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Wärmerückgewinnung aus Abwasser

Ein Vortrag von Mareike Behrens und Lukas Failing18.07.2012

Zur Veranstaltung „Ingenieurhydrologie“ SS-2012

Prof. Dr. rer. nat. M. Koch,

Institut für Geotechnik und Geohydraulik,

Fachgebiet Geohydraulik und Ingenieurhydrologie,

Universität Kassel

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Gliederung

Grundlagen Wärmepumpe Anforderungen an die Wärmesenke Aufstellungsort

Vor- und Nachteile Beispiele

Fazit

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Grundlagen

Das Abwasser steckt voller Energie. Im Winter kann man daraus Wärme gewinnen, im Sommer damit kühlen.

Die Abwassertemperatur schwankt über das Jahr zwischen 10°und 20°C

Das Abwasser wird im Winter als Wärmequelle für einen Wärmetauscher genutzt. Durch eine Wärmepumpe wird die Energie für den Menschen nutzbar gemacht.

Wärmeübergänge in einem Kanalrohr

Wärmeträger ist das Abwasser, folglich müssen die Wärmetauscher möglichst vorständig und dauerhaft damit bedeckt sein. Der Wärmeübergangskoeffizient ist maßgebend für die Energieausbeute der gesamten Anlage Wenn Wasser auf nach Wärmetauscher auf unter 8°C absinkt wird es sich über länger Distanzen wieder erwärmen – Wärmedurchgang durch Rohrwand

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Wärmepumpe

Clausius Rankine Kreisprozess (linksläufig)

1 -> 2: Verdampfer: Kühlmittel verdampft, das Volumen nimmt zu, Druck bleibt jedoch gleich2 -> 3: Verdichter: Volumen nimmt ab, Druck nimmt stark zu und das Kühlmittel wird heiß3 -> 4: Kondensator: Kühlmittel gibt Wärme wieder ab, wird flüssig -> Volumen nimmt ab, Druck bleibt gleich.4 -> 1: Drossel. Druck wird entspannt, dadurch kühlt sich das Kühlmittel weiter ab und Druck nimmt stark ab.

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Wärmepumpe

Eine effiziente Wärmepumpe hat einen Wert von 4, das heißt, dass das 4-fache von der Elektrischen Leistung in Heizenergie umgewandelt wurde

Die JAZ bilanziert die komplette Hausheizungsanlage mit den über das Jahr und Nutzer verteilten Schwankungen

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Bilanzgrenzen für Kennzahlen

Potenzial einer Wärmepumpe

neben der Wärme im Abwasser steht weiterhin die Faulgasproduktion von ca. 0,6 kWh/m³ zur Verfügung.Durch Abwärmenutzung erhöht man den Energiegewinn um das 2,9 - fache

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Anforderungen an die Wärmesenke Heizleistung von min. 150kW je näher am Kanal, desto geringer die Verluste Je stärker die Bebauungsdichte, desto größer die

Abwassermenge Geringe Systemtemperaturen lassen COP – Wert steigen ->

Fußbodenheizung monovalente Wärmeerzeugung nur selten allein ->

daher besser bi- oder multivalente Aufstellung

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Anforderungen an die Wärmesenke

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Aufstellungsort

• Im Gebäude• Kanalisation

o Im Kanalo Außerhalb des Kanals (Bypass)o Vor einer Pumpstation (Vorlagebecken)

• Nach einer Kläranlage

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Vorteile Nachteile

Gebäude + relativ hohe Abwassertemperaturen

+ kurze Wärmetransportwege+ kein Einfluss durch

Niederschlag

-häufig große tageszeitliche Schwankungen im Abfluss

Kanal + Ausreichende und kontinuierliche Wassermengen

+ Abwasserinhaltsstoffe homogenisiert

- durch die Vermischung (meist auch Niederschlag) etwas abgekühlte Temperaturen

Kläranlage + Hoher Durchfluss+ Einfache Montage+ Abkühlung zugunsten des

Vorfluters

- Wärmenutzer meist weit entfernt

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Wärmetauscher im Kanal

Huber TubeWin Wärmetauscher in die Kanalsohle integriert + Einbau im nachhinein möglich+ Auch bei Niedrigwasserabfluss werden die

Tauscherelemente überspült- Verschmutzungen mindern den

Wärmedurchgang- Verkleinert den Rohrquerschnitt Anforderungen an den Kanal:

Durchmesser etwa 1 Meter, Abfluss mind. 5 l/sTemperatur mind. 10°CGuter Zugang zum KanalKurze Verbindung zur Heizzentrale

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Rinnenwärmetauscher Als Vorfertigung oder als nachträglicher Einbau möglich

+ Keine Behinderung im Abfluss+ Bei vollgefüllten Rohren

Wärmetauscher über den ganzen Umfang verteilbar

- Verschmutzungen mindern den Wärmeübergang

- Beton/Mörtel hat eine schlechte Wärmeübertragung

Wärmetauscher im Kanal

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Wärmetauscher im Bypass

Huber ThermWin ein Teilstrom aus dem Kanal wird entnommen und in ein

Entnahmebauwerk geleitet. Über ein Sieb wird das Abwasser mit eine Förderpumpe oberirdisch in den RoWin-Wärmetauscher eingeleitet

+ Höherer Energieeintrag durch Vermeidung von Schmutzablagerungen auf dem Wärme-tauscher

- Höherer Strom-verbrauch durch zusätzliche Pumpen

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Wärmetauscher im Vorlagebecken einer Abwasserpumpe

Um Höhendifferenzen im Kanalnetz zu überwinden, wird das Abwasser in einem Vorlagebecken gesammelt und von dort mit einer Pumpe auf ein höheres Niveau gebracht.

+ Einfache Erschließung, da i.d.R. guter Zugang

+ Geringere Investitionskosten - Nicht überall Vorlagebecken

vorhanden

Rohrwendel-Wärmetauscher

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Fazit

An Orten, die eine leichte Montage der Wärmetauscher ermöglichen und an denen ein hoher und kontinuierlicher Abfluss mit ausreichend hohen Abwassertemperaturen sicher gestellt ist, ist die Wärmerückgewinnung eine umweltfreundliche und recht günstige Möglichkeit Energie zu gewinnen.

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Quellen

Deutsche Bundesstiftung Umwelt Informationspakete Fa. Huber Skript Thermodynamik, Frau Prof. Jordan, SS 2011 www.wikipedia.org

Wärmepumpe Kreisprozesse