Wärmerückgewinnung in Lüftungsanlagen

Um die Energieeffizienz von Gebäuden zu erhöhen, sollten Lüftungswärmeverluste während der Heizperiode vermieden werden. Bei der klassischen Fensterlüftung wird verbrauchte und erwärmte Luft direkt nach draußen geleitet und durch kalte Luft ersetzt. Die in der Abluft gespeicherte Wärmeenergie geht vollständig verloren. Eine Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung ist eine effektive Lösung, um diese Verluste zu reduzieren und den Primärenergieverbrauch zu senken. Sie ist heute Stand der Technik und sollte in Wohngebäuden immer eingeplant werden.

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Arten und Funktionsweise

Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung nutzen die Abwärme der verbrauchten Luft (Abluft) und erwärmen damit während der Heizperiode im Winter die frische Luft (Zuluft). Die meisten Anlagen verfügen über einen Bypass für die Sommerzeit, der die Zuluft direkt in den Innenraum leitet, um sie nicht durch die wärmere Abluft weiter aufzuheizen. Es ist jedoch auch im Sommer möglich, die Wärmerückgewinnung einzusetzen, beispielsweise um die kühlere Zuluft in der Nacht vortemperieren zu können. Die Wärmetauscher-Bauteile befinden sich in den Zu- und Abluftkanälen der Lüftungsanlage. In der VDI-Richtlinie VDI 2071 Wärmerückgewinnung in raumlufttechnischen Anlagen sind Begriffe und Definitionen festgelegt.

Grundsätzlich unterscheidet man drei verschiedene Verfahren der WRG:

• rekuperative Wärmerückgewinnung
• regenerative Wärmerückgewinnung
• Wärmerückgewinnung mit Wärmepumpen

Rekuperative Wärmerückgewinnung

Bei der rekuperativen Wärmerückgewinnung wird die Wärme des Abluftstroms über die Trennwand eines Wärmetauschers auf die Zuluft übertragen. Bei diesem System besteht keine direkte Verbindung zwischen der Fort- und der Außenluft. Es findet also keine Vermischung der beiden Luftströme und auch keine Feuchteübertragung statt. Häufig eingesetzt werden Rohr- oder Plattenwärmetauscher.

Bei Plattenwärmetauschern strömt die Luft durch ein Paket aus parallelen, dünnen Platten (Alu- oder Edelstahlbleche, Kunststofffolien). Dabei durchströmen Abluft und Zuluft jeweils abwechselnd die Zwischenräume. Die wärmeleitende PIatte überträgt die von der warmen Abluft aufgenommene Energie an die kalte Zuluft. Die Systeme sind entweder im Gegenstrom-, im Kreuzstromprinzip oder aus einer Kombination beider Ströme aufgebaut. Plattenwärmetauscher haben eine Rückwärmezahl von 50 bis 80 Prozent und sind bei geringen Luftleistungen (ca. 1.000 bis 25.000 m³/h) meist die wirtschaftlichste Lösung. Sie finden Anwendung in der kontrollierten Wohnungslüftung (KWL).

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Rohrwärmetauscher (oder Rohrbündelwärmeübertrager) bestehen aus einem Rekuperator, der sich aus zahlreichen dünnwandigen Rohren in einem Stahlblechzylinder zusammensetzt. Die warme Abluft durchströmt den Mantelraum während die kalte Zuluft durch die kleineren Rohre geführt wird. Die Wärmeübertragung erfolgt indirekt über die Trennwand des Rohrbündels.

Regenerative Wärmerückgewinnung

Bei der regenerativen Wärmerückgewinnung wird die Wärmenergie indirekt über ein Speichermedium übertragen. Die Wärmeenergie der Abluft wird an einen Festkörper abgegeben, dort zwischengespeichert und von derselben Oberfläche zeitversetzt an die Zuluft abgegeben (Regeneration). Die VDI 2071 unterscheidet bewegliche (Rotationswärmeaustauscher) und statische Speichermassen (Umschalt-WRG).

Rotationswärmetauscher, auch Wärmerad genannt, nutzen einen Rotor als Speicher, der sich zwischen fünf und zwanzig Mal pro Minute dreht. Er besteht entweder aus rostfreien dünnen Blechen oder Folien (meist Aluminium oder Edelstahl), die ähnlich wie eine Wellpappe aufgebaut sind (d. h. je eine glatte folgt auf eine gewellte Lage) oder aus zahlreichen Röhrchen, die mit Speichermedien gefüllt sind. Dabei wird eine Hälfte des Rotors von warmer Abluft und die andere von kalter Zuluft durchströmt. Durch die Drehbewegung überträgt die Rotor-Speichermasse die Energie zwischen beiden Luftströmen. Dies funktioniert auch umgekehrt, sodass im Sommer die Innenraumluft vornehmlich durch kühlere Nachtluft abgekühlt werden kann. Rotationswärmetauscher können auch Feuchtigkeit zurückgewinnen. Ihr Nachteil ist die nicht vollständige Trennung der beiden Luftströme, weswegen sie in sensiblen Bereichen, wo die Qualität und die Keimfreiheit der Luft wichtig ist, eher ungeeignet sind.

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Rotationswärmetauscher werden je nach Bauform mit oder ohne hygroskopische Beschichtung unterschieden. Geräte mit Beschichtung übertragen zusätzlich Feuchtigkeit, während bei Geräten ohne Beschichtung nur eine geringe Feuchteübertragung durch Kondensation aus der Abluft erfolgt. Obwohl Rotationswärmetauscher im Vergleich zu Plattenwärmetauschern teurer sind, werden sie bei großen Luftleistungen von 10.000 bis 200.000 m³/h eingesetzt und amortisieren sich schnell durch höhere Rückwärmezahlen. Die marktüblichen Rotordurchmesser liegen zwischen 40 cm und über 6 m.

Kreislaufverbundsysteme (KVS) bestehen aus zwei Wärmeaustauschern, die üblicherweise als Lamellenrohrwärmetauscher ausgeführt sind. Sie sind im Fortluft- und Außenluftstrom eingebaut und können auch separat aufgestellt werden. Ein Wärmeträger, wie zum Beispiel Sole, zirkuliert zwischen ihnen in einem Rohrsystem. Durch die Übertragung der Wärme von Wärmeregister zu Wärmeregister kann ein Übertragungsgrad von bis zu 80 Prozent erreicht werden. Die Hochleistungs-Wärmeübertrager in KVS sind in der Regel 600 bis 1.200 mm lang und haben einen hohen thermodynamischen Gegenstromanteil von 98 bis 99 Prozent für alle eingesetzten Medien wie Wasser, Sole oder Luft. Neben der Wärmerückgewinnung können Hochleistungs-KVS zusätzliche Funktionen erfüllen, wie die Übertragung von Nachwärme oder Nachkälte, Betriebswasservorerwärmung, Solar- und Abwärmenutzung.

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Wärmerohraustauscher (Heatpipe) sehen ähnlich aus wie ein herkömmliches Heiz- oder Kühlregister, besteht jedoch aus Wärmerohren anstelle von Rohrschlangen. Jedes Wärmerohr arbeitet unabhängig von den anderen und besteht aus luftleeren (evakuierten) Lamellenröhrchen, in denen sich ein Kältemittel befindet. Die warme Fortluft erwärmt das Kältemittel im unteren Teil des Wärmerohrs, was zur Verdampfung des Kältemittels führt. Der Dampf steigt nach oben und überträgt dabei seine Verdampfungswärme auf die kalte Außenluft. Wärmerohraustauscher werden oft in großen RLT-Anlagen und in der Prozesstechnik eingesetzt.

Umschalt-Wärmeaustauscher bestehen aus mehreren statischen Wärmespeicherpaketen, die aus Aluminiumblechen gefertigt sind. Diese Pakete werden abwechselnd von der Außen- und Abluft durchströmt, wobei die Umschaltung über elektromotorisch gesteuerte Klappen in kurzen Intervallen erfolgt. Die warme Abluft dient dabei als Ladung für den Wärmespeicher, während die vorbeistreichende kalte Außenluft den Speicher entlädt. Für den Einsatz in Anwendungen mit besonders hohen Rückwärmzahlen im Bereich von 0,6 bis 0,9 wird ein sogenannter WRG-Akku eingesetzt.

Wärmerückgewinnung mit Wärmepumpen

Luft/Luft-Wärmepumpen bieten die Möglichkeit, die Lüftungsanlage mit einer Wärmepumpe zu verbinden und Gebäude ohne Heizkörper oder Heizflächen zu beheizen. Im Unterschied zu anderen Wärmepumpen wird die Wärme in diesem Fall nicht über einen Kältemittelkreislauf übertragen, sondern über einen in der Pumpe integrierten Wärmetauscher. Eine Lüftungsanlage mit integrierter Luft/Luft-Wärmepumpe funktioniert folgendermaßen: Ventilatoren saugen die Außenluft an und die Wärme wird dann durch einen Plattenwärmetauscher von der Abluft der Lüftungsanlage auf die frische Außenluft übertragen. Danach wird die erwärmte Luft durch einen Zuluftnacherhitzer geleitet, um sie auf die gewünschte Temperatur zu bringen. Schließlich wird die warme Zuluft durch die Lüftungskanäle im Gebäude verteilt. Das Verfahren eignet sich vorwiegend in Niedrigenergie- oder Passivhäusern.

Ferner können auch Luft/Wasser-Wärmepumpen die Wärme aus der Abluft nutzen. Allerdings wird die der Abluft entzogenen Wärmeenergie dann nicht direkt zur Erwärmung der Zuluft genutzt. Stattdessen kann die Wärmepumpe das Temperaturniveau der zurückgewonnenen Wärme so weit erhöhen, dass es für die Heizung oder Warmwasserbereitung genutzt werden kann. Abluft-Wärmepumpen arbeiten besonders effektiv, wenn ausreichend große Luftvolumina ausgetauscht werden. Nur dann können sie genügend Energie für Heizung und Warmwasser bereitstellen. In der Praxis beziehen Abluftwärmepumpen ihre Energie aus Kellerräumen und übernehmen vor allem die Warmwasserbereitung.

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