] с рекуперацией тепла очищенных сточных вод.

На выпускном трубопроводе системы очистки предлагается применить двухблочную льдогенераторную установку. Первый из двух блоков – испарительный – является льдогенератором блочного, гранулированного или чешуйчатого льда, а второй блок представляет собой компрессорно-конденсаторный агрегат воздушного охлаждения.

Рис. Схема водоотведения с рекуперацией тепла очищенных сточных вод.

Первый блок 4 (см. рис.) размещен в помещении 1 системы очистки и подключен к выпускному трубопроводу блочно-модульной установки 3 очистки хозяйственно-бытовых сточных вод. Трубопроводная линия 12 служит для байпасирования испарительного блока 4 в летний период года при положительных температурах наружного воздуха. В помещении 1 размещен также транспортер 13 для перемещения блочного льда в отгрузочный накопитель-шлюз 2. Если льдогенератор производит гранулированный или чешуйчатый лед, то между ним и транспортером устанавливается пресс 5 для формования ледяных блоков нужных размеров массой 5–10 кг. На подводящем к льдогенераторной установке трубопроводе очищенных сточных вод установлено переключающее устройство для отвода сточных вод в летний период в канализацию с надземной или наземной прокладкой трубо-проводов.

Второй блок 7 (компрессорно-конденсаторный агрегат воздушного охлаждения) размещают в отапливаемом помещении 6, снабженном системой отопления с температурой внутреннего воздуха (например, 15–20 °С), регулируемой путем изменения теплопроизводительности системы отопления, 8–11. Этим помещением может быть, например, ремонтно-механический цех, гараж, склад и т. п., однако наиболее универсально, экономично и эффективно размещение компрессорно-конденсаторного агрегата в машинном зале [2]. В этом случае отапливаемое помещение может служить коммутатором тепловых потоков от различных теплоисточников и теплопотребителей: компрессорно-конденсаторный агрегат 7 системы водоотведения, котельные установки 8 и воздухонагреватели 11 системы отопления, гидравлический контур 9, циркуляционный насос 10, наружные блоки мультизональных систем кондиционирования VRF (VRV), часть из которых работает в режиме охлаждения, а часть – в режиме отопления, компрессорно-конденсаторные блоки холодильных и морозильных систем, тепловыделяющие элементы различных устройств рекуперации тепла (например, рекуператоры дымовых газов котельной и мусоросжигательной установок).
В некоторых проектах зданий, спроектированных с учетом [2] и обладающих большими и постоянными внутренними теплоисточниками (серверы, ЦОДы, дата-центры, помещения общепита), система водяного (жидкостного) отопления кондиционируемых помещений может быть спроектирована как резервная либо отсутствовать.

При эксплуатации предложенной системы водоотведения, отопления и кондиционирования здания температура внутри отапливаемого помещения 6 поддерживается на постоянном уровне, например 10–20 °С, за счет регулирования теплопроизводительности системы отопления.

Технико-экономический анализ

Оценка технико-экономического эффекта от применения предложенного устройства рекуперации тепла хозяйственно-бытовых сточных вод была проведена для условий отопительного периода, когда температура наружного воздуха ниже 0 °С. Хозяйственно-бытовые сточные воды с температурой 20 °С и расходом 10 м³/сут. (0,1157 кг/с), прошедшие через блочно-модульную станцию очистки, направляются в двухблочный льдогенератор чешуйчатого льда, где охлаждаются до 0 °С. Затем они замораживаются, после чего лед переохлаждается до температуры –10 °С. Переохлажденный лед пресуется в блоки массой 5 кг, которые перемещаются на транспортере 5 в отгрузочный накопитель-шлюз 2 (рис.), откуда транспортируются в пункт временного или постоянного хранения очищенных сточных вод, расположенный на берегу реки, впадающей в море, или на берегу моря или озера.
Компрессорно-конденсаторный агрегат с воздушным охлаждением размещен в машинном зале, спроектированном в соответствии с [2] и снабженном системой отопления с регулируемой теплопроизводительностью до 200 кВт.
Количество тепла, отведенное за сутки от 10 м³ воды в результате ее охлаждения, замораживания и переохлаждения льда, составило:

Потребляемая компрессорно-конденсаторным агрегатом мощность равна 23 кВт (при значении СОР = 2,2).
Следовательно, при непрерывной работе данного устройства рекуперации тепла сточных вод:

• экологическая тепловая нагрузка на окружающую среду за отопительный период длительностью 11 месяцев, характерный, например, для Норильска, Диксона, Хатанги, Туруханского и Эвенкийского районов и др., снизится на 345 Гкал;
• система отопления машинного зала получит дополнительную тепловую мощность, равную 50,7 кВт, и снизит энергопотребление на отопление помещений на 25 %;
• дополнительные затраты электроэнергии на привод компрессора составят 23 кВт и полностью будут использованы на отопление здания.

Но этим достоинства предлагаемой технологии не исчерпываются: ее использование исключает затраты на транспортировку жидких отходов с помощью надземных или наземных трубопроводов при отрицательных температурах наружного воздуха (в том числе на теплоизоляцию и подогрев сточных вод).
Детальный технико-экономический анализ предлагаемой системы водооотведения применительно к конкретному объекту строительства позволит дать ответ о целесообразности ее круглогодичного использования и отказа от необходимости сооружения трубопроводных водостоков.

Литература

1. Государственная программа Российской Федерации «Социально-экономическое развитие Арктической зоны Российской Федерации» (с изменениями на 31 марта 2020 года).
   
2. Харитонов В. П. Способ и устройство отопления и кондиционирования здания. Патент № RU2725127C1, МПК F24D3/18 F24F1/00 F24F7/00, приоритет 2019-04-30.
   
3. Харитонов В. П. Устройство рекуперации тепла хозяйственно-бытовых сточных вод, рег. № 2021104097 от 18.02.2021 (вх. № 008910).
   
4. Султангузин И. А., Потапова А. А. Высокотемпературные тепловые насосы большой мощности для теплоснабжения // Новости теплоснабжения. 2010. № 10 (122). Октябрь.
   
5. Шонина Н. А. Водоснабжение и водоотведение в условиях Крайнего Севера // Сантехника. 2012. № 5. С. 32–43.
   
6. Очистные для Мурманска стоят 20 миллиардов // СеверПост.Ru, 29.01.2021; https://severpost.ru/read/109744/.
7. Мурманск ежедневно сбрасывает в Кольский залив десятки тысяч тонн канализации // СеверПост.Ru, 23.07.2015; https://severpost.ru/read/29210/.