Ein Abwasser-Wärmetauscher ist eine Lösung zur Rückgewinnung von Wärmeenergie aus Abwassersystemen. Diese Technologie nutzt die bislang ungenutzte Wärme, die in Abwasserströmen von Gebäuden und kommunalen Infrastrukturen enthalten ist.
Funktionsprinzip:
Die Technologie zur Wärmerückgewinnung aus Abwasser basiert auf einem einfachen, aber effizienten Prinzip. Spezielle Wärmetauscher werden in Abwasserkanälen installiert, um die thermische Energie des fließenden Abwassers zu nutzen. Eine detaillierte Beschreibung der Technologie ist hier zu finden.
Abwasserwärme nutzen in Polysun:
Für die Darstellung in Polysun kann man entweder das Abwasser-Wärmetauscher Symbol in der Arbeitsfläche per Drag and Drop verwenden oder sich eine passende Vorlage (82 a, 82 b & 82 c) suchen. Der Abwasser-Wärmetauscher kann als Quelle für Wärmepumpen genutzt werden.
Der Abwasser-Wärmetauscher in Polysun wird über die Anschlusspunkte mit dem System verknüpft. Im Komponentenmenü, wie im oberen Bild zu sehen, definiert man die Abwasser-Wärmetauscher-Dimensionen. Als Erstes wählt man einen passenden Katalogeintrag für den Wärmetauscher selbst aus. Damit sind die Wärmeleitfähigkeit, die Länge, Breite und der Nenndurchsatz festgelegt. Anhand der Anzahl der Module ergibt sich die Oberfläche des Abwasser-Wärmetauschers und daraus folgend die maximale thermische Übertragungsleistung der Gesamtinstallation. Zusätzlich muss der Katalogeintrag des Abwasserkanals gewählt werden. Mit diesem Katalog kann sowohl die Form des Kanals definiert werden, als auch die Dimensionen wie Höhe des Abwasserkanals, Querschnittsfläche, Umfang des Abwasserkanals, Abwasserfließgeschwindigkeit bei Vollfüllung und der hydraulische Radius. Es muss darüber hinaus ein sogenanntes Teilfüllungsprofil hinterlegt werden, das weitere Details des Abflussprofils beschreibt:
- tatsächlicher Teilfüllzustand (p)/ Vollfüllzustand (f)
- #h/hmax spezifische Höhe;
- #vp/vf spezifische Geschwindigkeit;
- #Ap/Af spezifische Querschnittsfläche;
- #Up/Uf spezifischer Nassperimeter;
- #rhyp/rhyf spezifischer hydraulischer Radius
Das Teilfüllungsprofil soll die realen Schwankungen, die nach der Tageszeit oder Saison auftreten können, berücksichtigen und damit eine genauere Planung erlauben.
Falls das Abwasserhöhenprofil nicht bekannt ist, können in der Komponente folgende Parameter festgelegt werden: Eine konstante Höhe, eine konstante Abwassertemperatur sowie die Option zur Verwendung der lokalen Grundwassertemperatur. Bei Aktivierung der Grundwassertemperatur-Option wird die Eingabe der konstanten Abwassertemperatur ausgeblendet und stattdessen die Temperaturverschiebung in ΔT (°C) angezeigt. Durch Eingabe einer Temperaturverschiebung wird eine jahreszeitliche Anhebung bzw. Absenkung der Mitteltemperatur des Abwassers berechnet.
Abwasserwärme nutzen & die Berechnung in Polysun:
In diesem Abschnitt werden die physikalischen Parameter des Abwasser-Wärmetauschers mit den entsprechenden Formeln aufgeführt.
Parameter:
| Bezeichnung | Einheit | Abkürzung |
| Wärmeleitfähigkeit | W/m²*K | lamda_wall |
| Länge des Wärmetauschers | m | l |
| Breite des Wärmetauschers | m | w |
| Nominaler Volumenstrom | l/s | V_dot_norm |
| Nominale Durchflusshöhe | m | h_nom |
| Anzahl der installierten Module | – | n |
| Oberfläche des Wärmetauschers | m² | A_HEX |
| Höhe des Abwasserkanals | m | hs |
| Querschnittsfläche | m² | As |
| Perimeter des Abwasserkanals | m | ps |
| Fließgeschwindigkeit des vollgefüllten Abwassers | m/s | vuw,f |
| Hydraulischer Radius | m | rs |
| Biofilm-Faktor | – | fbio |
| Konstante Höhe des Abwassers | m | hconst |
| Konstante Temperatur des Abwassers | °C | Tin,ww,const |
| Temperatur des Grundwassers | °C | Tgrund |
| Temperaturdifferenz | °C | ΔTground |
Die Wärmetauscher-Oberfläche wird wie folgt berechnet:
\(A_{HEX} = l \cdot w \cdot n\)
Das Teilfüllungsprofil ist nicht zeitabhängig und zeigt den Zusammenhang zwischen der spezifischen Höhe der Abwasserhöhe und den anderen Parametern des Abwassers im Kanal, bezogen auf den Volllastzustand.
Spezifische Höhe = \(h/h_max\)
Spezifische Fließgeschwindigkeit des Abwassers = \(v_p/v_f\)
Spezifische Querschnittsfläche des Abwasserstroms = \(A_p/A_f\)
Spezifische Feuchte = \(U_p/U_f \)
Spezifischer hydraulischer Radius = \(r_p/r_f \)
Das Abwasserprofil ist zeitabhängig, daher werden für jeden Zeitschritt die Fließhöhe des Abwassers und die Abwassertemperatur bestimmt.
| Einheit | Abkürzung | |
| Abwasserprofil (Zeitfunktion) | [s] | SimulationTime |
| Abwasserfliesshöhe | [m] | WasteWaterFlowHeight |
| Abwassereintrittstemperatur | [°C] | WasteWaterTemperature |
Die wichtigsten dynamischen Variablen, die in dem Modell berechnet werden, sind folgende:
- Die ausgetauschte Leistung, Q_punkt [W]
- Die Temperatur des austretenden Abwassers, T_out,ww [°C]
- Die Temperatur des austretenden Mediums, T_in,ww [°C]
Für jeden Zeitschritt ist die ausgetauschte Leistung:
\(\dot{Q} = \epsilon \cdot C_{ww} \cdot ( T_{in,ww}-T_{in,m})\)
\(C_{ww} = \dot m_{ww} \cdot c_{p,ww}\)
Dabei ist C_ww die Wärmekapazitätsrate auf der Abflussseite, folglich das Produkt aus dem Massendurchsatz des Abflusses m_punkt,ww und seiner spezifischen Wärmekapazität cp,ww.
Der Begriff ɛ steht für die Effizienz des Wärmetauschers und ist eine Funktion der Anzahl der Module n.
\(R = \frac {C_{ww}}{C_{m}}\)
\(\epsilon = g_{\epsilon} \cdot \left (1- \frac{1-R\cdot n}{e^{(\frac {1}{n} – R) \cdot NTU} -R\cdot n}\right )^n\)
Wobei R das Verhältnis zwischen den Wärmekapazitätsverhältnissen des Abwassers und des Mediums ist, und NTU die Anzahl der Übertragungseinheiten:
\(NTU = \frac {UA} {C_{ww}}\)
Der Faktor g_ ɛ ist entweder 0 oder 1, je nach dem Zeitschrittwert des C_ww im Vergleich zur Wärmekapazitätsrate unter Nennbedingungen:
\(g_{\epsilon} = 0 if C_{ww} <\frac{C_{ww,nom}}{1000}\)
\(g_{\epsilon} = 1 if C_{ww} \geq\frac{C_{ww,nom}}{1000}\)
Nach der Berechnung der ausgetauschten Leistung können die Temperaturen des austretenden Abwassers und des austretenden Mediums anhand der Energiebilanzgleichungen am Wärmetauscher berechnet werden:
\(T_{out,ww} = T_{in,ww} – \frac {\dot{Q}}{C_{ww}}\)
\(T_{out,m} = T_{in,m} + \frac {\dot{Q}}{C_{m}}\)