Abwasser-Wärmepumpe: Wärme aus Abwasser gewinnen

Abwasser nutzbar machen und wiederverwenden

Das kurze Händewaschen oder die morgendliche Dusche sowie das Wäschewaschen produzieren Abwasser. Doch nur selten wird es weiter genutzt oder wiederverwendet. Dabei birgt es ein hohes energetisches Potential. Grundsätzlich sei an dieser Stelle festzuhalten, dass Experten bei dem fäkalienfreien und nur gering verschmutzen Abwasser vom sogenannten Grau- oder Betriebswasser sprechen. Dieses kann unter anderem so aufbereitet werden, dass es dem hygienischen Standard für eine Toilettenspülung oder für die Gartenpflege entspricht. Dies erfolgt mittels Filtern, einer mechanisch-biologischen Reinigung und der Desinfektion über das UV-Licht. So kann der Wasserverbrauch sinnvoll reduziert werden. Dazu ist jedoch eine Aufbereitungsanlage nötig, die sich bei einem Neubau oder bei einer umfangreichen Sanierung mit einplanen lässt. Jedoch besitzt das aufbereitete Grauwasser keine Trinkwasserqualität. Das heißt zum Kochen, Spülen oder Duschen darf es nicht verwendet werden.

Doch auch auf andere Weise kann das Abwasser noch sinnvoll zum Einsatz kommen, nämlich mittels einer Abwasser-Wärmepumpe. Denn das Grauwasser fließt über das gesamte Jahr hindurch mit einer Temperatur von zehn bis 20 Grad Celsius durch die Rohre.  Thermische Energie  landet somit ungenutzt in der Kanalisation.

Die Wärmerückgewinnung aus Abwasser

Die Abwasserwärmerückgewinnung ist im Grunde keine neue Idee oder Erfindung. Vielmehr existieren entsprechende Anlagen in Deutschland bereits seit den zwanziger Jahren. Dabei wird dem Abwasser Wärme entzogen, die sich wiederum zu Heizzwecken verwenden lässt. Das ist in erster Linie dadurch möglich, dass die Abwassertemperatur über das gesamte Jahr konstant ist. Vor allem in den kalten Monaten ist das Grauwasser wärmer als die Umgebungstemperatur. Um die Wärme jedoch nutzen zu können, sind bestimmte technische Vorrichtungen erforderlich. So zum Beispiel ein Wärmetauscher sowie die bereits angesprochene Abwasser-Wärmepumpe.  

Wie funktioniert eine Abwasser-Wärmepumpe?

Grundsätzlich ist die Abwasserwärmerückgewinnung auf drei Arten möglich: die Abwasserwärme direkt aus der Kanalisation, über die Kläranlage oder im Gebäude selbst, in dem das Abwasser produziert wird. Dabei ist entscheidend, dass der Weg möglichst kurz ist, damit so wenig wie möglich thermische Energie verloren geht. Besonders günstig ist es zudem bei Gebäuden mit einem hohen Wärmebedarf wie öffentliche Einrichtungen, Gewerbebauten beziehungsweise Industrieanlagen oder Wohnsiedlungen. Denn dort besteht kontinuierlich eine hohe Temperatur, mit welcher das System besonders effizient betrieben werden kann.

Damit dies jedoch funktionieren kann, muss ein Wärmetauscher dem Abwasser Wärme entziehen. Diese gelangt dann zur Abwasser-Wärmepumpe, welche die thermische Energie zum Heizen nutzbar macht. 

Der Einsatz der Abwasser-Wärmepumpe im Detail

Grundlegend macht sich eine Wärmepumpe die Umweltenergie zunutze. Diese kann aus der Luft, dem Grundwasser oder der Erde stammen oder eben aus dem Abwasser. Allen gemein ist eine verhältnismäßig niedrige Ausgangstemperatur - insbesondere im Vergleich zu Verbrennungsprozessen in Holzheizungen oder in klassischen Öl- und Gasheizungen. Um diese Temperaturen zum Heizen verwenden zu können, muss das Niveau angehoben werden. Das erfolgt unter dem Einsatz von strombetriebenen Verdichtern. Ein flüssiges Kältemittel nimmt die Umweltenergie über einen Verdampfer (Wärmetauscher) auf, wobei es in den gasförmigen Aggregatzustand übergeht. Die Temperatur kann sich jedoch nur ausreichend erhöhen, wenn der Kältemitteldampf auch komprimiert wird. Dadurch erhöht sich im Übrigen auch der Druck. Im Anschluss geht der Dampf in den Verflüssiger (zweiter Wärmeübertrager), wo er die thermische Energie an den Heizkreislauf abgibt.

Bei der Abwasser-Wärmepumpe lässt die im Abwasser gespeicherte thermische Energie das Kältemittel verdampfen. Hierbei ist hervorzuheben, dass der Wärmetauscher mit einem zusätzlichen Wärmeübertragungskreislauf ausgerüstet ist. Auf diese Weise kommt der Verdampfer der Abwasser-Wärmepumpe nicht direkt mit dem Grauwasser in Berührung. 

Die Leistung einer Abwasser-Wärmepumpe

Um einschätzen zu können, mit welcher Leistung eine Wärmepumpe arbeitet, ist das Verhältnis der thermischen Leistung beziehungsweise Heizleistung zur elektrischen Antriebsleistung zu berücksichtigen. Im Fachjargon wird hier von der sogenannten Leistungszahl – COP – gesprochen. Dabei ist die Heizleistung die Summe der eingesetzten Leistung (dem Strom) und der Übertragungsleistung des Wärmetauschers.

Doch um die Energieeffizienz noch besser einschätzen zu können, sollte der Blick auf die Auswertung der Daten im Jahresverlauf wandern. Dafür gibt es die sogenannte Jahresarbeitszahl kurz: JAZ. Sie beschreibt das Verhältnis der Nutzwärmeenergie zur benötigten Arbeitsenergie. Im Schnitt liegt die JAZ für Neubauten einer Abwasser-Wärmepumpe etwa bei fünf und für Bestandsgebäude bei vier. 

Kann überall Wärme aus Abwasser zum Heizen genutzt werden?

Grundsätzlich ist festzuhalten, dass eine Wärmepumpe umso energieeffizienter und letztlich auch kostengünstiger arbeitet, je geringer die Vorlauftemperaturen der Heizungsanlage sind. Ebenso sollte die Temperatur des Abwassers möglichst hoch sein. Ersteres kann unter anderem mit entsprechenden Heizkörpern erreicht werden. Besonders niedrige Vorlauftemperaturen haben sogenannte Flächenheizungen wie die Fußbodenheizung.

Die Abwassertemperatur richtet sich danach, wie weit die Entfernung zwischen Wärmeentnahme durch den Wärmetauscher und dem Abnehmer ist. Damit eignet sich die Methode der Abwasserwärmerückgewinnung insbesondere in den Gebäuden selbst. In diesem Falle können auch tageszeitliche Schwankungen der Abwassermenge über das Zwischenspeichern abgepuffert werden. Dennoch sollten die Gebäude oder Komplexe entsprechend groß sein wie Krankenhäuser, Bäder, Sportanlagen oder Wohnkomplexe mit mindestens 25 Wohneinheiten. Auch aus Sicht der Wirtschaftlichkeit rechnet sich der Einsatz einer Abwasser-Wärmepumpe vor allem in größeren Wohnanlagen oder in industriellen Betrieben mit Prozesswärme. Denn nur hier sind die Abwassermengen hoch genug, um tatsächlich viel Wärme zu gewinnen.