W ramach konkursu STRATEG PW naukowcy stanęli przed wyzwaniem, aby spróbować znaleźć sposób na obniżenie kosztów, które uczelnia ponosi w związku z pozyskiwaniem energii, zarówno tej elektrycznej, jak i termicznej.

– W zespole wpadliśmy na pomysł, aby spróbować wykorzystać potencjał, jakim jest odpowiednia temperatura ścieków bytowych, do tego, aby zasilić pompy ciepła jako dolne źródło i spróbować z tego uzyskać pewną wartość termiczną, którą będzie można przekazać do wykorzystania przez obiekty Politechniki Warszawskiej – wyjaśnia dr hab. inż.  Apoloniusz Kodura, prof. uczelni, kierownik projektu.

Dzięki współpracy z Miejskim Przedsiębiorstwem Wodociągów i Kanalizacji w Warszawie możliwe było zainstalowanie specjalistycznych przetworników temperatury w wybranych studzienkach kanalizacyjnych. Wyniki pomiarów wskazują, że temperatura ścieków jest mniej więcej stała w ciągu roku (nie spada poniżej 16 stopni Celsjusza, a maksymalnie sięga 20-23 stopni Celsjusza).

– Uzyskanie źródła ciepła o tak stabilnym zakresie temperatur pozwala na dobór pomp ciepła. Mała zmienność dolnego źródła ciepła przekłada się na większą efektywność działania urządzeń.  Koncepcja zakłada montaż specjalnych wymienników płytowych w kolektorze kanalizacyjnym. Ciepło z przepływających ścieków zostanie wykorzystane do podgrzania roztworu glikolu, który dostarczony do pomp ciepła przekaże energię do systemu podgrzania wody użytkowej. W ten sposób roztwór będzie krążył w obiegu zamkniętym pomiędzy wymiennikiem a pompą, transportując ciepło – mówi prof. Kodura.

Na potrzeby politechnicznego projektu przetworniki temperatury zainstalowano w studzienkach kanalizacyjnych na kolektorze w rejonie domów studenckich PW.

Podziemny etap prac

Najpierw wydzielano fragment pasa drogowego. Następnie, po podniesieniu włazu do studzienki, na lince spuszczano przetwornik, który mierzył warunki atmosferyczne panujące wewnątrz kolektora – zarówno zawartość tlenu, jak i obecność gazów niebezpiecznych (siarkowodoru, metanu i innych gazów kanałowych), które mogłyby doprowadzić do zatrucia lub wybuchu. Pomiar trwał kilka minut. Gdy jego wynik był pozytywny, na dół po stopniach złazowych schodził jako pierwszy ubrany w uprząż pracownik MPWiK. Sprawdzał stan kolektora.

Po nim do środka wchodził profesor Kodura.

Wysokość kolektora powodowała, że trzeba było przemieszczać się po nim prawie na czworaka. W zależności od wypełnienia, zdarzało się im brodzić w ściekach. Obowiązywał specjalny strój ochronny, m.in. wodery i rękawice. Cały czas mieli ze sobą czujnik gazów kanałowych.

W sumie w ten sposób zainstalowano 4 urządzenia mierzące temperaturę. Przetworniki drogą radiową przesyłają dane pomiarowe do stacji odbiorczej, zlokalizowanej w akademiku.

Zebrane dane zespół badawczy analizował pod kątem możliwości wykorzystania ciepła ze ścieków w systemie grzewczym akademików.

– Nie możemy zbytnio ochłodzić ścieków. Procesy fizykochemiczne, które w nich zachodzą, wymagają odpowiedniej temperatury. Domy studenckie są na tyle daleko od oczyszczalni ścieków, dzięki czemu, jeśli u nas obniżymy temperaturę ścieków nawet do czterech stopni, to one i tak, dopływając do oczyszczalni, uzyskają z nowych źródeł zasób cieplejszych ścieków i temperatura się wyrówna, co nie będzie szkodziło procesom technologicznym – tłumaczy prof. Kodura.

Przeznaczenie

Na początku zastanawiali się nad ogrzewaniem budynków. Po przeanalizowaniu sytuacji i określeniu zapotrzebowania energetycznego domów studenckich, badacze doszli do wniosku, że najlepszym (najwydajniejszym) sposobem będzie wykorzystanie ciepła ze ścieków do ogrzewania wody użytkowej.

–  W przypadku wykorzystania systemu do pracy centralnego ogrzewania, niezbędne byłoby zainstalowanie pomp ciepła oraz wymienników o zdecydowanie większej mocy, które byłyby wykorzystywane jedynie przed okres grzewczy. Uwzględniając koszty inwestycyjne oraz eksploatacyjne, oparcie ogrzewania w domach studenckich o system pomp ciepła i wymienników zainstalowanych w kolektorach, jest nieopłacalne. Zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową jest porównywalne w ciągu roku, co pozwoli na w miarę równomierne wykorzystanie mocy zainstalowanej i przyczyni się do urealnienia stopy zwrotu – wyjaśnia prof. Kodura

Naukowcy szacują, że takie rozwiązanie pozwoliłoby na obniżenie kosztów, które uczelnia ponosi w związku z pozyskiwaniem energii. Jednak w pierwszej kolejności PW musi w nie sporo zainwestować.

Gdyby do kolektora wprowadzić wymienniki ciepła zaprojektowane przy tym projekcie przez naukowców z WIŚ, koszty inwestycji byłyby znacznie mniejsze. Na zlecenie badaczy wyprodukowano trzy prototypy takiego urządzenia. Wszystkie przetestowano w wydziałowym laboratorium przepływu hydrauliki.

– Wykonaliśmy badania na poziomie teoretycznym. Teraz dobrze byłoby móc to wszystko przetestować w terenie, mieć taki poligon doświadczalny – mówi prof. Kodura.

Obecnie naukowcy pracują nad raportem końcowym. Przygotowali projekt instalacji, węzła cieplnego i doboru pomp. W dokumencie chcą zaprezentować różnice tempa zwrotu inwestycji przy zastosowaniu wymiennika ciepła obecnie dostępnego na rynku w stosunku do tego, który zaprojektowali. Mają nadzieję, że zaprojektowane przez nich rozwiązanie zostanie w przyszłości wprowadzone w życie.