Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung

Nicht im eigentlichen Sinn zur Wärmerückgewinnung (Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung) zählt das Verfahren der Wärmerückführung. Hierbei handelt es sich um eine Energiesparmaßnahme, die auf dem Prinzip des Temperaturdifferenzausgleichs beruht: Erwärmte Luft, die vor allem in hohen Zimmern und Hallen in die oberen Teile des Raumes entweicht, wird mittels Ventilatoren in den Prozess der Raumerwärmung zurückgeführt. Anders als bei der Wärmerückgewinnung, welche die Energie durch Wärmetauscher (thermische Speichermasse (Keramikwärmespeicher)) aus der Abluft gewinnt, verbleibt die warme Luft hier im Raum. Die Ausgleichssysteme arbeiten mit modernsten Sensoren, welche Temperaturdifferenzen präzise registrieren und die Ventilatoren punktgenau steuern. So reduzieren sie die immensen Temperaturverluste, die sich in hohen Räumen ergeben – besonders dann, wenn über dem Raum nicht geheizt werden muss.

 
Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung
 

Wärmerückgewinnung in Lüftungsanlagen

Bei der Wärmerückgewinnung (WRG) in Lüftungsanlagen (z.B. Lüftungssystem SEVi 160) werden in Zu- und Abluftkanälen verbaute Wärmetauscher dazu genutzt, die einem Raum zugeführte Luft – je nach Bedarf – aufzuwärmen oder abzukühlen. Der abgeführten Raumluft wird dabei im Winterbetrieb Wärme entzogen und an die Zuluft abgegeben. Im Sommerbetrieb gibt die zuströmende Außenluft ihre Wärme an das Wärmetauschmedium ab, sodass die Luft den Raum gekühlt erreicht und nicht eigens klimatisiert werden muss.

Die VDI-Richtlinie VDI 2071 “Wärmerückgewinnung in raumlufttechnischen Anlagen” unterscheidet drei verschiedene Verfahren (die folgende Beschreibung bezieht sich jeweils auf den Winterbetrieb der Lüftungsanlage):

  • Bei der rekuperativen Wärmerückgewinnung wird die Wärmeenergie der Abluft an die parallel zuströmende Außenluft übertragen. Als Wärmetauschmedium dient die Trennwand des in der Lüftungsanlage verbauten Wärmeübertragers.
  • Bei der regenerativen Wärmerückgewinnung wird ein festes oder flüssiges Medium zur Zwischenspeicherung der Wärmeenergie genutzt. Die Wärmeübertragung zwischen Fort- und Zuluft erfolgt hier zeitlich und gegebenenfalls räumlich versetzt.
  • Bei der Wärmerückgewinnung unter Einsatz von Wärmepumpen wird der Abluft Energie entzogen und als Verdampfungswärme an die Zuluft übertragen.

 

Rekuperative Wärmerückgewinnung

Systeme zur rekuperativen Wärmerückgewinnung nutzen verschiedene Kanäle für die Luftzu- und Abfuhr. Insofern also Ab- und Außenluft weder miteinander noch mit derselben Oberfläche im Wärmetauscher in Berührung kommen, wird auch Luftfeuchte nicht übertragen. Stattdessen wird die Wärmeenergie über die Trennwand zwischen den luftführenden Kanälen weitergegeben. Beispiele für rekuperative Systeme sind Rohr- oder Plattenwärmetauscher, wie sie oft in Wohnungslüftungsanlagen (Dezentrale Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung) zum Einsatz kommen.

 

Plattenwärmetauscher

Plattenwärmetauscher bestehen im Prinzip aus einem Paket von parallel laufenden, hinreichend dünnen und wärmeleitfähigen Platten – meist aus Aluminium, Edelstahl oder speziellen Kunststofffolien. Die durch einen Zwischenraum zwischen den Platten strömende Abluft gibt ihre Energie an die Platte ab, welche damit die zeitgleich in der Nachbarkammer strömende Zuluft erwärmt. Plattenwärmetauscher können nach dem Gegen- oder dem Kreuzstromprinzip konstruiert sein.

Der Einsatz von Plattenwärmetauschern ist bei geringeren Lufttauschleistungen von etwa 1000 bis 25000 m³/h meist die wirtschaftlichste Lösung. Ihre Rückwärmeleistung beträgt zwischen 50 und 80 %. Zur Anwendung kommen Plattenwärmetauscher zum Beispiel in der kontrollierten Wohnungslüftung (KWL).

 

Regenerative Wärmerückgewinnung

Bei Systemen zur regenerativen Wärmerückgewinnung wird zur Wärmeübertragung zwischen Ab- und Zuluft ein flüssiges oder festes Zwischenmedium genutzt. So strömt die Abluft zum Beispiel über einen Festkörper und gibt die Wärme an diesen ab. Zeitlich versetzt wird das Wärmespeichermedium von der Zuluft überströmt. Sie nimmt dabei die gespeicherte Wärmeenergie von dem Medium auf, bevor sie in den Raum strömt. Die Wärme wird somit von derselben Oberfläche abgegeben, von der sie auch aufgenommen wurde.

Die VDI 2071 unterscheidet zwei Konzepte zur regenerativen Wärmerückgewinnung: (bewegliche) Rotationswärmetauscher und die Umschaltwärmerückgewinnung mit statischen Speichermassen.

 

Rotationswärmetauscher

Rotationswärmetauscher, sogenannte Wärmeräder, nutzen einen Rotor aus rostfreiem wärmeleitfähigen Material (meist Aluminium- oder Edelstahlfolie) als Speichermasse bzw. Übertragungsmedium. Dieses Material ist in dünnen Schichten – analog zur Wellpappe – abwechselnd aus je einer glatten und einer gewellten Lage angeordnet. Die parallel zur Rotorachse verlaufenden Zwischenräume der gewellten Lage dienen dabei als Luftkanäle.

Das Wärmerad besitzt in der Regel einen Durchmesser zwischen 40 cm und 6 m und dreht sich zwischen fünf und 20 Mal pro Minute. Dabei wird je eine Hälfte des Rotors von warmer Abluft und kalter Zuluft durchströmt, wobei das Medium im ersten Schritt Wärmeenergie aufnimmt und sie im zweiten Schritt an die Zuluft abgibt.

Neben der sensiblen (fühlbaren) Wärme können Rotationswärmetauscher auch latente Wärme zurückgewinnen, wie sie bei der Kondensation von Luftfeuchtigkeit frei wird. In dieser Hinsicht werden Rotationswärmetauschern in zwei Bauformen unterschieden: mit oder ohne wasseranziehende (hygroskopische) Beschichtung. Wärmetauscher mit hygroskopischer Beschichtung übertragen zusätzlich zur fühlbaren Wärme auch die im Abluftstrom enthaltene Luftfeuchte. Bei Wärmetauschern ohne hygroskopische Beschichtung wird nur ein geringer Anteil der Feuchte übertragen.

Gegenüber Plattenwärmetauschern sind Rotationswärmetauscher aufgrund der aufwendigeren Technik vergleichsweise teuer. Die Amortisation erfolgt dank der höheren Rückwärmezahlen aber relativ schnell. Rotationswärmetauscher werden typischerweise bei Luftleistungen zwischen 10000 und 200000 m³/h eingesetzt.

 

Kreislaufverbundsysteme (KVS)

Ein Kreislaufverbundsystem (Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung) setzt sich aus zwei separat verbauten Wärmetauschern zusammen, die durch ein Rohrsystem verbunden sind, in welchem ein flüssiger Wärmeträger als Wärmetauschmedium zirkuliert. Ein Wärmetauscher dient dabei als Kühlregister, das der abgeführten Luft Wärmeenergie entzieht. Diese wird an das Austauschmedium – meist ein Wasser-Glykol-Gemisch – übergeben und über das Rohrsystem an den zweiten Wärmetauscher, das Heizregister, übertragen.

Hochleistungskreislaufverbundsysteme (Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung) sind mit leistungsstarken Wärmeüberträgern mit hohem thermodynamischem Gegenstromanteil (98 bis 99 %) ausgestattet. Sie besitzen daher Übertragungsgrade von bis zu 80 %. Außer der Rückgewinnung von Wärme aus Abluftströmen können KVS noch weitere Funktionen wie die Nachwärme- und Nachkälteübertragung, die Solarwärmeübertragung oder die Betriebswasservorerwärmung erfüllen.

 

Wärmerohrtauscher (Heatpipes)

Wärmerohrtauscher bestehen aus evakuierten, das heißt luftleeren Lamellenröhrchen, die mit einem Kältemittel gefüllt sind. Die warme Abluft erwärmt dieses Kältemittel und bringt es dadurch zum Verdunsten. Die dafür aufgewendete Wärmeenergie wird als latente Energie in dem entstehenden Gas gespeichert. Das nun gasförmige Kältemittel steigt in dem Wärmerohr (Heatpipe) auf und kondensiert dort, wo das Rohr von der kalten Zuluft umströmt wird. Dabei wird die latente Energie als Wärmeenergie freigesetzt und auf die Zuluft übertragen.

Wärmerohrtauscher finden unter anderem in großen Anlagen der Raumlufttechnik (RLT) oder in der Prozesstechnik Anwendung.

 

Umschaltwärmetauscher

Bei Umschaltwärmetauschern (auch Umschalt-WRG-Geräten) fungieren in der Regel zwei oder mehr Aluminiumblechpakete als Wärmespeichermedium. Die Wärmespeicherpakete werden abwechselnd von Zu- und Abluft durchflossen, wobei die Energie des wärmeren Luftstroms zunächst auf den Wärmetauscher und von dort auf den kälteren Luftstrom übertragen wird. Die Steuerung der Zu- und Abluft erfolgt durch elektromotorisch angetriebene Umschaltklappen, welche die Luft in kurzen Abständen umlenken. Das Prinzip des sogenannten WRG-Akkus liefert hohe Rückwärmegrade von 60 bis 90%.

 

Wärmerückgewinnung mit Wärmepumpen

Die Wärmerückgewinnung (Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung) kann auch anhand von Wärmepumpen betrieben werden. Ihr Prinzip basiert ähnlich wie die Heatpipes auf der Überführung von sensibler in latente Energie. Das Medium durchfließt beim Wärmepumpen-Verfahren ein Leitungssystem, welches ein Register zur Abluftkühlung mit einem Register zur Zulufterwärmung verbindet. Der nötige Druckunterschied wird dabei durch die Wärmepumpe, eine Maschine zur Kompression des Wärmetauschmediums, hergestellt. In der Raumlufttechnik (RLT) kommen sowohl Luft/Luft-Wärmepumpen wie auch Luft/Wasser-Wärmepumpen zum Einsatz.