Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser. Masterprojektarbeit Umweltingenieurwissenschaften

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1 Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser Masterprojektarbeit Umweltingenieurwissenschaften

2 Impressum Datum 18. April 2011 Autor Simon Streit Zschokkestrasse Zürich Leitung Prof. Dr. Hansruedi Siegrist Eawag, Abt. Verfahrenstechnik Betreuung Dr. Werner Hässig hässig sustech gmbh Angela Birrer, René Lüscher Professur für Siedlungswasserwirtschaft Assistenz, HIL G 31.2 ETH Hönggerberg

3 Eigenständigkeitserklärung Ist jeder an der ETH verfassten schriftlichen Arbeit unterzeichnet beizufügen. Ich erkläre hiermit, dass es sich bei der von mir eingereichten schriftlichen Arbeit mit dem Titel Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser um eine von mir selbständig und in eigenen Worten verfasste Originalarbeit handelt. Verfasser Simon Streit Betreuender Dozent Prof. Dr. Hansruedi Siegrist Mit meiner Unterschrift bestätige ich, dass ich über fachübliche Zitierregeln unterrichtet worden bin und das Merkblatt ( gelesen und verstanden habe. Die im betroffenen Fachgebiet üblichen Zitiervorschriften sind eingehalten worden. Eine Überprüfung der Arbeit auf Plagiate mithilfe elektronischer Hilfsmittel darf vorgenommen werden. Ort, Datum Unterschrift

4 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser Inhaltsverzeichnis 1. Zusammenfassung 1 2. Einleitung 3 3. Technischer Hintergrund Nutzungsstandorte für Abwasserwärmenutzung Gereinigtes Abwasser als Wärmequelle Nah- und Fernwärme Contracting Wärmetauscher Wärmepumpe Bestehende Nutzung in Uster System Gestehungskosten Potenzial Betriebserfahrungen Optimierungen am bestehenden System Wärmetauscher Wärmepumpe Weiterausbau Einleiten in Vorfluter Rückführung zur ARA Uster Kühlung Grauwasser-Nutzung Versickern zwecks Grundwasseranreicherung Empfehlung Schlussfolgerungen Literaturverzeichnis 39 Anhang 1 Anhang 2 Anhang 3

5 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser Anhang 4 Anhang 5 Anhang 6 Anhang 7

6 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 1 1. Zusammenfassung Aufbau des Berichts Die Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser wird mit Fokus auf das Fernwärmeleitungsnetz der Stadt Uster vorgestellt. Im ersten Teil werden technische Hintergründe solcher Systeme und die bestehenden Anlagen in Uster erläutert. Insbesondere werden mit Wärmetauschern und Wärmepumpen zwei wichtige Komponenten solcher Anlagen vorgestellt. Anschliessend werden bestehende Studien mit Potenzialabschätzungen zur Abwärmenutzung von gereinigtem Abwasser verglichen. Zudem wird eine eigene Abschätzung, mit Einbezug des Bevölkerungswachstums, durchgeführt. Im zweiten Teil werden aufgrund der bisher gemachten Betriebserfahrungen Optimierungsmöglichkeiten an den bestehenden Anlagen aufgezeigt. Der letzte Teil behandelt den Weiterausbau des Fernwärmenetzes. Hier werden Vorschläge aufgezeigt, wie unter Berücksichtigung von wirtschaftlichen, ökologischen und unterhaltstechnischen Aspekten ein zukünftiges System in Uster möglichst sinnvoll umgesetzt werden könnte. Potenzial Der Vergleich der verschiedenen Potenzialstudien zeigt, dass der Wärmebedarf der zukünftigen Erschliessungszonen mit 4.4 MW grösser ist, als die Kälteleistung, die aufgrund des Abwasseranfalls der ARA Uster mit gereinigtem Abwasser zur Verfügung steht. Dies hat zur Folge, dass der Betrieb von energieeffizienten Anlagen absolut zwingend ist. Nur so kann gewährleistet werden, dass in Zukunft möglichst viele zusätzliche Nutzer von der nachhaltigen Energiequelle gereinigtes Abwasser profitieren können. Monitoring Attraktive Möglichkeiten bei Weiterausbau Die Auswertung der Betriebserfahrungen zeigt, dass an zwei von vier bestehenden Anlagen in Uster Anpassungen oder allenfalls sogar der Ersatz einzelner Wärmetauscher notwendig sind, damit der Betrieb der Anlagen reibungslos und effizient erfolgen kann. Die Jahresarbeitszahlen der Anlage Seeblick sind im Bereich von 2.53 (2005) und 3.18 (2002). Es zeigt sich, dass vor allem der Wärmeentzug aus dem gereinigten Abwasser durch die Wärmetauscher deutlich geringer ist als bei der Planung angenommen. Bei der Anlage Seeblick wird das gereinigte Abwasser nur um knapp 1 C abgekühlt, statt wie vorgesehen um 6 C. Dies ist insofern bedenklich, weil diese geringe Wärmeentnahme zu einem grösseren Durchfluss in der Fernwärmeleitung und damit zu einem unnötig hohen Leistungsbedarf der Umwälzpumpen führt. Zudem hat dieser Umstand, sofern nicht genügend Wärme an den Zwischenkreislauf abgegeben wird, eine Verschlechterung des Wirkungsgrades der Wärmepumpen und damit niedrige Jahresarbeitszahlen zur Folge. Diese Tatsache zeigt auf, dass eine systematische Überwachung der Anlagen, unter Einbezug von Fachleuten auf dem Gebiet der Wärmetauscher- und Wärmepumpentechnologie notwendig ist. Für den Weiterausbau des Fernwärmeleitungsnetzes bestehen mehrere attraktive Möglichkeiten. Für die Erschliessung des Gebietes Eschenbühl lohnt es sich, einen geführten Rücklauf zur ARA Uster zu prüfen. Die Einsparungen durch den niedrigeren Leistungsbedarf der Pumpen sind in einem günstigen Verhältnis zu der Annuität der

7 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 2 Mehrkosten für die Zusatzinvestitionen. Zudem könnte das gereinigte Abwasser nach der Wärmeabgabe auch für Toilettenspülungen verwendet werden. Auch bei dieser Grauwasser-Nutzung zeigt sich, dass die Investitionskosten im Vergleich zu den jährlichen Einsparungen, die durch den geringeren Trinkwasserverbrauch entstehen, durchaus gerechtfertigt sein könnten. Weiter könnte das gereinigte Abwasser auch zur Kühlung von Gebäuden im Sommer verwendet werden. Die unter Berücksichtigung der Gewässerschutzverordnung maximal mögliche Kühlleistung beträgt etwa 6 MW. Ob Anlagen zur Kühlung von Gebäuden sinnvoll sind, ist aber von Fall zu Fall abzuschätzen. Als letzte Möglichkeit könnte das gereinigte Abwasser nach der Wärmeabgabe auch zwecks Grundwasseranreicherung gezielt versickert werden. Die Zulässigkeit dieser Alternative muss aber von der zuständigen Behörde abgeklärt werden. Deshalb wird diese Möglichkeit nicht genauer untersucht.

8 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 3 2. Einleitung Förderung der Energiequelle Abwasser Umsetzung in Uster Seit über 20 Jahren werden Anlagen zum Heizen und Kühlen mit Abwasser als Energiequelle gebaut. Weltweit sind heute über 500 Anlagen in Betrieb. Die thermische Leistung dieser Anlagen deckt den Bereich zwischen 10 kw und 20 MW ab. Studien in der Schweiz und Deutschland zeigen, dass bis zu 3 % aller Gebäude mit Energie aus Abwasser nachhaltig versorgt werden könnten (Schmid, 2010). Seit dem Jahr 1993 hat EnergieSchweiz für Infrastrukturanlagen vom Bundesamt für Energie (BFE) den Auftrag, die Nutzung von Abwasser als Energiequelle systematisch zu fördern und zu entwickeln. Dadurch ist die Schweiz in diesem Gebiet Weltspitze (Schmid, 2010). Der 2001 veröffentlichte Energieplanungsbericht des Zürcher Regierungsrates bezifferte das Potenzial zur Abwasserwärmenutzung auf rund 700 Mio. kwh. Diese Zahl veranlasste die Stadt Uster, im Rahmen der kommunalen Energieplanung die Möglichkeiten der Abwasserenergienutzung zu prüfen. Darauffolgende Machbarkeitsstudien zeigten geeignete Areale und Standorte auf. Zwischen den Jahren 2000 und 2010 wurden in der Stadt Uster vier Wohnsiedlungen gebaut, welche mit Abwasserwärme beheizt werden. Erste Resultate zum Betrieb liegen vor. Es zeigt sich, dass die Anlagen im Betrieb gut funktionieren. Zudem hält sich auch der Betriebsaufwand in Grenzen (Betscha, 2005). Jedoch ist die Technologie der Nutzung von gereinigtem Abwasser zur Wärmeerzeugung noch nicht vollständig ausgereift.

9 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 4 3. Technischer Hintergrund 3.1 Nutzungsstandorte für Abwasserwärmenutzung Je nach Standort des Wärmeaustauschs existieren drei verschiedene Möglichkeiten zur Wärmerückgewinnung aus Abwasser (siehe Abbildung 3.1): Rückgewinnung im Gebäude (aus Rohabwasser) Rückgewinnung im Abwasserkanal (aus Rohabwasser) Rückgewinnung in der Kläranlage (aus gereinigtem Abwasser) In Uster wird die Wärmerückgewinnung aus gereinigtem Abwasser praktiziert. Abbildung 3.1 Nutzungsstandorte zur Wärmerückgewinnung aus Abwasser entnommen aus (Müller & Schmid, 2005) Temperatur Abwasser 3.2 Gereinigtes Abwasser als Wärmequelle Abwasser eignet sich hervorragend als Wärmequelle für Wärmepumpen. Selbst bei tiefen Aussentemperaturen bleibt die Abwassertemperatur auf einem vergleichsweise hohen Temperaturniveau. Um dies zu veranschaulichen sind in Abbildung 3.2 die Temperaturverläufe der Aussenlufttemperatur, die Temperatur des Rohabwassers (Auslauf Rechenanlage) und die Temperatur des gereinigten Abwassers (Reinigungsbecken, SBR 2) während eines Jahres abgebildet. Die exakten Standorte der aufgeführten Messungen sind im Anhang 1 illustriert.

10 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 5 Abbildung 3.2 Temperaturverläufe gemessen in der ARA Uster vom 1. Mai 2010 bis zum 23. März 2011 rot: Aussenlufttemperatur, grün: Rohabwasser, blau: gereinigtes Abwasser Kältester Tag 2010 Die Abwassertemperaturen sind auch an kalten Wintertagen mehrheitlich über 10 C. Wie sich die Wassertemperaturen an extrem kalten Wintertagen verhalten wird aus Abbildung 3.3 ersichtlich. Abbildung 3.3 Temperaturverläufe und Niederschlagsmenge gemessen bei der ARA Uster während der kältesten Woche im Jahr 2010 / orange: Aussenlufttemperatur, rot: Rohabwasser, grün: gereinigtes Abwasser, blau: Niederschlagsmenge (mm) Während der kältesten Zeit beträgt die Aussenlufttemperatur knapp -10 C. Gleichzeitig weist das Abwasser noch Temperaturen von über 10 C auf. Im Rohabwasser ist

11 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 6 zudem ein Tagesgang deutlich erkennbar. Das gereinigte Abwasser dagegen weist keine merklichen Temperaturschwankungen auf. Aus Abbildung 3.2 ist zudem zu erkennen, dass vereinzelt auch für kurze Zeit Werte unter 10 C aufgetreten sind. Dies kann aber mit folgenden zwei Gründen erklärt werden: 1. Die Sonde wird revidiert 2. Eintrag von Schmelzwasser Der Einfluss von Schmelzwasser kann mit Abbildung 3.4 besser veranschaulicht werden. Abbildung 3.4 Temperaturverläufe und Niederschlagsmenge gemessen bei der ARA Uster am 23. und 24. Dezember 2010 / orange: Aussenlufttemperatur, grün: Rohabwasser, blau: gereinigtes Abwasser, rot: Niederschlagsmenge (mm) Am 24. Dezember setzt am Morgen Schneeregen ein. Dadurch wird die Temperatur des Rohabwassers von 11.5 C auf unter 8 C abgekühlt. Durch die starke Vermischung auf der ARA bleibt das gereinigte Abwasser dagegen auf einem höheren Temperaturniveau. Mit dem Ende des Niederschlagsereignisses steigt dann die Temperatur des Rohabwassers wieder rasch an. Vorteile gereinigtes Abwasser Die Nutzung von gereinigtem Abwasser als Wärmequelle bringt entscheidende Vorteile gegenüber der Rückgewinnung aus Rohabwasser. Zum einen wird die Reinigungsleistung der Nitrifikanten auf der Kläranlage nicht negativ beeinflusst. Messungen zeigen, dass die maximale Wachstumsgeschwindigkeit der Nitrifikanten bei einer Abkühlung des Abwassers um 1 C 11 % abnimmt (Gujer, 2007). Ein anderer entscheidender Faktor ist, dass die Temperatur von gereinigtem Abwasser geringeren Schwankungen unterliegt als die von Rohabwasser. Dies ist anhand Abbildung 3.3 und Abbildung 3.4 klar ersichtlich und bringt für den Betrieb von Wärmepumpen entscheidende Vorteile.

12 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 7 Energie im Abwasser Die gewinnbare Wärmeleistung aus Abwasser wird nach Gleichung 3.1 berechnet (VSA/BFE, 2010). Gleichung 3.1 Berechnung der gewinnbaren Wärmeleistung aus Abwasser E m cw T E: Energie (kj) m: Masse (kg) c W : Wärmekapazität des Wassers = 4.18 kj/kg/k ΔT: Temperaturdifferenz des Abwassers vor und nach der Abkühlung (K) Unter der Annahme, dass 1 l Abwasser 1kg Abwasser entspricht und Abwasser dieselbe Wärmekapazität wie Wasser aufweist, kann mithilfe des Durchflusses und Gleichung 3.1 direkt die Wärmeleistung berechnet werden (siehe Beispiel 1). Dafür ist zudem noch eine Umrechnung der Wärmekapazität von kj/kg/k in kwh/m 3 /K notwendig. Beispiel 1: 100 m 3 /h * 1.16 kwh/m 3 /K * 5 K = 580 kw Qualitätsanforderung Die EKZ verlangen, dass der Anteil der gesamten ungelösten Stoffe (GUS) im gereinigten Abwasser der ARA Uster 10 mg/l nicht überschreiten darf. Gemäss Aussage von E. Weder (Klärmeister ARA Uster) kann dieser Grenzwert problemlos eingehalten werden. Der GUS-Anteil des gereinigten Abwassers in Uster beträgt normalerweise 3-5 mg/l. 3.3 Nah- und Fernwärme Der Unterschied zwischen Nah- und Fernwärme bezieht sich auf die Länge des Leitungsnetzes in dem die Wärmeübertragung stattfindet. Es existiert aber kein Grenzwert mit dem sich die Begriffe voneinander abgrenzen lassen. Dadurch werden in der Praxis beide Begriffe teilweise für dasselbe System verwendet. Da im Leitungsnetz der Stadt Uster die Distanzen verhältnismässig gross sind wird in diesem Abschnitt der Begriff Fernwärme verwendet. Wichtig dagegen ist der Unterschied zwischen Kalter und Warmer Fernwärme (siehe Abbildung 3.5).

13 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 8 Abbildung 3.5 Unterschied zwischen kalter und warmer Fernwärme - Quelle: (Müller & Schmid, 2005) Kalte Fernwärme Von Kalter Fernwärme ist die Rede, wenn die Energie dezentral in mehreren Einheiten produziert wird. Das Verbundnetz ist somit der Energieerzeugung vorgeschaltet und der Energietransport erfolgt dementsprechend auf tiefem Temperaturniveau bei 7 C bis 17 C. Dadurch sind die Wärmeverluste im Verbundnetz verhältnismässig niedrig weshalb dieses System hauptsächlich bei langen Distanzen zwischen Wärmequelle (hier ARA Uster) und Energienutzern angewendet wird. Warme Fernwärme Bei der Warmen Fernwärme wird die Wärme an einem Ort (z.b. ARA) produziert und danach auf hohem Temperaturniveau (65 C bis 80 C) zu den Nutzern geführt. Um Wärmeverluste im Verbundnetz zu vermeiden müssen die Leitungen wärmegedämmt werden. Dadurch steigen die Investitionskosten für die Wärmeverteilung was dazu führt, dass warme Fernwärmenetze vorwiegend realisiert werden, wenn die Distanzen zwischen Wärmequelle und Nutzern gering sind. Die Vorteile von Kalten und Warmen Nahwärmesystemen sind in Tabelle 3.1 aufgeführt. Diese Vorteile können in Analogie auf Fernwärmenetze übertragen werden. Tabelle 3.1 Vorteile von Kalter und Warmer Nahwärme entnommen aus (Müller & Schmid, 2005) Kalte Nahwärme Warme Nahwärme Geringe Wärmeverluste Verwendung von kostengünstigen, nicht wärmegedämmten Kunststoffleitungen Distanzen > 1 km möglich Dezentrale Energieerzeugung erlaubt optimal abgestimmte Lösungen auf unterschiedliche Voraussetzungen und Bedürfnisse der Benutzer Ausbau des Wärmeverbundes in Etappen ist einfach Zentralisierter, vereinfachter Unterhalt und Wartung Einsatz von Wärme-Kraft-Kopplung (Blockheizkraft) wird vereinfacht Einfachere Voraussetzung für Contracting1 Spezifische Investitionen für eine grosse Heizzentrale sind tiefer als für mehrere kleine Heizzentralen reduzierter Raumbedarf für energietechnische Installationen in angeschlossenen Gebäuden 1 Siehe Kapitel 3.4

14 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 9 Definition 3.4 Contracting Die meisten Abwasserheizungen werden mittels Energie-Contracing betrieben. In einem durch EnergieSchweiz für Infrastrukturanlagen veröffentlichten Bericht, der sich an Bauernschaften und Gemeinden richtet, wird Contracting wie folgt definiert: Beim Contracting überlässt der Liegenschaftenbesitzer die Energieversorgung einem spezialisierten Unternehmen, dem so genannten Contractor. Dieser plant, baut, finanziert, betreibt und wartet die Anlagen und verrechnet dem Contracting-Nehmer all diese Leistungen über den Wärmepreis. (Müller & Schmid, 2005) Als Contractor fungieren in Uster die Elektrizitätswerke des Kantons Zürich (EKZ). 3.5 Wärmetauscher Zur Nutzung der Wärme aus gereinigtem Abwasser werden heute vornehmlich Plattentauscher und Rohrbündeltauscher eingesetzt. Plattentauscher Ein Plattentauscher besteht aus mehreren Platten. Beim Zusammenführen der Platten ergeben sich zwei voneinander getrennte Strömungskanäle. Die Strömungskanäle sind im Gegenstromprinzip (siehe Abbildung 3.6) angeschlossen damit ein effizienter Wärmeaustausch gewährleistet werden kann. Plattentauscher sind heute in gelöteter, geschraubter und geschweisster Ausführung erhältlich. Die Plattentauscher können unterschiedlich geschaltet sein. Bei einer 1-1 Pass-Schaltung durchströmt das Quellmedium den Tauscher 1mal. Bei der 2-2 Pass-Schaltung ist der Plattentauscher in verschiedene Kompartimente unterteilt. Das Quellmedium durchströmt jedes Kompartiment 1mal. Dadurch wird die Austauschfläche erhöht, was den Wärmeaustausch begünstigt. Demgegenüber steigt aber auch der Druckverlust merklich an. Abbildung 3.6 Plattentauscher links: Strömungsrichtungen mit 1-1 Pass-Schaltung; Mitte: Strömungsrichtung mit 2-2 Pass-Schaltung - Quelle: (Wegmann Wärmetauscher GmbH, 2011); rechts: Installierter Plattenwärmetauscher im Technikraum der Überbauung Seeblick in Uster Foto vom 23. März 2010

15 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 10 Rohrbündeltauscher Beim Rohrbündeltauscher durchströmt ein Medium den Mantelraum und das zweite Medium den Rohrraum (siehe Abbildung 3.7). Mittels Umlenkblechen wird der Durchfluss durch den Mantelraum so gesteuert, das möglichst viel Querströmung zu den Rohren entsteht. Dies begünstigt den Wärmeaustausch zwischen den beiden Medien. Abbildung 3.7 Links: Prinzip des Rohrbündelwärmetauschers Quelle: (FUNKE Wärmeaustauscher Apparatebau GmbH, 2011) Rechts: Für Anwendungen im Abwasserbereich entwickelter Rohrbündelwärmetauscher als Beckenversion Quelle: (HUBER Technology Waste Water Solutions, 2011) 3.6 Wärmepumpe Die Wärmepumpe dient dazu, die Umgebungswärme (hier Wärme aus gereinigtem Abwasser) unter Einsatz von elektrischem Strom auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen und damit für Heizzwecke nutzbar zu machen. Zusätzlich kann eine Wärmepumpe auch zur Kühlung verwendet werden (siehe dazu auch Kapitel 8.3 Kühlung). In der Schweiz ist die Wärmepumpentechnologie weit verbreitet und heute in neuen Einfamilienhäusern häufiger eingesetzt als konventionelle Heizungen (VSA/BFE, 2010). Die Funktionsweise einer Wärmepumpenanlage wird nun am Beispiel der Anlage Seeblick beschrieben. Funktionsweise Abbildung 3.8 zeigt die Implementierung der Wärmepumpe zur Nutzung der Wärme aus Abwasser am Beispiel der Anlage Seeblick in Uster. Wichtig sind die drei verschiedenen dargestellten Kreisläufe (Primär-, Sekundär und Kältemittelkreislauf). Das gereinigte Abwasser gelangt über die kalte Fernleitung (Temperatur ca. 10 C) in den Technikraum. Sekundärkreislauf Dort wird die Wärme über den Plattentauscher (auch Systemtrenner genannt) dem Sekundärkreislauf abgegeben. Im Optimalfall wird das gereinigte Abwasser um 6 C auf ca. 4 C abgekühlt. Gemäss Angabe von Herrn Eberli (KAPAG) ist der Verdampfer auf eine Vorlauftemperatur von 6 C und eine Rücklauftemperatur von 2 C ausgelegt. Dem Sekundärkreislauf, auch Zwischenkreislauf genannt, ist Glykol als Frostschutzmittel beigemischt. Dieser Zwischenkreislauf muss überwacht werden (Baudirektion Kanton Zürich, 2010).

16 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 11 Kältemittelkreislauf Im Verdampfer wird die Wärme dem Kältemittelkreislauf abgegeben. Das Kältemittel ändert durch die Wärmeaufnahme den Aggregatszustand von flüssig auf gasförmig. Das gasförmige Kältemittel wird unter Einsatz von elektrischer Energie komprimiert. Dadurch kann das Kältemittel auf das gewünschte Temperaturniveau angehoben werden. Beim Kondensator wird die Wärme an den Heizungskreislauf (Primärkreislauf) abgegeben. Die Vor- und Rücklauftemperaturen betragen bei dieser Anlage auf Kondensatorseite 47 C und 37 C. Durch den Kondensator wird das Kältemittel verflüssigt und gelangt über ein Expansionsventil wieder auf geringem Druckniveau zum Verdampfer wo der Kreislauf von neuem beginnt. Primärkreislauf Durch den Heizungskreislauf (Primärkreislauf) wird die Wärme zu den Radiatoren oder Bodenheizungen transportiert und dort an den Raum abgegeben. Heizungssysteme mit Radiatoren müssen auf höhere Vorlauftemperaturen (z.b. 47 ) ausgelegt werden als Bodenheizungen (z.b. 35 C). Eine Wärmepumpe arbeitet aber umso effizienter je geringer der Temperatursprung zwischen Verdampfer und Kondensator ist (VSA/BFE, 2010). Deshalb sind Wärmepumpen in Kombination mit Bodenheizungen besonders attraktiv. Zur Beurteilung der Effizienz von verschiedenen Wärmepumpen werden die Kennzahlen COP (Coefficient of Performance) und JAZ (Jahresarbeitszahl) verwendet. Diese werden im folgenden Abschnitt erläutert.

17 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 12 Abbildung 3.8 Schematische Darstellung einer Wärmepumpe mit Abwasserwärmenutzung und den dazugehörigen Kreisläufen - Quelle:(Buri & Kobel, 2004) Die Skizze zeigt die Wärmeentnahme aus der Kanalisation (d.h. Rohabwasser). Damit sich der Betrachter auch das System mit der Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser vorstellen kann, sind Fotos vom Plattentauscher und der Wärmepumpe aus dem Technikraum der Anlage Seeblick in Uster beigefügt.

18 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 13 COP Der COP (Coefficient of Performance) sagt aus wie gut die Wärmepumpe im optimalen Betriebspunkt arbeitet. Somit ist diese Kennzahl ein Qualitätsmerkmal für die Wärmepumpe. Der COP einer Wärmepumpe wird durch eine unabhängige Organisation auf dem Prüfstand ermittelt und nach Gleichung 3.2 berechnet. Gleichung 3.2 Berechnung COP (-) Quelle: (Huber, Good, Widmer, Nussbaumer, Trüssel, & Schmid, 2001) Q COP P Htot el Q Htot : Heizleistungsbedarf (W) Pel: elektrische Leistungsaufnahme (W) Der COP einer Wärmepumpe hat aber nur begrenzte Aussagekraft für den effektiven elektrischen Leistungsbedarf im Betrieb, da die Wärmepumpe nicht immer im optimalen Betriebspunkt arbeitet. Deshalb wird zur Beschreibung der Energieeffizienz die Jahresarbeitszahl verwendet. JAZ Die Jahresarbeitszahl (JAZ) wiederspiegelt das Verhältnis zwischen abgegebener Wärme und zugeführter elektrischer Leistung bei Betrieb über ein Jahr und wird nach Gleichung 3.3 berechnet. Gleichung 3.3 Berechnung JAZ (-) Quelle: (Stoiber, 2011) JAZ Q Q ab el abgegebene Wärme zugeführte elektrische Energie Bei der Berechnung der JAZ für die drei Überbauungen Seeblick, Seegarten und Seeweg sind gemäss Aussage von Herrn Wehrli (EKZ) neben dem Strombezug der Wärmepumpen auch die Pumpen fürs Fernwärmeleitungsnetz und Elektroheizstäbe (nur Notheizung) eingerechnet. Interpretation der JAZ Eine übliche Aussage ist, dass die JAZ mindestens dem Wert 3 entsprechen sollte. Dies weil die Erzeugung und der Transport von elektrischer Energie zum Endverbraucher etwa einen Wirkungsgrad von 30 % (abhängig vom Winterstrommix) aufweist (Stoiber, 2011). Wird diese Untergrenze für die JAZ nicht erreicht, wäre das Verfeuern des Brennstoffs beim Verbraucher mit einer Heizung energetisch sinnvoller als den Brennstoff zuerst für die Herstellung von elektrischer Energie in einem Kraftwerk zu verwenden.

19 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser Bestehende Nutzung in Uster 4.1 System In Abbildung 4.1 sind das bestehende Fernwärmeleitungsnetz sowie die vier derzeit angeschlossenen Anlagen (Seeblick, Seegarten, Seeweg und Turicum) dargestellt. Die Anlage Seeblick wurde als erste 2001 in Betrieb genommen wurden mit der Überbauung Seegarten und 2004 mit der Überbauung Seeweg zwei weitere Anlagen ans Netz angeschlossen. Mittlerweile ist auch die Anlage Turicum in Betrieb, sodass zurzeit ca. 170 Wohneinheiten angehängt sind. Abbildung 4.1 Bestehendes Fernwärmeleitungssystem (Stand März 2011) mit den angeschlossenen Überbauungen Seeblick, Turicum, Seegarten und Seeweg; Bildbreite: ca. 826 m (Quelle:

20 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser Gestehungskosten Die Gestehungskosten wurden aufgrund von Angaben des Berichts Nutzung von Abwasser-Wärme aus der ARA Uster mittels kalter Fernwärme (Betscha, 2005) berechnet. Somit beziehen sich diese Gestehungskosten auf den Ausbauzustand von Ende 2005 (ohne gestrichelte Linie und Anschluss der Anlage Turicum, vgl. Abbildung 4.1). In die Rechnung mit einbezogen sind die Investitionskosten und die Betriebskosten (nur jährlicher Strombezug, ohne Unterhalt). Die detaillierte Berechnung ist im Anhang 2 aufgeführt. Gestehungskosten für Nutzung von Abwasserwärme aus ARA Uster: 10 Rp./kWh

21 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser Potenzial In den folgenden Abschnitten werden die Ergebnisse von verschiedenen Potenzialstudien aufgeführt. Damit die Studien miteinander verglichen werden können, sind die Ergebnisse falls notwendig in die Kälteleistung (Einheit: Watt) umgerechnet worden. Die Kälteleistung entspricht der Leistung, die dem Abwasser entnommen wird. Energieplanungsbericht Im Energieplanungsbericht 2010 des Zürcher Regierungsrates (AWEL, 2010) wird das 2009 genutzte Wärmepotenzial der ARA Uster mit 1200 MWh beziffert. Das noch ungenutzte Wärmepotenzial beträgt laut diesem Bericht MWh (berechnet mit 4000 Betriebsstunden pro Jahr und maximal möglichem Wärmeentzug von 5K). Daraus ergibt sich eine Kälteleistung von 4.2 MW. Durena AG Eine im Jahr 2009 im Auftrag von der Energie Uster AG durchgeführte Potenzialstudie der Durena AG beziffert den totalen Wärmebedarf für mögliche Erschliessungszonen in Uster mit 5.9 MW. Wo keine Angaben über den effektiven Wärmebedarf vorhanden waren, wurde der Energiebedarf über die Fläche wie folgt berechnet: Heizung: 80 MJ/m 2 Warmwasser: 76 MJ/m 2 Die Kälteleistung kann nun mit Hilfe der Jahresarbeitszahl (JAZ) berechnet werden. Bei einer JAZ von 4 ergibt sich somit eine Kälteleistung von 4.4 MW. Hunziker In einem Jahr 2007 veröffentlichten Bericht (Gebr. Hunziker AG, 2007) wird das Potenzial der kalten Fernwärme auf Basis der Abwassermenge im Zulauf der ARA Uster berechnet. Darin wird das im Abwasser gespeicherte Wärmepotenzial auf kwh/d beziffert was einer Leistung von 2 MW entspricht. Als Datengrundlage wurden die ARA-Zuflüsse von Dezember 1999 bis Januar 2006 berücksichtigt. Die Grundlagen/Annahmen der Berechnung nach Hunziker sind: 20%-Wert der Trockenabflüsse in den Wintermonaten (Dezember, Januar und Februar) auf der ARA Uster (inkl. zu erwartende Fremdwasserreduktion von 50%) entspricht rund m 3 /d vollständige Nutzung in der Fernwärme, d.h. dt = 6 C (Abkühlung von 10 auf 4 C) Wärmeverlust durch Zwischenspeicherung des gereinigten Abwassers auf ARA entspricht rund 30 % Interpretation Die oben beschriebenen Berechnungen unterscheiden sich durch die verwendeten Grundlagen entscheidend. Die Abschätzung der Durena AG bezieht sich auf den Wärmebedarf der Gebäude und ist deshalb eher als Nachfrage zu interpretieren. Die Studie der Gebrüder Hunziker AG dagegen schätzt effektiv das Wärmepotenzial des Abwassers und somit das Angebot ab. Auffallend ist aber, dass zwar eine Fremdwasserreduktion berücksichtig wird, das Bevölkerungswachstum dagegen aber vernachlässigt wird. Dieses hat einen entscheidenden Einfluss auf den Schmutzwasseranfall. Gemäss Aussage von Herrn Weder (Klärwärter ARA Uster)

22 Kälteleistung (MW) ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 17 gleichen sich die Fremdwasserabnahme und die Schmutzwasserzunahme momentan aus. Bevölkerungswachstum bis 2030 Gemäss Statistischem Amt des Kantons Zürich ist für das Zürcher Oberland bis ins Jahr 2030 mit einer Bevölkerungszunahme von 18.9 % im Vergleich zum Jahr 2005 zu rechnen (Bucher, 2010). Eigene Abschätzung Als Grundlage der Berechnung wird der 20%-Wert ARA Zuflüsse im Winter gemäss der Hunziker Studie verwendet. Dieser beträgt m 3 /d und sagt aus, dass an 80 % der Wintertage gleichviel oder mehr Abwasser zur ARA Uster fliesst. Diese 13'000 m 3 /d setzen sich wie folgt zusammen: 6100 m 3 /d sind Schmutzwasser und 6900 m 3 /d entfallen auf Fremdwasser (Gebr. Hunziker AG, 2007). Es kann nun davon ausgegangen werden, dass der Schmutzwasseranteil proportional zum Bevölkerungswachstum ist und der Fremdwasseranteil bis zum Jahr 2030 um 50 % reduziert wird. Somit ergibt sich ein neuer 20 %-Wert von rund m 3 /d für das Jahr Die daraus resultierende Kälteleistung ist in Abbildung 5.1 abgebildet. Sie ist abhängig von der Wärmeentnahme aus dem gereinigten Abwasser Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser dt (K) Abbildung 5.1 Wärmepotenzial: Kälteleistung in Abhängigkeit der Wärmeentnahme Verfügbarkeit Gemäss Aussage von Herrn Noll (AWEL) gibt es keine Bestimmungen darüber wie viel gereinigtes Abwasser aus der ARA in den Greifensee fliessen muss. Hinzu kommt, dass mit den Becken der alten biologischen Reinigung jederzeit 2500 m 3 Speichervolumen für das gereinigte Abwasser zur Verfügung stehen. Deshalb kann davon ausgegangen werden, dass die oben berechneten m 3 Abwasser in die Fernwärmeleitung eingespiesen werden können.

23 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 18 Fazit Auch wenn das Bevölkerungswachstum mit einbezogen wird, bleibt der Wärmebedarf grösser als die Kälteleistung, selbst bei einer Abkühlung des gereinigten Abwassers um 6 C. Dies legt zwei Schlussfolgerungen nahe: 1. Die installierten Anlagen müssen so effizient wie möglich betrieben werden, damit möglichst viele von der Wärmequelle Gereinigtes Abwasser profitieren können. 2. Es lohnt sich, bivalente Systeme einzusetzen damit die Wärmepumpen nicht auf den kältesten Tag ausgelegt werden müssen. Zwecks Deckung des Spitzenbedarfs kann z.b. eine Ölheizung eingesetzt werden. Dies ist aber nur bei grossen Überbauungen mit einer zentralen Heizung sinnvoll.

24 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser Betriebserfahrungen EKZ Gemäss Aussage von Herrn Wehrli (EKZ) haben die EKZ in Uster grundsätzlich gute Erfahrungen gemacht. Die Anlagen seien zwar nicht wartungsintensiver als erwartet, jedoch ist der Unterhalt von Anlagen bei anderen Wärmequellen (z.b. Grund- oder Seewasser) weniger aufwändig. Die Versorgung konnte aber bis auf wenige Engpässe bei Schneeregen stets gewährleistet werden. Neben diesen Aussagen liegt ein 2005 veröffentlichter Bericht vor. Dieser Bericht basiert auf Messungen an den von den EKZ betriebenen Anlagen in Uster, zwischen 2001 bis 2005 (Betscha, 2005). In diesem Bericht sind Temperaturverläufe der drei Anlagen Seeblick, Seegarten und Seeweg (Siehe Abbildung 6.1) im Vollbetrieb vom 9. Oktober bis zum 24. November 2005 abgebildet. Der Bezug dieser Rohdaten war nicht möglich. Deshalb sind die folgenden drei Abbildungen dem Schlussbericht entnommen. Interpretationen erfolgen folglich aufgrund grafischer Auswertung dieser Temperaturverläufe. Aus Abbildung 6.1 wird zunächst ersichtlich, dass die Vorlauftemperaturen der Heizung (grün) bei allen Anlagen mit sinkenden Aussentemperaturen (rot) zunehmen. Dies ist grundsätzlich positiv zu werten, da bei kühleren Umgebungstemperaturen der Wärmebedarf in den Gebäuden ansteigt. Heizperioden Weiter fällt auf, dass die Temperatur des gereinigten Abwassers (VL Quelle, hellblau) wider erwarten stark schwankt. Dies ist auf den Standort der Messung zurückzuführen. Sobald nicht geheizt wird schliesst das Ventil, welches den Seitenstrang zur Anlage mit der Hauptleitung verbindet. Dadurch fliesst während Nicht-Heizperioden beim Standort der Messung kein gereinigtes Abwasser und die Temperatur des gereinigten Abwassers im Seitenstrang nähert sich der Temperatur der Umgebung an. Diese Tatsache führt dazu, dass bei der Analyse dieser Grafiken nur Heizperioden betrachtet werden dürfen. Diese sind an einer ansteigenden Vorlauftemperatur der Heizung (grün) zu erkennen. Die senkrechten roten Linien kennzeichnen eine Heizperiode (12. Nov. 2010, ca Uhr) bei tiefen Aussentemperaturen. Dieser Zeitpunkt wird nun genauer analysiert und als repräsentativ für die drei Anlagen betrachtet. Es fällt auf, dass zu diesem Zeitpunkt die Aussenlufttemperaturen bei den drei Anlagen nicht übereinstimmen. Da dieser Wert um 5.30 Uhr morgens registriert wurde kann Sonneneinstrahlung keinen Einfluss haben. Somit muss davon ausgegangen werden, dass die Temperaturmessungen durch Abwärme vom Gebäude beeinflusst wurden.

25 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 20 Seeblick Seegarten Seeweg Abbildung 6.1 Temperaturverläufe der Anlagen bei Vollbetrieb vom 9. Okt. bis 24. Nov Die rote Linie bezeichnet einen Zeitpunkt während einer Heizperiode ( , ca Uhr) Legende: grün: VL Heizung, schwarz: RL Heizung, hellblau: VL Quelle, violett: RL Quelle, rot: Aussentemp.

26 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 21 ΔT_Quelle und JAZ Beim Betrachten der Temperatur vor und nach der Wärmeentnahme aus dem gereinigten Abwasser (Vor- und Rücklauf Quelle, hellblau resp. violett) wird ersichtlich, dass diese Temperaturdifferenz ΔT_Quelle sehr unterschiedlich ist. Diese Temperaturdifferenzen sind in Tabelle 6.1 zusammen mit den Jahresarbeitszahlen (JAZ) der drei Anlagen für die Heizperiode 2004/2005 (entnommen aus (Betscha, 2005)) aufgeführt. Tabelle 6.1 Temperaturdifferenz der Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser sowie die Jahresarbeitszahlen der drei 2005 bestehenden Anlagen in Uster Anlage ΔT_Quelle ( C) (Zeitpunkt: ; ca. 5:30 Uhr) Seeblick Seegarten Seeweg Jahresarbeitszahl (-) (Heizperiode: 2004/2005) Tabelle 6.1 zeigt, dass das ΔT_Quelle bei den Anlagen Seeblick und Seegarten sehr niedrig ist. Dies führt dazu, dass das gereinigte Abwasser nur bei der Anlage Seeweg auf die geplanten 4 C abgekühlt wird. Die Jahresarbeitszahlen der Anlagen Seegarten und Seeweg sind zufriedenstellend. Die Anlage Seeblick schneidet mit einer JAZ von 2.53 aber äusserst schlecht ab. Da die JAZ kleiner als 3 war, wäre eine Ölheizung in der Heizperiode 2004/2005 energetisch betrachtet besser gewesen (vgl. dazu Kapitel 3.6 Wärmepumpe). In den drei Jahren zuvor wurden in dieser Anlage aber immerhin noch Jahresarbeitszahlen von knapp über 3 erreicht (Betscha, 2005). Das Beispiel der Anlage Seegarten zeigt, dass eine geringe Wärmeentnahme aus dem gereinigten Abwasser (ΔT_Quelle) nicht zwingend zu einer niedrigen JAZ führen muss. Gründe dafür werden im Kapitel 7.2 erläutert. Vorlauf Heizung Aus Abbildung 6.1 wird zudem ersichtlich, dass die Vorlauftemperatur der Heizung bei der Anlage Seeblick deutlich höher liegt (Seeblick: ca. 45 C / Seegarten: ca. 35 C / Seeweg: ca. 33 C). Dies ist ebenfalls ein Indiz für die tiefe JAZ und wird in Kapitel 7.2 diskutiert. Anlage Seeweg Die Anlage die bezüglich ΔT_Quelle und JAZ am besten abschneidet ist eindeutig die Anlage Seeweg, die als letzte dieser drei im Jahr 2004 in Betrieb genommen wurde. Hier fällt aber auf, dass die Wärmepumpe trotz niedriger Aussentemperaturen jeweils nur für kurze Zeit in Betrieb ist. Eine optimal ausgelegte Anlage ist so dimensioniert, dass sie am kältesten Tag im Jahr ohne Unterbruch läuft. Da diese Anlage bivalent ausgelegt ist, d.h. zur Spitzenbedarfsdeckung über eine zentrale Ölheizung verfügt, sollte sie bei Temperaturen um den Gefrierpunkt öfters in Betrieb sein. Demzufolge kann darauf geschlossen werden, dass die Anlage Seeweg überdimensioniert ist.

27 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser Optimierungen am bestehenden System Gesamtsystem Die EKZ begründen die tiefen Jahresarbeitszahlen bei der Anlage Seeblick mit dem Alter der Wärmepumpen. Der Unterschied zwischen den verschiedenen Anlagen kann aber kaum allein durch die installierten Wärmepumpen erklärt werden. Vielmehr muss das Gesamtsystem genauer betrachtet werden (siehe Abbildung 7.1). Grundsätzlich ist der Wirkungsgrad einer Wärmepumpe, und damit auch die Jahresarbeitszahl (JAZ) einer Anlage, umso besser, je geringer der Temperatursprung vom Verdampfer zum Verflüssiger ist. Mittels folgenden Randbedingungen (VSA/BFE, 2010) kann dies erreicht werden: 1. Hohe Abwassertemperatur 2. Kleine Temperatursprünge zwischen Abwasser Zwischenkreislauf, Zwischenkreislauf Verdampfer, Verflüssiger Heizkörper und Heizkörper Raum 3. Tiefe Raumtemperatur Abbildung 7.1 Schematische Darstellung des Verlaufs der dem Abwasser entnommenen Wärme, übernommen aus (VSA/BFE, 2010) Fokus: Anlage Seeblick Da die Anlage der Überbauung Seeblick die mit Abstand tiefsten Werte der JAZ aufweist (siehe Tabelle 6.1), wird im kommenden Abschnitt insbesondere diese Anlage genauer untersucht. Die Schlussfolgerungen sind aber, wo nicht anders vermerkt, allgemein gültig und daher auf andere Anlagen übertragbar. Im Fall der Anlage Seeblick in Uster können die Abwassertemperatur und die Raumtemperatur nur bedingt beeinflusst werden. Deshalb werden in den folgenden Abschnitten die Wärmetauscher und die Wärmepumpen dieser Anlage genauer betrachtet.

28 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 23 Besichtigung Anlage Seeblick 7.1 Wärmetauscher In Abbildung 7.2 sind die installierten Plattentauscher der Anlage Seeblick abgebildet. Die weissen Behälter enthalten Chemikalien und dienen der automatischen Reinigung. Anhand der Abdeckung der Plattentauscher wird ersichtlich, dass diese Wärmetauscher mehrmals geöffnet wurden und kaum mehr dem Originalzustand entsprechen. Vermutlich wurden im Laufe der Zeit zusätzliche Platten angefügt, mit dem Ziel, den Wärmeaustausch zu verbessern. Um diese Massnahme zu diskutieren und ganz allgemein Verbesserungsvorschläge einzuholen wurde am ein ausführliches Gespräch mit Jürg Wegmann von der Wegmann Wärmetauscher GmbH geführt. Die folgenden Aussagen basieren auf dieser Unterhaltung. Abbildung 7.2 Installierte Plattenwärmetauscher im Technikraum der Anlage Seeblick hier wird die Wärme aus dem gereinigten Abwasser an den Zwischenkreislauf abgegeben (Fotos aufgenommen am ) Analyse Anhand Abbildung 7.2 wurde das Fabrikat (Alfalaval, M6) und die Anzahl Platten (ca. 110 Stück) abgeschätzt. Danach wurde mit einer Kälteleistung von 25 kw je Wärmetauscher (ergibt kwh/a bei 4000 Betriebsstunden pro Jahr) und einem Durchfluss von 20 m 3 /h die Auslegung gerechnet. Dabei wurde die Situation wie sie im Moment vorherrscht nachgerechnet (Siehe Abbildung 7.3). Zunächst muss festgestellt werden, dass das Programm nicht in der Lage ist, 110 Platten zu rechnen, weil dann die Fliessgeschwindigkeiten auf der Sekundärseite zu klein sind. Zudem wird ersichtlich, dass mit dieser Auslegung die Austauschfläche selbst bei 60 Platten (plates) immer noch eine Marge (margin) von 241 % aufweist. Das bedeutet, dass bei dieser Auslegung 241 % der Fläche gar nicht genutzt wird. Folgen Dies hat zur Folge, dass nebst deutlich weniger Platten auch eine Reduzierung des Durchflusses und höhere Vor- und Rücklauftemperaturen im Zwischenkreislauf (Sekundärseite) möglich wären. Damit würde der Wirkungsgrad der Wärmepumpen deutlich verbessert und es könnte Pumpenenergie in der Fernwärmeleitung gespart werden. Beides würde die JAZ entscheidend verbessern. Ursache Grundsätzlich stellt sich die Frage, ob die Betreiber Probleme mit einer Verschmutzung der Wärmetauscher haben. Die EKZ verneinen dies aber. Die Wärmetauscher würden automatisch und bei Bedarf zudem mechanisch gereinigt. Herr Wegmann stellt aber

29 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 24 den Zweck einer chemischen Reinigung in Frage. Dies sei nur bei stark kalkhaltigen Medien sinnvoll was im bei gereinigtem Abwasser nicht der Fall sein. Eine Verschmutzung der Platten lässt sich nur erkennen, wenn der Wärmetauscher geöffnet wird. Vielmehr hält er folgendes Phänomen für die wahrscheinlichste Erklärung für den schlechten Wärmeaustausch: Da der Zwischenkreislauf aus einem Wasser-Glykol-Gemisch besteht kann sich durch Lufteintrag Schaum auf der Sekundärseite bilden. Dieser Schaum leitet die Wärme nicht. Dies würde dann im Auslegungsprogramm genau das in Abbildung 7.3 dargestellte Bild geben. Diese 241 % an überschüssiger Fläche wären dann der Anteil der Fläche, der aufgrund des Schaums die Wärme nicht leitet. Spezialist beiziehen Ob der Wärmetauscher verschmutzt ist, oder allenfalls tatsächlich Schaum die Ursache des ungenügenden Wärmeaustauschs ist, lässt sich nur vor Ort abklären. Es scheint aber unumgänglich, dass ein Spezialist die Anlage Seeblick untersucht. Abbildung 7.3 Nachgerechnete Auslegung des vermuteten IST-Zustandes der Anlage Seeblick (Kälteleistung: 25 kw; Durchfluss: 20m3/h Vor-und Rücklauftemperaturen: Abwasserseite: 10/9 C, Sekundärseite 6/2 C) Einfluss auf Leistungsbedarf der Pumpen Dass bei diesen installierten Plattentauschern Optimierungspotenzial besteht steht ausser Frage. Nun soll aufgezeigt werden, welche Konsequenzen der Einsatz von effizienteren Wärmetauschern hätte. Der Einfluss auf den Wirkungsgrad der Wärmepumpe wird in Kapitel 7.2 noch erläutert werden. Nun wird der Einfluss auf den Leistungsbedarf der Pumpen fürs Fernwärmenetz aufgezeigt. In Abbildung 7.4 ist der notwendige Durchfluss aufgeführt, der vorhanden sein muss, um den gesamten Anergiebedarf der drei Überbauungen (Seeblick, Seegarten und Seeweg) aus der Heizperiode 2004/2005 zu decken. Die Notwendigkeit einer effizienten

30 Abnahme Jahreskosten (CHF/a) Annuität (CHF) notwendiger Durchfluss (m 3 /h) ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 25 Wärmeentnahme wird offensichtlich. Wäre in den Anlagen Seeblick und Seegarten ein effizienter Wärmeaustausch möglich (6 C statt wie bisher 0.8 C und 1.7 C) könnte der Durchfluss massgebend verringert werden h/a 4000 h/a 5000 h/a dt gereinigtes Abwasser (K) Abbildung 7.4 Notwendiger Durchfluss in der Fernwärmeleitung in Abhängigkeit von der Wärmeentnahme aus dem gereinigten Abwasser und den Betriebsstunden um den von der EKZ im Jahr 2005 gemessene Anergiebedarf von kwh zu gewährleisten. Wirtschaftlichkeit Ersatzinvestition Damit abgeschätzt werden kann, ob sich aus wirtschaftlicher Sicht ein Ersatz der total vier Wärmetauscher der Anlagen Seeblick und Seegarten lohnt, werden die Abnahmen der jährlichen Kosten für die Pumpenergie mit der Annuität der Ersatzinvestition (Annahmen: Zins: 3 %, Lebensdauer 15 Jahre) verglichen (siehe Abbildung 7.5). Die Abnahme der Jahreskosten wird über die Reduzierung des Durchflusses und der damit verbundenen Abnahme der Leistungsaufnahme der Pumpen fürs Fernwärmenetz berechnet. Die detaillierte Rechnung ist im Anhang 4 aufgeführt h/a 4000 h/a 5000 h/a Ersatz 4 WT Strompreis (Rp./kWh) Abbildung 7.5 Abnahme der Jahreskosten für Pumpenenergie durch Ersatz der vier Wärmetauscher in den Anlagen Seeblick und Seegarten im Vergleich mit der Annuität der damit verbundenen Investitionskosten.

31 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 26 Strompreis 2011 Der Tarifrechner der EKZ ( berechnet für den mittleren Stromverbrauch der Anlage Seeblick zwischen 2001 und 2005 ( kwh) je nach Strommix 16 bis 23 Rp./kWh. Aus Abbildung 7.5 lässt sich somit erkennen, dass bei den bestehenden Strompreisen ein Ersatz der Wärmetauscher aus ökonomischer Sicht nicht gerechtfertigt ist. Es ist aber auch denkbar, dass in absehbarer Zukunft die Strompreise steigen werden und die Ersatzinvestition dann wirtschaftlich wird. Fazit Viel wichtiger als diese wirtschaftliche Betrachtung ist aber, dass durch die effiziente Wärmeentnahme der Durchfluss stark reduziert wird und damit die Möglichkeit geschaffen wird, zusätzliche Überbauungen an das bestehende Netz mit der bestehenden Infrastruktur anzuschliessen. Zudem sind energieeffiziente Anlagen nötig um das Potenzial der Wärme im gereinigten Abwasser voll ausschöpfen zu können, da der Wärmebedarf grösser ist als das zukünftige Potenzial der möglichen Kälteleistung (siehe auch Kapitel 5. Potenzial). Kontaktaufnahme mit Hersteller 7.2 Wärmepumpe Um das Optimierungspotenzial der Wärmepumpen abzuschätzen wurde mit der Firma Kapag (Hersteller der bei der Überbauung Seeblick installierten Wärmepumpen) Kontakt aufgenommen. Die folgenden Feststellungen basieren auf einem Gespräch mit Herrn R. Eberli (Leiter Technik, Kapag). So wie die Wärmepumpe ausgelegt ist, resultiert gemäss Kompressorprogramm der Firma Kapag ein COP von 3.8. Werden nun die Nebenantriebe wie Pumpen Fernwärmeleitung und Elektroheizstäbe (nur Notheizung) eingerechnet, ist eine JAZ von 3 durchaus realistisch. Die Differenz zu den Jahresarbeitszahlen der anderen beiden Anlagen kann aber nicht durch das Alter der Wärmepumpen (Begründung seitens EKZ) erklärt werden. Vielmehr muss dafür das Gesamtsystem betrachtet werden (siehe Abbildung 7.1). Heizungskreislauf Im 6. Kapitel wird festgehalten, dass die Vorlauftemperatur des Heizungskreislaufs bei der Anlage Seeblick deutlich höher liegt als bei den anderen beiden Anlagen. Bei der Anlage Seeblick ist der Kondensator auf eine Vorlauftemperatur von 47 C und eine Rücklauftemperatur von 37 C ausgelegt. Diese hohen Werte sind auf das Heizungssystem zurückzuführen. 47 C ist eine übliche Vorlauftemperatur für Radiatoren. Bodenheizungen dagegen können heute auf Vorlauftemperaturen von ca. 35 C ausgelegt werden. Würde die Wärmepumpe der Anlage Seeblick mit einer Vorlauftemperatur (Primärkreislauf) von 35 C betrieben würde der COP laut Kompressorprogramm der Kapag 4.8 betragen. Dementsprechend wäre auch die JAZ deutlich höher. Somit kann also gesagt werden, dass Radiatoren als Heizsystem im Zusammenhang mit Wärmepumpen ungeeignet sind und in Zukunft nicht mehr eingesetzt werden sollten. Ein Ersatz der Radiatoren durch eine Bodenheizung ist in einer bestehenden Überbauung mit sehr grossem Aufwand verbunden und deshalb kaum realistisch. Deshalb müssen Optimierungen an der Verdampferseite umgesetzt werden.

32 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 27 Zwischenkreislauf Der Verdampfer ist auf eine Eintrittstemperatur von 6 C und eine Austrittstemperatur von 2 C ausgelegt. Im 6. Kapitel wurde beschrieben, dass die Wärmeentnahme aus dem gereinigten Abwasser (ΔT_Quelle) zu tief ist und vergrössert werden sollte. Es stellt sich nun die Frage, welchen Einfluss ein grösseres ΔT_Quelle auf den Wirkungsgrad der Wärmepumpe und damit auch auf die JAZ hat. Dafür ist entscheidend, wie die Ein- und Austrittstemperaturen auf der Sekundärseite des Systemtrenners (gereinigtes Abwasser/Zwischenkreislauf), d.h. die Vor- und Rücklauftemperaturen des Wasser-Glykol-Gemischs sind. Grundsätzlich gibt es zwei Möglichkeiten: Einerseits wäre es möglich, dass aufgrund der geringen Abkühlung des gereinigten Abwassers der Zwischenkreislauf konstant auf einem höheren Temperaturniveau ist. Momentan wird das gereinigte Abwasser nur von ca. 10 C auf ca. 9 C abgekühlt (statt wie geplant von 10 C auf 4 C). Die mittlere Temperatur auf der Primärseite des Systemtrenners beträgt folglich ca. 9.5 C statt 7 C. Wird nun davon ausgegangen, dass dadurch auch die mittlere Temperatur des Zwischenkreislaufs auf einem höheren Niveau ist (z.b. 6 C statt 4 C), würde ein grösseres ΔT_Quelle zu einer niedrigeren Eintrittstemperatur am Verdampfer führen und somit den Wirkungsgrad und die JAZ der Wärme verschlechtern. Für die installiere Wärmepumpe gilt: Bei einer um 1 C höheren Eintrittstemperatur am Verdampfer nimmt der Wirkungsgrad um zu. Somit wäre der Wirkungsgrad etwa um 0.3 höher als der COP am ausgelegten Betriebspunkt. Dies müsste sich positiv auf die JAZ auswirken, d.h die sollte dann eigentlich etwa bei 3.2 liegen. Somit scheint es realistischer, dass das geringe ΔT_Quelle einen negativen Einfluss auf den Wirkungsgrad der Wärmepumpen hat. Dies ist dann der Fall, wenn durch den schlechten Wärmefluss am Systemtrenner das Wasser-Glykol-Gemisch nicht genug aufgewärmt werden kann. Es wäre dadurch beispielsweise möglich, dass die Eintrittstemperatur beim Verdampfer nur 3 C statt 6 C beträgt. Somit würde in diesem Fall ein grösseres ΔT_Quelle auch zu einem besseren Wirkungsgrad und zu einer höheren JAZ führen. Welche der oben beschriebenen Möglichkeiten zutreffend ist lässt sich nur durch Messungen eindeutig klarstellen. Sicher ist jedoch, dass der Wärmetauscher (gereinigtes Abwasser Zwischenkreislauf) einen sehr entscheidenden Einfluss auf den Wirkungsgrad der Wärmepumpe hat. Deshalb müssen dieser Wärmetauscher und der Verdampfer gut aufeinander abgestimmt werden und allenfalls im Nachhinein neu ausgelegt werden. Warmwasser Bis anhin wurde nur die Wärmepumpe im Zusammenhang mit dem Heizungssystem erwähnt. Diese Wärmepumpen werden aber auch zur Warmwassererzeugung verwendet (täglich zwischen 02:00 bis 04:00 Uhr). Für die Warmwassererzeugung wird die Wärmepumpe mit primärseitigten Vor- und Rücklauftemperaturen von 55 C und 48 C betrieben. Bei diesen Temperaturen ist der Wirkungsgrad natürlich besonders schlecht. Deshalb sollte für die Warmwassererzeugung Solaranlagen in Betracht gezogen werden. Um Wärmeverluste im Verteilnetz zu verringern, sollte die Warmwasserproduktion zudem möglichst dezentral gelöst werden. So könnte die JAZ weiter verbessert werden.

33 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser Weiterausbau Ausgangslage Mehrere Quellen bestätigen, dass in Uster das Potenzial zur Nutzung der Abwärme des gereinigten Abwassers noch nicht ausgeschöpft ist (siehe 5. Kapitel). Die Stadt Uster plant verschiedene Gebiete ans Fernwärmenetz der ARA Uster anzuschliessen (siehe Abbildung 8.1). Abbildung 8.1 Geplantes neues Fernwärmenetz und mögliche Erschliessungszonen (inkl. Wärmebedarf); Stand: Quelle: Durena AG Möglichkeiten mit Zusatznutzen Mitte März 2011 steht die Energie Uster AG laut Herrn Oberholzer (Stadtgeometer, Stadt Uster) in Verhandlungen mit potenziellen Abnehmern. Diskutiert wird vornehmlich über die Vorfinanzierung der neu zu erstellenenden Transportleitungen. Dass neue Gebiete erschlossen werden ist somit eine Frage der Zeit. Im folgenden Abschnitt soll nun diskutiert werden, wie diese Gebiete möglichst sinnvoll angeschlossen werden können. Im bestehenden System wird das gereinigte Abwasser nach der Wärmeentnahme bei den verschiedenen Überbauungen in eine Meteorwasserleitung eingeleitet und gelangt anschliessend direkt in den Vorfluter (Aabach). Es stellt sich nun aber die Frage, ob das abgekühlte, gereinigte Abwasser nicht noch zusätzlich verwendet werden könnte. Grundsätzlich bestehen folgende Möglichkeiten: 1. Einleiten in Vorfluter (wie bisher) 2. Rückführung zur ARA Uster 3. Kühlung 4. Grauwasser-Nutzung 5. Versickern zwecks Grundwasseranreicherung Diese fünf Varianten werden im Folgenden erläutert, deren Machbarkeit geprüft sowie hinsichtlich ökologischer, wirtschaftlicher und unterhaltstechnischer Aspekten detailliert untersucht.

34 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 29 Wirtschaftlichkeit 8.1 Einleiten in Vorfluter Beim bestehenden System wird das gereinigte Abwasser nach der Wärmeentnahme in eine Meteorwasserleitung eingeleitet und gelangt so in einen Vorfluter. Hier wird nun geprüft, ob ein Einleiten in eine Meteorwasserleitung bei den geplanten Nutzungsstandorten (siehe auch Anhang 3) ohne grössere Aufwände möglich wäre. Abbildung 8.2 Ausschnitt Genereller Entwässerungsplan Uster 2005; grün: Regenwasserkanal bestehend; blau: Regenwasserkanal projektiert Die roten Pfeile in Abbildung 4.1 zeigen, dass ein Einleiten in die Meteorwasserleitungen bei den geplanten Nutzungsstandorten problemlos ist und somit ohne grössere finanzielle Mehraufwände realisierbar wäre. Die folgenden Überlegungen zu ökologischen und unterhaltstechnischen Aspekten sind für alle Varianten gültig und werden der Einfachheit halber aber nur hier aufgeführt. Ökologie Grundsätzlich stellt sich die Frage, ob für die Strecke ARA Uster Greifensee Restwassermengen eingehalten werden müssen. Herr Noll (AWEL, Sektion Gewässerschutz) hat diesbezüglich keine Bedenken. Da dem Aabach kein Wasser entnommen werde, gelten keine Bestimmungen bezüglich Restwassermengen. Somit kann bei Bedarf das gesamte gereinigte Abwasser in die Fernwärmeleitung eingespiesen werden. Unterhalt Es zeigt sich, dass vor allem die Verschmutzung der Wärmetauscher (Systemtrenner) problematisch und deshalb mit beträchtlichem Aufwand verbunden ist. Die EKZ hat deshalb auf dem Areal der ARA Uster bereits einen Bernoulli-Filter installiert, der jedoch noch nicht in Betrieb genommen wurde. In Zukunft wird dadurch das gereinigte

35 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 30 Abwasser einem weiterern Reinigungsschritt unterzogen bevor es ins Fernwärmeleitungsnetz eingespiesen wird. Die dezentral installierten Filter unmittelbar vor den Wärmeerzeugungsanlagen haben dann nur noch die Funktion eines Polizei-Filters und müssen entsprechend nur noch selten gereinigt werden. Idee 8.2 Rückführung zur ARA Uster Eine Rückführung zur ARA könnte hauptsächlich aus zwei Gründen interessant sein. Ersten können beim Verlegen einer zweiten Leitung viele Synergien bei der Projektierung und dem Bau genutzt werden. Zweitens muss bei einem geführten Rücklauf mit einer Druckleitung die geodätische Höhe nicht überwunden werden. Dies kann den Leistungsbedarf einer Pumpe entscheidend senken. Leistungsbedarf Pumpe Damit abgeschätzt werden kann, ob sich eine Rückführung zur ARA Uster lohnt, wird die Pumpenleistung der Variante mit Rückführung, mit der Pumpenleistung der Variante Einleiten Vorfluter verglichen. Der Einfachheit halber wird nur die projektierte Leitung zwischen der ARA Uster und Eschenbühl betrachtet (siehe Abbildung 8.1). Ausgehend vom angegebenen Wärmebedarf (2.2 MW) wird über eine JAZ von 4 der Anergiebedarf von MW berechnet. Um diesen Anergiebedarf zu decken sind bei einer vollständigen Abkühlung (dt = 6 C) knapp 240 m 3 /h notwendig. Dieser Durchfluss dient als Grundlage für die Berechnung der lokalen und kontinuierlichen Verluste im Leitungsnetz. Das detaillierte Vorgehen zur Berechnung der Verluste und der notwendigen Pumpenleistung ist im Anhang 5 erklärt. Wirtschaftlichkeit Damit eine Aussage zur Wirtschaftlichkeit eines geführten Rücklaufs gemacht werden kann, müssen die Investitionskosten abgeschätzt werden. Diese Kostenschätzung basiert auf Angaben von Herrn Arnold (Durena AG). Die Investitionskosten wurden in CHF pro Trasseemeter sowie in Abhängigkeit des Leitungsdurchmessers angegeben und wie folgt unterteilt: Kosten für Material d.h. PE-Leitungen Kosten für Aushub Honorar für Projektierung, Planung, Bauleitung usw. Alle Trasseemeterpreise sind im Anhang 6 aufgeführt. Für die Erstellung der Fernwärmeleitung wurden die in Tabelle 8.1 aufgelisteten Investitionskosten berechnet. Tabelle 8.1 Für die Erstellung der Fernwärmeleitung berechneten Investitionskosten Kosten nur Vorlauf (CHF) Kosten Vor- und Rücklauf (CHF) Mehrkosten Vor- und Rücklauf (CHF) Damit die Mehrkosten für einen geführten Rücklauf mit den jährlichen Einsparungen der Pumpenenergie verglichen werden kann, wurde die Annuität (Zins: 3 %, Lebensdauer: 50 Jahre) für die Mehrkosten berechnet. Das Ergebnis dieser Berechnung ist Abbildung 8.3 dargestellt. Dabei wird erkennbar, dass bei den bestehenden Strompreisen (ca. 20 Rp./kWh siehe Kapitel 7.1 Wärmetauscher) bei 5000 Betriebsstunden pro Jahr die Investition knapp wirtschaftlich ist und bei weniger

36 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 31 Betriebsstunden die Mehrinvestition alleine durch die Energieersparnis knapp nicht gerechtfertigt werden kann. Abbildung 8.3 Abnahme der Jahreskosten in Abhängigkeit der jährlichen Betriebsstunden und des Strompreises sowie die Annuität berechnet mit einem Zinssatz von 3 % und einer Lebensdauer von 50 Jahren Da die Wirtschaftlichkeit für den geführten Rücklauf stark von den Energieverlusten und damit vom geodätischen Höhenunterschied und vom Durchfluss abhängt wurde in einer weiteren Berechnung (siehe Abbildung 8.4) die Abnahme der Jahreskosten in Abhängigkeit dieser beiden sensitiven Eingangsgrössen dargestellt. Abbildung 8.4 Abnahme der Jahreskosten in Abhängigkeit des Durchflusses und des geodätischen Höhenunterschieds (relevant bei Variante Einleiten in Vorfluter ) sowie die Annuität berechnet mit einem Zinssatz von 3 % und 5 % und einer Lebensdauer von 50 Jahren Abbildung 8.4 zeigt, dass sich die Zusatzinvestition in einen geführten Rücklauf bei grossen Durchflüssen schon bei einem geringen geodätischen Höhenunterschied auszahlt.

37 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 32 Ökologie Aus ökologischer Sicht entstehen durch die Variante Rückführung zur ARA keine Nachteile. Unterhalt Der Unterhalt ist bei einer Anlage mit Rückführung im gleichen Rahmen wie beim bestehenden System. 8.3 Kühlung Die Kühlung von Gebäuden ist früher vor allem in Gewerbe- und Bürogebäuden angewendet worden. Heute besteht ein Kühlungsbedarf auch zunehmend in Wohnhäusern, wenn die Raumtemperatur infolge hoher Aussentemperatur die Komfortgrenze von z.b. 25 C überschritten hat. Gründe für dieses Phänomen sind der steigende Anteil an verglasten Fassadenflächen, die Zunahme von technischen Geräten in Haushalten, die Abwärme produzieren und auch die steigenden Komfortansprüche der Bewohner. Beim Kühlen wird die Wärme des Gebäudeinneren über einen oder mehrere Kühlkreisläufe nach aussen geführt. Diese Kühlkreisläufe können sowohl getrennt als auch gemeinsam mit dem Wärmeabgabesystem konzipiert sein. Bei der Art des Kühlens wird zwischen aktivem und passivem Kühlen unterschieden. Aktives Kühlen Beim aktiven Kühlen ist der Kompressor der Wärmepumpe in Betrieb. Dabei wird die Raumwärme vom Verdampfer übernommen und durch den Kondensator dem gereinigten Abwasser übergeben. Dafür wird entweder eine reversible Wärmepumpe (d.h. Umkehr Richtung des Kältekreises) oder, im Fall von Wasser/Wasser- Wärmepumpen ebenfalls möglich, eine Umschaltung von Primär- und Sekundärkreislauf vorgenommen (AWP, 2007). Ob sich die Investition in ein System mit aktiver Kühlung lohnt hängt stark von der Nutzung der Gebäude und vom Nutzungsverhalten der Bewohner ab und ist deshalb von Anlage zu Anlage abzuklären. Passives Kühlen Beim passiven Kühlen (auch bekannt als natürliches Kühlen oder Freecooling ) ist der Kompressor der Wärmepumpe nicht in Betrieb. Dies bringt einen grossen Vorteil von passivem Kühlen gegenüber aktivem Kühlen. Für den Betrieb sind einzig die Umwälzpumpen (Primär- und Sekundärkreislauf) sowie die entsprechenden Regelungssysteme notwendig, was einen minimalen Energieeinsatz erfordert. Entscheidend für die Anwendung von natürlichem Kühlen ist aber die Temperaturdifferenz zwischen der Raumtemperatur und der Temperatur des gereinigten Abwassers. Die minimal notwendige Temperaturdifferenz ist abhängig vom Kühlsystem des Gebäudes, insbesondere von der Art und Anzahl der Wärmeübergänge. Je nach Art des Wärmeüberganges ist pro Wärmeübergang eine Temperaturdifferenz von 3 5 C notwendig (AWP, 2007). Im Fall von Kühlung über Fussboden oder Bauteilkühlung sind zwei Wärmeübergänge notwendig: Wärmetauscher gereinigtes Abwasser Fussboden-oder Bauteilkühlsystem Fussboden oder Bauteil Raum

38 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 33 Soll nun beispielsweis die Raumtemperatur 25 C nicht überschritten werden, darf die Temperatur des gereinigten Abwassers nicht höher als C sein. In Tabelle 8.2 sind die Monatsmittel des gereinigten Abwassers der ARA Uster aufgeführt. Es wird ersichtlich, dass Freecooling im Frühling und Herbst angewendet werden kann. Tabelle 8.2 Temperatur des gereinigten Abwassers (Monatsmittel) in der ARA Uster im Jahr 2010 Mai Juni Juli August September Oktober mittlere Temperatur gereinigtes Abwasser ( C) Ökologie Für den Aabach bei Uster müssen die gesetzlichen Vorschriften eines Forellengewässers berücksichtigt werden. Gemäss Gewässerschutzverordnung (Stand 1. Januar 2011) sind folgende Bedingungen bei der Einleitung von Abwasser in ein Gewässer einzuhalten (SR , 1998): Die Temperatur des ins Gewässer eingeleiteten Abwassers darf höchstens 30 C betragen Nach weitgehender Durchmischung darf die Wassertemperatur im Gewässer 25 C nicht überschreiten. Gegenüber dem unbeeinflussten Zustand darf die Wassertemperatur nicht um mehr als 1.5 C ansteigen Diese gesetzlichen Vorgaben können im Aabach selbst bei ungünstigsten Verhältnissen (hohe Wassertemperatur und Niedrigwasser) eingehalten werden, da der Abfluss im Aabach ein Vielfaches des Durchflusses im Fernwärmeleitungsnetz ist. Gemäss Aussage von Herrn Hertig (Fischerei- und Jagdverwaltung) dürfen für diese Betrachtung Tagesmittelwerte verwendet werden. Aus den hydrologischen Jahrbüchern (siehe Anhang 7) wird ersichtlich, dass die durchschnittliche jährliche Tageshöchsttemperatur im Aabach von C beträgt. Unter der Annahme, dass gleichzeitig Niedrigwasserabflussverhältnisse vorherrschen (Q 347 Aabach = 0.5 m 3 /s) würde die im Rahmen der gesetzlichen Vorschriften mögliche Leistung zur Kühlung von Gebäuden immer noch 6 MW betragen. Die Berechnung dazu ist ebenfalls im Anhang 7 aufgeführt. Bachforellen gefährdet Das Kühlen von Gebäuden ist folglich aufgrund der gesetzlichen Vorgaben problemlos möglich. Dennoch muss an dieser Stelle erwähnt werden, dass bei Wassertemperaturen über 20 C Bachforellen bereits nicht mehr wachsen können. Ein zusätzlicher Temperaturanstieg kann das Überleben der Bachforellen somit entscheidend gefährden (Baudirektion Kanton Zürich, 2010). Diesem Umstand müssen sich sowohl Planer als auch betroffene Gemeinde bewusst sein. Unterhalt Der Einsatz von Wärmepumpen zu Kühlzwecken stellt aus unterhaltstechnischer Sicht laut Aussage von Herrn Eberli (Kapag) keinen nennenswerten Mehraufwand dar. Dadurch, dass die Wärmepumpe auch im Sommer läuft könne sie im Sommer nicht verhocken. Demgegenüber steht der Nachteil, dass die zu erwartende Lebensdauer

39 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 34 der Anlage etwas abnimmt weil die Betriebszeiten zunehmen. Diese Vor- und Nachteile kompensieren sich aber ungefähr gegenseitig. Begriffsdefinition 8.4 Grauwasser-Nutzung Grundsätzlich ist es möglich, das gereinigte Abwasser nach der Wärmeentnahme (resp. Wärmerückgabe bei Kühlung) weiterzuverwenden, statt wie bisher in einen Vorfluter einzuleiten. Diese zusätzliche Nutzung wird mit dem Begriff Grauwasser- Nutzung beschrieben. Nutzung für Toilettenspülung Im folgenden Abschnitt wird eine mögliche Implementierung eines bestehenden Systems zur Grauwasser-Nutzung vorgestellt. Das Unternehmen Gebrüder Tobler AG stellt unter anderem Systeme zur Regenwassernutzung her (siehe Abbildung 8.5). Abbildung 8.5 Übersicht Regenwassernutzung - übernommen aus (Gebrüder Tobler AG, 2002)

40 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 35 Dieses System könnte in Analogie auch zur Nutzung von gereinigtem Abwasser verwendet werden. Während Regenwasser für Toilettenspülungen, fürs Wäschewaschen und für die Gartenbewässerung verwendet werden kann, beschränkt sich die Nutzung von gereinigtem Abwasser auf Toilettenspülungen. Dies ist aber der Wasserverbraucher Nr. 1 in Schweizer Haushalten. In einem durchschnittlichen 3 Personen-Haushalt entfallen 32 % des Trinkwasserverbrauchs auf Toilettenspülungen (d.h. 126 l/tag/haushalt; Basis: 395 l/tag/haushalt) (Gebrüder Tobler AG, 2006). Im Fall der Anwendung mit gereinigtem Abwasser wird der Auffangspeicher (Nr.2) mit gereinigtem Abwasser aus der Fernleitung gespiesen. Bei Versorgungsengpässen wird der Speicher mit Trinkwasser gefüllt (Nr.5). Das gereinigte Abwasser wird über eine Druckerhöhungsanlage (Nr. 3) zu den Toiletten geführt. Machbarkeit Grundsätzlich ist die Qualität des gereinigten Abwassers in Uster genügend für eine Nutzung bei Toilettenspülungen. In der Praxis fehlen aber Erfahrungswerte mit ähnlichen Anlagen. Deshalb müssten die Bewohner klar informiert sein. Denkbar wäre bspw. auch das Installieren einer UV-Filter Anlage, damit Pathogene entfernt werden könnten. Dies wäre aber nicht zwingend und müsste nur auf ausdrücklichen Wunsch der Bewohner erfolgen. Wirtschaftlichkeit Um die Wirtschaftlichkeit einer Anlage zur Nutzung von gereinigtem Abwasser zu prüfen, wird im folgenden ein Beispiel aufgeführt für eine fiktive Überbauung mit 30 Wohneinheiten bestehend aus 3 Personen-Haushalten. Zunächst wird der Bedarf von gereinigtem Abwasser für die Toilettenspülungen und die damit verbundene jährliche Kostenersparnis berechnet (Siehe Tabelle 8.3). Zur Berechnung der Kosteneinsparung wird der in Uster momentan gültige Trinkwasserpreis von 2.51 CHF/m 3 2 verwendet. Tabelle 8.3 Täglicher Bedarf von gereinigtem Abwasser für die Toilettenspülung und daraus resultierende jährliche Kostenersparnis in Überbauungen von unterschiedlicher Grösse Anzahl Wohneinheiten (WE) Bedarf gereinigtes Abwasser für Toilettenspülung (l/d) Jährliche (CHF/a) Kosteneinsparung Dieser tägliche Bedarf kann mit gereinigtem Abwasser problemlos abgedeckt werden. In der Fernleitung zur Überbauung Eschenbühl wurde beispielsweise mit einem Durchfluss von 240 m 3 /h gerechnet. Zudem werden bei den oben erwähnten Regenwassernutzungssystemen Speicherbehälter mit bis zu 15 m 3 Volumen verwendet, welche Differenzen zwischen Angebot und Nachfrage ausgleichen. Das notwendige Speichervolumen sowie alle anderen technischen Aspekte zur Installation einer Anlage mit Nutzung von gereinigtem Abwasser in Toilettenspülungen muss von Fachleuten beurteilt werden. An dieser Stelle wird nun lediglich untersucht, ob die jährlichen Einsparungen durch den geringeren Trinkwasserverbrauch in einem günstigen Verhältnis zu den notwendigen Investitionen stehen. Da die Investitionskosten abhängig von der technischen Ausführung sind, ist in Abbildung Stand Quelle:

41 Annuität (CHF) Einsparung Trinkwasserverbrauch (CHF/a) ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 36 die Annuität (Lebensdauer: 25 Jahre) in Abhängigkeit der Investitionskosten dargestellt. Zudem sind die jährlichen Einsparungen für eine Überbauung mit 30 Wohneinheiten rot eingetragen. Annuität 3 % Zins Annuität 5 % Zins Investitionskosten (CHF) Abbildung 8.6 Vergleich der Annuität der Investition mit den jährlichen Einsparungen durch den reduzierten Trinkwasserverbrauch einer Überbauung mit 30 Wohneinheiten In Abbildung 8.6 sind zusätzliche Kosten wie Leistungsbedarf der Pumpen im Fernwärmeleitungsnetz und Umwälzpumpen in den Gebäuden nicht enthalten. Trotzdem wird ersichtlich, dass es sich durchaus lohnt eine Installation einer Anlage zum Verwenden von gereinigtem Abwasser in Toilettenspülungen zu prüfen. Für die fiktive Überbauung mit 30 Wohneinheiten darf die Investition somit bis zu , CHF betragen. Ökologie Aus ökologischer Sicht spricht nichts gegen eine Grauwasser-Nutzung für Toilettenspülungen. Unterhalt Der Unterhalt wird im ähnlichen Rahmen sein, wie bei Systemen zur Regenwassernutzung. Die Tobler AG empfiehlt für diese Anlagen regelmässige Kontrollen des Speichers (erste Kontrolle spätestens nach einem Betriebsjahr, Reinigungsintervalle je nach Verschmutzung). Die Druckerhöhungspumpen seien dagegen aber wartungsfrei, wobei eine äussere Verschmutzung vermieden werden sollte (Gebrüder Tobler AG, 2006). 8.5 Versickern zwecks Grundwasseranreicherung In Zukunft könnte das gereinigte Abwasser nach dem Wärmeaustausch auch versickert werden um so einen Beitrag zur Anreicherung von Grundwasser zu leisten. Da die Zulässigkeit der Versickerung von gereinigtem Abwasser nach Gewässerschutz Verordnung (GSchV) grundsätzlich nicht untersagt, jedoch von der zuständigen Behörde abzuklären ist, wird in dieser Arbeit kein detailliertes Konzept erarbeitet. Zudem gelten für Gebiete mit Grundwasservorkommen (in Uster der Fall) verschärfte Vorschriften (SR , 1998). Dennoch soll dieser zusätzlich mögliche Nutzen, der durch die Versickerung entstehen könnte, hier erwähnt sein.

42 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 37 Geführter Rücklauf Ja/Nein? 8.6 Empfehlung Auf den letzten Seiten wurde aufgezeigt, dass für den Weiterausbau des Fernwärmeleitungsnetzes in Uster eine Vielzahl von attraktiven Möglichkeiten besteht. Grundsätzlich sollte zunächst einmal geklärt werden, ob eine Rückführung zur ARA Uster in Frage kommen könnte. Die Berechnungen zeigen, dass im Fall der Leitung ARA-Eschenbühl die Wirtschaftlichkeit nicht eindeutig ist. Hier würde es sich beispielsweise lohnen für beide Varianten (nur Vorlauf, Vor-und Rücklauf) Offerten einzuholen und anhand dieser Offerten mit ähnlichen Überlegungen wie im Abschnitt 8.2 beschrieben eine detaillierte Analyse zur Wirtschaftlichkeit zu vollziehen. Grauwasser-Nutzung Falls sich herausstellt, dass sich die Mehrkosten für einen geführten Rücklauf nicht rechtfertigen lassen, steht mit der Grauwasser-Nutzung für Toilettenspülung (und allenfalls auch Versickerung zwecks Grundwasseranreicherung) eine andere sinnvolle Möglichkeit zur Nutzung des gereinigten Abwassers zur Verfügung. Die Nutzung von gereinigtem Abwasser für Toilettenspülungen kann besonders in Gemeinden wo die Trinkwasserversorgung ausgebaut werden sollte äusserst attraktiv werden. Kühlung Die Nutzung von gereinigtem Abwasser zu Kühlzwecken kann im kleineren Rahmen entschieden werden. Hier spielen die Nutzung der Gebäude (Wohnen, Industrie, Gewerbe, etc.) sowie die Bedürfnisse der Bewohner eine entscheidende Rolle.

43 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser Schlussfolgerungen Potenzial Im 5. Kapitel wurde aufgezeigt, dass der zukünftige Wärmebedarf grösser ist, als das Potenzial, das aufgrund des Abwasseranfalls von der ARA Uster zur Verfügung steht. Dies hat zur Folge, dass energieeffiziente Anlagen absolut zwingend sind, damit in Zukunft möglichst viele zusätzliche Nutzer an das Fernwärmeleitungsnetz angeschlossen werden können. Zudem zeigt dies auch, dass bivalente Anlagen bei grossen Überbauungen in Betracht gezogen werden sollten. Bei bivalenten Anlagen muss aber darauf geachtet werden, dass die Heizungen die den Spitzenbedarf decken sollen auch dafür geeignet sind. Ölheizungen beispielsweise eignen sich, im Gegensatz zu Gasheizungen, gut. Neben bivalenten Anlagen können auch dezentrale thermische Solaranlagen für die Warmwasseraufbereitung in Zukunft von grossem Nutzen sein. Thermische Solaranlagen zur Wärmwasseraufbereitung können sowohl bei Einfamilienhäusern als auch bei grossen Überbauungen eingesetzt werden und sind in der Lage einen beträchtlichen Teil der notwendigen Energie für die Warmwasseraufbereitung zu liefern. Dadurch werden zudem hohe Jahresarbeitszahlen der Wärmepumpenanlagen ermöglicht. Monitoring Die Betrachtung der Anlage Seeblick zeigt, dass die in Betrieb genommenen Anlagen systematisch überwacht werden sollten. Zudem wird ersichtlich, dass der Wärmetauscher beim Wärmeübergang gereinigtes Abwasser Zwischenkreislauf von äusserst grosser Bedeutung ist. Dies legt nahe, dass bei der Planung von zukünftigen Anlagen Spezialisten für Wärmetauscher und Wärmepumpen mit einbezogen werden sollten. Nur so ist es möglich, dass der Wärmetauscher und die Wärmepumpe perfekt aufeinander abgestimmt werden und die Wärmepumpe somit effizient betrieben werden kann. Damit dies in Zukunft sichergestellt ist, sind gewisse Rahmenbedingungen notwendig. Denkbar wäre beispielsweise, dass die Gemeinde Wärmetauscher mit einem Mindestwärmeentzug von z.b. 5 K vorschreibt. Alternativ könnten auch jährliche Kontrollen vorgeschrieben werden. Zuständigkeit Grundsätzlich stellt sich die Frage, wer für die Überwachung der Anlagen zuständig ist. Obwohl der Betrieb von energieeffizienten Anlagen im Interesse aller Beteiligten ist, gilt auch hier der Grundsatz: je unabhängiger desto besser. Weiterausbau Für den Weiterausbau bestehen mehrere interessante Alternativen. Als erstes muss geklärt werden, ob ein geführter Rücklauf in Frage kommt. Danach kann geprüft werden, ob allenfalls weitere Möglichkeiten (Kühlung, Grauwasser-Nutzung, Versickerung) bestehen, das gereinigte Abwasser aus wirtschaftlicher, ökologischer und unterhaltstechnischer Sicht sinnvoll zu nutzen.

44 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser Literaturverzeichnis AWEL. (2010). Energieplanungsbericht Abteilung Energie, Zürich. AWP. (2007). T9 Kühlen mit Wärmepumpen. Zürich: AWP - Arbeitsgemeinschaft Wärmepumpen. Baudirektion Kanton Zürich. (2010). Heizen und Kühlen mit Abwasser - Leitfaden für die Planung, Bewilligung und Realisierung von Anlagen zur Abwasserenergienutzung. Zürich: AWEL Amt für Abfall, Wasser, Energie un Luft des Kantons Zürich. Betscha, E. (2005). Nutzung von Abwasser-Wärme aus der ARA Uster mittels kalter Fernwärme. Zürich: Elektrizitätswerke des Kantons Zürich. Boes, R. (2009). Wasserbau. Professur für Wasserbau. Zürich: Eidgenössische Technische Hochschule Zürich. Bucher, H.-P. (2010). Regionalisierte Bevölkerungsprognosen für den Kanton Zürich. Zürich: Statistisches Amt des Kantons Zürich. Buri, R., & Kobel, B. (2004). Wärmenutzung aus Abwasser. Bern/Zürich: Bundesamt für Energie. FUNKE Wärmeaustauscher Apparatebau GmbH. (2011). Funke. Abgerufen am 13. April 2011 von Gebr. Hunziker AG. (2007). Wärmenutzung aus Abwasser Variantenbeurteilung. Winterthur: Hunziker. Gebrüder Tobler AG. (2006). Regenwassernutzung - Technische Dokumentation. Münchenbuchsee: Tobler System AG. Gebrüder Tobler AG. (2002). Technische Doku, Register 12 - Regenwassernutzung. Urdorf. Gujer, W. (2007). Siedlungswasserwirtschaft. Zürich: Springer-Verlag Berlin Heidelberg. HUBER Technology Waste Water Solutions. (2011). HUBER Abwasserwärmetauscher als Beckenversion RoWinB. Abgerufen am 16. März 2011 von Huber, A., Good, J., Widmer, P., Nussbaumer, T., Trüssel, D., & Schmid, C. (2001). Gekoppelte Kälte- und Wärmeerzeugung mit Erdwärmesonden - Handbuch zum Planungsvorgehen. Bern: Bundesamt für Energie. Kinzelbach, W., Bühler, J., & Hoyer, K. (2010). Hydraulik 1 - Skript der Vorlesung. Zürich: Institut für Hydromechanik und Wasserwirtschaft ETHZ.

45 ETH Zürich Wärmeentnahme aus gereinigtem Abwasser 40 Müller, E. A., & Schmid, F. (2005). Heizen und Kühlen mit Abwasser - Ratgeber für Bauherrschaften und Gemeinden. Bern: EnergieSchweiz für Infrastrukturanlagen. Schmid, F. (2010). Energie aus Abwasserkanälen oder gereinigtem Abwasser? Zürich: VSA W16. SR (28. Oktober 1998). Gewässerschutzverordnung (GSchV). Stoiber, G. (2011). Fachbegriffe: Arbeitszahl, Jahresarbeitszahl, Leistungszahl, COP. Abgerufen am 14. April 2011 von VSA/BFE. (2010). Handbuch Energie in ARA. Wanner, O. (2009). Wärmerückgewinnung aus Abwasser. Dübendorf: Eawag. Wegmann Wärmetauscher GmbH. (2011). Geschraubte Plattenwärmetauscher. Abgerufen am 13. April 2011 von

46 Anhang 1 Temperaturmessungen ARA Uster

47 _ Abbildung 10.1 Messstandorte auf der ARA Uster In Abbildung 10.1 sind die Messstandorte auf der ARA Uster eingezeichnet. Diese sind: 1) Aussenlufttemperatur 2) Temperatur Rohabwasser - Temperaturmessung über ph-sonde im Auslauf der Rechenanlage 3) Temperatur gereinigtes Abwasser Temperaturmessung über Sauerstoffmessung

48 Anhang 2 Berechnung der Gestehungskosten

49 Die Gestehungskosten für die Nutzung der Wärme aus gereinigtem Abwasser wurden auf den Ausbauzustand des Fernwärmenetzes Ende 2005 bezogen. Die Investitionskosten (Erstellung aller drei Anlagen und ARA Fernleitung), der ARA Wärmebezug sowie der Strombezug sind dem Bericht Nutzung von Abwasser-Wärme aus der ARA Uster mittels kalter Fernwärme entnommen. (Betscha, 2005) Die ARA Wärmebezüge und die Strombezüge der Heizperiode 2004/2005 der drei Anlagen Seeblick, Seegarten und Seeweg sind in Tabelle 10.1 aufgeführt. Tabelle 10.1 ARA Wärmebezüge und die Strombezüge der Heizperiode 2004/2005 Überbauung ARA Wärmebezug (kwh) Strombezug (kwh) Wärmeproduktion total (kwh) Seeblick Seegarten Seeweg Total Die Gestehungskosten werden in die Anteile Investitionskosten und Betriebskosten unterteilt. Für den investitionsbedingten Anteil wird die Annuität aufgrund folgender Annahmen berechnet: Investitionskosten (Erstellung aller drei Anlagen und ARA Fernleitung): CHF Zins: 3 % Lebensdauer: 30 Jahre Annuität: CHF Daraus resultieren für den investitionsbedingten Anteil Gestehungskosten von 0.11 CHF/kWh. (85668 /780636) Für den betriebsbedingten Anteil werden folgende Annahmen getroffen: Strommix: 55% Wasserkraft; 45 % Atomstrom Gestehungskosten Wasserkraft: 7 Rp./kWh (Quelle: Gestehungskosten Atomstrom: 5 Rp./kWh (Quelle: Daraus resultieren für den betriebsbedingten Anteil Gestehungskosten von 0.06 CHF/kWh Die totalen Gestehungskosten werden nun über den Anteil des ARA Wärmebezug resp. Strombezug an der gesamten Wärmeproduktion berechnet und betragen 0.10 CHF/kWh.

50 Anhang 3 Potenzialstudie 2009, Durena AG

51 Abbildung 10.2 Potenzialstudie der Durena AG aus dem Jahr Eingetragen sind der Wärmebedarf der möglichen Erschliessungszonen sowie das Fernwärmeleitungsnetz (inkl. Nennweite der Leitungen) Abbildung 10.2 zeigt die Ergebnisse der Potenzialstudie der Durena AG.

52 Anhang 4 Einsparung Durchfluss in Fernwärmeleitung

53 In Tabelle 10.2 ist aufgeführt, um wie viel der Durchfluss in der Fernwärmeleitung durch den Einsatz von effizienteren Wärmetauschern reduziert werden könnte. Dieser notwendige Durchfluss bezieht sich auf den während der Heizperiode 2004/2005 gemessenen Anergiebedarf von kwh/a der drei Überbauungen Seeblick, Seegarten und Seeweg. (Betscha, 2005) Tabelle 10.2 Notwendiger Durchfluss in der Fernwärmeleitung: Qalt berechnet mit dt vom um Uhr / Qneu berechnet mit dt = 6 C / dq daraus resultierende Reduzierung des Durchflusses Qalt Qneu, dt=6 C dq Einsparung von Q (m 3 /h) (m 3 /h) (m 3 /h) (%) Seeblick Seegarten Seeweg total Gemäss Tabelle 10.2 lohnt es sich zu Prüfen, ob Verbesserungen/Ersatz Wärmetauscher bei den Anlagen Seeblick und Seegarten wirtschaftlich sind. Der Wärmetauscher der Anlage Seeweg ist nahe am Optimum. Da ein Ersatz gemäss Aussage von Herrn Wegmann nur unwesentlich teuer ist als eine Totalreinigung wird nur der Ersatz betrachtet. Somit ergibt sich neu ein notwendiger Durchfluss 29 m 3 /h ( ) statt wie bisher 74.6 m 3 /h. In Tabelle 10.3 sind die Abnahme der Leistungsaufnahme (Pumpe Fernwärmeleitung - Gemäss Pumpenkennlinie (siehe Abbildung 10.3)) und die daraus resultierende Abnahme des Jahresverbrauchs in Abhängigkeit der Betriebsstunden aufgeführt. Diese Abnahmen des Jahresverbauchs sind in Abbildung 7.5 (Hauptteil) in Abhängigkeit des Strompreises dargestellt. Tabelle 10.3 Abnahme der Leistungsaufnahme (Pumpe Fernwärmeleitung) und daraus resultierende Abnahme des Jahresverbrauchs in Abhängigkeit der Betriebsstunden. Betriebsstunden Abnahme Leistungsaufnahme (h/a) (kw) (kwh) Abnahme Jahresverbrauch

54 Abbildung 10.3 Pumpenkennlinien der bei der ARA Uster installierten Pumpen fürs Fernwärmeleitungsnetz Quelle: Häny AG

55 Anhang 5 Berechnung der Pumpenleistung

56 Der Leistungsbedarf einer Pumpe berechnet sich nach Gleichung 10.1 und Gleichung 10.2: Gleichung 10.1 Leistungsbedarf einer Pumpe (Boes, 2009) N 1 1 gq H P M N: Leistungsbedarf (kw) ρ: Dichte Wasser = 1000 kg/m 3 g: Erdbeschleunigung = 9.81 m/s 2 Q: Durchfluss (m 3 /s) ΔH: zu überwindende Höhendifferenz (m) η P : hydraulischer Wirkungsgrad = 0.85 (Quelle: häny AG) η M : Motorwirkungsgrad = 0.89 (Quelle: häny AG) Gleichung 10.2 Berechnung der von der Pumpe zu überwindenden Höhendifferenz ΔH entnommen aus (Kinzelbach, Bühler, & Hoyer, 2010) ΔH: zu überwindende Höhendifferenz (m) Δh geod : geodätischer Höhenunterschied (m) ΔH lokal : lokale Verluste (m) ΔH kont. : kontinuierliche Verlust (m) v: Fliessgeschwindigkeit (m/s) g: Erdbeschleunigung = 9.81 m/s 2 ζ: Verlustbeiwert für lokale Verluste Berechnung nach (Kinzelbach, Bühler, & Hoyer, 2010) Kapitel 5 λ: Berechnung nach Prandtl Colebrook (Kinzelbach, Bühler, & Hoyer, 2010) Kapitel 5 Ein Beispiel zur Berechnung der von der Pumpe zu überwindenden Höhendifferenz für die Leitung ARA- Eschenbühl ist in Abbildung 10.4 dargestellt. Der Wärmebedarf sowie die Nennweiten, Längen und Krümmungswinkel der Leitungen sind Abbildung 10.2 entnommen.

57 Abbildung 10.4 Beispiel zur Berechnung der von der Pumpe zu überwindenden Höhendifferenz, Leitung ARA-Eschenbühl Aus Abbildung 10.4 wird ersichtlich, dass die kontinuierlichen Verluste vernachlässigt werden können. Dies ist auf den Einsatz von PE-Rohren (hydraulisch glatt) zurückzuführen.

58 Anhang 6 Kostenschätzung Erstellung Fernwärmeleitung

59 Kosten Aushub (CHF/m) Kosten PE-Rohre (CHF/m) Die Angaben für die Kostenschätzung zur Erstellung einer neuen Fernleitung stammen von Herrn Arnold (Durena AG). Alle Angaben sind in CHF pro Trasseemeter aufgeführt. Die Kosten für die PE-Rohre können Abbildung 10.5 und die Aushubskosten Abbildung 10.6 entnommen werden. Hinzukommen zudem noch Honorarkosten von 100 CHF/m für Planung, Projektierung Bauleitung usw. Vor- und Rücklauf nur Vorlauf Nennweite (mm) Abbildung 10.5 Kosten für PE-Rohre in Abhängigkeit der Nennweite VL&RL halbstädtisch VL&RL offenes Gelände VL&RL städtisch VL halbstädtisch VL offenes Gelände VL städtisch Nennweite (mm) Abbildung 10.6 Kosten für den Aushub in Abhängigkeit der Nennweite und der Umgebung

60 Anhang 7 Variante Kühlung Aabach Einleitbedingungen

61 Daten aus dem hydrologischen Jahrbuch 2010 sind in Abbildung 10.7 (Wassertemperatur) und Abbildung 10.8 (Abfluss) aufgeführt. (Bezug: Abbildung 10.7 Hydrologisches Jahrbuch Wassertemperatur Aabach Niederuster

62 Abbildung 10.8 Hydrologisches Jahrbuch Abfluss Aabach Niederuster

63 Untenstehend ist die Abschätzung der maximal möglichen Kühlleistung aufgeführt: Die Berechnung erfolgte nach Gleichung Gleichung 10.3 Gleichgewichtsbetrachtung für das Einleiten von gereinigte Abwasser in den Vorfluter QV TV QA TA Q0 T0 QV: Abfluss Vorfluter nach Einleitung (m 3 /s) QV = QA+Q0 TV: Temperatur im Vorfluter nach Einleitung ( C) QA: Durchfluss in der Fernwärmeleitung (m 3 /s) TA: Temperatur des gereinigten Abwassers bei Einleitung in den Vorfluter ( C) TA = Ta+dT Ta: Temperatur des gereinigten Abwassers in ARA ( C) Q0: Abfluss Vorfluter vor Einleitung (m 3 /s) - Annahme Q0 = Q 347 = 0.5 m 3 /s (Q 347 siehe Abbildung 10.8) T0: Temperatur Vorfluter vor Einleitung ( C) Annahme 22.5 C (durchschnittliches Jahresmaximum (Tagesmittelwert siehe Abbildung 10.7) E: Mögliche Leistung zur Kühlung von Gebäuden (kw) Abschätzung der maximal möglichen Leistung zur Kühlung von Gebäuden