Potentiale der hausinternen Abwasserwärmerückgewinnung Alexander Vogt

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1 Nutzung von Abwasserwärme, Fachtagung Stuttgart, Potentiale der hausinternen Abwasserwärmerückgewinnung Alexander Vogt 1

2 Endenergieverbrauch in Deutschland Quelle: Deutsche Energie-Agentur (dena),

3 Orte der Abwasserwärmenutzung Abwasserwärmerückgewinnung innerhalb des Gebäudes, in der Straßenkanalisation oder an der Kläranlage möglich Bildquelle: Deutsche Bundesstiftung Umwelt (Hrsg.), Heizen und Kühlen mit Abwasser Ratgeber für Bauträger und Kommunen,

4 Der dezentrale Ansatz Gebäudeinterne Abwasserwärmerückgewinnung im privaten Kanalnetz Abwassertemperatur ganzjährig C Effizienzsteigerung der Wärmepumpe direkte Abnahme der Wärme am Entstehungsort Forschungsarbeiten: Messtechnische Potentialanalyse an 6 Gebäuden in 3 Städten Simulation von Anlagenkonzepten Systemanalyse Quelle: Brunk, M. F.; Seybold, C.; Dezentrale Abwasserwärmerückgewinnung zur Steigerung der Energieeffizienz von Gebäuden, Aachen

5 Forschungsvorhaben Dezentrale Abwasserwärmerückgewinnung zur Steigerung der Energieeffizienz von Gebäuden gefördert durch: Projektpartner: Lehrstuhl für Baubetrieb und Gebäudetechnik der RWTH Aachen University Univ.-Prof. Dr.-Ing. Marten F. Brunk Dipl.-Wirt.-Ing. Christopher Seybold Viessmann Wärmepumpen GmbH 5

6 Studentenwohnheime in Aachen (OPH,TKH) Otto Petersen Haus mit 209 Bewohnern Theodore von Kármán Haus mit 244 Bewohnern 6

7 Ganglinie Otto Petersen Haus: Montag Freitag l/h Person Durchfluss in [l/h Person] Abwassertemperatur in [ C] TKW Temperatur in [ C] C Bewohner (Einzelbäder) Tagesmittelwerte (werktags): V Abw = 127,6 Liter/(Person Tag) ϑ Abw = 25,3 C :00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0 Ermittelt aus Messdaten von Mai 2011 bis Januar Der Durchfluss ist als Stundenmittelwert auf Basis von Messungen in 5-Sekunden- Intervallen in l/h angegeben. Quelle: Brunk, M. F.; Seybold, C.; Dezentrale Abwasserwärmerückgewinnung zur Steigerung der Energieeffizienz von Gebäuden, Aachen,

8 Ganglinie Theodore von Kármán Haus: Montag Freitag l/h Person Durchfluss in [l/h Person] Abwassertemperatur in [ C] TKW Temperatur in [ C] C Bewohner (Gemeinschaftsbäder) Tagesmittelwerte (werktags): V Abw = 113,3 Liter/(Person Tag) ϑ Abw = 26,1 C :00 01:00 02:00 03:00 04:00 05:00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 20:00 21:00 22:00 23:00 0 Ermittelt aus Messdaten von Mai 2011 bis Januar Der Durchfluss ist als Stundenmittelwert auf Basis von Messungen in 5-Sekunden- Intervallen in l/h angegeben. Quelle: Brunk, M. F.; Seybold, C.; Dezentrale Abwasserwärmerückgewinnung zur Steigerung der Energieeffizienz von Gebäuden, Aachen,

9 Wärmenutzung Ziel: Gebäudeinterne Abwasserwärmerückgewinnung mittels Wärmepumpe zur Trinkwarmwasserversorung des Gebäudes Abwasser Wärmepumpe TWW- Speicher Nutzer 9

10 Bestandsanlage im Theodore von Kármán Haus Gas- Brennwerttechnik TWW >60 C ES (II) TWW >55 C Kanalisation Abwasser ~25 C TKW ~ 10 C TKW TWW WP ES = Trinkkaltwasser = Trinkwarmwasser = Wärmepumpe = Energiespeicher Quelle: Seybold, C.; Vogt, A.; Brunk, M.F.; van Treeck, C.; Potential der dezentralen Wärmerückgewinnung aus häuslichem Abwasser, Essen

11 Erwärmung des Trinkwarmwassers durch Abwasserwärme TWW >60 C Abwasser ~25 C Gas- Brennwert -technik ES (II) TWW >55 C ~40 C Abwasserspeicher WP ES ~15 C Kanalisation TKW ~10 C TKW = Trinkkaltwasser TWW = Trinkwarmwasser WP = Wärmepumpe ES = Energiespeicher Quelle: Seybold, C.; Vogt, A.; Brunk, M.F.; van Treeck, C.; Potential der dezentralen Wärmerückgewinnung aus häuslichem Abwasser, Essen

12 Anlagenkonzept zur Trinkwassererwärmung System zur TWW-Teilerwärmung numerisch simuliert am Beispiel des Theodore von Kármán Haus: TWW > 60 C Teilerwärmung ~ 40 C durch Wärmepumpe V Abwasserspeicher = 4 m³ Heizleistung Wärmepumpe = 16 kw TWW >60 C thermische Desinfektion des Speicher einmal täglich mittels Gaskessel Abwasser ~25 C Gas- Brennwert -technik ES (II) TWW >55 C ~40 C Abwasserspeicher WP ES ~15 C Kanalisation TKW ~10 C TKW TWW WP ES = Trinkkaltwasser = Trinkwarmwasser = Wärmepumpe = Energiespeicher 12

13 Temperaturschichtung des Trinkwarmwasserspeichers 13

14 Temperaturschichtung des Abwasserspeichers Einleittemperatur des Abwassers konstant über 10 C 14

15 Leistungszahl der Wärmepumpe 15

16 Potentielle Primärenergieeinsparung Einheit Bestandsanlage, monovalent mit Gas- Brennwerttechnik Bivalent, Vorerwärmung durch Abwasserenergie Energiebedarf für die Trinkwassererwärmung kwh/(p a) Jahresarbeitszahl [-] [-] 5.27 Jahresnutzungsgrad Gasbrennwerttechnik [-] Brennstoffverbrauch kwh/(p a) Stromverbrauch kwh/(p a) [-] 96 Primärenergiefaktor Gas [-] Primärenergiefaktor Strom [-] Primärenergiebedarf pro Jahr kwh/(p a) % Primärenergieeinsparpotential Quelle: Seybold, C.; Vogt, A.; Brunk, M.F.; van Treeck, C.; Potential der dezentralen Wärmerückgewinnung aus häuslichem Abwasser, Essen

17 Problematik des Abwasserwärmeübertragers TWW >60 C Abwasser ~25 C Gas- Brennwert -technik ES (II) TWW >55 C ~40 C Abwasserspeicher WP ES ~15 C Kanalisation Wanner, O., Wärmerückgewinnung aus Abwassersystemen,Dübendorf 2004 TKW ~10 C TKW TWW WP ES = Trinkkaltwasser = Trinkwarmwasser = Wärmepumpe = Energiespeicher 17

18 Forschungsvorhaben Optimierung von Abwasserwärmetauschern für den gebäudetechnischen Einsatz (AWT) gefördert durch: Projektpartner: RWTH Aachen University Uhrig Kanaltechnik GmbH WILO SE 18

19 Forschungsaufgabe Ermittlung Biofilmwachstum in Abhängigkeit von Material und Abwasserqualität Variation von Wärmeübertragermaterialien Edelstahl Kupfer Kunststoff Variation der Abwasserqualitäten vorgeklärt vorgerecht häusliches Abwasser Untersuchung möglicher Reinigungsverfahren 19

20 Versuchsstand: Gesamtübersicht 20

21 Biofilmwachstum auf Abwasserwärmeübertragern Vogt, A.; Brunk, M.F.; van Treeck, C.; Optimierung von Abwasserwärmetauschern für den gebäudetechnischen Einsatz BMVBS, Förderkennzeichen: SWD

22 Messkonzept T T M T T T T Datenlogger 22

23 Wärmepumpeneffizienz mit Biofilmwachstum (exemplarisch) Biofilmdicke [mm] Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So Zeit [d] Biofilmdicke Temperatur [ C] Quellentemperaturen der Wärmepumpe COP [-] Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So Zeit [d] Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So Zeit [d] Leistungszahl der Wärmepumpe Vorlauf Wärmepumpe Rücklauf Wärmepumpe 23

24 Wärmepumpeneffizienz bei reduziertem Biofilmwachstum Biofilmdicke [mm] Biofilmdicke Temperatur [ C] Quellentemperaturen der Wärmepumpe COP [-] Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So Zeit [d] Vorlauf Wärmepumpe 0 Rücklauf Wärmepumpe Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Zeit [d] Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So Mo Di Mi Do Fr Sa So Zeit [d] Leistungszahl der Wärmepumpe 24 24

25 Fazit Häusliches Abwasser enthält hohes energetisches Potential (21 26 C) Energieangebot des Abwassers übersteigt Bedarf für Trinkwarmwasser- Bereitung Jahresarbeitszahl von 5,27 1 am Beispiel des Theodore von Kármán Hauses Abwasserwärmepumpensystem kann bilanziell als Wärmequelle eingesetzt werden Beitrag zur Reduktion des CO 2 -Ausstoßes von Gebäuden keine Beeinträchtigung des Kläranlagenbetriebs ist zu erwarten Reduktion der Biofilmbildung ist maßgebend für die Systemeffizienz Gebäudeinterne Abwasserwärmenutzung kann einen wichtigen Baustein für eine energetische Verbesserung des deutschen (Wohn-)Gebäudebestands darstellen 1 Die Umsetzung der theoretisch ermittelten Arbeitszahl muss in der Praxis überprüft werden. 25