Wärmetauscher und Kanalsanierung:

Premiere für den Heatliner

MÜHLTAL, 10.12.2015 – Zur Deckung des Wärmebedarfs in seinem neuen Bürogebäude nutzt das Ingenieurbüro Golükes die Abwasserwärme aus einem Hauptsammler auf dem eigenen Grundstück. Als Wärmetauscher wurde das auf dem Schlauchlining-Verfahren beruhende System „Heatliner“ eingesetzt.
 

Von Dr. Dirk Schönrock, Luzern (Schweiz)

Einzug des Wärmetauschers in den Endschacht
Die schwarzen Kapillarmatten des Abwasserwärmetauschers werden in die beiden Endschächte am jeweils äußeren Rand des Grundstücks eingezogen und miteinander verbunden.
Kapillarstränge im Endschacht
Blick auf die Kapillarstränge im Endschacht
Das Bürogebäude der Golükes Ingenieure GmbH & Co. KG sollte in Mühltal neu gebaut werden. Bei der Lage der Liegenschaft ergab sich, dass quer über das Grundstück der Hauptsammler des Abwasserverbandes Modau in Richtung der in nur 500 m Entfernung nahe gelegenen Kläranlage in Nieder-Ramstadt führte. Dies machte die Erschließung der Fläche als Bauland wenig attraktiv, denn die Erschließungskosten für die Gemeinde wären durch den Hauptsammler enorm verteuert worden. Das Grundstück war also seitens der Gemeinde nur eingeschränkt als Bauland für Wohnungen verwertbar. Eine win-win-Konstellation für das Ingenieurbüro Golükes Ingenieure und die Gemeinde Mühltal.
Im Juli 2013 erfolgte der Baubeginn für das Bürogebäude. Im März 2014 konnte das Ingenieurbüro schließlich in das nach modernstem ökologischem Standard errichtete neue Bürogebäude einziehen.
 

Idee für Abwasserwärmenutzung

 Der quer über das Grundstück verlaufende Hauptsammler brachte Golükes Ingenieure schon früh in der Projektphase auf die Idee, eine Abwasserwärmenutzung für ihr eigenes Bürogebäude in Betracht zu ziehen. Ziel war es, die Wärme zur Erzeugung von Heizenergie aus dem Abwasserkanal zu nutzen.
Die Bedingungen dafür waren günstig: An die Kläranlage des Abwasserverbandes Modau mit einer Ausbaugröße von 55.000 Einwohnerwerten (EW) sind derzeit rund 45.000 EW an diesem Kanal angeschlossen. Der Trockenwetterabfluss (Qt) des Kanals beträgt etwa 50 Liter pro Sekunde und die durchschnittliche Abwassertemperatur wurde mit 12 °C gemessen. Bei einer theoretischen Annahme einer Entnahme von 20 KW Leistung aus dem Kanal ergab sich eine rechnerische Temperaturreduzierung von 0,1 °C des Abwassers. Eine Temperaturverminderung in dieser Größenordnung wäre in der Kläranlage nicht mehr feststellbar und hätte keinerlei Auswirkungen auf die Klärung der Abwässer. Auch bei einer Annahme von 30 KW Wärmeentzug aus dem Abwasser könnte die Bagatellgrenze von 0,5 Kelvin Temperaturabsenkung noch eingehalten werden.
Wärmetauscher im Abwasserkanal
Blick auf die in den Abwasserkanal eingebauten Wärmetauscher von Brandenburger

Synergieeffekte mit Kanalsanierung

 Wird der Einbau der Wärmetauscher im Zusammenhang mit einer anstehenden Kanalsanierung geplant und realisiert, ergeben sich in der Regel zusätzliche Synergieeffekte und damit eine nochmalige Verbesserung der Wirtschaftlichkeit. Dies war auch das Ziel der Golükes Ingenieure in Mühltal: Erstmals sollte hier die Technik der Abwasserwärmenutzung sowie die „geschlossene“ Kanalsanierung miteinander kombiniert werden. Die Evaluation möglicher Industriepartner zur Realisierung begann im Februar 2013. Sogleich wurde ersichtlich, dass die Firma Brandenburger Liner GmbH & Co. KG mit Sitz in Landau/Pfalz der einzige Hersteller von Wärmetauschern ist, dessen weltweit patentiertes System „Heatliner“ eine Kombination aus Kanalsanierung und Abwasserwärmenutzung ermöglicht. Golükes Ingenieure entschieden sich für die Zusammenarbeit mit Brandenburger und die Option einer Verbindung von Kanalsanierung und Abwasserwärmenutzung, die in dieser Weise weltweit zuvor noch nie ausgeführt wurde.
Bei der Dimensionierung der Anlage entschied sich Golükes Ingenieure für die monovalente Auslegung. Dabei ist die Wärmepumpe alleiniger Wärmeerzeuger und für die vollständige Wärmeversorgung des gesamten Gebäudes zuständig. Monovalente Anlagen müssen nicht nur auf den kältesten Tag im Normalfall ausgelegt werden, sondern auch für Extremfälle mit wenig Abwasseranfall und einer geringst möglichen Abwassertemperatur (Tag der Schneeschmelze). Dementsprechend müssen diese Anlagen 5- bis 10-mal größer dimensioniert werden als bivalente Anlagen. Das Bürogebäude von Golükes Ingenieure umfasst rund 900 Quadratmeter zu beheizende Fläche und wird zu 100 Prozent über die Abwasserwärmenutzung mit Wärme versorgt. Der Wärmebedarf des gesamten Gebäudes beträgt rund 20 KW. Seine Fußbodenheizung ist mit einem Pufferspeicher mit 1.000 Liter Kapazität ausgestattet.
 

Einbau des Wärmetauschers und Kanalsanierung

 Der Wärmetauscher, das System Heatliner von Brandenburger, wurde Mitte Dezember 2013 von der Kilian Kanalsanierung GmbH aus Fürth/Odw. in den Abwasserkanal eingebaut. Der Heatliner besteht aus einem Außenliner (Brandenburger-Liner zur Kanalsanierung), einer Wärmetauschermatte in der Kanalsohle als Absorber zur Wärmerückgewinnung sowie einem Innenliner (Brandenburger-Liner zur Fixierung und zum Schutz der Wärmetauschermatte).
Nach den Vorarbeiten für die Schlauchlinersanierung wird der Außenliner mittels einer Seilwinde in den Kanal eingezogen, mit Druckluft aufgestellt und durch UV-Licht ausgehärtet. Der Außenliner übernimmt die Aufgabe der Renovierung des defekten Kanals und muss so bemessen werden, dass er den statischen Anforderungen entspricht. Im zweiten Schritt wird die Wärmetauschermatte in die Rohrsohle eingezogen. Nun wird der Innenliner installiert. Der Innenliner kann dünnwandig gewählt werden, da er keine statische Funktion mehr übernehmen muss. Wie der Außenliner wird er mittels einer Seilwinde in den Kanal eingezogen, mit Druckluft aufgestellt und durch UV-Licht ausgehärtet. Zuletzt wird der Vor- und Rücklaufanschluss aus dem Schacht zur Wärmepumpe angeschlossen. Wenn eine Kanalsanierung nicht erforderlich ist, aber trotzdem Wärme aus Abwasser gewonnen werden soll, ist es möglich, das System ohne Außenliner zu installieren.
Der Einbau in den Betonkanal DN 900 erfolgte über zwei Halterungen à 45 m Länge. In den beiden Endschächten, die sich am jeweils äußeren Rand des Grundstücks befinden, wurden die schwarzen Kapillarmatten miteinander verbunden. Vor- und Rücklaufkapillaren sind halbseitig getrennt. Im Mittelschacht direkt vor dem Eingang des Bürogebäudes befinden sich die Sammelleitung und die Messeinrichtungen. Die Verbindungen der Kapillare in den Schächten und auch die Anbindungen an die Sammelleitungen wurden von Brandenburger im Januar 2014 durchgeführt. Im Februar 2014 erfolgte die Verlegung der Wärmeleitung vom Schacht zum Bürogebäude. Für die zeitgleich ausgeführte Anlageninstallation der Wärmepumpen und der Leitungen in der Heizzentrale im Keller des Gebäudes war die Plößer Haustechnik GmbH & Co. KG mit Sitz in Mühltal zuständig. Zum Einsatz kam eine Steuerungstechnik von Stiebel-Eltron.
Aushärtung des Schutzliners
Aushärtung des Schutzliners | Fotos: Golükes Ingenieure

Der Einbau der gesamten Anlage konnte im August 2014 fertiggestellt werden. Die erste vollständige Heizperiode über den Winter 2014/2015 verlief ohne eine einzige Störung. Derzeit läuft die zweite Heizperiode, ebenfalls ohne jegliche Störungen. Auch die selbständige Umstellung von Sommer- auf Winterbetrieb erfolgte reibungslos durch die Anlagensteuerung.
Wie erwartet, konnte im Betrieb ein hoher Wirkungsgrad erzielt werden. Dabei wird der Wirkungsgrad über den COP-Wert der Wärmepumpe ermittelt: Der COP-Wert gibt das Verhältnis zwischen primärer und sekundärer Energie wieder, d.h. zwischen der Energie aus dem Abwasser (als Energiequelle) und der Fremdenergie, welche die Wärmepumpe benötigt, um das niedrige in ein hohes Temperaturniveau zu wandeln. In der Regel wird dafür elektrischer Strom eingesetzt, so auch bei Golükes Ingenieure.
Je höher der COP-Wert, desto besser ist das Verhältnis zwischen primärer und sekundärer Energie und desto geringer ist der Fremdenergiebedarf. Der bislang gemessene COP-Wert liegt im Mittel bei annähernd 5 Punkten.
Seit der Inbetriebnahme der Gesamtanlage im September 2014 bis zum 10. November 2015 haben Golükes Ingenieure 31.302 kWh (primärer) Energie aus dem Abwasser gewonnen und zusammen mit der Fremdenergie von 8.105 kWh eine Gesamtmenge von 39.376 kWh (sekundärer) Wärmeenergie „produziert“. Hätte man die gleiche Menge (sekundäre) Energie mit gewöhnlichem Heizöl produziert, wären dafür 3.940 Liter Heizöl verbraucht und dabei 12.600 kg Kohlendioxid ausgestoßen worden. Bei einer Gasheizung hätten der Verbrauch bei 3.940 Kubikmeter Gas und der Kohlendioxidausstoß bei 9.840 kg gelegen. Da Golükes Ingenieure die Wärmepumpen mit reinem zertifiziertem Ökostrom betreiben, liegt der Kohlendioxidausstoß per Definition bei annähernd Null.

Die Investition von rund 50.000 Euro in die Abwasserwärmenutzung trugen Golükes Ingenieure und die Wärmetauscher-Herstellerfirma Brandenburger gemeinsam. Insgesamt beliefen sich die Investitionskosten für den gesamten Neubau auf etwa 1,5 Millionen Euro, sagte Axel Schönrock, der für sein Ingenieurbüro das Pilotprojekt federführend leitete. Golükes Ingenieure ist mit der Heizung durch Abwasserwärmenutzung hoch zufrieden. Auch für Brandenburger ist das erfolgreich zu Ende geführte Projekt ein Meilenstein, konnte damit doch bewiesen werden, dass der Einbau des Wärmetauschersystems Heatliner im Zusammenhang mit einer anstehenden Kanalsanierung in der Praxis problemlos funktioniert. 
 


Den kompletten Bericht lesen Sie in der Ausgabe 6/2015 der bi-UmweltBau, S. 100.