Przygotowanie cieplej wody w obiektach wielkokubaturowych

STRESZCZENIE

W artykule omówiono czynniki wpływające na zapotrzebowanie wody w halach wielkokubaturowych oraz dynamikę rozbioru wody, zwłaszcza wody ciepłej. Przedstawiono rozwiązania systemów hybrydowych do przygotowania c.w.u. z wykorzystaniem źródeł odnawialnych i odpadowych. Omówiono zagadnienia ochrony przed Legionellą w instalacjach i zapobiegania tworzenia biofilmu, który ma kluczowe znaczenie w ochronie przed legionelozą.

ABSTRACT

The article presents the factors that affect on water consumption in large-cubage buildings, as well the dynamics of load pattern, particularly hot water. The hybrid systems with the use of renewable and waste sources to prepare domestic hot water are presents. The issues of prevention Legionella in water supply installations and avoid creation of biofilm that has key issue in prevention of legionellosis are discussed.

Zapotrzebowanie na wodę w obiektach wielkokubaturowych jest bardzo różne w zależności od przeznaczenia obiektu, funkcji, charakteru prowadzonej w obiekcie pracy, liczby zatrudnionych osób, czasu pracy, wyposażenia sanitarnego, a tym samym celów, do jakich woda będzie zużywana, np.: bytowo-gospodarczych, przeciwpożarowych, technologicznych i innych. Ciepła woda użytkowa (c.w.u.) wykorzystywana jest głównie do celów sanitarno-higienicznych i w obiektach wielkokubaturowych jej zużycie wynika z korzystania z umywalek, zaworów czerpalnych i natrysków (jeżeli są). Wymagania odnośnie do wyposażenia pomieszczeń higieniczno-sanitarnych w zakładach pracy w zależności od rodzaju zabrudzenia, rodzaju pracy i płci podane są w odpowiednich rozporządzeniach. Obwieszczenie [1] precyzuje, jaką liczbę przyborów w zależności od rodzaju zabrudzeń i kontaktu z substancjami szkodliwymi lub zakaźnymi należy stosować w zakładzie pracy. Jeśli warunki pracy lub ochrona zdrowia pracowników wymagają stosowania natrysków, to w zespole szatni powinny się znajdować pomieszczenia z natryskami. Wskazane jest, aby liczba natrysków była ustalona w taki sposób, aby czas mycia się pracowników najliczniejszej zmiany nie przekraczał 30 minut [2]. Pomieszczenia z natryskami i umywalnie powinny być urządzone oddzielnie dla kobiet i mężczyzn. Nie dotyczy to zakładów pracy, w którym jest zatrudnionych do 10 pracowników na jednej zmianie – pod warunkiem zapewnienia możliwości osobnego korzystania przez kobiety i mężczyzn z tych pomieszczeń. W niektórych obiektach wielkokubaturowych ze względu na charakter wykonywanej w nich pracy może zaistnieć konieczność zamontowania specjalnego wyposażenia higieniczno-sanitarnego. Przykładowo dla pracowników narażonych na zabrudzenie nóg przy pracy powinny być instalowane w umywalniach brodziki do mycia nóg [1]. Natomiast natryski (prysznice) bezpieczeństwa oraz myjki do oczu i twarzy (fot. 1) stosuje się wszędzie tam, gdzie istnieje niebezpieczeństwo wypadków w wyniku kontaktu z substancjami łatwopalnymi, toksycznymi, radioaktywnymi, żrącymi lub ryzyko poparzeń przez ogień i gorącą parę. Instalowane są one w odległości do 20 m od stanowisk pracy i powinny być zasilane niezawodnie bez względu na warunki atmosferyczne wodą nieogrzewaną o temperaturze zgodnie z obecnymi wskazaniami 15^oC [3].

O konieczności stosowania urządzeń awaryjnych w różnych zakładach pracy mówią przepisy [4-8].

Fot. 1. Natrysk bezpieczeństwa i oczomyjka

Dynamika i nierównomierność zużycia wody

Do wymiarowania układu przygotowania ciepłej wody niezbędne jest określenie normatywnego jednostkowego zużycia ciepłej wody użytkowej. Przeciętne wielkości zużycia wody dla różnych grup odbiorców zamieszczono w rozporządzeniu Ministra Infrastruktury w sprawie określenia przeciętnych norm zużycia wody [9]. Ustalone w nim normy zużycia wody mogą stanowić podstawę do ustalenia ilości pobieranej wody w razie braku wodomierza. W literaturze branżowej podawane są wartości jednostkowego dobowego zapotrzebowania na ciepłą wodę, które należy odczytać odpowiednio do funkcji budynku halowego – np. dla przemysłowych umywalni i łaźni z umywalkami i natryskiem, hal sportowych, magazynowych, hodowli zwierząt. W obwieszczeniu [1] podano ilość wody do celów higienicznych na każdego pracownika:

• 120 l przy pracach w kontakcie z substancjami szkodliwymi, trującymi lub zakaźnymi albo powodujących silne zabrudzenie pyłami, w tym 90 l w przypadku korzystania z natrysków;
• 90 l przy pracach brudzących, wykonywanych w wysokiej temperaturze lub wymagających zapewnienia należytej higieny procesów technologicznych, w tym 60 l w przypadku korzystania z natrysków;
• 30 l przy pracach niewymienionych wyżej.

Powszechnie przyjmuje się, że zapotrzebowanie wody ciepłej na cele higieniczno- sanitarne stanowi 50% wartości wody ogólnej (ciepłej i zimnej łącznie).

Zgodnie z obwieszczeniem [1] temperatura wody ciepłej doprowadzana do umywalek, natrysków i brodzików przy stosowaniu centralnej regulacji lub zbiorowego mieszania wody powinna wynosić od 35 do 40^oC, a w przypadku indywidualnego mieszania wody od 50 do 60^oC.

Ciepła woda zużywana jest nierównomiernie zarówno w ciągu tygodnia, doby, jak i godziny. Nierównomierność godzinowa wiąże się bezpośrednio ze sposobem korzystania przez ludzi z wody, co z kolei wynika z trybu pracy. Ocena dynamiki rozbioru wody w budynku i objętości zużywanej wody wpływać będzie na podejście do projektowanego układu przygotowania ciepłej wody [10]. W halach produkcyjnych zatrudniających dużą liczbę osób pracujących na zmiany zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową jest praktycznie jednakowe w ciągu roku. Dynamika rozbioru ciepłej wody charakteryzuje się okresowym większym zużyciem wody ciepłej zasilającej punkty czerpalne po zakończeniu każdej zmiany pracy i w czasie przerw na posiłki.

W okresie rozbioru wody występuje maksymalne zapotrzebowanie na ciepłą wodę. Okresy użytkowania instalacji zależą od liczby zmian pracy i dni roboczych/ wolnych. Zazwyczaj po pierwszej zmianie rozbiór wody jest większy niż po zmianie drugiej i trzeciej, co spowodowane jest większą liczbą pracowników zatrudnionych na pierwszej zmianie i pewną liczbą pracowników biurowo-administracyjnych pracujących w tym czasie. Czas rozbioru wody jest na ogół określony i trwa ok. 30 minut. Pomiędzy głównymi okresami rozbiorów występuje zazwyczaj mniejsze zużycie ciepłej wody spowodowane sporadycznym korzystaniem z instalacji przez pracowników hali i biura. Na rysunku pokazano rzeczywisty wykres dynamiki zużycia wody w hali produkcyjnej, w której odbywa się praca mało brudząca. W ciągu dnia widoczne są „piki” w zużyciu wody, szczególnie na koniec pracy pierwszej zmiany o godz. 14.

W halach sportowych rozbiór wody również się charakteryzuje okresowym użytkowaniem – okresy użytkowania występują po treningu (np. co 45, 60, 90 minut). Czas trwania okresu rozbioru wynosi ok. 10-15 minut, a w okresie poboru wody występuje maksymalne stałe zapotrzebowanie na ciepłą wodę.

W halach magazynowych, naprawczych, hangarach garażowych, wystawienniczych i obiektach produkcji rolniczej liczba zatrudnionych może być znacznie mniejsza niż w halach produkcyjnych. Charakter poboru ciepłej wody będzie okresowy, spowodowany użytkowaniem instalacji zasilającej umywalki po zakończonej zmianie pracy. W takich obiektach, jeżeli praca nie jest silnie brudząca, nie ma potrzeby instalowania natrysków. Opracowanie modelu rozbioru ciepłej wody i wskaźników jej zużycia dla tej grupy obiektów wymaga poznania założeń czasu i trybu pracy, liczby osób oraz wyposażenia sanitarnego i ewentualnie potrzeb technologicznych.

Struktura pracy w hali wpływa na wykres dynamiki poboru ciepłej wody, zapotrzebowanie na ciepło do przygotowania ciepłej wody i sposób jej przygotowania w systemie z pełną akumulacją (fot. 2), niepełną lub w układzie przepływowym, a źródła ciepła w hali wpływają na możliwość pozyskania z nich energii.

W zakładach pracy zmianowej, zatrudniających znaczną liczbę osób, następuje okresowe duże zużycie ciepłej wody, wymagające magazynowania wody w dużej objętości. Źródłem ciepła do przygotowania c.w.u. mogą być tradycyjne źródła konwencjonalne (gaz, węgiel) oraz coraz częściej odnawialne i odpadowe źródła ciepła, które będą łączone w hybrydowe układy przygotowania ciepłej wody.

Rys. Dynamika rozbioru wody ciepłej w hali produkcyjnej przemysłu lekkiego z pracą trzyzmianową [10]

Systemy hybrydowe do przygotowania c.w.u.

Odpowiednia technologia, elektronika i automatyka pozwalają łączyć pracę wielu urządzeń (generatorów ciepła) do zasilania w energię układu przygotowania ciepłej wody w jednym układzie hybrydowym i ją optymalizować w celu uzyskania jak największego uzysku energetycznego, obniżenia kosztów eksploatacji i zadowolenia użytkownika. Przykładowymi układami hybrydowymi projektowanymi w halach wielkokubaturowych są rozwiązania:

• pompa ciepła, panele fotowoltaiczne bądź kolektory słoneczne, kocioł gazowy;
• ciepło odpadowe z gazowych promienników podczerwieni, kolektory słoneczne, kocioł gazowy;
• ciepło odpadowe ze ścieków, pompa ciepła, kolektory słoneczne;
• ciepło odlotowe ze sprężarek, ciepło odzyskane z procesów technologicznych, kocioł gazowy.

W układach tych kocioł gazowy pełni funkcję źródła szczytowego. Wykorzystanie fotowoltaiki (PV) w Polsce jest niewielkie w porównaniu z innymi krajami UE. Niemniej branża fotowoltaiczna tworzy obiecującą gałąź przemysłową [11]. Powstają nowe rozwiązania łączenia instalacji fotowoltaicznej z innymi źródłami energii odnawialnej, np. z elektrownią wiatrową czy pompą ciepła. Zastosowanie fotoogniw może służyć do zasilania pomp obiegowych centralnego ogrzewania i dolnego źródła, obniżając zużycie energii pierwotnej przez pompy ciepła i zwiększając udział energii odnawialnej przekazywanej przez pompę ciepła do instalacji grzewczej. Za najbardziej efektywny sposób magazynowania energii elektrycznej uważa się magazynowanie w układach z zasobnikami ciepłej wody [11]. Prowadzone są liczne badania [13] wydajności ogniw i wpływu poszczególnych czynników (temperatury, zabrudzenia, zacienienia) na uzysk energetyczny w warunkach polskich.

Najlepiej rozwiniętym sektorem OZE w Polsce są kolektory słoneczne ze względu na najniższe koszty wytwarzania ciepła w porównaniu z innymi rozwiązaniami, krótki czas zwrotu inwestycji, możliwość skorzystania z programów wsparcia finansowego, możliwość zamontowania w budynkach nowo budowanych i istniejących. W przypadku hal produkcyjnych należy zwrócić szczególną uwagę na fakt, że na uzysk energetyczny instalacji ciepłej wody użytkowej z kolektorów słonecznych wpływają, oprócz warunków nasłonecznienia, harmonogram poboru ciepłej wody, czyli ilość ciepła zmagazynowanego w instalacji, oraz rozkład temperatury wody w zbiorniku [2, 14]. Zarówno wyższa temperatura ciepłej wody w podgrzewaczu po rozbiorze wody, jak i wyższa średnia temperatura w ciągu całego roku powodują mniejszy uzysk energii z kolektorów słonecznych. Jak wynika z przeprowadzonych analiz [4, 14], największy uzysk energii z kolektorów słonecznych otrzymano dla hali pracującej na jedną zmianę, a najniższy dla hali pracującej na trzy zmiany. Wyniki analiz wykazały ponadto, że do obliczania pojemności zasobnika ciepłej wody założenie w warunkach polskich wartości 75 l/m2 powierzchni kolektora jest prawidłowe i zapewnia odpowiednią pracę układu solarnego.

Badania pokazują [15, 16], że długa eksploatacja gruntowych pomp ciepła może doprowadzić do obniżenia temperatury gruntu wokół odwiertów dolnego źródła ciepła, przekładając się na niższą efektywną moc pobieraną z odwiertu z upływem czasu. Wskazana jest regeneracja dolnego źródła, do której mogą służyć kolektory słoneczne.

Korzystne wyniki wykazuje współpraca promienników gazowych i kolektorów słonecznych, gdyż urządzenia uzupełniają się dzięki pracy w różnych sezonach (promienniki w sezonie grzewczym, panele słoneczne w sezonie letnim) [14]. Budowa układu do odzysku ciepła ze spalin z promienników jest kosztowna i może wynosić 35-70% kosztów całej inwestycji systemu ogrzewania hali. Aby inwestycja okazała się opłacalna, musi być wykorzystanie energii odpadowej w jak największym stopniu, dlatego konieczne jest wykonanie analizy energetycznej dla każdego typu obiektu [2, 14].

Wykorzystanie ciepła ze ścieków jest możliwe i uzasadnione w obiektach, w których usuwana jest duża ilość ciepłej wody w postaci ścieków i zastępowana wodą świeżą.

Są to przede wszystkim zakłady przetwórstwa, laboratoria chemiczne, pralnie przemysłowe i szpitalne, pływalnie, a także obiekty sportowe i terapeutyczne, łaźnie, zakłady przyrodolecznicze.

W budynkach halowych ciepło odzyskane ze ścieków może stanowić aż 70% całkowitych kosztów na ciepło potrzebne do funkcjonowania obiektu.

Fot. 2. Akumulacja ciepłej wody w trzech zbiornikach w hali zatrudniającej 230 osób do pracy brudzącej na trzy zmiany

Legionella

W przypadku hal wielkokubaturowych z charakterystycznym okresowym użytkowaniem instalacji ciepłej wody dochodzi do zastojów i obniżenia temperatury wody, co stwarza idealne środowisko do namnażania bakterii Legionella uznawanej za najgroźniejszy dla zdrowia ludzi biologiczny czynnik chorobotwórczy, związany z użytkowaniem instalacji wodnych. W instalacjach c.w.u. w budynkach halowych częstość występowania pałeczek Legionelli jest wysoka. Badania pokazują, że w instalacjach c.w.u. w halach sportowych częstość występowania bakterii Legionella wynosi 80%, w zakładach przemysłowych zaś 68% [17]. Ponadto inne czynniki, jak podatność rur na korozję, chropowatość ich powierzchni, skład chemiczny wody i dopuszczalna jej prędkość, wpływają znacząco na rozwój biofilmu w przewodach, który obok temperatury i stagnacji wody ma decydujące znaczenie dla namnażania bakterii Legionella. Duże prędkości wody powodują redukcje górnych warstw biofilmu ze względu na działanie sił ścinających, zarazem jednak sprzyjają powstawaniu biofilmu, gdyż zapewniają dostawę substancji pokarmowych. Zbyt niska prędkość przepływu wody sprzyja rozwojowi biofilmu, w którym namnażają się mikroorganizmy [18]. Konieczne jest projektowanie instalacji cyrkulacyjnej, która ma za zadanie zapewnić stały obieg ciepłej wody i odpowiednią temperaturę w punkcie czerpalnym. Wymóg ten wynika z aktualnych wymagań prawnych [19]. Z punktu widzenia ochrony przed Legionellą w przewodach wody zimnej oraz ciepłej bez cyrkulacji zaleca się zapewnienie odpowiedniej prędkości, a w przypadku wody zimnej również temperatury, która nie może przekraczać 20oC [17, 18]. Niezbędne jest również ograniczenie strat ciepła na przesyle ciepłej wody użytkowej i w przewodach cyrkulacyjnych przez zastosowanie izolacji cieplnej przewodów zgodnie z przepisami. Należy dodać, że na podstawie wielu badań stwierdza się w instalacjach z miedzi hamujący wpływ jonów miedzi na namnażanie się bakterii Legionella, a przeprowadzenie dezynfekcji cieplnej odbywa się bez żadnych negatywnych skutków dla trwałości takiej instalacji [17, 18].

Podsumowanie

Zapotrzebowanie na energię do przygotowania ciepłej wody w budynkach wielkokubaturowych jest wysokie. Istnieje konieczność przeprowadzania analizy energetycznej i ekonomicznej dla każdej inwestycji wykorzystania energii pierwotnej, odnawialnej i odzysku ciepła z uwzględnieniem dynamiki rozbioru wody w hali, zapotrzebowania na ciepło do ogrzania hali i budynków przyległych, zapotrzebowania na ciepło do przygotowania ciepłej wody użytkowej oraz ceny paliwa w danym regionie.

dr inż. Edyta Dudkiewicz

Katedra Klimatyzacji, Ogrzewnictwa, Gazownictwa i Ochrony Powietrza

Wydział Inżynierii Środowiska, Politechnika Wrocławska

Zdjęcia autorki

Bibliografia

1. Obwieszczenie Ministra Gospodarki, Pracy i Polityki Społecznej z dnia 28 sierpnia 2003 r. w sprawie ogłoszenia jednolitego tekstu rozporządzenia Ministra Pracy i Polityki Socjalnej w sprawie ogólnych przepisów bezpieczeństwa i higieny pracy (Dz.U. Nr 169, poz. 1650).
2. N. Fidorów-Kaprawy, E. Dudkiewicz, The impact of the hot tap water load pattern in the industrial hall on the energy yield from solar collectors, E3S Web Conf., 22 (2017) 00044 https://doi.org/10.1051/e3sconf/20172200044.
3. http://haws.com.pl/temperatura_wody.html [dostęp 15.10.2017].
4. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 19 lutego 2002 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy produkcji szkła i wyrobów ze szkła (Dz.U. z 2002 r. Nr 24, poz. 248).
5. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 30 grudnia 1999 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy w odlewniach metali (Dz.U. z 2000 r. Nr 3, poz. 37).
6. Rozporządzenie Ministra Przemysłu i Handlu z dnia 1 marca 1995 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy produkcji, stosowaniu, magazynowaniu i transporcie wewnątrzzakładowym nadtlenków organicznych (Dz.U. z 1995 r. Nr 37, poz. 181).
7. Rozporządzenie Ministra Gospodarki Przestrzennej i Budownictwa z dnia 27 stycznia 1994 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy stosowaniu środków chemicznych do uzdatniania wody i oczyszczania ścieków (Dz.U. z 1994 r. Nr 21, poz. 73).
8. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 23 lipca 2009 r. w sprawie bezpieczeństwa i higieny pracy przy procesach galwanotechnicznych (Dz.U. z 2009 r. Nr 126, poz. 1043).
9. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 14 stycznia 2002 r. w sprawie określenia przeciętnych norm zużycia wody (Dz.U. z 2002 r. Nr 8, poz. 70).
10. E. Dudkiewicz, A. Żabnieńska-Góra, Water load pattern in a production hall, E3S Web Conf., 45 (2018) 00015, https://doi.org/10.1051/e3sconf/20184500015.
11. G. Wiśniewski, A. Więcka, J. Bolesta, P. Czajka, Polski przemysł produkcji urządzeń dla energetyki odnawialnej. Aktualizacja bazy danych firm i ocena możliwości rozwoju branży do 2020 i do 2030 roku, Warszawa, kwiecień 2016.
12. P. Gabryańczyk, Podgrzewanie wody przy wykorzystaniu systemu fotowoltaicznego, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2016.
13. M. Sarniak, Analysis of energy efficiency of photovoltaic installation in central Poland, E3S Web Conf. 46, (2018) 00002 https://doi.org/10.1051/e3sconf/20184600002.
14. E. Dudkiewicz, N. Fidorów-Kaprawy, The energy analysis of hybrid hot tap water preparation system based on renewable and waste sources, „Energy” nr 127 (2017) http://dx.doi.org/10.1016Zj.energy.2017.03.061.
15. N. Fidorów, M. Szulgowska-Zgrzywa, Monitoring temperatury w pionowym odwiercie pompy ciepła, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2015.
16. P. Lachman, Pompy ciepła w układach hybrydowych, „Rynek Instalacyjny” nr 4/2014.
17. B. Toczyłowska, Analiza przyczyn skażenia bakteriami Legionella wody w instalacjach wodociągowych na przykładzie wybranych obiektów, „Technologia wody” nr 4/2012.
18. A. Żabnieńska-Góra, E. Dudkiewicz, Analysis of water flow velocity criteria for the selection of copper pipes on the example of production buildings, E3S Web Conf., 46 (2018) 00007, https://doi.org/10.1051/e3sconf/20184600007.
19. Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 12 kwietnia 2002 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budynki i ich usytuowanie (Dz.U. Nr 75, poz. 690 z późn. zm.).