Je efektívne využitie zrážkových vôd z povrchového odtoku? (II)
užívateľské režimy a účinnosť systémov
Problematike využitia zrážkových vôd z povrchového odtoku po legislatívnej stránke ako i voľbe akumulačnej nádrže ako najvýznamnejšej súčasti systému využitia týchto vôd som sa venovala v predchádzajúcom svojom príspevku. Obsahom tohto článku sú možnosti užívateľských režimov pri využití systému, určenie jeho účinnosti na základe simulácií a celkové hodnotenie.
1. Užívateľské režimy
Zrážková voda z povrchového odtoku (ďalej iba ZVPO) je alternatívnym zdrojom vody a tam, kde je k dispozícii aj iný zdroj, môže sa rozdielnym spôsobom využívať. Ak pri objekte existuje napríklad aj zdroj podzemnej vody do maximálnej vzdialenosti 1 km (tzv. alternatívny zdroj), ZVPO poskytne spoľahlivý zdroj vody po väčšiu časť roka, čo má vplyv i na životný štýl užívateľa. Počas mesiacov, kedy je voda zo zrážok k dispozícii, znamená markantné šetrenie času a energie užívateľa.
Väčšinu systémov využitia ZVPO je možné klasifikovať podľa "zabezpečenia vodou" alebo "spoľahlivosťou" poskytovanou systémom do 4 typov užívateľských režimov:
1.1 Príležitostný režim
Voda sa zachytáva príležitostne pomocou malého akumulačného objemu, ktorý užívateľovi umožňuje uchovávať dostatok vody na najviac 1 až 2 dni. Počas obdobia so zrážkami to znamená, že užívateľ bude profitovať z toho, že má takýto systém, a väčšina, prípadne všetky požiadavky užívateľa budú v tomto čase splnené. Po dvoch dňoch suchého počasia sa užívateľ vracia k použitiu alternatívneho zdroja vody.
Tento systém sa hodí pre podnebie s rovnomernými zrážkami alebo s malým počtom suchých dní počas roka a tam, kde je možnosť alternatívneho zdroja vody.
1.2 Prerušovaný režim
Tento systém je vhodný v situáciách, kedy sú požiadavky užívateľa splnené v časti roka. Napríklad tam, kde je obdobie jednotlivých dlhých dažďov a počas tejto doby väčšina, prípadne všetky požiadavky užívateľa budú v tomto čase splnené. Počas suchých období sa musí použiť záložný zdroj vody (napr. v Srí Lanke sa voda dováža z blízkej rieky a akumuluje sa v nádržiach ZVPO).
Na preklenutie dní bez zrážok sa požadujú malé alebo stredné veľkosti nádrží.
1.3 Čiastočný režim
Poskytuje čiastočné pokrytie požiadaviek užívateľa na vodu počas celého roka. Príkladom môže byť použitie ZVPO iba pre pranie, respektíve polievanie. Ostatné potreby, ako sú splachovanie toaliet, sa napĺňajú zdrojom s ešte nižšou kvalitou vody. Dá sa to dosiahnuť buď v oblasti s rovnomernými zrážkami a malou až strednou akumulačnou kapacitou alebo v oblastiach s jedným maximálne dvoma krátkymi obdobiami dažďa a väčšou akumulačnou kapacitou na pokrytie potrieb počas obdobia sucha.
Pri tomto systéme sa celkové požiadavky užívateľa na vodu počas celého roka napĺňajú iba ZVPO. V niektorých oblastiach sveta je to jediný možný zdroj vody. Aby sa naplnili požiadavky užívateľa, požadujú sa dostatočné:
|
2. Modelovanie systému využitia ZVPO
2.1 Údaje potrebné k modelovaniu a simulácii
Zoznam požadovaných údajov pre vykonanie modelovania predpokladaného výkonu systému využitia zrážkovej VPO zahŕňa:
|
τ = V / Qrd (1)
kde
V je objem zásobnej nádrže (l)
Qrd nominálna denná požiadavka VPO (l/d).
Všeobecne sa majú zrážkové údaje na presné riadenie akéhokoľvek modelu tejto nádrže vyjadriť v časových krokoch kratších ako τ. Nízko-nákladové systémy využitia VPO (a rovnako aj s nízkou bezpečnosťou) s nádržou menšou ako pre 15 dňovú kapacitu (τ < 15) vyžadujú denné údaje, zatiaľ čo vysoko bezpečné systémy so zásobou v nádrži na 3 mesiace je lepšie modelovať pomocou mesačných údajov.
Dĺžka požadovaných záznamov o zrážkach závisí hlavne na úrovni spoľahlivosti zásoby zdroja. Veľké systémy, ktoré tvoria významný zdroj, musia byť modelované s dlhodobou následnosťou údajov (asi 25 rokov), aby sa vyzdvihli extrémne klimatické udalosti. Nízko-nákladové systémy (pre rodinné domy) sa môžu výhodne modelovať s 5 alebo 10 ročnou následnosťou alebo s nekompletnými záznamami, kde do prázdnych miest môžu byť zakomponované zodpovedajúce údaje z predchádzajúcich rokov.
Pri odhadovaní účinnosti systémov využitia vôd z povrchového odtoku zachytených na strechách je potrebná detailná znalosť o type a kvalite strešných materiálov, odparenom množstve vody atď., ktoré vo všeobecnosti nie sú k dispozícii. To umožňuje, aby sa pri popise ich hydrologického správania použili jednoduché modely. Nasledovná rovnica popisuje zrážko-odtokový proces
Vo = νr . C . Aeff (2)
kde
Vo je objem odtekajúcej vody (m3),
νr výška dažďa (mm),
A plocha strechy (m2),
C koeficient odtoku.
Iba časť plochy A účinne prispieva k odtoku. Preto Aeff = C.A je pomenovaná ako účinná plocha. C sa odlišuje od rovnakého termínu používaného v rámci urbanistickej dažďovej kanalizácie, kde je najdôležitejší extrémny odtok a vyparovanie je ohraničené. Vo vzťahu k využitiu vôd z povrchového odtoku C odráža priemerné správanie odtokového povrchu (napr. počas roka), ktorý zahŕňa účinok vyparovania, topenie snehu a pod.
Hmotná rovnováha zásobnej nádrže sa môže vyhodnotiť použitím hydrologického akumulačného modelu s vysoko technickým riešením série časov zrážok ako vstupov pre simuláciu. Výsledok závisí na účinnom povrchu plochy Aeff, objeme nádrže V a spotrebe vody z nádrže Q, zatiaľ čo čas prúdenia z povrchu do nádrže (zvyčajne nepresahujúci pár minút) sa môže zanedbať. Použitím účinnej plochy Aeff ako limitujúceho faktoru, zostanú len dva dôležité parametre, menovite nominálny akumulačný objem (Vn) a nominálna spotreba vody (q).
(3) |
Obrázok 1 zobrazuje výsledky z počítačových simulácií zásobných nádrží na vodu z povrchového odtoku. Ukazuje množstvo vody z povrchového odtoku na základe ročného merania ako funkciu špecifickej spotreby vody a ilustruje to, že veľká zásobná nádrž alebo veľká spotreba vody umožní zachytiť viac vody. Optimálne vychádza použitie asi 4 m3 nádrže na 100 m2 účinnej plochy.
a) Zachytené zrážky za rok (m3/rok/100 m2 účinnej plochy)
Zadržaná zrážková voda pre rôzne veľkosti nádrží (0,5; 1; 2; 3; 4 a 6 m3 na 100 m2 účinnej plochy)
b) Pomer zachytenia (%)
Normalizované krivky udávajúce pomer zachytenia (v %) pre rôzne úrovne priemerných ročných zrážok
Obr. 1 - Výsledky z počítačových simulácií zásobných nádrží na ZVPO
2.2 Účinnosť systému
ZVPO má všeobecne vysokú kvalitu. Problémom pre jej využití je ale stochastická povaha zrážkových udalostí, čo si vyžaduje veľké akumulačné kapacity. Ak však objem nádrže bude minimálny, zníži sa riziko spojené s mikrobiálnou kontamináciou. Je nutné veľmi pozorne zvážiť všetky vstupné údaje, aby bol systém skutočne účinný a racionálny. Preto je nevyhnutné vyvinúť počítačový model.
V zahraničnej odbornej literatúre je na predpovedanie dlhodobého výkonu zariadení využívajúcich ZVPO popísaná simulačná technika Monte Carlo. Výsledky modelu poukazujú na podstatné vlastnosti vzhľadom na počet obyvateľov domácnosti, plochu strechy, typ zariaďovacích predmetov a objem nádrže a ich šetriaci účinok voči klasickým systémom.
Volumetrický model predstavuje systém akumulačnej nádrže, ktorý simuluje zachytávanie vôd zo zrážkového odtoku z danej plochy strechy. Objemy vyprázdňovania vyplynuli z krátkodobého pozorovania použitia zariaďovacích predmetov v domácnosti a boli skonfrontované s údajmi uvedenými v literatúre (tabuľka 1). Z týchto údajov bolo odvodené na každú hodinu a deň pre obyvateľa (1 až 5 obyvateľov) rozdelenie kumulatívnej frekvencie. Týmto spôsobom sa môže model použiť na odhad účinnosti počas dlhšej doby. Vstupné údaje pre model tvoria hodinové série zrážkových údajov počas jedného roka. Ako v skutočnej praxi, ak sa presiahne akumulačný objem, nadbytok vody odtečie do kanalizácie. Ak je naopak vody v nádrži nedostatok, rozdiel vyrovná pitná voda.
Účinnosť systému je všeobecne popísaný jeho účinnosťou šetrenia vodou (ET), ktorá je meradlom, koľko pitnej vody sa dá ušetriť v porovnaní s celkovou požiadavkou. V prípade použitia zachytenej vody iba pre WC v tomto prípade, platí rovnica (4).
(4) |
kde
T je dĺžka trvania prevádzky (h);
t čas (h);
Ot odtok z nádrže (l);
Qwc požiadavka na množstvo vody pre splachovanie WC (l/d).
Hodnotenie súčastí modelu, ako je počet obyvateľov, kapacita nádrže, plocha strechy môžu byť pri simulácii rôzne a v širokom rozsahu prevádzkových podmienok, v krátkodobých i dlhodobých.
Počet obyvateľov |
Počet domov v kategórii |
Celkom (l) |
Vane (l) |
Sprchy (l) |
Umýv. (l) |
WC (l) |
Práčky (l) |
1 | 6 | 126,4 | 20,8 | 47,0 | 19,9 | 30,9 | 7,8 |
2 | 9 | 126,0 | 20,9 | 29,9 | 26,6 | 39,7 | 8,9 |
3 | 3 | 74,6 | 10,8 | 6,9 | 18,2 | 30,1 | 8,6 |
4 | 7 | 81,3 | 11,4 | 17,3 | 12,2 | 25,8 | 14,5 |
5 | 3 | 61,3 | 5,1 | 8,9 | 13,0 | 23,5 | 10,8 |
2.3 Výsledky simulácie
Výsledky simulačného programu ukázali účinok a dôležitosť rôznych parametrov v hodnotení účinnosti šetrenia vodou. Citlivosť systému pri zmenách kľúčových parametrov ukazujú obrázky 2 a 3. Schéma modelu systému je na obrázku 4.
Model bol v činnosti 1 rok. Hodnoty vstupných parametrov: WC = 9 l, Počet obyvateľov = 4, plocha strechy = 20 m2.
Z výskumu vyplynulo, že s rastúcim počtom obyvateľov klesá spotreba vody. Rovnaký trend má i účinnosť systému šetrenia vody s počtom obyvateľov a objemom akumulačnej nádrže. Podľa výsledkov modelu pri využití iba ZVPO s akumulačnou nádržou 300 litrov sa dosahuje účinnosť šetrenia v rozsahu 30 - 60 % v závislosti na účinnej ploche strechy (viď obr. 3). Zvýšenie objemu nad 200 l neprináša významné zvýšenie úspor vody. Úspory sú badateľné aj pri malých objemoch (< 100 l). Tie vedú k zníženiu nákladov a požiadaviek na priestor, ako aj k zmenšeniu rizika zníženia kvality vody.
Obr. 2 - Citlivosť systému využitia zrážkových vôd z povrchového odtoku
na zmenu počtu obyvateľov so zvyšujúcim sa objemom akumulačnej nádrže
Obr. 3 - Účinok zvyšujúceho sa objemu akumulačnej nádrže a systému využívajúceho
zrážkové vody z povrchového odtoku zo strechy s účinnou plochou 20, 40 a 60 m2
Obr. 4 - Schéma modelu systému
3. Sumarizácia výsledkov pre systém využitia ZVPO
|
Obr. 5 - Trend nárastu ceny vody pre domácnosti v Košickom kraji v rokoch 1998-2004
3.1 Environmentálne a ekonomické prínosy
|
4. ZÁVER
V súčasnosti na Slovensku je prioritou finančné hľadisko, preto nie je možné plošné využívanie týchto systémov, keďže ich návratnosť je príliš dlhá. Ide približne o niekoľko rokov až desaťročí. Keby štát začal poskytovať nenávratné dotácie ako je to v zahraničí napr. v Nemecku, stali by sa tieto systémy atraktívnejšími. Ak sa časť pitnej vody nahradí ZVPO, vzniká menej odpadovej vody. Ak bude mnoho ľudí využívať ZVPO, môžu byť budované menšie splaškové kanalizácie a čistiarne. Tým sa ušetrí i na stavbe nových alebo väčších čistiarní, čo má za následok menšie poplatky. Obce, ktoré to pochopia, stavbu zariadenia na ZVPO svojim obyvateľom doporučia alebo priamo podporia. Všetko sa odvíja od ceny vody.
Návratnosť systému stúpa s vyššou spotrebou zrážkovej vody, rastom ceny stočného a pitnej vody a inflácie. Pokles návratnosti klesá pri častej poruchovosti systému, rastu ceny elektrickej energie a nižšej využiteľnosti vody. Je preto nevyhnutné vykonávať riadnu údržbu systému.
Literatúra
Vranayová, Z.: Posúdenie trvalej udržateľnosti systémov využitia vôd z povrchového odtoku, Habilitačná práca, Košice, 2003