Wärmerückgewinnung mit Grauwasser: Das letzte Wärmeloch

Die Abwärme aus Abwasser kann ganzjährig für die Vorerwärmung des Trinkwassers genutzt werden. Um sowohl für Mieter als auch die Umwelt weitere Vorteile zu generieren, wird die dezentrale Wärmerückgewinnung erfolgreich mit dem Grauwasserrecycling verknüpft, womit eine weitere Einsparung generiert wird, die sich vergleichsweise schnell amortisiert.

Wertstoffe des Abwassers getrennt erfassen

Analog zur Abfallwirtschaft gilt es, Abwässer zu vermeiden, zu vermindern und zu recyceln, statt sie zu beseitigen. Um die Abwasserschätze Wasser, Wärme und Nährstoffe – in der nebenstehenden Tabelle grün gekennzeichnet – nutzbar zu machen, muss im Gebäude das Grauwasser getrennt vom Schwarzwasser erfasst werden, was sich beim Neubau einfach realisieren lässt und bei jeder Sanierung nachgerüstet werden kann.

Grauwasser ist das Abwasser aus dem leicht belasteten Bade- und Duschwasser, dem Handwaschbecken und den deutlich höher belasteten Waschmaschinen bis hin zu der hoch belasteten Fraktion aus der Küche. Es ist frei von Toilettenabwässern, die als Schwarzwasser bezeichnet werden. Grauwasser ist nach entsprechender Aufbereitung eine kontinuierliche Quelle mit ca. 50 bis 80 l pro Person und Tag für ein hochwertiges Nicht-Trinkwasser und eine Wärmequelle, die wie eine erneuerbare Energie mit ca. 1,3 – 1,8 kWh pro Person und Tag beispielsweise zur Vorerwärmung des kalten Trinkwassers genutzt werden kann.

Die Grafik auf dieser Seite zeigt das Schema der getrennten Erfassung des häuslichen Abwassers sowie des Grauwasserrecyclings mit integrierter Wärmerückgewinnung. Hier wird das vorwiegend gering belastete Grauwasser aus Badewannen und Duschen sowie das höher belastete Wasser aus Handwaschbecken und Waschmaschinen recycelt. Das aufbereitete Grauwasser, das als Betriebswasser bezeichnet wird, wird ohne hygienisches Risiko und Komfortverlust für Zwecke eingesetzt, für die nicht zwingend Trinkwasserqualität vorgeschrieben ist, z. B. die Toilettenspülung, das Wäschewaschen, die Raumreinigung und zur Bewässerung.

Vermeiden statt neu erzeugen

Abwasserwärme kann End-of-the-Pipe in der Kläranlage weit entfernt von der nächsten Wohnsiedlung gewonnen werden, aber dann hat es seine nutzbare Wärme schon zu mehr als 90 % an die Umwelt abgegeben. Im Abwasserkanal herrschen noch etwas höhere Temperaturen, aber mehr als 1,5 – 2 Kelvin lassen sich auch hier nicht zurückgewinnen, denn sonst würde die biologisch arbeitende Kläranlage in ihrer Funktion beeinträchtigt werden.

Die besten Voraussetzungen für die Wärmerückgewinnung findet man für Grauwasser im Gebäude, bevor es die Gebäudehülle verlässt. Die Grafik auf dieser Seite zeigt die Abwassertemperaturen aus Duschen und Badewannen, dargestellt als Summenlinien. Die niedrigste gemittelte Grauwassertemperatur wurde im Monat März mit 30 °C und die höchste im Monat September mit 31,4 °C ermittelt. Das Wasser hingegen kann vor seiner Wiederverwendung bedenkenlos auf 10 °C abgekühlt werden, was einer Wärmemenge von 23,2 kWh/m³ entspricht.

Die Abwasserwärme aus dem Gesamtabwasser zu gewinnen, ohne Trennung von Grau- und Schwarzwasser, stellt erheblich höhere Anforderungen sowohl an die Technik, als auch an Wartung und Betrieb der Wärmerückgewinnungsanlage und verursacht damit deutlich höhere Kosten. Die Abwassermengen sind größer als im Grauwasser, und das Gesamtabwasser ist zudem deutlich kälter. Fettablagerungen, die durch niedrigere Abwassertemperaturen begünstigt werden, und diverse Störstoffe, die über die Toilettenabwässer eingetragen werden, sind oftmals Ursache von Betriebsstörungen.

Wichtig für alle Wärmerückgewinnungssysteme ist, dass die DIN EN 1717 Abs. 5.4 beachtet wird, die vorschreibt, dass Trinkwasser und Abwasser immer über eine doppelwandige Trennung mit einer Zwischenzone getrennt sein müssen. Aus Funktionsgründen ist ferner dafür zu sorgen, dass es nicht zu nennenswerten Ablagerungen an den jeweiligen Wärmetauschern kommt, damit der Wärmeertrag nicht gemindert wird.

Ein entsprechender Wartungsaufwand ist sicherlich auch beim Betrieb sogenannter Duschwannen und Duschrinnen erforderlich, die einen integrierten Wärmetauscher aufweisen und lediglich die Abwasserwärme der Dusche nutzen, dafür aber keine zusätzliche Pumpe benötigen.

Auf dem Markt befindliche Wärmetauscher können in zwei Gruppen unterteilt werden:

1. Die Wärmetauscher der ersten Gruppe arbeiten im Durchfluss, d. h., das warme Abwasser fließt durch ein voll- oder nur teilgefülltes Rohr und die Wärmeentnahme erfolgt innerhalb oder außerhalb des Abwasserrohrs. Die für die Wärmeentnahme zur Verfügung stehende Kontaktzeit zwischen Abwasser und Wärmetauscher spielt sich meist im Sekundenbereich ab und fällt deshalb verhältnismäßig gering aus, siehe Bild unten links.
2. In Systemen der zweiten Gruppe taucht der Wärmetauscher vollständig in das Abwasser ein.
   1. Bei der Duschrinne beträgt die Kontaktzeit etwa eine Minute.
   2. In Systemen, die neben dem Duschwasser weitere Grauwasserquellen nutzen, kann die Kontaktzeit bis zu einer Stunde betragen – genügend Zeit, um die Wärme mit überschaubarem Aufwand aus dem Abwasser zu entnehmen.

Es gibt Wärmerückgewinnungssysteme mit getauchtem Wärmetauscher in Kombination mit einem Pufferspeicher, die für all die Anwendungsfälle prädestiniert sind, in denen Abwasserwärme wie beim Duschen exakt zur gleichen Zeit zum Wärmebedarf anfällt und z. B. auch die Abwärme des Badewassers oder der Waschmaschine genutzt werden soll. Je nachdem, ob die Wärmeentnahme mittels Umwälzpumpe oder Wärmepumpe erfolgt, unterscheiden sich die Investitionskosten und die Betriebskosten, die maßgeblich vom Strompreis und der Jahresarbeitszahl des Systems bestimmt werden.

Jahresarbeitszahl (JAZ) = Verhältnis der über das Jahr abgegebenen Wärme [kWh] zur aufgenommenen elektrischen Energie [kWh]

Wärmeentstehungskosten [ct/kWh] = Strompreis in [ct/kWh] : JAZ

Die Jahresarbeitszahl von guten Wärmepumpenanlagen liegt im Bereich von 4,5, während das System ohne Wärmepumpe eine etwa 10-fach höhere JAZ aufweist, das Abwasser aber systembedingt deutlich weniger abkühlt.

Praxisbeispiel

Dass Wärmeentstehungskosten, die niedriger als 1 ct/kWh liegen, tatsächlich möglich sind, zeigt das Mietshaus im Passivhaus-Standard am Arnimplatz in Berlin, das im Rahmen eines Forschungsprojekts betrieben wird. Allerdings nur mit Systemen, die keinen oder nur sehr wenig Strom zum Betrieb benötigen. Ein solches System wird in Kombination mit Grauwasserrecycling aus Badewannen und Duschen dort seit 2012 immer erfolgreicher und zuletzt mit zunehmend höherer Wärmeausbeute störungsfrei und äußerst wartungsarm betrieben (siehe Bild oben). Die Grauwasserrecyclinganlage wurde ursprünglich für eine Aufbereitungskapazität von 3 m³/d mit vorgeschalteter Wärmerückgewinnung konzipiert und in dem gut gedämmten Heizungsraum auf ca. 9 m² Stellfläche installiert. Da die Raumtemperatur im Heizungsraum nicht unter 24 °C sinkt, war die Dämmung einzelner Anlagenkomponenten überflüssig. Das warme Grauwasser aus Badewannen und Duschen wird über ein Sieb von Störstoffen befreit, bevor ihm die Wärme mittels einer 20-Watt-Umwälzpumpe über einen Wärmetauscher durch Rohrbündel im Speicher entzogen wird. Auf den Einsatz einer Wärmepumpe wurde aus Gründen der Energieeffizienz vorerst bewusst verzichtet. Sieb, Wärmetauscher und Behälter reinigen sich bei Bedarf automatisch. Die in den Pufferspeicher zum Warmwasserbedarf eingelagerte Energie wird an das Kaltwasser abgegeben, bevor es zur Warmwasserbereitung – hier ein Blockheizkraftwerk – gelangt.

Das im Wärmerückgewinnungsbehälter abgekühlte Grauwasser wird in drei mit Schaumstoffwürfeln bestückten Wirbelbettreaktoren gepumpt, wo die organische Schmutzfracht oxidativ und rein biologisch durch Bakterien abgebaut und partikuläre Substanzen mechanisch ausgeschleust werden. Das mittels UV-Licht desinfizierte Betriebswasser gelangt in den Betriebswasserspeicher und wird über eine Druckerhöhungsanlage (4 bar) an die Wohneinheiten als Toilettenspülwasserabgegeben. An keiner  Stelle des Aufbereitungsprozesses werden Chemikalien in Form von Desinfektionsmitteln, Säuren oder Laugen verwendet.

Diverse Wartungsaufgaben wurden automatisiert und der Energiebedarf mehrfach minimiert. Über eine Fernüberwachung und Online-Monitoring können der Anlagenzustand und sämtliche Betriebsdaten der wichtigsten Anlagenkomponenten zu jedem Zeitpunkt über das Internet aus der Ferne abgefragt werden. Das ist für den Anlagenbetrieb von großem Nutzen, zumal dadurch Kontrollgänge minimiert werden und gleichzeitig eine sehr engmaschige Anlagendokumentation automatisch erfolgt. Ferner kann sich der Kunde täglich über die aktuellen Einsparungen von Energie und Wasser informieren.

TABELLE: NOLDE & PARTNER

Monitoringdaten zum Passivhaus am Arnimplatz von den Betriebsjahren 2015 – 2018.

Ergebnisse des Monitorings

Die jährlichen Trink- und Abwasserkosten haben sich insgesamt um fast 5.000 Euro und die Wärme-Energiekosten um mehr als 1.000 Euro verringert. Die Wasserqualität des aufbereiteten Grauwassers ist von Anfang an sehr hoch, auch bei Abkühlung des Grauwassers  auf 15 °C werden hohe Qualitätsanforderungen [1] sicher erfüllt und sogar deutlich unterschritten. Aufwand und Nutzen werden in der Tabelle auf der nächsten Seite dargestellt.

Der Wärmeertrag des im Mittel 31 °C warmen Grauwassers ist generell von der Grauwassermenge sowie der aktuellen Kaltwassertemperatur und dem Warmwasserbedarf abhängig. Der Ertragsrückgang im Sommer ist damit in erster Linie auf die höhere Trinkwassertemperatur und auf die Urlaubssituation zurückzuführen, wie die Grafik auf der folgenden Seite zeigt. Bedingt durch die selbsttätige, kontinuierliche Reinigung des Wärmetauschers ist nach sechs Betriebsjahren keine zunehmende und störende Biofilmbildung auf dem Wärmetauscher zu erkennen, was durch den unvermindert hohen Wärmeertrag zum Ausdruck kommt.

Neben der hohen Betriebssicherheit und dem niedrigen Wartungs- und Energiebedarf legten Architekt und Investor Wert auf:

• einen niedrigen Stellplatzbedarf (ca. 0,1 m²/P – etwa ein A4 Blatt/P)
• niedrige Baukostenerhöhungen (ca. 15 – 20 Euro/m² Wohnfläche inkl. 2. Leitungsnetz, Einbau und Umsatzsteuer)
• kein Abverlangen des Mieters von speziellem Nutzerverhalten (z. B. dem Verbot bestimmter Haushaltschemikalien)

Diskussion der Monitoringergebnisse

Die biologische Reinigung mittels Wirbelbettverfahren und UV-Desinfektion hat sich als sehr stabil und zugleich kostengünstig erwiesen. Im Gegensatz zu Membranverfahren werden beim Wirbelbettverfahren bei deutlich niedrigerem Energieaufwand auch unter Einbezug der Waschmaschinen- und Küchenabwässer Standzeiten von über 20 Jahren u. a. dadurch erzielt, dass die Schaumstoffwürfel im Wirbelbett völlig unempfindlich auf Badezusätze, Fette und andere Haushaltschemikalien reagieren.

Die Grafik unten zeigt den Nutzen für den Investor, bzw. dessen Mieter sowie den Umweltnutzen des Systems – bezogen auf 1 m³ Grauwasser aus Badewannen und Duschen.

Neben den Wasser- und Energieeinsparungen legen zunehmend mehr Investoren Wert auf die Kreditpunkte, die sie in diesem Zusammenhang bei einer Zertifizierung erhalten. Über die Wärmerückgewinnung aus täglich ca. 3 m³ Grauwasser wird in diesem Projekt in einem Jahr so viel Energie gewonnen, wie durch 33 m² Solarkollektorfläche, insgesamt 12.000 kWh. Der Gesamtstrombedarf für den Anlagenbetrieb kann über ca. 18 m² Photovoltaik erzeugt werden. Allein durch die Wärmerückgewinnung werden jährlich mehr als 3.000 kg CO² weniger emittiert. Eine Besonderheit an der Wärmerückgewinnung ist, dass sie den höchsten Wirkungsgrad im Winter verzeichnet, wenn eine Solaranlage kaum noch Erträge erzielt. Die Investitionskosten für das Wasser- und Energierecycling inklusive der Kosten für das zweite Leitungsnetz verursachten Mehrkosten von ca. 20 Euro/m² Nutzfläche. In Abhängigkeit von den örtlichen Wasserpreisen, den baulichen Voraussetzungen und guter Planung lassen sich relativ einfach Amortisationszeiten von unter 10 Jahren erreichen, die sich durch Fördermaßnahmen, wie z. B. der BAFA-Förderung, nochmals verbessern. Anlagenwartung und -betrieb gehören auch hier – wie bei vielen anderen technischen Einrichtungen – ausschließlich in die Hände von qualifiziertem Personal, das sich nahezu täglich vom ordnungsgemäßen Anlagenbetrieb überzeugt. Die  Vollautomatisierung und Selbstüberwachung der Grauwasserrecyclinganlage, zusammen mit dem durch den Hersteller garantiert fachkundigen Anlagenbetrieb tragen durch „Alles aus einer Hand“ merklich dazu bei, die Hausverwaltung zu entlasten und gleichfalls die Betriebskosten für die Mieter zu senken.

Ausblick und Fazit

Die Wärmerückgewinnung am Arnimplatz in Berlin mit 12.000 kWh/a, die allein über Wärmetauscher erfolgt, wird nach wie vor mit einer beispiellos hohen Jahresarbeitszahl von 57 betrieben. Ob bzw. ab wann, sich der (zusätzliche) Einsatz einer Wärmepumpe lohnen könnte, um dem Abwasser noch mehr Wärme als bisher zu entziehen, wird gerade im Rahmen eines ebenfalls durch die Deutsche Bundesstiftung Umwelt (DBU) geförderten Folgeprojekts untersucht.

Die dezentrale Wärmerückgewinnung ist ein wichtiger Baustein für alle Niedrigenergiehäuser. Sie liefert ganzjährig einen deutlichen Anteil des erforderlichen Wärmebedarfs für die Warmwasserbereitung und senkt die Betriebskosten. Die gute Wirtschaftlichkeit der Wärmerückgewinnung wird insbesondere in Kombination mit dem Grauwasserrecycling erzielt. Beides benötigt ein zweites Leitungsnetz, welches in keinem Neubau und auch keiner Sanierungen fehlen sollte.

Literatur

[1] fbr-Hinweisblatt H 202 „Hinweise zur Auslegung von Anlagen zur Behandlung und Nutzung von Grauwasser und Grauwasserteilströmen“, Darmstadt, Oktober 2017
[2] www.bafa.de/DE/Energie/Energieeffizienz/Kleinserien_Klimaschutzprodukte/Waermerueckgewinnung_Abwasser/waermerueckgewinnung_abwasser_node.html (zuletzt aufgerufen am 12.12.2018)

Der Autor

Erwin Nolde
Erwin Nolde leitet als Elektro- und Umweltingenieur seit 1999 das Ingenieurbüro Nolde & Partner innovative Wasserkonzepte in Berlin. Neue Forschungs- und Entwicklungsergebnisse im Praxisbetrieb interdisziplinär zu optimieren, gehört zu seinem bevorzugten Arbeitsbereich. Besonders fasziniert ihn dabei, Abwasser im urbanen Raum ressourceneffizient für neues Wasser, Energie und Nährstoffe zu recyceln und in den Kreislauf zurückzuführen..

www.nolde-partner.de

Danksagung: Die Arbeiten zur Wärmerückgewinnung aus Grauwasser wären ohne die Förderung seitens der Deutschen Bundesstiftung Umwelt (DBU) nicht möglich gewesen (aktuelles Förderzeichen 34056/01 „Dezentrale Wärmerückgewinnung aus Grauwasser – Erprobung, Optimierung und Monitoring verschiedener Technologien an unterschiedlichen Standorten“).