Cost analysis of rainwater recovery system for an office building
Wstęp
Zmniejszająca się objętość zasobów wodnych, mogących stanowić źródło wody przeznaczonej do spożycia, skłania do stosowania rozwiązań ograniczających jej zużycie. Problematyka oszczędzania wody zdatnej do picia wiąże się z aspektem zarówno proekologicznym,. a także z aspektem ekonomicznym, który zwykle dosadniej trafia do odbiorców. Obecnie dostępnych jest wiele różnych rozwiązań, dzięki którym zużyjemy mniej wody wodociągowej. Stosowane są wodooszczędne przybory sanitarne (zmywarki, pralki), baterie z perlatorami i ogranicznikami wypływu czy też płuczki zbiornikowe do misek ustępowych z podwójnym przyciskiem o mniejszych pojemnościach wody.
W ostatnich latach rośnie zainteresowanie instalacjami dualnymi, czyli systemami służącymi do wykorzystania wód deszczowych lub ścieków szarych. Z jednej strony pozwalają one na ograniczenie zużycia wody wodociągowej, a z drugiej strony wpływają na ograniczenie maksymalnego odpływu wód deszczowych do kanalizacji miejskiej. Bardziej pożądanym źródłem wody jest woda deszczowa, ponieważ pozyskanie jej jest łatwiejsze oraz instalacja do jej zagospodarowania jest prostsza do wykonania.
Argumentem do stosowania systemów odzysku wody opadowej może być również rosnący problem z zagospodarowaniem wód deszczowych na terenach miejskich, związanym z ich rozwojem. Systemy kanalizacyjne dociążane przez przyłączanie nowych zlewni stają się hydraulicznie niewydolne, co często prowadzi do powstawania powodzi w terenach miejskich.
Myśląc o prawidłowym zagospodarowaniu wody deszczowej, mamy zazwyczaj do dyspozycji trzy rozwiązania:
- odprowadzać do kanalizacji deszczowej lub ogólnospławnej, jeśli istnieje;
- wprowadzać do gruntu za pomocą skrzynek rozsączających, komór filtracyjnych, studni chłonnych lub innych rozwiązań gruntowych;
- gromadzić w zbiornikach i wykorzystywać.
Zużycie wody w budynkach
Zużycie wody w budynku zależy od wyposażenia w przybory i urządzenia sanitarne jak również od nawyków użytkowników danej instalacji. Strukturę zużycia wody na potrzeby bytowo-gospodarcze przedstawiono w tabeli 1. W tabeli 2 pokazano zapotrzebowanie na wodę przez przybory sanitarne [1].
Dzienne zużycie wody w gospodarstwach domowych przez jednego mieszkańca przyjmuje się około 100-150 litrów na osobę na dzień [4]. Na cele spożywcze, higieniczne oraz zmywanie naczyń wykorzystywane jest 49% ogólnego zużycia wody. Są to czynności, do których potrzebna jest woda spełniająca wymogi zawarte w rozporządzeniu ministra zdrowia regulującym jakość wody do spożycia.
Na spłukiwanie misek ustępowych zużywana jest największa objętość wody – średnio aż 38 litrów na osobę na dobę, wynosi aż 30% ogólnego zużycia wody.
Charakterystyka obiektu i instalacji
Analizę ekonomiczną zastosowania instalacji odzysku wody deszczowej przeprowadzono dla obiektu biurowego zlokalizowanego w Gliwicach. Jest to budynek dwukondygnacyjny o powierzchni dachu 5 420 m2. W obiekcie znajdują się biura dla 250 pracowników, strefy odpoczynku i rekreacji oraz pomieszczenia techniczne.
Woda opadowa z dachu zbierana jest za pomocą wpustów podciśnieniowego systemu odwadniania dachów i gromadzona w dwóch zbiornikach podziemnych o pojemności 50 m3 i średnicy D= 2,2m każdy (fot.1). Zbiorniki podziemne zlokalizowane są w pobliżu budynku. Przed wprowadzeniem do zbiorników, woda jest wstępnie podczyszczana za pomocą filtra MF1000 zabudowanego w studzience.
Woda zmagazynowana w zbiornikach przeznaczona jest do spłukiwania misek ustępowych, pisuarów, nawadniania zieleni na korytarzach, a także na cele wewnętrznej instalacji hydrantowej. W zbiorniku pozostaje zawsze objętość V=22 m3, co stanowi zabezpieczenie do celów ochrony p.poż. W okresach bezdeszczowych zużywana jest woda wodociągowa, dzięki połączeniu układu pompowego z instalacją wody zimnej.
Woda doprowadzana jest do 44 misek ustępowych, 9 pisuarów i 25 zaworów czerpalnych z końcówką do węża.
Woda ze zbiorników pompowana jest do instalacji spłukiwania misek ustępowych (fot.3), a w przypadku pożaru do instalacji p.poż, za pomocą zestawu pompowego zlokalizowanego w budynku (fot.4). Wydajność zestawu to 18 m3/h, a wysokość podnoszenia H=42 mH2O (fot.2). W celu zabezpieczenia bakteriologicznego wody zastosowano urządzenie do produkcji i dozowania dwutlenku chloru – Chlorox 2000. (fot.5).
W pierwszym roku eksplantacji w analizowanym obiekcie zużyto 690,6 m3/rok w tym wody wodociągowej 203,7 m3/rok co stanowiło 29,5%, wody deszczowej 459,7 m3/rok co stanowiło 66,6% do uzupełnienia wody deszczowej zużyto 27,2 m3/rok co stanowiło 3,9 % co było związane z dużym zużyciem wody do podlewania zieleni.
Analiza
Dla potrzeb analizy działania systemu odzysku wody deszczowej zebrano pomiary poziomu wody w zbiorniku oraz odczyty z wodomierza objętości zużycia wody na cele spłukiwania toalet i pisuarów. Dane do analizy gromadzono od 11 listopada 2015 r. do 6 marca 2017 r. W trakcie badania zużycia wody deszczowej w budynku przebywało około 100 pracowników.
Woda gromadzona jest w dwóch zbiornikach o pojemności 50m3 pracujących jako naczynia połączone (fot.1). Przelewy nadmiarowe są zamontowane w kominach włazowych. Stąd też w niektórych dniach wartość poziomu wody jest wyższa niż średnica zbiornika (D=2,2m). Najwyższa wartość jaką odnotowano to 2,29 m. Nadmiar wody został odprowadzony do kanalizacji miejskiej. Aby były spełnione wymagania ochrony p.poż., poziom wody powinien wynosić min. 0,49 m. Najniższy poziom wody jaki odczytano to 1,44 m. Jest on dużo wyższy od minimalnego.
Analizując średnie dobowe w miesiącu zużycie odzyskanej wody deszczowej (rys.1), można zaobserwować silne zróżnicowanie poboru wody w omawianych miesiącach. Największą wartość odnotowano w lipcu 2016 r. (3,82 m3/d). Miesiącem o najmniejszym zużyciu okazał się czerwiec 2015 r. (0,94m3/d). Rozbieżność wartości poboru wody wynika ze zmiennej liczby pracowników w budynku, która wahała się w granicach 80-100 osób.
Minimalne i maksymalne zużycie w poszczególnych miesiącach pokazano na wykresie (rys. 2). Największa wartość to 4,55 m3/d w lipcu 2015r. Natomiast wartość najniższą to 0,13 m3/d odnotowano w kwietniu 2015 r.
Przyjmując, że w budynku przebywało 100 osób to średnie zużycie wody odzyskanej z deszczówki w analizowanym budynku biurowym wynosi 15,98 dm3/ osobę i dobę. Porównując je z zapotrzebowaniem na wodę dla miski ustępowej i pisuaru, które podaje niemiecka norma DIN [2] (tab. 2), można zauważyć, że wartości te są porównywalne.
Analizując zgromadzone dane można dostrzec, że objętość zmagazynowanej wody deszczowej pokrywa zapotrzebowanie na wodę do spłukiwania misek ustępowych i pisuarów w budynku przy obecności 100 osób. Można również przypuszczać, że w momencie większej liczby pracowników, instalacja odzysku wody będzie spełniać swoje zadanie i nie będzie potrzeby korzystania z wody wodociągowej.
Aby ocenić system odzysku wody deszczowej pod kątem ekonomicznym, przeprowadzono analizę polegającą na obliczeniu kosztów inwestycyjnych i eksploatacyjnych. Na koszty inwestycyjne składają się koszty zakupu i montażu zbiorników, filtra, pompy oraz wykonanie instalacji dezynfekcji oraz wydzielonej instalacji doprowadzającej wodę do misek ustępowych. W kosztach eksploatacyjnych uwzględniono koszty dezynfekcji oraz energii elektrycznej. W tabeli 4 przedstawiono ceny poszczególnych elementów systemu (dane pozyskane od zarządcy budynku – właściciela). Dodatkowe koszty wykonania instalacji odzysku wody deszczowej w budynku biurowym to 154 600 zł. Natomiast roczne koszty eksploatacyjne instalacji wynoszą około 2 000 zł.
Z powyższego zestawienia kosztów wynika, że najdroższymi elementami systemu odzysku wody opadowej są zbiorniki. Stanowią one ponad 70 % całkowitych kosztów inwestycyjnych.
W celu oszacowania oszczędności związanych z zastąpieniem części wody wodociągowej wodą deszczową, obliczono roczne opłaty za wodę oraz odprowadzanie ścieków deszczowych do kanalizacji miejskiej.
Roczne zapotrzebowanie na wodę do spłukiwania misek ustępowych i pisuarów zostało obliczone, przyjmując średnie zapotrzebowanie na wodę 16 dm3/(osoba ∙ dzień), jak wykazała analiza danych pomiarowych. Objętość wód deszczowych odprowadzanych z dachu wyznaczono, przyjmując średnie roczne opady deszczu 600 mm. Ze względu na to, że w mieście Gliwice nie wprowadzono jeszcze opłaty za odprowadzanie ścieków deszczowych do kanalizacji miejskiej, na potrzeby analizy określono jej średnią wartość na podstawie stawek w innych miejscowościach w Polsce.
Koszt dostawy wody jest zgodny z obowiązującą taryfą w PWiK Gliwice [http://pwik.gliwice.pl/2017-taryfa-za- -wode-i-scieki]. Wyniki przedstawiono w tabeli 5.
W momencie wprowadzenia opłaty za ścieki deszczowe, dzięki wykorzystaniu wody opadowej, roczne oszczędności za dostawę wody i odprowadzanie ścieków będą wynosiły około 22 416,72 zł.
Aby ocenić efektywność ekonomiczną instalacji odzysku wody deszczowej wyznaczono prosty czas zwrotu nakładów SPBT z zależności:
gdzie:
–I – nakład inwestycyjny;
Zi – roczne oszczędności;
Wyniki przeprowadzonej analizy
Przyjmując zapotrzebowanie na wody w budynku biurowym 15 dm3/os ∙ d (według Rozporządzenia Ministra Infrastruktury z dnia 14 stycznia 2002 r. w sprawie określenia przeciętnych norm zużycia wody [4]) to, aż 12 dm3/os ∙ d zużywane jest jako woda na cele spłukiwania toalet (wg tab. 2). Stanowi to aż 80% całkowitego dziennego zużycia wody w biurowcu. Z całą pewnością można powiedzieć, że wykorzystanie wody opadowej do spłukiwania misek ustępowych w budynku biurowym jest bardzo dobrym rozwiązaniem, pozwalającym zaoszczędzić wodę z sieci wodociągowej.
Wyliczony wskaźnik SPBT, którego wartość jest na poziomie 7 lat, przemawia za inwestowaniem w takie instalacje. Biorąc pod uwagę okres zwrotu kosztów inwestycji w gospodarstwie domowym, który wg [5] wynosi około 30 lat, można dojść do wniosku, że wykonywanie systemu odzysku jest zdecydowanie bardziej opłacalne w budynkach biurowych.
W odniesieniu do sumy kosztów wykonania instalacji odzysku wody deszczowej, układ dezynfekcji stanowi jej najmniejszy procent. Aczkolwiek wybór odpowiedniej metody dezynfekcji ma wpływ na komfort korzystania z instalacji.
Decydując się na rozwiązanie I z generatorem ClO2, dodatkowo dezynfekujemy wodę zgromadzoną w zbiorniku przez zastosowanie wymuszonego obiegu nocnego. Dzięki temu można unikać problemów z rozwojem mikroorganizmów wewnątrz zbiornika w czasie gdy instalacja do spłukiwania misek ustępowych nie jest używana. Niestety układ ten wymaga dużych nakładów finansowych i wykonania mechanicznej instalacji wentylacji w pomieszczeniu, w którym zlokalizowany jest generator.
Biorąc pod uwagę inną możliwość rozwiązania układu dezynfekcji reaktorem – lampą UV może przekonywać jego cena. Jednak należy zwrócić uwagę na problem z nagrzewaniem się lampy w czasie braku przepływu wody w instalacji a także brak dezynfekcji zbiornika.
Podsumowanie końcowe
Decydując się na wykonanie instalacji odzysku wody deszczowej należy rozważyć zalety i wady tego rozwiązania. Do najważniejszych zalet stosowania takich instalacji zalicza się:
–– ograniczenie zużycia wody wodociągowej, co oznacza mniejsze opłaty,
–– ochronę środowiska oraz zasobów wody,
–– zmniejszenie objętości odprowadzanych wód deszczowych, a co za tym idzie ograniczenie rozbudowy sieci kanalizacyjnej,
–– zagospodarowanie wody deszczowej w miejscu jej powstawania. Argumentami przeciwko mogą być:
–– stosunkowo wysoki koszt inwestycyjny wykonania instalacji,
–– wykonanie oddzielnej instalacji w budynku,
–– możliwe awarie urządzeń np. pompowni wody deszczowej.
Należy zauważyć, że układy odzysku wody deszczowej stają się rozwiązaniami coraz bardziej popularnymi, w przypadku których konkurencja na rynku stale się rozwija. Zatem można spodziewać się obniżenia kosztów inwestycyjnych w przyszłym czasie.
Podczas projektowania systemu odzysku wody opadowej szczególną uwagę warto zwrócić na dobór optymalnej wielkości – pojemności zbiornika retencyjnego. Jest to bardzo ważne ze względów eksploatacyjnych, a także ekonomicznych.
Zbyt mały zbiornik może spowodować zbyt małą objętość zmagazynowanej wody, a co za tym idzie częstą potrzebę korzystania z wody wodociągowej, aby pokryć zapotrzebowanie na wodę.
Natomiast za duży zbiornik zwiększy koszty inwestycyjne i wydłuży czas zwrotu kosztów budowy instalacji.
Należy także pamiętać o niezbędnym wyposażeniu i armaturze, aby cały system mógł pracować bezpiecznie. Istotną kwestią, a często pomijaną przy wykonywaniu instalacji, jest wybór odpowiedniej metody podczyszczania wykorzystywanej wody deszczowej. Układ dezynfekcji będzie miał wpływ na komfort korzystania z instalacji, dlatego należy rozważyć jego dobór indywidualnie i w przemyślany sposób.
Podsumowując, instalacja odzysku wody deszczowej może być nie tylko inicjatywą proekologiczną, ale także inwestycją służącą obniżeniu kosztów za wodę. Przeprowadzona analiza wykazuje, że jest to opłacalne rozwiązanie w przypadku dużych systemów odzysku wody, na przykład dla budynków biurowych.
B I B L I O G R A F I A
[1] Chudzicki J., Sosnowski S., Instalacje wodociągowe, projektowanie, wykonanie, eksploatacja, Seidel – Przywecki Sp. z o.o. ,Warszawa 2011
[2] DIN1989-1:2001-10 Regenwassernutzungsanlagen– Teil 1:Planung, Ausfuhrung, Betrieb und Wartung
[3] Geiger W., Dreiseitl H., Nowe sposoby odprowadzania wód deszczowych. Poradnik, ProjprzemEKO 1999
[4] Rozporządzenie Ministra Infrastruktury z dnia 14 stycznia 2002r. w sprawie określenia przeciętnych norm zużycia wody (Dz.U. nr 8/2002, poz. 70)
[5] Materiały informacyjne, www.aquatechnika. com.pl