Wie vollzieht sich Wärmetransport?
Beim Wärmetransport handelt es sich um einen sich stetig vollziehenden Vorgang, der aufgrund der Bewegung von Teilchen stattfindet. Die Wärme geht dabei in der Regel vom wärmeren System auf das kältere System über, sodass sich die Temperaturen beider Systeme immer stärker angleichen. Dies geht aus dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik hervor. Allerdings tauschen auch Systeme mit gleichen Temperaturen trotz des Gleichgewichtszustands Wärme aus. Hierbei sind allerdings die abgegebene und die aufgenommene Wärme identisch, wodurch sich keine Temperaturänderungen ergeben.
Wärmetransport kann auf drei verschiedene Arten stattfinden:
- Wärmeleitung bzw. Konduktion: Die Wärmeübertragung zwischen zwei Systemen erfolgt mechanisch, indem benachbarte Atome oder Moleküle kinetische Energie aufeinander übertragen. Ein Materialtransport findet nicht statt, sämtliche Teilchen bleiben an ihrem Platz. Die Wärmeleitung ist ein irreversibler Prozess von Systemen höheren Energieniveaus zu Systemen niedrigeren Energieniveaus. Typisches Beispiel für Konduktion ist etwa, wenn die Wärme eines beheizten Raums durch die Wände nach außen entweicht.
- Wärmeströmung bzw. Konvektion: Dieser auch als „Wärmemitführung“ bezeichnete Wärmetransport vollzieht sich für gewöhnlich nur in Flüssigkeiten oder Gasen. Strömende Teilchen nehmen bei Kontakt mit einem höherenergetischen System Wärme auf und transportieren sie weiter – es findet also ein Materialtransport statt. Konvektion kann frei aufgrund von Dichteunterschieden oder Gefällen ablaufen oder aber durch technische Hilfsmittel wie Pumpen oder Ventilatoren erzwungen werden. Ein praktisches Beispiel für freie Wärmeströmung ist etwa das Erwärmen eines ganzen Warmwasserspeichers über einen punktuellen Heizstab. Beschleunigt oder (teilweise) erzwungen wird die Konvektion, wenn eine Umwälzpumpe bei der Verteilung des Wassers hilft.
- Wärmestrahlung: Bei der Wärmestrahlung erfolgt der Wärmetransport über elektromagnetische (meist infrarote) Wellen. Da es keine nicht-strahlenden Oberflächen gibt, findet Wärmestrahlung immer statt – sogar von kalt nach warm. Allerdings ist dieser Wärmestrom immer kleiner als der von warm nach kalt, so dass auch hier eine Wärmeübertragung entgegen des zweiten Hauptsatzes der Thermodynamik nicht möglich ist. Wärmestrahlung ist die einzige Form des Wärmetransports, die sich auch im Vakuum vollziehen kann. Die gesamte thermische Energie, die unser Planet von der Sonne erhält, erreicht uns in Form von Wärmestrahlung.
Physikalische Systeme tauschen jedoch nicht nur über einen dieser Prozesse Wärme aus. In der Regel wirken mehrere zeitgleich zusammen. So vollzieht sich der Wärmetransport zwischen Festkörpern zwar überwiegend durch Wärmeleitung, allerdings geben sie ebenfalls Wärmestrahlung ab. Auch Flüssigkeiten oder Gase tauschen ihre Wärme mit anderen Systemen nicht nur über Konvektion, sondern ebenso über Strahlung aus. Gerade Gase sind für Wärmestrahlung sehr durchlässig.
Wärmetransport in der Kanalisation – Abwasser als Wärmespeicher
In unseren modernen Zeiten machen wir uns den Wärmetransport sowie seine Manipulation auf verschiedene Arten zunutze: Gebäude und technische Systeme werden gedämmt, um ihre Temperatur zu halten, Umweltwärmequellen mit Wärmetauschern und Kältemittelkreisläufen „angezapft“, um umweltfreundlich Heizenergie zu gewinnen und vieles mehr. Gerade im Bereich der besseren Energieverwertung – und damit der Einsparung fossiler Brennstoffe – spielen die Aufbereitung und das Recycling von Wärme, insbesondere von Abwärme, eine entscheidende Rolle. Energierecycling ist das Gebot der Stunde! Einer Energiequelle kommt dabei eine immer größere Bedeutung zu: dem Abwasser.
Abwasser fällt nahezu überall an – in Haushalten oder der Industrie – und durchströmt in unterirdischen Kanälen auf dem Weg zur Kläranlage den Großteil menschlicher Siedlungen. Dabei enthält es viel thermische Energie, die letztendlich ungenutzt verloren geht. Mit der Implementierung einiger technischer Systeme ist es jedoch möglich, die Kanalisation zu einem praktischen Wärmespeicher und Wärmenetz umzufunktionieren. Die Kombination aus Wärmetauschern und Wärmepumpen kann dem Abwasser thermische Energie entziehen und diese so aufbereiten, dass sie sich anschließend zum Heizen und für andere Prozesse nutzen lässt. Andersherum ließe sich unerwünschte Abwärme aus Kraftwerken oder anderen Betrieben nach demselben Prinzip zusätzlich ins Abwasser einspeisen, um den Wärmespeicher für ebendiese Zwecke zu „füllen“. Durch diese Art des geleiteten Wärmetransport wäre es möglich, eine Vielzahl an Gebäuden leicht und günstig mit Wärmeenergie zu versorgen. Folglich würde auch die erneute Wärmeproduktion über fossile Brennstoffe verringert, was nicht nur Ressourcen schont, sondern gleichzeitig große Mengen an Schadstoffemissionen einspart. Abwasserwärmepumpen, die mit regenerativ erzeugtem Ökostrom betrieben werden, arbeiten sogar vollkommen emissionsfrei und damit klimaneutral.
Statistiken zufolge ließen sich etwa 14 Prozent des gesamtdeutschen Wärmebedarfs durch die Abwasserwärmerückgewinnung decken, wenn die Technologie an allen strategisch sinnvollen Standorten ausgebaut würde. Und der Ausbau ist dabei sogar denkbar einfach, denn es kann auf bereits vorhandene Infrastruktur zurückgegriffen werden, anstatt Erd- oder Grundwasserbohrungen für Sole-Wasser- bzw. Wasser-Wasser-Wärmepumpen durchzuführen. Darüber hinaus ist Abwasser ganzjährig vergleichsweise warm, wodurch Abwasserwärmesysteme weitaus effizienter arbeiten als Luft-Wasser-Wärmepumpen. Nicht zuletzt fällt Abwasser auch immer dort an, wo wieder Heizenergie benötigt wird. Diese kurzen Transportwege verringern ebenfalls Übertragungsverluste durch ungewollten Wärmetransport.
Wärmetransport in der Kanalisation: Vertrauen Sie auf UHRIG
Seit über 55 Jahren ist UHRIG im Spezialtiefbau und Kanalbau tätig und hat sich einen Ruf als international anerkannter Experte erarbeitet. Bekannt sind wir für Systeme zur intelligenten Kanalnetzbewirtschaftung und Abwasserwärmerückgewinnung. Hierfür haben unsere Techniker extra das Therm-Liner-System entwickelt, um den Wärmetransport im Abwasser bestmöglich auszunutzen und umweltfreundliche Energie effizient und kostengünstig zu erschließen. Das System ist mittlerweile patentiert und seit vielen Jahren in ganz Europa erfolgreich im Einsatz.
Haben auch Sie Interesse an der sinnvollen Nutzung der Energie, die in der Kanalisation verborgen liegt, unterstützen wir Sie gern bei der Planung und Installation der Systeme. Rufen Sie uns einfach an oder schreiben Sie uns eine Mail.
