Abwasserwärmerückgewinnung

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Als Abwasserwärmerückgewinnung (AWRG) wird die Nutzung der im Abwasser enthaltenen thermischen Energie bezeichnet. Häusliche und industrielle Abwässer enthalten Wärmeenergie, welche bisher weitgehend ungenutzt der Kanalisation zugeführt wird.

Einbau WT mit Filter

Systeme zur Nutzung dieser Energie werden auch als Abwasserwärmenutzungsanlagen (AWNA) bezeichnet.

Wärmerückgewinnung im Gebäude[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Aufgrund des geringen Temperaturniveaus ist immer eine Wärmepumpe nötig, um die Wärmeenergie des Abwassers vollständig zurückzugewinnen oder zu Heizzwecken nutzbar zu machen.

Auch kann die dem Abwasser eines Wohngebäudes entzogene Energie natürlich nur einen Bruchteil der zur Beheizung und Warmwasserbereitung des Gebäudes benötigten Energie abdecken.

Es ist jedoch mit einfachen Mitteln möglich, rund die Hälfte der maximal aus dem Abwasser zu gewinnenden Energiemenge zu entziehen, wenn man sich auf die Vorwärmung des Frischwassers beschränkt.

Falleitungs-Wärmetauscher[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Ein Fallleitungs-Wärmetauscher ist ähnlich aufgebaut wie ein Fallfilmverdampfer und besteht im einfachsten Fall aus einem doppelwandigen Rohr. Zur besseren Steuerung des äußeren Massestroms wird das innere (Abwasser-)Rohr häufig jedoch von einem wesentlich dünneren Rohr spiralförmig umwickelt, statt von einem einfachen Mantelrohr umgeben zu sein. Solche Wärmetauscher sind in Nordamerika bereits seit längerem in Gebrauch (siehe en:Water Heat Recycling). Im Gegensatz zu den zuvor genannten Methoden ist dieses Verfahren auch im Privathaushalt und sogar zur teilweisen Wiedergewinnung der im Abwasser einer einzelnen Duschen enthaltenen Wärmemenge wirtschaftlich anwendbar, da die Wärmetausche zu Preisen von unter 1000 € erhältlich sind und sich die Installation innerhalb von 2 bis 10 Jahren amortisiert.[1]

Funktion[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wenn Wasser durch ein senkrechtes Rohr fließt, verteilt es sich an der Außenwand und bildet dort einen Film, den man „Fallfilm“ nennt. Je nach Durchmesser des Rohres genügt dadurch bereits ein relativ kurzes Rohrstück, um die übertragbare Wärmemenge zu gewinnen.

Das abfließende Abwasser hat in der Regel eine Temperatur zwischen 20 und 40˚C während das zufließende Kaltwasser durchschnittlich 10˚C aufweist. Während das Abwasser im Wärmetauscher abkühlt, wird das zufließende Kaltwasser um etwa 12[2] bis 14[3] Kelvin aufgewärmt. Der Energieverbrauch für die Warmwasserbereitung kann so um bis zu 35 % gesenkt werden.

Jedesmal, wenn im Haushalt warmes Wasser aus dem Wasserhahn entnommen wird, fließt eine entsprechende Menge zum Warmwasserbereiter nach. Da aber in der Regel die zeitliche Übereinstimmung des Abwasserabflusses mit dem Nachströmen des kalten Frischwassers im Wärmetauscher meist nur in der Dusche gewährleistet ist, ist dies bei der Positionierung des Wärmetauschers zu berücksichtigen.

Vorteile[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Zum Betrieb eines Fallleitungswärmetauschers ist weder ein besonderer Verlauf der Abwasserleitungen, noch der Einbau eines Filters oder eine regelmäßige Wartung nötig. Das Abwasser wird nicht umgeleitet, gespeichert oder behandelt und es wird keine Hilfsenergie benötigt. Diese Vorrichtungen eignen sich daher auch in kleineren Wohngebäuden und lassen sich bei der Gebäudesanierung nachrüsten.

Duschwasser-Wärmetauscher[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Im Gegensatz zu den meisten anderen Entwässerungsgegenständen findet in der Dusche der Kaltwasserzufluss und der Abfluss von erwärmtem Abwasser üblicherweise zur gleichen Zeit statt. Es bietet sich daher an, kleine dezentrale Wärmetauscher unmittelbar am Duschwasserablauf zu installieren.

Erhältlich sind Fallrohre DN 50 und Duschrinnen mit integrierten Wärmetauschern, zylinderförmige Wärmeübertrager zur Verwendung in zentralen Bodenabläufen von Sammelduschen sowie auch Duschwannen mit eingebauten Wärmetauschern zur nachträglichen Installation.[4]

Grauwasser-Wärmetauscher[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Schema eines Grauwasser-Tanks mit Wärmetauscher-Spirale: Links oben befindet sich die Frischwasser-Nachspeisung (die stattfindet, wenn die Grauwassermenge zur Toilettenspülung nicht ausreicht). Unten links liegt der Abfluss zur Toilettenspülung, gefolgt vom Ablauf zur Entleerung des Tanks (zu Reinigungszwecken) und den Anschlußleitungen des Wärmetauschers (mit angedeuteter Zirkulationspumpe). Rechts oben befinden sich der Grauwasserzufluß, die Einspeisung von Desinfektionsmittel und die Überstromleitung (zur Vermeidung des Überlaufens des Tanks).
Übersichts-Schema System zur Nutzung des Abwassers von Dusche und Badewanne zur Toilettenspülung. Der Grauwassertank ist über rote Leitungen für das Wärmeenergie-Trägermedium mit dem Warmwasserspeicher verbunden.

Wenn zur erneuten Nutzung des im Gebäude anfallenden Grauwassers ein Speichertank installiert wird, so läßt sich der Wärmetauscher zum Entzug der enthaltenen Wärmeenergie vorteilhaft in diesem Tank installieren. Gegenüber dem Falleitungswärmetauscher kann so auch die Energie des aus Wasch- und Spülmaschinen, Waschbecken und Badewannen abfließenden warmen Wassers wiedergewonnen werden.

Wärmerückgewinnung in größerem Maßstab[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Häuslicher Wärmetauscher aus einer dicht gewickelten Kupferrohr-Spirale, durch deren relativ glattwandige Innenseite das Abwasser strömt. Kanada, 2007
Funktionsschema einer Wärmetauscher-Spirale aus Kupferrohr: Blau - Kaltwasser, Grün - vorgewärmtes Wasser, Rot - Warmwasser, Schwarz - Abwasser.

Seit den 1920er Jahren werden in Deutschland Abwasserwärmenutzungsanlagen verwendet.[5] Ein Wärmetauscher entzieht dabei dem Abwasser Wärme, um diese zu Heizzwecken verwenden zu können. Zur Gebäudekühlung kann der Prozess in den Sommermonaten auch umgekehrt werden. In diesem Fall dient das Abwasser zum Abtransport der dem Gebäude entzogenen überschüssigen Wärme.

Konventionelle Wärmetauscher (Platten/Rohrbündel) können jedoch durch Feststoffe (Fäkalien, Küchenabfälle, Windeln) und erkaltende Fette, die sich an den Tauscherwänden ablagern, leicht verstopfen.

Aufgrund des geringen Temperaturniveaus ist die gewonnene Energie nur in Sonderfällen, beispielsweise in der Nähe von Wäschereien, unmittelbar nutzbar. Mit Hilfe einer Wärmepumpe können die zur Gebäudeheizung erforderlichen Vorlauftemperaturen von 30 bis 70 °C erreicht werden. Dabei sind Leistungsziffern bis JAZ 4 oder 5 (Jahresarbeitszahl) bei Kondensationstemperaturen von 60 °C erreichbar. (Im Vergleich zu anderen Wärmepumpensystem sollte bei einer umfassenden Betrachtung jedoch von einer gemessenen JAZ bei derselben Kondensationstemperatur ausgegangen werden. Ein Vergleich mit dem COP berücksichtigt nur einen Betriebspunkt und entspricht nicht unbedingt den realen Betriebsbedingungen.)

In der Praxis erfolgt die Auslegung der Gebäudeheizung in der Regel als bivalentes System, wobei als Grundlast etwa 70 % des Heizbedarfs durch die Abwasserwärmerückgewinnung gedeckt werden sollten und 30 % zur Abdeckung von Spitzenlastzeiten durch eine konventionelle Heizung bereitgestellt werden.

Um ein derartiges bivalentes System wirtschaftlich zu betreiben, wird je nach System in der Regel eine minimale Größe von 25–50 Wohneinheiten benötigt.

Ein Einsatz von AWNA bei Einfamilienwohnhäusern und kleinen Mehrfamilienhäusern ist derzeit in der Regel noch nicht wirtschaftlich, da der technische Aufwand für die Gesamtanlage nur teilweise mit der Größe der Anlage skaliert.

Abwasser aus dem kommunalen Kanalisationssystem[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Sowohl bei Kanalneubauten als auch bei Nachrüstungen können standardisierte Wärmetauscherplatten aus Chromstahl entlang des Bodens eines Abwasserkanals montiert werden, die vom Abwasser über- und gegebenenfalls auch unterströmt werden. Eine Alternative, die überwiegend für Kanalneubauten geeignet ist, besteht darin, Betonelemente mit integriertem Wärmetauscher zu verbauen.

Zwischen Wärmetauscher und Wärmepumpe zirkuliert ein Solemedium. Das durchschnittlich ~15 °C warme Abwasser kann je nach kommunaler Vorschrift bis auf 5 °C abgekühlt werden. Voraussetzung für einen zuverlässigen Betrieb ist ein kontinuierlicher Abwasserstrom. Das zu versorgende Objekt sollte sich daher in Reichweite einer hinreichend stark durchströmten Kanalisation oder in der Nähe einer ARA (Abwasserreinigungsanlage) befinden. Systembedingt bilden Feststoffe kein Problem, da sie bei genügendem Volumenstrom über den Tauscher hinweg gespült werden. Im Betrieb bildet jedoch sich ein so genannter Biofilm, auch Siehlhaut genannt, auf der Tauscheroberfläche, der eine wärmeisolierende Wirkung besitzt. Es sollte daher eine regelmäßige Reinigung oder eine entsprechende Überdimensionierung vorgesehen werden. Eine Nutzung der Kanalisation bedarf der Bewilligung des Betreibers, im Normalfall der Kommune. Bei umfassenden Sanierungsarbeiten am Kanalsystem können Wärmetauscher nachgerüstet werden und bieten den Kommunen die Möglichkeit, als Energiecontractor tätig zu werden.

Abwasser direkt vom Objekt[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Wenn das Abwasser in einem (meist außerhalb der Gebäudehülle liegenden) Schacht zentral gesammelt wird, kann die enthaltene Wärmeenergie durch einen integrierter Wärmetauscher gewonnen werden. Tageszeitliche Schwankungen der Abwassermenge werden durch die Zwischenspeicherung gepuffert. Das System kann somit auch für Objekte ab etwa 25 Wohneinheiten eingesetzt werden. Auch hier sind Wärmetauscher und Wärmepumpe über einen Solekreislauf miteinander verbunden. Die Strecke zwischen Gebäudehülle und Schacht sind relativ kurz und die Verluste an die Umgebung minimal. Die durchschnittlichen, gemessenen Temperaturen können somit etwa ~23 °C betragen. Gegenüber dem Kanalisationssystem kann hier nur die Abwärme genutzt werden, die aus dem Objekt selber stammt. Um ein ausreichendes Abwasservolumen nutzen zu können, bietet sich dieses System für Hotels, Spitäler, Heime, Wellness/Bäder und Sportanlagen sowie Industriebetriebe mit Prozessabwärme an. Mithilfe von Wärmepumpen kann der Warmwasserbedarf im Einzelfall vollständig gedeckt werden. Der im Schacht integrierte Filter wird je nach System entweder manuell gereinigt oder automatisch rückgespült. Häufig wird etwa alle 3–4 Jahre eine zusätzliche umfassende Reinigung des Schacht nötig. Dies kann gegebenenfalls durch Serviceöffnungen von außen geschehen.

Wirtschaftlichkeit[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Obwohl im deutschsprachigen Raum bisher noch nicht sehr verbreitet, kann durch die Nutzung der Abwasserwärme die Energiebilanz eines Objektes verbessert und die Betriebskosten können gesenkt werden.

Insbesondere bei mittleren und größeren Gebäuden sowie bei im Sommer zu klimatisierenden Objekten ergeben sich im Vergleich zu anderen alternativen Energieformen oftmals kurze wirtschaftliche Amortisationszeiten von unter 5 Jahren.[6]

Auch eine Abwasserwärmerückgewinnung mit Fallleitungswärmetauscher kann unter bestimmten Rahmenbedingungen wirtschaftlich sein und amortisiert sich unter Umständen schneller als andere Energiesparmaßnahmen.[7]

Siehe auch[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  1. Angaben nach Natural Resources Canada, Canadian Center for Housing Technology und dem US-amerikanischen Department of Energy
  2. Messdaten der Firma Watercycles. (Nicht mehr online verfügbar.) Ehemals im Original; abgerufen am 14. Januar 2013.@1@2Vorlage:Toter Link/www.watercycles.ca (Seite nicht mehr abrufbar; Suche in Webarchiven)
  3. Drain-water Heat Recovery. Eco Home Tips. Archiviert vom Original am 17. Januar 2012. Abgerufen am 3. Februar 2012.
  4. ECOshower - Wärmerückgewinnung aus Duschwasser, Wagner Solar GmbH
  5. Bergmann, Tobias und Wannke, Michael: Hochleistungswärmetauscher zur Nutzung von Energie aus Abwasser. In BBR – Fachmagazin für Leitungsbau, Brunnenbau und Geothermie 12/2012, S. 26–31.
  6. Siehe Rechenergebnis des AWNA-Kalkulators: Auf Basis der voreingestellten Standardwerte, die einer typischen Einbaukonstellation entsprechen, ergibt sich eine Amortisationsdauer von 3-5 Jahre. Bei Annahme einer geringeren Biofilm-Belastung (20 %) ergibt sich eine Amortisationsdauer im Bereich von 2-4 Jahren. Im Kalkulator unberücksichtigt bleibt zudem eine potenzielle Nutzung zu Kühlzwecken, durch die die Amortisationsgeschwindigkeit naheliegender Weise weiter verbessert würde.
  7. Siehe Rechenergebnis für die „default“-Einstellung des CEATI-Rechners (4 Duschen/Tag zu je 7 Minuten, 9,5l/min), jedoch mit €0,64/m³: Unter diesen Rahmenbedingungen amortisiert sich der Fallrohrwärmetauscher nach etwa 3,5 Jahren. Anders sieht es mit einer Dusche pro Tag mit je 5 Minuten und 6,5l/min aus: Bei gesparten €22/a und Anschaffungs- und Montagekosten von über 300 € beträgt der Amortisationszeitraum mehr als 13 Jahre.