Nutzung der Wärmequelle Abluft - Wärmerückgewinnung mit Luft-Wasser-Wärmepumpen

Als Wärmerückgewinnung wird jegliche Option bezeichnet, Wärme aus vorgelagerten Prozessen – wie in diesem Fall der Ausbringung von Abluft über ein Lüftungssystem – für das Gebäude systemisch zu nutzen. Im Kontext der Wohnungslüftung besteht die Möglichkeit, die Wärme aus der Abluft in einem Zentralgerät an die einströmende Frischluft zu übertragen, was allerdings nicht die einzige Möglichkeit ist. Wärmerückgewinnung und Wärmenutzungsprozesse sind wesentlicher Bestandteil der Baubiologischen Haustechnik.

Abluft und Wärmepumpe
Die Abluft beinhaltet eine nicht unerhebliche Wärmemenge, die für andere Prozesse im Gebäude genutzt werden kann. Es wäre falsch, sich allein gegen eine Abluftanlage zu entscheiden, da die Wärme der Abluft nicht wie in klassischen Lüftungszentralgeräten direkt an die Frischluft übertragen werden kann. Ebenso unklug wäre es, die Abluft mitsamt ihrer Wärmemenge einfach aus dem Haus zu blasen. In der Praxis gilt es, die Art der Wärmerückgewinnung stets zu differenzieren, denn mitnichten ist die WRG mittels integriertem Wärmeübertrager einer Wohnungslüftungsanlage die einzige Möglichkeit.
Bei Abluftkanalsystemen kann eine Wärmerückgewinnung dergestalt erfolgen, dass die Wärmemengen der Abluft für einen Wärmebedarf im Gebäude genutzt werden können und nicht durch die Fortluftführung nach außen geführt wird. In der Baubiologischen Haustechnik wird die Abluft als grundsätzliche Wärmequelle definiert, die systemisch zu nutzen ist. Dies kann am unmittelbarsten mittels eines Wärmepumpenaggregats für folgende Zwecke in Sachen Wohnwärmebedarf genutzt werden:

• Wärmebedarf zur Warmwasserbereitung,
• Wärmebedarf zur Raumtemperierung.

Für beide Anwendungsfälle ist eine Luft-Wasser-Wärmepumpe notwendig. Die Wärmequellenbezeichnung Luft bezieht sich in diesem Fall auf Abluft (bzw. Umgebungsluft). Die Geräteeinheit Abluft-Ventilator – um eine Kleinst-Wärmepumpe zur Trinkwassererwärmung ergänzt – ist hierbei der einfachste Weg, muss aber im Einzelfall geprüft werden, da die Luftmengen optimal aufeinander abgestimmt sein sollten, um eine Zuführung von kälterer Umgebungs- oder Außenluft so gering wie möglich zu halten. Grundsätzlich aber passen die Bedarfsprofile sehr gut zueinander, denn besonders wenn in den Nasszellen erhöhter Lüftungsbedarf nach dem Duschen oder Baden besteht, gilt es auch wieder die Warmwasserbereitstellung zu sichern, also Lüftungs- und Warmwasserbedarf gehen in ihrem Lastprofil  in der Regel sehr gut einher.

###newpage###

Wärmenutzungsprozess einer WP
Ein Wärmepumpenaggregat nutzt stets eine Wärmequelle mit niedriger Temperatur – wie sie in der Abluft (als unnatürliche Wärmequelle) mit etwa 20°C ansteht – und komprimiert die Temperatur dieser Wärmemenge auf ein höheres Temperaturniveau entsprechend der gewünschten Nutzung.
Je geringer die dabei zu überwindende Temperaturdifferenz zwischen Wärmequellentemperatur und gewünschter Wärmenutzungstemperatur (Warmwasser und/oder Raumwärme), desto effizienter arbeitet dieser Wärmeentstehungsprozess. Die Effizienz wird dabei in der sogenannten Leistungszahl (COP) dargestellt. Die Leistungszahl zeigt das Verhältnis zwischen der für den Arbeitsprozess zugeführten elektrischen Energie und der an die Wärmenutzungsanlage abgegebenen thermischen Energie.
Mit einer Abluft-Wasser-Wärmepumpe kann bequem eine Leistungszahl von 3 erreicht werden. Das bedeutet, dass für eine thermische Leistung von 3 kW eine elektrische Leistung von 1 kW zugeführt werden muss. Bei einer elektrischen Direktheizung beträgt die Leistungszahl maximal 1 und würde bedeuten, dass 3 kW elektrische Energie zugeführt werden muss, um 3 kW thermische Energie zu generieren. Dies entspräche lediglich einer Umwandlung von elektrischer Energie in thermische Energie.
Grundlage für die reale Erreichung einer Leistungszahl als tatsächliche Arbeitszahl (= der empirisch gemessene Wert von zugeführter elektrischer Energie und abgegebener thermischer Energie) ist die Zufuhr einer Mindest-Wärmequellentemperatur in ausreichender Menge. Und genau dieses Detail zeigt auch die Grenzen einer Abluft-Wärmepumpe auf. Während für die Trinkwassererwärmung die Menge der Abluft aus dem Abluftkanalsystem durchaus ausreichend ist, muss für den Wärmebedarf zur Wärmeübertragung an den Raum in der Regel eine nicht unerhebliche Menge an ungleich kühlerer Außentemperatur der Abluftmenge beigeführt werden. Aus diesem Grund eignet sich eine Abluft-Wärmepumpe zur Raumheizung nur in sehr effizienten Niedrigenergiehäusern mit einer Gesamt-Heizlast von wenigen kW und einem Niedrigtemperatursystem zur Wärmeübertragung an den Raum mit einer maximalen Auslegungstemperatur von 35°C.
Es ist darauf zu achten, dass der Betrieb des Ventilators auch unabhängig von einem Warmwasserbedarf möglich ist. Also muss der Ventilator auch unabhängig vom Betrieb der Wärmepumpe möglich sein, da die entsprechende Regelpriorität sich nach dem Lüftungsbedarf richten muss. Die Abluft wird in diesem Fall dann ohne Wärmeentzug als Fortluft aus dem Gebäude geführt.

Integration einer Speicher-WW-WP
Die einfachste und kostengünstigste Variante eine WP in den Abluftkanal zu integrieren, ist eine Speicher-Warmwasser-Wärmepumpe. Bei dieser WP-Bauart ist ein WW-Speicher mit einem Volumen von 100 – 300 l werkseitig mit einem aufgesetzten WP-Aggregat und einem Abluftkanalanschluss kombiniert. Optional kann eine weitere Zufuhr von Umgebungsluft aus dem Aufstellraum vorgesehen werden.
Befindet sich eine WW-WP beispielsweise im Heizraum, kann diese durch Nutzung von Wärmeverlusten der Wärmeerzeugung eines Heizkessels in ihrer Arbeitszahl optimiert werden. Dies gilt natürlich auch unabhängig von der Integration in einem Abluftkanalsystem. Für kleine Wohneinheiten bietet der Markt auch Abluft-WW-WP für wohnungszentrale Lösungen, die sich in Form und Größe nur unwesentlich von herkömmlichen Elektroboilern unterscheiden. Wesentlich sind aber der viel geringere Bedarf an elektrischer Energie und die Synergieeffekte der kombinierten Lüftung. Der Abluftvolumenstrom ist dabei allerdings auf etwa 80 m³/h begrenzt, was allerdings für eine entsprechende Wohneinheit im Mehrgeschoss-Wohnungsbau durchaus ausreichend ist. Diese Anlagenart bietet sich besonders im Sanierungsbereich an, wenn beispielsweise im Rahmen einer energetischen Sanierung neue Fenster eingebaut werden und nun durch die Luftdichtigkeit und den verbesserten Wärmeschutz ein Lüftungskonzept notwendig ist.
Als Notheizung oder zur Legionellen-Schutzfunktion befindet sich im Speicher einer solchen WP ein Einsteckheizkörper, der als elektrische Direktheizung bei Bedarf eingeschaltet wird. Es ist wichtig daraus zu achten, dass dies auch wirklich nur dann geschieht, wenn es notwendig ist. Aus diesem Grund bieten die meisten Hersteller eine Kippschalterfunktion zur manuellen Betätigung an. D.h. bei Bedarf wird die Direktheizung aktiviert und schaltet sich beim Erreichen einer Speichertemperatur von 65°C automatisch ab. Der WP-Betrieb hat also immer Vorrang.
Die sanitären Anschlüsse einer Speicher-WW-WP erfolgen analog zu einem herkömmlichen Warmwasserspeicher. Bei einem integrierten Glattrohr-Wärmeübertrager im unteren Bereich des Speichers kann auch eine solare Trinkwassererwärmung über einen Solarkollektoranschluss realisiert werden. Das würde bedeuten, dass in den Sommermonaten die Trinkwassererwärmung solarthermisch erfolgt und die Abluft nicht für den WP-Betrieb genutzt wird, da diese nicht in Betrieb ist. Es sei denn, es ist nicht genügend Solarertrag vorhanden, sodass die WP als Nacherwärmung einspringt, dabei natürlich die Wärme aus der Abluft nutzt. Bei Solarbetrieb erfolgt ebenfalls die Abluftführung direkt als Fortluft aus dem Gebäude.
Während des Wärmeentzugs aus der Abluft entsteht bisweilen Kondenswasser, das in einer integrierten Kondensat-Auffangwanne gesammelt auf direktem Wege abgeführt werden muss.
Daher ist bei der Installation darauf zu achten, zumindest einen Auffangbehälter für das Kondensat oder einen Abwasseranschluss vorzusehen. Naheliegend ist, das Kondensat über den Trichtersifon abzuführen, der ohnehin für die Sicherheitsventile der Heizungs- und Sanitärinstallation in unmittelbarer Nähe bereitsteht.
Der Nachteil einer Speicher-WW-WP ist aus hygienischer Sicht die Bevorratung von Warmwasser im Speicher.

Integration einer Split-WW-WP
Um eine Frischwassererwärmung mittels integrierter oder externer Frischwassertechnik in Kombination mit einem Heizungspufferspeicher zu ermöglichen, besteht die Möglichkeit eine Split-WW-WP zu installieren. Diese besteht aus einem WP-Aggregat mit einem Heizungswasservorlauf und -rücklauf und Kondensatablauf, ohne Speicher. Dies macht diese WP-Bauart sehr kompakt und ermöglicht eine recht flexible Positionierung.
Über den Heizungsladekreis wird die WP an einem Heizungspufferspeicher angeschlossen, der von der Split-WW-WP thermisch beladen wird. Der Speicherladeheizkreis beinhaltet eine Speicherladepumpe, Temperaturanzeigen, Absperreinrichtungen sowie eine Füll-, Spül- und Entleerungseinrichtung.
Ohne Integration eines Abluftkanalsystems nutzt die WW-WP die Umgebungsluft aus dem Raum. Konsequenz der Wärmenutzung ist eine Kühlung der Raumluft, die in manchen Fällen gewünscht sein kann, wie beispielsweise in einem Lagerraum für Lebensmittel o.ä.

Praxisbeispiel für Kühlung
In einem Weinlager wurde eine Split-WW-WP installiert, deren Regelstrategie die WP bei Überschreiten der Raumlufttemperatur von 15°C einschaltet und die aus dem Arbeitsprozess der WP generierte Wärme die Trinkwassererwärmung des Winzerbetriebes sowie der angeschlossenen Winzerfamilien-Wohnung ganzjährig bereitstellt.
Um einen sicheren Kühlbetrieb zu gewährleisten, waren ein entsprechend großes Puffervolumen und ein entsprechend hoher Bedarf an Warmwasser notwendig. Letzteres war allein aus dem Winzerbetrieb gegeben der einen täglichen Warmwasserbedarf von etwa 100 l allein zu Reinigungszwecken verlangte. Die Winzerfamilie besteht aus 5 Personen mit entsprechendem Nutzungsprofil. Im Winter konnte der Bedarf direkt gedeckt werden. Im Sommer erfolgte eine Pufferung über ein Pufferspeichervolumen von 1000 l.
Ebenso erlaubt der Wärmeentstehungsprozess einer WW-WP auch die Entfeuchtung der Raumluft über den Wärmeentzug. Dies kann besonders bei feuchten Kellern in Altbauten eine sinnvolle Variante sein.

Praxisbeispiel für Entfeuchtung
In einem Altbau bestanden hohe Feuchtelasten in einem Gewölbekeller aus Sandstein durch Feuchteeintrag aus dem Untergrund. Der Feuchteeintrag war also natürlichen Ursprungs und resultierte nicht aus einem Baumangel oder Feuchteeintrag z.B. aus einem undichten bzw. defekten Sandfang. Das ist wichtig zu unterscheiden: denn Technik ist nicht da, um anderweitige Mängel zu kompensieren. Es muss immer erst geprüft werden, woher die Feuchtelasten kommen und wie groß ihr Ausmaß ist. Entstammt die Feuchtelast einem natürlichem Grunde und ist gleichsam überschaubar, so kann oft die Entfeuchtung mit einer Kleinst-WP zielführend sein. Die Feuchte wird kontrolliert gesammelt und abgeführt und die Wärme zielorientiert und systemisch ins Gebäude eingebracht. In diesem vorliegenden Praxisfall wurde nicht nur die Warmwasserbereitung für das darüber liegende Wohnhaus unterstützt, sondern auch ein Konvektionsheizkörper im Gewölbekeller als Sommerheizung installiert.

Abluft-Kompakt-WP
Eine Abluft-Kompakt-WP nutzt ebenso die Abluft als Wärmequelle. Neben der Warmwasserbereitung (mit integriertem Warmwasserspeicher) stellt diese Bauart von Wärmepumpen auch Heizungswasser für die Wärmeübertragung an den Raum (für geringe Heizlasten) zur Verfügung. Die Nenn-Wärmeleistung dieser Wärmepumpe ist, wie aus den oben dargestellten Gründen begrenzt und eignet sich maximal für ein Niedrigenergie- oder Passivhaus mit einem Niedrigtemperaturheizsystem und einer maximalen Vorlauftemperatur von 35°C. Auch der Massen-Volumenstrom für die wassergeführte Wärmeübertragung ist analog zum Abluft-Volumenstrom zu betrachten. Eine Flächentemperierung oder thermische Bauteilaktivierung ist in diesem Fall die optimale Lösung.
Beachtet man diese Fakten nicht, wird sich dies in der Praxis durch eine geringe Effizienz, schlechter Jahres-Arbeitszahl und „unerwartet“ hohem Stromverbrauch rächen. Die Naturgesetze sind eben nicht zu überlisten. Die Nenn-Wärmeleistung zur Wärmeübertragung an den Raum beträgt realistisch kaum mehr als 2,5 bis maximal 3 kW. Der integrierte Elektroheizstab
sichert das System als monoenergetische Betriebsweise ab.

Hohe Effizienz
Die Nutzung von Wärme aus der Abluft ist nicht nur innerhalb der Raumlufttechnik mittels Luft-Luft-Wärmeübertragern, sondern eben auch mit Luft-Wasser-WP effizient möglich. Dementsprechend ergibt sich daraus ein Potenzial systemischer Integration innerhalb des Gebäudes, nicht zuletzt, da z.B. Feuchtelasten und Warmwasserbedarf oft einhergehen.

Autor: Frank Hartmann