Wärme effizienter zurückgewinnen - Passivhaus-Zertifikat für Wohnraumlüftungsgeräte sorgt für Wirkungsgrad-Transparenz
Passivhäuser (PH) erfreuen sich immer größeren Interesses bei Bauherren, Baufirmen und Architekten. Der starke Anstieg gebauter Passivhäuser ist natürlich eine Auswirkung auf die Energiekostenentwicklung aber auch politischer Rahmenbedingungen wie den Klimaschutzzielen der EU sowie der Bundesregierung. Wenn man so will, handelt es sich um den Baustandard der Zukunft. Fester Bestandteil darin ist die kontrollierte Wohnraumlüftung, für deren Effizienzbeurteilung nun der effektive Wärmebereitstellungswirkungsgrad ηeff definiert wurde. Der nachfolgende Beitrag zeigt, das dies ein sinnvolles Instrument zur Qualitätsbeurteilung der Gerätetechnik sein kann, da die bisherige Vorgehensweise besonders effiziente Geräte benachteiligte.
Das große Interesse am Passivhauskonzept ist begründet. Es benötigt, bei höherem Wohnkomfort, 90 % weniger Heizenergie als ein Altbau. Eine extreme Einsparrate, die bereits in mehreren wissenschaftlichen Untersuchungsreihen empirisch bestätigt wurde. Abgesehen vom Energiekostendruck ist die Entwicklung und der Ausbau von Passivhäusern einigen politischen Rahmenbedingungen zu verdanken.
Die aktuelle Gesetzgebung mit Zielrichtung energiesparender Bauweise nach EnEV 2009, die den Primärenergieverbrauch um weitere 30 % reduzieren soll, die Verpflichtung Erneuerbare Energien im Neubau einsetzen zu müssen (EEWärmeG) sowie der vom EU-Rat unterbreiteten Vorschläge, "dass alle neuen Gebäude, die Heizung oder Kühlung benötigen, nach Normen für Passivhäuser gebaut werden müssen," seien hier genannt.
Der Baustandard der Zukunft wird das Passivhaus sein - allein der Klimawandel und die Verknappung der fossilen Brennstoffe gebietet diesen energiesparenden Gebäudetyp bzw. dessen Weiterentwicklung.
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Effektiver Wärmebereitstellungsgrad bringt Transparenz
Durch die steigende Akzeptanz von Passivhäusern gewinnt auch die energetische Effizienz von Wärmerückgewinnungsgeräten als ein fester Bestandteil der technischen Ausrüstung dieses Gebäudekonzepts an Bedeutung. Für die Berechnung eines Passivhauses hat das Passivhaus Institut Dr. Feist in Darmstadt (PHI) ein Projektierungsprogramm entwickelt. Dort ist für die Effizienz eines Wärmerückgewinnungsgerätes der effektive Wärmebereitstellungsgrad ηeff definiert. Dieser Wirkungsgrad wird aus der Luftabkühlung auf der Abluftseite-Fortluftseite ermittelt, um den Einfluss der Wärmeaufnahme in realer Weise zu berücksichtigen (Bild 1).
Bild 1: Einflussfaktoren auf die Lufterwärmung im WRG-Gerät.
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Was bisher unberücksichtigt blieb:
1 Die Fortluft nimmt eine gewisse Wärmemenge aus dem Aufstellraum über den Fortluftstrom mit.
2 Die Wärme vom Aufstellraum erwärmt in gewisser Weise die Außenluft - diese Wärme 2 darf nicht der Wärmerückgewinnung 3 zugerechnet werden, d. h. in der Lufterwärmung (∆tZu = tZu - tAu ) steckt Wärme, die nicht ausschließlich den Wärmerückgewinnungseffekt (Wärmestrom 3) widerspiegelt.
Folglich ist der zuluftseitig ermittelte Wärmebereitstellungsgrad η ein um 3 bis 30 % nach oben verfälschter Wert:
mit HAb - Enthalpie der Abluft bei Außenluft-Feuchte
Der abluftseitig ermittelte effektive Wärmebereitstellungsgrad ηeff gibt dagegen den thermodynamisch exakten Wert zur Beurteilung der Wärmerückgewinnungseffizienz an:
Bemerkenswert ist hierbei, dass zur Vermeidung von Messwertverfälschungen die Messungen mit trockener Abluft (ohne Kondensation) vorgenommen werden, da sich die Kondensationswärme nicht aus den Abluft-Fortluft-Temperaturwerten ablesen lässt. Der reale effektive Wirkungsgrad mit feuchter Abluft liegt daher um etwa 1 bis 2 % höher. Hier fließt auch die Energie der Ventilatoren (Pel) als Wärmebeitrag in das Haus mit ein. Diese Energie Pel wird in Form von Motorenabwärme und Reibungswärme als nutzbringende Wärme dem Haus zugeführt.
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Schlechte Wärmedämmung "schönt" Wirkungsgrad
Die DIN- Norm EN 13141-7 "Leistungsprüfung von mechanischen Zuluft- und Ablufteinheiten für Lüftungsanlagen in Einfamilienhäusern" legt die Laborprüfverfahren sowie die Anforderungen an die Prüfung der aerodynamischen, thermischen und akustischen sowie der elektrischen Leistung fest. Sie fordert in Pkt. 7:
"Der Prüfbericht muss mindestens folgende Angaben enthalten:
- Temperaturverhältnis für Zuluft ohne Kondensation,
- Temperaturverhältnis für Abluft ohne Kondensation,
- Temperaturverhältnis für Zuluft mit Kondensation,
- Temperaturverhältnis für Abluft mit Kondensation."
Die Praxis zeigt aber, dass das "Temperaturverhältnis für Abluft" - es entspricht etwa ηeff - fast nie angegeben wird, bzw. nicht im Prüfbericht erscheint. Bild 2 zeigt, dass dieser Wert im Mittel ca. 20 % schlechter ausfällt als der zuluftseitige Wert (η). Der zuluftseitige Wert (η) ist für die qualitative Beschreibung des tatsächlichen Wirkungsgrades also nicht tauglich. Trotz alledem wird in fast allen WRG-Gerätebeschreibungen von Herstellern der höhere η-Wert verwendet.
So führt eine schlechte Gerätedämmung dazu, dass die kalte Außenluft (z.B. -3 °C) im Gerät durch Wärme aus dem Geräteaufstellraum (z. B. 21 °C) erwärmt wird. Damit wird der aus der zuluftseitigen Erwärmung resultierende Wärmebereitstellungsgrad in unzulässiger Weise erhöht. Dieser Sachverhalt wird u. a. durch den FIA-Forschungsbericht "Kennwerte für energieeffiziente Wärmerückgewinnungsgeräte" bestätigt. Darin heißt es:
"Schlecht gedämmte und undichte Geräte bekommen auf diesem Weg einen zu hohen Wärmebereitstellungsgrad zugewiesen. … Qualitativ hochwertige Geräte werden ungerechtfertigterweise in ihrer Effizienz unterschätzt. … Dies stellt eine drastische Wettbewerbsverzerrung dar und behindert die weitere Verbreitung hocheffizienter Geräte. Damit werden die Ziele der EnEV, nämlich eine Reduzierung des Primärenergie-Verbrauchs, konterkariert."
Auch die schweizerische "Energieetikette für Lüftungsgeräte" der HTA Luzern, die österreichischen Qualitätskriterien gemäß FH Kufstein, die niederösterreichischen Förderkriterien und das Passivhaus-Institut Darmstadt rücken von dem zuluftseitig ermittelten Wärmebereitstellungsgrad η ab und vertreten die Ansicht, dass der abluftseitig ermittelte effektive Wärmebereitstellungsgrad ηeff ein realistischer Wert ist.
Die gemäß PHI ermittelten effektiven Wärmebereitstellungsgrade der untersuchten Geräte können aus den PH-Zertifikaten oder von der Internetseite des Passivhausinstituts entnommen werden.
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Bild 2: Unterschiedliche Wärmebereitstellungsgrade bei Wärmerückgewinnungsgeräten: Messwerte bezogen auf η - zuluftseitig gemessene Lufterwärmung und ηeff - auf abluftseitig gemessene Luftabkühlung.
Bild 3: Geringe Unterschiede bei den gemessenen Wärmebereitstellungsgraden (η, ηeff) ergeben sich bei hochwertigen Geräten, auch aufgrund der besseren Wärmedämmung.
Bild 4: Effizienzklassen-Einteilung Übersicht passivhauszertifizierter WRG-Geräte > 130 m³/h - ohne Kleingeräte (Stand 30.03.2009).
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Energieeffizienzklassen für WRG-Geräte
Haustechnische Geräte werden zunehmend in Energieeffizienzklassen eingeteilt. Auch bei Wärmerückgewinnungsgeräten ist eine Klasseneinteilung sinnvoll. Beispielsweise die schweizer "Energieetikette für Lüftungsgeräte - Geräte mit Wärmerückgewinnung". In Bild 4 ist die schweizerische Klassifizierung eingetragen, bei der die Grenzlinie bezüglich des effektiven Wärmebereitstellungsgrades ηeff in einem gewissen Bereich konstant waagerecht verläuft. Allerdings sollte man in der Gesamtschau von Nutzen (ηeff) und Aufwand (spezifische elektrische Leistungsaufnahme pel) bedenken, dass man bei einer Verbesserung des Wirkungsgrades (höherer Nutzen) auch eine etwas höhere spezifische elektrische Leistungsaufnahme (höherer Aufwand) zulassen kann, sodass die Grenzlinie zwischen den dort dargestellten Effizienzklassen dann leicht ansteigt.
Bild 5: Verhältnis von Wirkungsgradanstieg und höherem Stromverbrauch bei gleichem (Primär-)Energieniveau.
So ergibt sich für den Anstieg der Grenzlinie, bei einem um ∆ηeff = 1 % verbesserten Wärmebereitstellungsgrad, entsprechend eine höhere elektrische Leistungsaufnahme ∆pel von 0,023 W/(m³/h) (Bild 5).
Der steilere Anstieg der Geraden in Bild 4 lässt sich daraus ableiten, dass höhere spezifische Stromverbräuche einen höheren Druckverlust - resultierend aus meist kleinen Geräteabmessungen und scharfen Kanten - als Ursache haben. Die gleichen Aspekte tragen dann aber auch dazu bei, dass die Geräuschemissionen höher sind. Dies sollte bei hocheffizienten Geräten vermieden werden. Diesem Sachverhalt trägt der steilere Geradenanstieg nach dem Knick Rechnung.
Die Auswirkungen des Gerätevolumens auf den Schalldruckpegel und den Stromverbrauch sind in Bild 6 dargestellt. Die Schalldruckpegel (in 1 m Abstand) von 6 Gerätetypen wurden jeweils unter gleichen Bedingungen, mit einem Luftvolumenstrom von 150 m³/h
und 100 Pa externer Pressung, ermittelt. Analog dazu führt die höhere Geschwindigkeit, insbesondere durch das kleinere Gerätevolumen, zu ansteigendem Druckverlust und Stromverbrauch (Bild 7).
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Bild 6: Abhängigkeit des Schalldruckpegels (1 m) vom Gerätevolumen.
Bild 7: Abhängigkeit der Leistungsaufnahme vom Gerätevolumen.
Fazit
Die Energieeffizienz bei Wärmerückgewinnungsgeräten
rückt mit ansteigenden Energiepreisen und den schärferen gesetzlichen Anforderungen in der EnEV 2009 bei Neubauten immer stärker in den Fokus. Eine Energieeffizienzklassen-Einteilung für Wärmerückgewinnungsgeräte ist daher ein sinnvolles Instrument, das energetische Nutzen-Aufwand-Verhältnis in einer Gesamtschau beurteilen zu können. Die Qualität eines Gerätes wird neben dem effektiven Wärmebereitstellungsgrad (ηeff) auch durch den Stromverbrauch und den Schalldruckpegel definiert. Beide Werte sinken bei großen Geräten, d. h. bei größerem Gerätevolumen.
Autor: Dipl.-Ing. Eberhard Paul, Paul Wärmerückgewinnung GmbH, Reinsdorf
Bilder: Paul Wärmerückgewinnung GmbH, Reinsdorf
www.passiv.de
www.paul-lueftung.net
