Wärmerückgewinnung in Lüftungsanlagen

Rekuperative und regenerative Verfahren

Gallerie

Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung (WRG) sind heute Stand der Technik. Sie nutzen die Abwärme/Kühle der verbrauchten Luft (Abluft), um frische Luft (Zuluft) im Winter aufzuwärmen und im Sommer zu kühlen. Mit ihnen lässt sich der Primärenergieverbrauch eines Gebäudes minimieren. 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 gibt es drei verschiedene Verfahren:

  • rekuperative Wärmerückgewinnung
  • regenerative Wärmerückgewinnung
  • Einsatz von Wärmepumpen
Rekuperative Wärmerückgewinnung

Bei rekuperativen Systemen wird die Wärme des Abluftstroms direkt über die Trennwand eines Wärmetauschers auf die Zuluft übertragen. Es besteht keine direkte Verbindung zwischen Fort- und Außenluft, also keine Vermischung und keine Feuchteübertragung. Beispiele sind Platten- und Rohrwärmetauscher, wie zum Beispiel bei Wohnungslüftungsanlagen.

Plattenwärmetauscher
Bei Plattenwärmetauschern strömt die Luft durch ein Paket aus parallelen, dünnen Platten (Alu- oder Edelstahlbleche, Kunststofffolien). Diese sind so zusammengesetzt, dass jeweils in den aufeinanderfolgenden Zwischenräumen abwechselnd die Zuluft und danach die Abluft fließt. Die wärmeleitende PIatte überträgt die Energie von der warmen Luft an die kalte. Die Systeme sind entweder im Gegenstrom- oder im Kreuzstromprinzip oder aus einer Kombination beider Ströme aufgebaut. Die würfel- oder quaderförmigen Plattenwärmetauscher besitzen eine Rückwärmezahl von 50 bis 80%. Bei kleinen Luftleistungen von ca. 1.000 bis 25.000 m³/h sind Plattenwärmeaustauscher meist die wirtschaftlichste Lösung. Ihr Marktanteil beträgt etwa 30%. Ein Anwendungsbeispiel ist die kontrollierte Wohnungslüftung (KWL).

Regenerative Wärmerückgewinnung
Regenerative Systeme nutzen für die Wärmeübertragung ein festes oder flüssiges Zwischenmedium. Die Wärmeenergie wird in einem Festkörper zwischengespeichert und später von derselben Oberfläche an die Zuluft abgegeben. Die VDI 2071 unterscheidet bewegliche (Rotationswärmeaustauscher) und statische Speichermassen (Umschalt-WRG).

Rotationswärmetauscher
Beim Rotationswärmetauscher, auch Wärmerad genannt, dreht sich ein Rotor als fester Speicher ca. 5 bis 20 Mal in der Minute. Er besteht aus rostfreien dünnen Blechen oder Folien (Alu oder Edelstahl), die ähnlich wie eine Wellpappe aufgebaut sind, d.h. je eine glatte folgt auf eine gewellte Lage. Bei der ständigen Drehbewegung strömt abwechselnd aus einer Richtung die warme Abluft und aus der anderen kalte Außenluft durch den Rotor. Dieser wird durch den einen Luftstrom aufgewärmt und durch den anderen abgekühlt. Dabei überträgt die Rotor-Speichermasse die Energie zwischen beiden Luftströmen. Beim Kühlbetrieb im Sommer ist das Prinzip umgekehrt. Der Rotationswärmetauscher kann neben sensibler, also fühlbarer Wärme bzw. Kälte auch die Feuchtigkeit (latente Wärme) aus Abluft- oder
Abgasströmen zurückgewinnen.

Hinsichtlich ihrer Bauform werden Rotationswärmetauscher mit und ohne hygroskopische (wasseranziehende) Beschichtung unterschieden. Geräte mit Beschichtung dienen der zusätzlichen Feuchteübertragung, bei Geräten ohne hygroskopische Beschichtung erfolgt nur eine geringe Feuchteübertragung bei Kondensation aus der Fortluft. Die gegenüber Plattenwärmetauschern teuren Rotoren werden bei großen Luftleistungen von 10.000 bis 200.000 m³/h eingesetzt. Die Amortisation erfolgt schnell über höhere Rückwärmezahlen. Die marktüblichen Rotordurchmesser betragen von rund 40 cm bis über 6 m. Der Marktanteil der Rotationswärmeaustauscher beträgt etwa 35%

Hochleistungs-Kreislaufverbundsystem (KVS)
Ein Kreislaufverbundsystem besteht aus zwei Wärmeaustauschern (meist Lamellenrohrwärmetauscher), die jeweils im Fortluft- und Außenluftstrom eingebaut sind. Dabei können Außenluft- und Fortluftgerät auch getrennt voneinander aufgestellt sein. Zwischen ihnen zirkuliert in einem Rohrsystem ein Wärmeträger (z.B. Sole). Die flüssige Speichermasse überträgt die Wärme von Wärmeregister zu Wärmeregister. Üblich sind Hochleistungssysteme mit bis zu 80% Übertragungsgrad. Die darin eingebauten Hochleistungs-Wärmeübertrager mit entsprechenden Baulängen (600 bis 1.200 mm) besitzen einen sehr hohen thermodynamischen Gegenstromanteil aller eingesetzten Medien (Wasser, Sole oder Luft) von 98 bis 99%. Neben der Wärmerückgewinnung können Hochleistungs-KVS zusätzliche Funktionen im System erfüllen wie die Übertragung von Nachwärme oder Nachkälte, Betriebswasserwasservorerwärmung sowie Solar- und Abwärmenutzung. Der Marktanteil der KVS-Anlagen beträgt 20%.
 
Wärmerohraustauscher (Heatpipes)
Äußerlich gleichen Wärmerohraustauscher den üblichen Heiz- oder Kühlregistern. Anstatt der Rohrschlangen sind aber Wärmerohre (Heatpipes) eingebaut. Sie funktionieren voneinander unabhängig. Die Wärmerohre bestehen aus luftleeren (evakuierten) Lamellenröhrchen, in denen sich ein Kältemittel befindet. Die warme Fortluft durchströmt den unteren Teil des Wärmerohrs und erwärmt das Kältemittel. Dieses verdampft, steigt nach oben und überträgt die Verdampfungswärme auf die kalte Außenluft. Anwendung finden Wärmerohraustauscher u.a. in großen RLT-Anlagen und in der Prozesstechnik. Der Marktanteil beträgt 5%.

Umschalt-Wärmeaustauscher
Das Umschalt-WRG-Gerät enthält zwei oder mehrere statische Wärmespeicherpakete aus Aluminiumblechen. Diese werden wechselweise von Außen- und Abluft durchströmt. Die Steuerung erfolgt über Umschaltklappen, die elektromotorisch und dynamisch in kurzen Umschaltintervallen arbeiten. Die warme Abluft lädt den Speicher auf, die vorbeistreichende kalte Außenluft lädt den Speicher ab. Das sogenannte WRG-Akku wird verwendet, wenn besonders hohe Rückwärmzahlen (0,6 bis 0,9) gefordert sind.

Wärmepumpen-Verfahren
In der RLT ist auch mit Wärmepumpen eine Wärmerückgewinnung möglich. Die Wärmepumpe entzieht der Fortluft Wärme und führt sie der einströmende kalten Außenluft zu. Der Vorgang ist auch reversibel (Sommer/Kühlen). In Geräten zur kontrollierten Wohnungslüftung können Luft/Luft-Wärmepumpen oder Luft/Wasser-Wärmepumpen integriert sein.

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