Effizienzkriterien der Wärmerückgewinnung Wärmebereitstellungsgrad und Stromkosten von Wärmeübertragern in der kontrollierten Wohnraumlüftung
Im Neubau sowie bei der energetischen Sanierung von Bestandsgebäuden können die Anforderungen nach einer dauerhaften Gebäudedichtheit und einem ausreichenden Mindestluftwechsel sowie einem energiesparenden Betrieb häufig nur noch mithilfe von Anlagen zur kontrollierten Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung gewährleistet werden. Die Effizienz der Geräte hinsichtlich Wärmebereitstellungsgrad und Stromkosten steht dabei in engem Zusammenhang mit der Konstruktion des Wärmeübertragers. Der Beitrag zeigt die relevanten Einflussparameter und verdeutlicht die Wichtigkeit spezifisch großer Wärmeübertragungsflächen.
Zur Luft-Luft-Wärmeübertragung in KWL-Geräten werden am Markt verschiedene Wärmetauscher (WT) angeboten. Sie unterscheiden sich zunächst hinsichtlich ihrer konstruktiven Bauart und dem verwendeten Material. Diese beiden Faktoren nehmen wesentlichen Einfluss auf Energieeffizienz, Hygiene, Gewicht und den Preis von Lüftungsgeräten. Nachfolgend sollen – für den Einsatzbereich in der kontrollierten Wohnraumlüftung – die Effizienz bestimmenden Kriterien betrachtet werden. Das Einsatzspektrum der Geräte liegt zwischen ca. 30 m³/h und ca. 6000 m³/h, wobei der obere Grenzwert sehr stark variiert.
Der Leistungsfaktor
Der Wärmeübertrager in der Wohnraumlüftung entzieht der warmen Abluft Wärme. Neben diesem „Nutzen“ steht aber auch ein „Aufwand“ gegenüber: der Stromverbrauch der beiden Ventilatoren. Der sogenannte Leistungsfaktor e beschreibt das Verhältnis beider Größen:
Darin ist:
cP – spezifische Wärme der Luft [Wh/kgK]
t – Lufttemperatur der Ab- und Fortluft[°C]
Bild 1: Einflussfaktoren auf die Lufterwärmung im WRG-Gerät.
Der Grad der Abluft-Abkühlung (tAb – tFo) ist von den konstruktiven Eigenschaften des Wärmeübertragers abhängig. Dabei ist es fast ohne Belang, ob dieser aus Kunststoff oder Aluminium gefertigt wird. 
Der effektive Wärmebereitstellungsgrad
Der „Wärmebereitstellungsgrad“ ist ein Wirkungsgrad zur Darstellung der Effizienz der Wärmerückgewinnung, der auf zwei verschiedene Arten ermittelt werden kann:
a) über den Grad der Erwärmung der Außenluft (zuluftseitiger Wärmebereitstellungsgrad) und
b) über den Grad der Abkühlung der Abluft (abluftseitiger Wärmebereitstellungsgrad)
Bild 2: Bei weniger guten Wärmerückgewinnungsgeräten gemessene unterschiedliche Wärmebereitstellungsgrade
Die Erwärmung bzw. Abkühlung kann in Form von sensibler Wärme (z.B. spürbare Temperaturabkühlung) und als latente Wärme (z.B. verborgene Wärme), die durch Kondensation von Wasserdampf beschrieben werden.
Am Beispiel in Bild 1 sollen die Einflussfaktoren auf die Lufterwärmung im WRG-Gerät dargestellt werden.
Bild 3: Bei guten Wärmerückgewinnungsgeräten gemessene Wärmebereitstellungsgrade
Abluftseitig wird dem Luftvolumenstrom im Wärmeübertrager zunächst Wärme entzogen. Aufgrund der höheren Umgebungstemperatur im Aufstellraum kommt es aber auch zu einem Wärmeeintrag von außen. Der Aufstellraum verliert so eine gewisse Wärmemenge über den Fortluftstrom. Der abluftseitige Wärmebereitstellungsgrad ist die thermodynamisch richtige Betrachtung der Wärmerückgewinnung.
HAb* - Enthalpie der Abluft bei Außenluftfeuchte (lt. Definition des TZWL)
Ebenso kann sich die Zuluft durch interne und externe Leckageströme erhöhen. Allerdings dürfen nur Geräte vermessen werden, deren Gesamtleckage 3%, bezogen auf den Nenn-Luftmassenstrom nicht übersteigt.
Bild 4: Abhängigkeit des Schalldruckpegels (1 m) vom Gerätevolumen.
Der abluftseitig ermittelte effektive Wärmebereitstellungsgrad gibt den thermodynamisch exakteren Wert zur Beurteilung der Wärmerückgewinnungseffizienz an:
Die Werte orientieren sich an den tatsächlich häufig auftretenden Werten in der Praxis mit mittleren Außentemperaturen während der Heizperiode von 4,5°C.
Bauarten von Wärmeübertragern
Wärmeübertrager können grundsätzlich in regenerative Wärmetauscher (z.B. Rotor) und rekuperative Wärmetauscher unterteilt werden. Die möglichen Strömungsformen zeigt Bild 4.
Bild 5: Plattenstruktur - Durch die Profilierung (Kanal-Profil) lässt sich die WT-Fläche bei gleichen äußeren Abmessungen deutlich erhöhen.
In allen Fällen werden die beiden Luftströme aneinander vorbeigeführt – getrennt durch dünne Platten unterschiedlicher Struktur. Dabei vermischen sich die Luftströme nicht. In der Praxis findet man keine marktgängigen Wärmetauscher unterschiedlicher Hersteller, die in den äußeren Abmessungen sowie in der Profilform der Wärmetauscher-Platten und des eingesetzten Materials vollkommen identisch sind. Daher ist auch ein Vergleich, bei dem nur einer der o.g. Parameter variiert wird und alle anderen Eigenschaften konstant bleiben, nicht möglich. Wäre dies so, könnte man den Einfluss des variierten Parameters (z.B. auf den Wärmetauscheffekt oder den Druckverlust) gut auswerten. Deshalb sollen nachfolgend Wärmetauscher-Konstruktionen gegenübergestellt werden, die für den gleichen Einsatzzweck (150 m³/h Volumenstrom) vorgesehen sind.
Die Ziffern 1 bis 3 in Tabelle 1 zeigen die marktverfügbaren Wärmetauscherbauarten sowie deren Abmessungen und Effizienzkennwerte für den betrachteten Fall. Dabei erreicht die Bauform „Gegenstrom-WT“ die höchste Effizienz gefolgt vom „Kreuz-Gegenstrom-WT“.
Die Vergrößerung der Abmessungen bewirkt eine Senkung der Strömungsgeschwindigkeit und damit des Druckverlustes. Damit verringert sich auch der Stromverbrauch an beiden Ventilatoren (Bild 5).
Durch die größere Wärmetauscher-Länge erhöht sich die Verweildauer der beiden Luftströme – es bleibt mehr Zeit, um Wärme auszutauschen.
Neben den o.g. Wärmetauscher-Eigenschaften haben noch andere Komponenten im Wärmerückgewinnungsgerät Einfluss auf seine Effizienz. Sie sind in Tabelle 2 zusammengefasst.
Für die ökologische Bewertung eines Produktes zur Energieeinsparung (Wärmerückgewinnung) ist natürlich auch der Energieaufwand für
Herstellung, Transport und Entsorgung von Bedeutung. Diese sogenannte „graue Energie“ gewinnt vor dem Hintergrund der Nachhaltigkeits-Zertifizierung von Bauprodukten an Bedeutung.
Durch den hohen Strombedarf bei der Elektrolyse zur Aluminium-Herstellung steigt der Betrag an grauer Energie deutlich höher an als bei der Kunststoff-Herstellung. Er liegt für Polystyrol (PS) bei etwa 20 kWh/kg, während der Energiebedarf in der Aluminium-Herstellung bei etwa 58 kWh/kg liegt.
Bild 6: Abhängigkeit des Wärmebereitstellungsgrades von der WT-Fläche.
Das spezifische Gewicht von Aluminium liegt darüber hinaus etwa 2,5-mal höher als bei Kunststoffen. Dies kann z.B. für Wartungsarbeiten, z.B. beim Herausziehen des Wärmetauschers aus dem Wohnungslüftungsgerät für Reinigungszwecke von Bedeutung sein. Auch für die Fertigung und Reinigung großvolumiger Wärmetauscher ist das geringe spez. Gewicht von Kunststoffen vorteilhaft.
Fazit
Die wesentlichen Effizienzkriterien von Wärmetauschern in Wärmerückgewinnungsgeräten sind der Wärmebereitstellungsgrad und der Stromverbrauch. Beide Kriterien stehen in engem Zusammenhang mit der Korpusgröße des Wärmetauschers und des Gerätes. Aus der Größe des Gerätes kann allgemein die Strömungsgeschwindigkeit, der Druckverlust und damit der Stromverbrauch abgeleitet werden. Kleine Strömungsquerschnittsflächen begünstigen höhere Stromverbräuche und Geräuschpegel. Großflächige Wärmetauscher führen dagegen zu einer besseren Wärmeübertragungseffizienz. Mit steigendem Gegenstromanteil wird in der Regel ein besserer Wärmebereitstellungsgrad erreicht. „Kanalwärmetauscher“ erreichen derzeit die höchsten Wirkungsgrade. Der Einfluss der Materialwahl des Wärmetauschers auf den Wärmerückgewinnungsgrad und den Stromverbrauch ist vernachlässigbar gering.
Autor: Dipl.-Ing. Eberhard Paul, Paul Wärmerückgewinnung GmbH, Reinsdorf
Bilder: Paul Wärmerückgewinnung GmbH, Reinsdorf
www.paul-lueftung.net
