Optimierung der gebäudeinternen Abwasserwärmerückgewinnung auf der Grundlage experimenteller Untersuchungen am Versuchsstand und simulativen Systemvergleichen

Vogt, Alexander; van Treeck, Christoph Alban (Thesis advisor); Brunk, Marten F. (Thesis advisor); Stergiaropoulos, Konstantinos (Thesis advisor)

Aachen (2019, 2020)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2019

Kurzfassung

Zur Reduzierung des Primärenergiebedarfs von Gebäuden widmet sich die vorliegende Arbeit der Untersuchung von Möglichkeiten die Trinkwassererwärmung durch den Einsatz von Wärmepumpen mit der Energiequelle Abwasser energieeffizient durchzuführen. Hierzu werden verschiedene Systemkonfigurationen vorgeschlagen und simulativ untersucht. Darauf aufbauend erfolgt ein energetischer und ökonomischer Vergleich zu konventionellen Systemen. Bei der Simulation von Systemen mit Abwasserwärmerückgewinnung ist das Verhalten eines Abwasserwärmeübertragers im Hinblick auf einen sich bildenden wärmeübertragsmindernden Biofilm nur unzureichend erforscht. Daher wird ein Versuchsstand konstruiert, der es ermöglicht, Wärmedurchlasswiderstände durch Biofouling auf Abwasserwärmeübertragern im Verlauf der Zeit messtechnisch zu erfassen. Mittels einer strömungstechnischen Reinigung kann der Wärmedurchlasswiderstand des Biofilms reduziert werden. Eine vollständige Reinigung ist so nicht möglich. Im Gegensatz dazu kann mittels manueller Verfahren eine vollständige Abreinigung des Biofilms erfolgen. Aufbauend auf den Messergebnissen wird simulativ eine Optimierung des Wärmeübertragers in Bezug auf die Wärmeübertragerfläche und den Reinigungszyklus durchgeführt. Es zeigt sich, dass die Reinigung des Wärmeübertragers zu keiner nennenswerten Energieeinsparung führt. Stattdessen sollte der Wärmeübertrager entsprechend größer ausgelegt werden. Anhand von weitergehenden Simulationen wird eine kapitalwertoptimierte Dimensionierung des Abwasserwärmeübertragers erarbeitet. Darauf aufbauend erfolgt ein simulativer Vergleich der Systemkonfigurationen. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass durch die Rückgewinnung der Energie aus häuslichem Abwasser durch die Nutzung von Wärmepumpen Trinkwarmwasser energieeffizient bereitgestellt werden kann. Eine weitere Optimierung der Trinkwarmwasserversorgung kann durch die Anordnung dezentraler Kleinstwärmepumpen erreicht werden. Diese hohen potentiellen primärenergetischen Einsparungen können über einen Betrachtungszeitraum von 20 Jahren nicht wirtschaftlich dargestellt werden. Bei Systemen, die das Trinkwasser bivalent erwärmen, übersteigen rechnerisch die gesamten Kosten nur geringfügig die Kosten konventioneller Systeme. Bei höheren Energiepreissteigerungsraten werden diese Systeme mittelfristig deutliche Kosteneinsparpotentiale vorweisen.

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