15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 89 Der Hybridkanal als innovatives Konzept zur kombinierten Nutzung von Geothermie und Abwasserwärme Julius Rieckert, M. Sc. Universität Stuttgart, Institut für Geotechnik Till Kugler, M. Sc. Universität Stuttgart, Institut für Geotechnik Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Christian Moormann Universität Stuttgart, Institut für Geotechnik Zusammenfassung Für die nachhaltige Wärme- und Kälteversorgung von Stadtquartieren kommt hybriden Kollektorsystemen eine stetig wachsende Bedeutung zu. Die kombinierte Nutzung von Abwasserwärme und oberflächennaher Geothermie stellt einen leistungsfähigen Bestandteil möglicher Versorgungskonzepte dar. Im Rahmen des Forschungsprojektes IWAES 2 wurden am Institut für Geotechnik der Universität Stuttgart umfassende experimentelle Untersuchungen am thermisch aktivierten Abwasserkanal (Hybridkanal) durchgeführt. Hierbei wurde das thermische Verhalten des Systems im Labor- und Realbetrieb beobachtet und messtechnisch erfasst. Auf Grundlage der Ergebnisse wurde ein numerisches Modell entwickelt und validiert sowie reale Betriebsszenarien unter Variation von Systemabmessungen und Klimarandbedingungen simuliert. Anhand umfangreicher Parameterstudien konnte die Grundlastfähigkeit des Hybridkanals als Wärmequelle nachgewiesen sowie ein vereinfachter Bemessungsansatz entwickelt werden. 1. Einführung Städtische und industrielle Abwässer bergen ein erhebliches thermisches Potential. Nach [1] ließen sich durch die Nutzung von Abwasserwärme etwa 5 bis 10 Prozent des deutschen Wärmebedarfs bereitstellen. Deutschland- und europaweit sind mehrere Anlagen zur Nutzung dieser nachhaltigen Wärmequelle in Betrieb. Dabei wird diese üblicherweise mithilfe innerhalb des Kanals liegender Wärmetauscher, sogenannter Rinnenabsorber extrahiert, die jedoch einen bestimmten Mindestabfluss benötigen - eine Voraussetzung, die in vielen, gerade kleineren bestehenden Kanalsystemen nicht erfüllt ist. Daher werden Konzepte zur Abwasserwärmenutzung oft bereits in frühen Planungsphasen verworfen. Um dennoch auf diese Wärmequelle zugreifen zu können, wurde der thermisch aktivierte Abwasserkanal - der „Hybridkanal“ - entwickelt. Dieser zeichnet sich, im Gegensatz zu anderen marktüblichen Lösungen dadurch aus, dass die Absorberleitungen an der erdberührten Kanalaußenseite angeordnet sind. Die Wärme kann somit sowohl dem Abwasser selbst als auch dem umgebenden Erdreich entzogen werden. Im Forschungsprojekt IWAES (Integrative Betrachtung einer nachhaltigen Wärmebewirtschaftung von Stadtquartieren im Stadtentwicklungsprozess) wurden umfangreiche experimentelle und numerische Analysen dieses neuartigen Systems durchgeführt. Die gewonnenen Erkenntnisse führten zur Entwicklung eines vereinfachten Verfahrens zur Bemessung solcher Hybridkanäle. 2. Oberflächennahe Geothermie Nutzungskonzepte, die bis in eine Tiefe von 400 Metern reichen, werden der oberflächennahen Geothermie zugeordnet. Dabei wird insbesondere zwischen vertikal angeordneten Erdwärmesonden und horizontal verlegten Kollektoren unterschieden, wobei des Weiteren die thermische Aktivierung von Gründungsbauteilen, wie beispielsweise Energiepfähle, sowie auch die Wärmenutzung von Tunnelbauwerken der oberflächennahen Geothermie zugeordnet werden. Im Vergleich zur tiefen Geothermie sind in der Regel sowohl der Aufwand für Erkundung und Herstellung geringer als auch die Standortabhängigkeit deutlich reduziert. Daher gilt die oberflächennahe Geothermie als ein wichtiger Baustein der Energie- und Wärmewende. Üblicherweise erfolgt der Wärmeentzug hierbei mithilfe eines Wärmeträgerfluids, das zwischen Erdreich (Quelle) und einer Wärmepumpe zirkuliert, die das Temperaturniveau anhebt und die Wärme über einen Sekundärkreislauf dem Nutzer zuführt (Senke). Als Trägerfluid werden in den meisten Fällen Wasser oder ein Wasser-Glykol-Gemisch verwendet. Je höher die Ausgangstemperatur der Wärmequelle ist, desto weniger zusätzliche Energie benötigt die Wärmepumpe - ein Grund, weshalb Abwasser mit seinem vergleichsweise hohen Temperaturniveau von 11-°C bis 22-°C eine besonders geeignete Wärmequelle darstellt [2]. Das Prinzip kann auch umgekehrt zur sommerlichen Kühlung genutzt werden. Wird das Verfahren oberhalb des Grundwasserspiegels eingesetzt, erfolgt der Wärmetransport zwischen Erdwärmesonde oder Kollektor ausschließlich durch Wärmeleitung (Konduk- 90 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 Der Hybridkanal als innovatives Konzept zur kombinierten Nutzung von Geothermie und Abwasserwärme tion), während strömendes Grundwasser für einen erhöhten äußeren Wärmeübergang (Konvektion) und damit eine höhere mögliche Entzugsleistung sorgt. Mit einer zunehmenden Nutzungsdauer kann sich die Systemleistung eines Kollektorsystems reduzieren, wenn sich das Erdreich infolge des Heizbetriebs abkühlt und keine Wärmeenergie nachgeführt wird. 3. Wärmepotential des Abwassers Im Vergleich zu geschlossenen, oberflächennahen Erdwärmeanlagen, die primär die im Boden gespeicherte Wärme nutzen, bietet die Abwasserwärmenutzung den Vorteil eines stetigen Zuflusses an Wärmeinhalt (Enthalpie). Dadurch ergibt sich ein besonderes Synergiepotenzial aus der hybriden Nutzung von Geothermie und Abwasserthermie. Abwassersysteme werden grundsätzlich in Trenn- und Mischsysteme unterteilt. Trennsysteme führen ausschließlich Schmutzwasser ab und weisen daher in der Regel höhere Temperaturen auf als Mischsysteme, mit denen zusätzlich Niederschlagswasser abgeführt wird. Für Mischsysteme kann gemäß [3] von mittleren Abwassertemperaturen von etwa 10 bis 12-°C im Winter und rund 20 °C im Sommer ausgegangen werden. Das theoretische Wärmepotential des Abwassers ergibt sich also aus den tagesbzw. jahreszeitlich verfügbaren Temperaturen und Abflussmengen des jeweiligen Systems. Dieses Wärmepotential eines Abwassersystems wird dabei allerdings durch technische Rahmenbedingungen, wie beispielsweise die zulässige Temperaturänderung des Abwassers, oder auch durch ökonomische Randbedingungen begrenzt. Häufig wird in diesem Zusammenhang ein Trockenwetterabfluss von 10-l/ s als Mindestvolumenstrom für einen wirtschaftlichen Betrieb genannt [4]. Die Begrenzung der zulässigen Erwärmung oder Abkühlung infolge thermischer Nutzung hängt dabei mit der Nitrifikationsleistung (Stickstoffelimination) biologischer Abwasserreinigung zusammen. Diese reduziert sich nach [5] bereits bei einer Verringerung der Abwassertemperatur um 1-K erheblich. Die Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (DWA) empfiehlt eine maximale Abkühlung infolge thermischer Abwassernutzung von 0,5-K sowie eine Mindesttemperatur im Zulauf von Abwasserreinigungsanlagen (ARA) von 10 °C (vgl. [6]). Eine infolge von sommerlicher Kühlung erhöhte Abwassertemperatur und deren mögliche Auswirkungen müssen nach [6] im Einzelfall geprüft werden. 4. Abwasserthermische Anlagen Marktverfügbare sowie technisch erprobte abwasserthermische Anlagen können in kanalintegrierte und externe Anlagen unterschieden werden. Kanalintegrierte Anlagen sind dabei entweder Rohr- oder Rinnenwärmeübertrager, die in der Kanalsohle angeordnet und daher überströmt sind. Abbildung-1 stellt dabei beide Varianten dar. Rinnenwärmetauscher besitzen den Vorteil, dass sie in bestehenden Abwasserkanälen nachgerüstet werden können. Zudem kann die Begehbarkeit des Kanals weiterhin gewährleistet bleiben. Allerdings neigen überströmte Wärmeübertrager aufgrund der für das Wachstum von Mikroorganismen idealen Bedingungen im warmen, nährstoffreichen Wasser zur Verschmutzung durch Biofilmbildung. Infolgedessen ist eine Abnahme der übertragenen Wärme um bis zu 60 % möglich [5]. Abb. 1: Innenliegende Abwasserwärmtauscher, links: kanalintegrierter Rohrwärmeübertrager, rechts: nach-träglich installierbarer Rinnenwärmeübertrager (aus [3]) 4.1 Temperaturverteilung im Abwasserkanal Die Auslegung einer abwasserthermischen Anlage ist eng mit der Kenntnis der Temperaturverteilung entlang der Stränge eines Kanalnetzes verknüpft. Die in Abwasserkanälen verfügbare und nutzbare Wärmeenergie ist dabei in den drei Elementen Kanalabwasser, Kanalluft und Erdreich enthalten [7]. Diese stehen dabei sowohl in konduktivem als auch konvektivem thermischen Kontakt zueinander. Abbildung 2 stellt diese Elemente sowie deren Wechselwirkungen am Kanalquerschnitt schematisch dar. Abb.2: Wärmeübertragungsvorgänge im Abwasserkanal, nach [7] Neben derÜbertragung sensibler Wärme (grüne Pfeile)findet insbesondere an der Kondensationsgrenzschicht zwischen Rohrwand und Kanalluft ein Wärmeeintrag infolge Phasenübergang statt. In den vergangenen Jahrzehnten wurden mehrere Verfahren zur Ermittlung der Temperaturentwicklung in Abwasserkanälen unter Berücksichtigung dieser beschriebenen Phänomene entwickelt. Als Pioniere der Wärmerückgewinnung aus Abwasser im deutschsprachigen Raum zählen Bischofsberger & Seyfried [8], auf deren Arbeit ein vereinfachtes, stationäres Modell auf Basis der Massen- und Energiebilanz zur Berechnung des Temperaturverlaufes entlang eines Kanalstrangs zurückgeht. Dabei wird die Wärmeübertragung zwischen Luft und Abwasser, sowie zwischen Erdreich und Abwasser berücksichtigt. Das Modell berücksichtigt die Relativgeschwindigkeit zwischen Kanalluft und Ab- 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 91 Der Hybridkanal als innovatives Konzept zur kombinierten Nutzung von Geothermie und Abwasserwärme wasser in einer Freispiegelleitung, nimmt die Temperatur und Wasserdampf beladung der Kanalluft jedoch als unveränderliche Größen an und fordert deren Kenntnis als Eingangsgrößen. Wanner et al. [5] erweitern das Modell um die axial und zeitlich veränderliche Lufttemperatur sowie die Wasserdampf beladung und führen damit eine instationäre Betrachtung ein. Hierbei geht die Austauschrate der Kanalluft in die Berechnung mit ein. Anhand ihres Modells zeigen Wanner et al., dass die Außenlufttemperatur nur bei langen Fließstrecken einen hohen Einfluss hat. Abdel-Aal [9] entwickelt einen stationären Ansatz, mit dem die zu erwartende Abwassertemperatur nach einer Fließstrecke in Abhängigkeit der Abwasser-, Luft- und Erdreichtemperatur am Ausgangspunkt berechnet werden kann. Für den Wärmeübergang zwischen Abwasser und Kanalwandung sowie Kanalluft ist lediglich die Kenntnis von Materialparametern und Strömungsgeschwindigkeit erforderlich. Das Modell eignet sich aufgrund der überschaubaren Anzahl an Eingangsparametern besonders für die Implementierung in rechnergestützte Netzwerkmodelle. Hierbei muss ergänzend jedoch die Temperaturänderung infolge Vermischung an den Netzknoten berücksichtigt werden. 4.2 Dimensionierung abwasserthermischer Anlagen Die Momentanleistung von Wärmeübertragern, die ausschließlich mit dem Kanalabwasser in direktem thermischem Kontakt stehen, ergibt sich nach [6] zu dem in Formel [1] dargestellten Zusammenhang. [1] Dabei sind ∆T die logarithmische Temperaturdifferenz, U der konvektive Wärmeübergangskoeffizient sowie A w0 die Übertragerfläche des Wärmetauschers. Die übertragene Wärmeleistung entspricht dabei dem Wärmestrom, der durch das Bauteil fließt. Für einen außenliegenden Absorber, wie er im Falle des Hybridkanals vorliegt, ist diese Herangehensweise zur Ermittlung der Wärmeleistung jedoch nicht hinreichend. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit für den im Folgenden erläuterten, numerischen und experimentellen Ansatz. 5. Hybridkanal Der Hybridkanal kann nach [10] als eine optimierte waagrechte Geothermiesonde betrachtet werden. Wie in Abbildung 3 dargestellt handelt es sich um einen Kanal aus Polyethylen zur Schmutzwasserabfuhr. An der Außenseite ist ein helikaler Absorber, ein Rohrwendel-Wärmetauscher, angeordnet, der sowohl mit dem Kanal als auch mit dem umgebenden Erdreich im thermischen Kontakt steht. Für die Ermittlung der Leistungsfähigkeit des Absorbers des Hybridkanals in Abhängigkeit der Abwassertemperatur ist die einfache Berechnung nach Formel [1] auch näherungsweise nicht ausreichend. Aufgrund ihres helikalen Verlaufes steht die Absorberleitung im diskontinuierlichen thermischen Kontakt mit den anderen Elementen. Es müssen daher sämtliche Wärmeströme berücksichtigt werden, die zwischen dem Element „Absorber“ und allen anderen Elementen (Abwasser, Kanalluft, Erdreich) wirken. Verdeutlicht wird dies in Abbildung 5. Hier ist der Hybridkanal im Freispiegelbetrieb mit gefüllter Absorberleitung schematisch dargestellt. Es lässt sich auch erkennen, dass der Hybridkanal zwar mit Abwasser und Kanalluft im konvektiven, mit dem Erdreich jedoch nur im konduktiven thermischen Kontakt steht. Damit kann die thermische Leistung des Hybridkanals selbst für stationäre Verhältnisse nicht einfach geschlossen analytisch ermittelt werden. Insbesondere der zeitabhängige Speichereffekt des umgebenden Erdreichs macht daher eine instationäre, thermisch-hydraulisch gekoppelte Simulation zur Untersuchung der Leistung des Hybridkanals notwendig. Abb. 3: Hybridkanal mit außenliegender Absorber-leitung (ThermPipe ® , Frank GmbH) [11] 6. Experimentelle Modellierung Als Grundlage für eine Betriebssimulation des Hybridkanals wurden mit einem realmaßstäblichen Labormodell an der Universität Stuttgart und einem Realmodell im bayerischen Essing zwei Versuchsanlagen eingerichtet und umfangreich messtechnisch ausgestattet. Im Rahmen von Langzeitversuchen wurden hierbei sowohl die Fluidals auch Bodentemperaturen kontinuierlich ausgewertet und zur Validierung eines numerischen Simulationsmodells des Hybridkanals herangezogen. 6.1 Realmaßstäblicher Laborversuch Abbildung 4 zeigt das realmaßstäbliche Labormodell des Hybridkanals während der Installation. Der Versuchsstand besteht aus einem 3,74 Meter langen Hybridkanalsegment mit einem DN-200-Querschnitt, das in eine umfassend wärmegedämmte und abgedichtete Sandgrube (Länge 4,0 m, Breite 2,6 m, Höhe 1,5 m) mit definierter Feuchte eingebaut ist. 92 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 Der Hybridkanal als innovatives Konzept zur kombinierten Nutzung von Geothermie und Abwasserwärme Abb. 4: Realmaßstäbliches Labormodell des Hybridkanals während des Einbaus Die Anlage ist mit 15 vertikal sowie 8 horizontal angeordneten Bodentemperaturfühlern ausgestattet, die jeweils in mehreren Ebenen verlegt sind. Diese Sensoren liefern sowohl während des Versuchsbetriebs als auch der Stillstandszeiten minütlich Daten, die zur numerischen Modellvalidierung herangezogen werden. Abb. 5: Messtechnische Ausstattung des Bodenkörpers und Hybridkanals (Labormodell) im Querschnitt (VL: Vorlauftemperatur, RL: Rücklauftemperatur) [12] Die Positionen der Bodentemperaturfühler im Querschnitt der Versuchsanlage sind in Abbildung 5 schematisch dargestellt. Die Abwasserströmung im Kanal wird dabei über zwei Druckbehälter durch gewöhnliches Leitungswasser mit konstantem Durchfluss simuliert. Die Abflussmengen betragen dabei zwischen 6 und 12-l/ min, die Abwassertemperaturen zwischen 20 °C und 30 °C. Das konstante Temperaturniveau wird durch eine kontinuierliche Kühlung und Erwärmung des Abwassers gewährleistet. Auch als Wärmeträgerfluid im Absorber wird Wasser verwendet, das die Rohrwendel im Gleich- oder Gegenstromprinzip relativ zur Abwasserfließrichtung durchströmt. Dessen Vorlauftemperatur wird mithilfe eines Durchlaufkühlers dauerhaft konstant gehalten, der Volumenstrom im Absorber beträgt dabei konstant zwischen 6 und 15,5-l/ min, sodass sich die Absorberströmung stets im leicht turbulenten Bereich befindet. Für beide Kreisläufe findet eine dauerhafte Überwachung der Vor- und Rücklauftemperaturen statt, wie in Abbildung 5 dargestellt ist. Des Weiteren werden die Lufttemperatur an der Oberfläche, der Wasserstand wie auch die Bodenfeuchte ständig aufgezeichnet. Das Labormodell ermöglicht damit die messtechnische Erfassung der thermischen Systemantwort von Hybridkanal und Boden bei mehrtägigem Betrieb und unterschiedlichsten, realitätsnahen Randbedingungen. Anhand von Langzeitversuchen mit Laufzeiten von über 100 Stunden können Messdaten generiert werden, die das instationäre thermische Verhalten des Bodenkörpers abbilden und somit zur Validierung eines numerischen Modells verwendet werden können (siehe Abschnitt 7, Abbildung 8). Des Weiteren können Kurzzeitversuche durchgeführt werden, um den kurzfristigen Einfluss verschiedener Eingangsgrößen auf die Entzugsleistung der Versuchsanlage quantifizieren zu können. 6.2 Feldversuch an bestehendem Druckwasserstollen Als Reallabor und weitere Grundlage für die Validierung wurde der verdolte Abfluss eines natürlichen Quelltopfes im bayerischen Essing, der ganzjährig eine nahezu konstante Temperatur von rund 10 °C besitzt und mit insgesamt 36-m eines DN 800-ThermPipe ® -Kanals ausgebaut ist, ebenfalls messtechnisch ausgestattet. Die aus dem kontinuierlichen Druckabfluss von rund 100-l/ s entzogene Wärmeenergie wird dabei zur Beheizung eines benachbarten Mehrfamilienhauses verwendet. Dabei werden die Leistungsdaten der Anlage mithilfe einer kontinuierlichen Aufzeichnung der Vor- und Rücklauftemperaturen des Absorberfluids dauerhaft messtechnisch überwacht. Des Weiteren findet eine Aufzeichnung der Quellwassertemperaturen am Ein- und Auslauf sowie der Umgebungstemperatur statt. Abbildung 6 zeigt das Realmodell des Hybridkanals während des Einbaus der insgesamt sechs Kanalsegmente. In Summe erreicht die Anlage in Essing aufgrund des dauerhaften Druckabflusses im Durchschnitt eine Wärmeleistung von rund 560-Watt pro Meter Kanallänge. Abb. 6: Hybridkanal am Druckwasserstollen Essing während des Einbaus 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 93 Der Hybridkanal als innovatives Konzept zur kombinierten Nutzung von Geothermie und Abwasserwärme 7. Numerische Modellierung Parallel zu den experimentellen Untersuchungen wurde mithilfe der Softwareumgebung COMSOL Multiphysics ® für jede der beiden Versuchsanlagen unter Berücksichtigung der Geometrie ein Finite-Elemente-Modell erstellt. Aufgrund der hohen Anzahl der möglichen Einflüsse sowie der deutlichen Unterschiede zwischen beiden Versuchsanlagen mussten die Randbedingungen hierfür individuell festgelegt werden. 7.1 Randbedingungen Die Außenränder des realmaßstäblichen Versuchsstands (Abs. 6.1) des Bodenkörpers werden im Rahmen der numerischen Analyse als adiabat (wärmedicht) angenommen. Aufgrund der stark wärmegedämmten Seitenflächen ist dies physikalisch gerechtfertigt. An der Unterkante des Modells wird ein mit 0,06 - W/ m 2 konstant konduktiv angenommener geothermischer Tiefenstrom als Randbedingung angesetzt, was einer in der Fachliteratur üblichen Größenordnung entspricht [13]. An der Oberfläche des Modells wirkt hingegen eine Luftströmung und damit ein konvektiver Wärmestrom. Der Einfluss der Oberflächentemperatur auf oberflächennahe Bodenschichten vergrößert sich aufgrund des infolge Konvektion erhöhten Wärmeübergangs deutlich [14]. F ür den entsprechenden konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten an der Geländeoberfläche existieren dabei zahlreiche empirische Korrelationen. Dieser Wärmeübergangskoeffizient ist dabei sowohl von der Luftströmungsgeschwindigkeit als auch von der Struktur der Geländeoberfläche abhängig. Im konkreten Kontext der Bemessung von Erdwärmekollektoren ergibt sich nach [15] die in Formel [2] dargestellte empirische Korrelation des Wärmeübergangskoeffizienten α zur Windgeschwindigkeit v : [2] Für das Labormodell wird das Abwasser im Kanal als konstante, eindimensionale Gerinneströmung abgebildet. Im Falle des Druckwasserstollens wird hier eine vollständig ausgebildete Rohrströmung zugrunde gelegt. Das Absorberfluid wird dabei als helikale Linienströmung mit konstantem Durchfluss modelliert. Die Wärmeleitfähigkeit des im Laborsowie Realmodell vorliegenden Bodens wurde entweder durch Laborversuche ermittelt oder - in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Wassergehalts - aus einschlägiger Fachliteratur übernommen. 7.2 Back-Analysis und Validierung Im Rahmen der durchgeführten numerischen Analyse wird jeder der durchgeführten Langzeitversuche in einem Finite-Elemente-Modell nachgerechnet. Hierbei werden die bei jedem dieser Versuche gemessenen Vorlauftemperaturen von Abwasser, Absorberfluid und Kanalluft für jeden Zeitschritt als Eingangswerte der Simulation verwendet. Aus dem jeweiligen Simulationsergebnis werden Absorber- und Abwasserrücklauftemperaturen sowie die Bodentemperaturen an den Sensorpositionen ausgewertet und den gemessenen Ergebnissen gegenübergestellt. Mit einer maximal zulässigen Abweichung zwischen numerischem und gemessenem Ergebnis von 0,15 K bzw. 0,25 K für die Boden- und Fluidtemperaturen kann auf diesem Wege die Validität des numerischen Modells überprüft oder dieses gegebenenfalls optimiert werden. Eines der dabei verwendeten Versuchsdatensätze ist beispielhaft in Abbildung 7 dargestellt. Abb. 7: Beispieldatensatz eines Langzeitversuchs zur Validierung des Simulationsmodells mit Bodentemperatur (obere Kurven) und Absorbertemperatur (untere Kurven) Die mögliche Wärmeentzugsleistung der beiden Testanlagen wird auf Grundlage der Temperaturspreizung sowie des Wärmekapazitätsstroms des Absorberfluids nach dem Zusammenhang in Formel [3] berechnet. [3] Die so ermittelte Wärmeleistung entspricht dem Enthalpiestrom des Absorberfluids. Der Einfluss unterschiedlicher Parameteränderungen auf diese Entzugsleistung wurde im Rahmen umfassender Parameterstudien am anhand der Versuchsergebnisse validierten Simulationsmodell untersucht. 8. Parameterstudie und Bemessungsansatz Die Bemessung oberflächennaher Geothermieanlagen erfolgt üblicherweise unter Berücksichtigung der Betriebszeit (Volllaststunden) [16]. Die kontinuierlich nachströmende Wärme des Abwassers ist in diesem Zusammenhang ein signifikanter Vorteil des Hybridkanals. Mit dem Ziel der Entwicklung eines vereinfachten Bemessungsansatzes wurde eine umfassende numerische Parameterstudie an einem größeren, auf die Werksabmessungen des Hybridkanals optimierten Geometriemodell (Länge 6,0 m, Breite 10,0 m, Höhe 10,0 m) durchgeführt, welches in Abbildung 8 beispielhaft dargestellt ist. 94 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 Der Hybridkanal als innovatives Konzept zur kombinierten Nutzung von Geothermie und Abwasserwärme Abb. 8: Finite-Elemente-Modell des Hybridkanals (DN 900), beispielhafte Visualisierung im Heizbetrieb Die zentralen Variationsgrößen im Rahmen der Parameterstudie sind die Kanalquerschnitte (DN 200 bis DN 1000), der Kanalnetztyp (Trenn- oder Mischsystem) sowie das Wärmeträgerfluid (Wasser oder Wasser-Glykol-Gemisch). Die Temperaturen von Abwasser und Kanalluft wurden auf Grundlage der Ergebnisse von [2] zu einer Mindesttemperatur von 10 °C festgelegt, die Strömungsgeschwindigkeiten von Abwasser und Kanalluft auf Basis der Untersuchungen von [11] und [17] auf 0,1 bis 0,2-m/ s gesetzt. Der jeweils zu Beginn unbekannte thermische Initialzustand des betrachteten Bodenkörpers wird vor jeder Simulation durch eine einjährige Vorstudie unter Berücksichtigung der Klimarandbedingungen für den Standort Stuttgart-Vaihingen ohne Absorberbetrieb in das Modell eingeprägt. In der darauffolgenden Hauptstudie wird die Anlage unter Variation der nachgefragten Leistung (Wärmebedarf) im Dauerbetrieb simuliert. Als Ergebnis dieser Berechnungen ergibt sich für jeden jeweiligen Wärmebedarf eine zeitabhängige Leistungskurve. Hieraus kann für jeden untersuchten Kanalquerschnitt die unter Berücksichtigung der Fluidgrenztemperatur (Wasser 3,0 °C, Wasser-Glykol 0,0 °C) die maximale, betriebszeitabhängige Entzugsleistung ermittelt werden. Aus diesen Ergebnissen folgen die in Abbildung 9 dargestellten Bemessungsdiagramme für den Hybridkanal im Betrieb mit Wasser und Wasser-Glykol. Der Bemessungsansatz schafft dabei einen anwenderfreundlichen Zusammenhang zwischen Geometrie und möglicher Entzugsleistung von thermisch aktivierten Abwasserkanälen, für Kanalnetze im Trenn- und Mischsystem. Aufgrund der diesen Ergebnissen zugrunde liegenden Betriebszeit von > 2.400 Volllaststunden kann der Hybridkanal als ein grundlastfähiges, innovatives Konzept zur nachhaltigen, urbanen Wärme- und Kälteversorgung bezeichnet werden. Abb. 9: Bemessungsdiagramme für den thermisch aktivierten Abwasserkanal, nach Kanallänge (oben) und Absorberlänge (unten), nach [17] und [18] 9. Resümee und Ausblick Anhand der im Rahmen dieses Forschungsvorhabens durchgeführten experimentellen und numerischen Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass der thermisch aktivierte Abwasserkanal eine nachhaltige, innovative und vor allem grundlastfähige Quelle für erneuerbare Wärme und Kälte darstellen kann. Außerdem weisen die Ergebnisse darauf hin, dass die Abwasserwärmenutzung bei Einsatz des Hybridkanals mit deutlich geringeren Abflussmengen als allgemein angenommen bereits nennenswerte Leistungen erzielt. Der entwickelte Bemessungsansatz schließt die Forschungsarbeiten mit einem anwenderfreundlichen Tool für die baupraktische Umsetzung des Konzepts ab und öffnet das Konzept der hybriden Abwasser- und Erdwärmenutzung damit der breiten Anwendung. Für die Zukunft besteht insbesondere hinsichtlich des allgemein nur wenig bekannten Einflusses von Kanalluftströmung und Kondensationseffekten auf die Wärmeübertragung im Bereich der Abwasserwärmenutzung jedoch weiterhin ein großer Forschungsbedarf. 15. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2026 95 Der Hybridkanal als innovatives Konzept zur kombinierten Nutzung von Geothermie und Abwasserwärme 10. Danksagung Das Forschungsprojekt IWAES wurde vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen der Forschungsoffensive „Ressourceneffiziente Standquartiere für die Zukunft“ (RESZ) gefördert (Förderkennzeichen 033W106A), wofür gedankt wird. Literatur [1] „Stodtmeister, W. (Hrsg.). (2015). Wärmerückgewinnung aus Abwassersystemen: Wärmetauscher, Wärmepumpen, Verbundsysteme; direkte und indirekte Nutzung Abwasser/ Luft; Handbuch. Essen: PP PUBLICO Publications.“ [2] Cipolla, S. S., & Maglionico, M. (2014). Heat recovery from urban wastewater: analysis of the variability of flow rate and temperature in the sewer of Bologna, Italy. Energy procedia, 45, 288-297. [3] Bolle, F.W. (2012). Potenziale und technische Optimierung der Abwasserwärmenutzung. Abschlussbericht. Aachen: FiW an der RWTH Aachen. [4] Müller, P. (2021). Modellierung der Verteilung ungenutzter industrieller und gewerblicher Abwärme über die Abwasserkanalisation. 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