Värmeåtervinning ur spillvattensystem
I strävan efter ett energieffektivt samhälle behövs lösningar för att återvinna allt vi kan. Något som inte tas till vara på i nuläget är värmeenergin i samhällets spillvatten. Med rätt teknik och att ha detta tänk med sig vid projektering av framtidens byggnader kan vi få tillbaka en del av den värmeenergi vi just nu inte tar tillvara.
Byggnadssektorn stod 2020 för 21 procent av Sveriges totala utsläpp av koldioxidekvivalenter men har sedan 2019 minskat till följd av minskade utsläpp från el- och fjärrvärmesektorn. Genom kloka system- och materialval vid ombyggnation och projektering kan byggnadssektorn energieffektiviseras och den totala miljöpåverkan därmed minska.
Energiförluster som uppstår i byggnader kan idag till viss del återvinnas genom exempelvis värmeåtervinningsaggregat för ventilation samt genom att göra byggnadskonstruktionen mer tät för minskade transmissionsförluster. Genom att även rikta fokus mot tapp- och spillvattensystemet kan den varmvattenenergi som spolas bort också tas tillvara genom att använda värmeväxlare för spillvatten.
För att åstadkomma detta krävs det att en specifik värmeväxlare används då spillvatten kommer att passera genom värmeväxlaren. Genom att använda en skal- och rörvärmeväxlare kan spillvattnet passera genom det inre röret medan det kalla, friska vattnet pumpas motströms utanför och längsmed det inre rörets yttre skal. Detta friska vatten kan sedan antingen värmas eller kylas beroende av temperaturskillnaden mellan de båda flödena.
Figur 1 illustrerar utformningen av en skal- och rörvärmeväxlare för motströmsflöden.
Med hjälp av teoretiska beräkningar har en metod kring uppbyggnad av en modell formats. Denna modell bygger på tidigare data från samma värmeväxlare i form av temperaturer, flöden, värmeväxlarens material och dimensioner samt en specifik prestanda för värmeväxlaren utifrån specifika förhållanden. Denna modell kan i förlängningen sedan appliceras för nya specifika förhållanden vad gäller flöde, temperaturer och specifika egenskaper för värmeväxlaren. Något som visat sig varit mycket viktigt för beräkningsmodellen och även den maximala värmeöverföringen är flödet på spillvattnet. Om flödet ter sig vara laminärt kommer värmeöverföringen att bli högre. I kombination med en så hög temperatur på spillvattnet som möjligt kommer en maximal värmeöverföring att ske.
Arbetet syftade till att se huruvida det är lönsamt att installera denna typ av värmeväxlare i ett flerbostadshus med en specifik byggnadsutformning, samt var brytpunkten för maximal lönsamhet ligger någonstans. Detta arbete baseras på studentbostaden Glesvingen i Borås. Det undersöktes även teoretiskt om det gick att få upp temperaturen på spillvattnet genom att separera de olika spillvattenkällorna från varandra. Exempelvis att låta vattnet från dusch, tvättmaskin och diskmaskin få gå i egna stammar och övriga spillvattenkällor i separata stammar.
Det teoretiska resultatet visar att den återvunna energimängden ökar linjärt i takt med en ökad spillvattentemperatur och ett konstant flöde. Om i stället temperaturen på spillvattnet skulle antas vara konstant och antalet stammar variera, ser vi att den återvunna energimängden ökar exponentiellt vid ett ökat stamantal för att sedan plana ut vid ett visst antal stammar. Vi ser även att den totala återvunna energimängden är som allra störst när dusch-, disk- och tvättvattnet får gå i separata stammar skilt från övrigt spillvatten.
Gällande den ekonomiska besparingen ser det lite annorlunda ut. I figur 2 presenteras den resulterande ekonomiska besparingen med en kalkyltid på 50 år, då värmeväxlaren förväntas ha lika lång livstid som själva rörsystemet.
Figur 2 visar även att kostnaden för investeringen ökar linjärt medan besparingen börjar att avta vid ett högre stamantal, samtidigt som den resulterande besparingen blir negativ vid 20 stammar. För detta specifika byggnadsobjekt finner vi att det optimala antalet stammar för att få en energi och ekonomisk besparing sker mellan fem och tio stammar beräknat över kalkyltiden 50 år.
Lönsamheten av dessa lösningar påverkas av kalkyltiden och de förutsättningar som finns för respektive byggnad. För studentbostaden Glesvingen som undersöktes såg det ut enligt tabell 1.
I kolumnen för energisparkostnad tydliggörs påverkan av att beräkna med en längre kalkyltid. Detta på grund av att investeringen fortsätter att skapa energibesparing trots att investerat kapital förblir det samma. Vidare i kolumn för rak återbetalningsmetod i tabell 1 presenteras att investeringen är återbetald innan kalkyltiderna på 50 respektive 25 år löpt ut. Detta innebär att investeringen är återbetald inom värmeväxlarnas livslängd. I kolumnen gällande sammanställningen av dessa resultat från lönsamhetskalkylerna påvisas vikten av att inte enbart se till en lönsamhetskalkyl utan behovet av att jämföra olika.
Ytterligare har det undersökts vilka åtgärder som ger en ökad energibesparing utöver installation av värmeväxlare. I figur 3 presenteras skillnaden på återvunnen energimängd beroende av temperaturer och flöden. Det påvisar även hur en ökande temperatur på spillvattnet ger en ökande energibesparing vid ett bestämt flöde. Isolering av spillvattenstammar, vilket ger lägre värmeförluster och högre spillvattentemperaturer är därmed gynnsamt för att öka energibesparingen. Exempel på en ytterligare åtgärd för att ge större energibesparing vore att separera de kal-
lare spillvattenkällorna från de varmare. En jämförelse över hur energibesparingen hade blivit ifall enbart vissa varma spillvattenflöden hade passerat genom de 21 värmeväxlarna och hur energibesparingen blir vid 20 °C presenteras i figur 3.
Vid jämförelse av diagramgrupperna dusch, disk & tvätt med Glesvingen illustreras att vid ett lägre flöde ges en mer än dubbelt så stor energibesparing till följd av de högre temperaturerna i spillvattnet från dusch, disk- och tvättmaskin.
Genom detta arbete har det bildats en uppfattning av vad som krävs för att återvinna en del av den energin i vårt spillvatten vi i nuläget inte tar tillvara. Detta är en av de lösningar som kan hjälpa oss i en strävan efter ett mer energieffektivt samhälle.
Artikelförfattare: Alexander Nyrén och Ida Lindström
