Wärmerückgewinnung in Lüftungsanlagen: Funktionsprinzip und Ausführungsvarianten

Beim Lüften wird aus dem Raum nicht nur die verbrauchte Luft, sondern auch ein Teil der Wärmeenergie abgeführt. Im Winter führt dies zu höheren Energierechnungen.

Die Wärmerückgewinnung in zentralen und lokalen Lüftungssystemen ermöglicht es, ungerechtfertigte Kosten ohne Beeinträchtigung des Luftaustauschs zu senken. Zur Rückgewinnung der Wärmeenergie werden verschiedene Arten von Wärmetauschern – sogenannte Wärmerückgewinner – eingesetzt.

Im Artikel werden die Modelle der Geräte, ihre konstruktiven Besonderheiten, Funktionsprinzipien, Vor- und Nachteile ausführlich beschrieben. Die bereitgestellten Informationen helfen bei der Auswahl der optimalen Variante für die Einrichtung einer Lüftungsanlage.

Das Konzept der Wärmerückgewinnung: Funktionsprinzip des Wärmetauschers

Aus dem Lateinischen übersetzt bedeutet Rekuperation Erstattung oder Rückgewinnung. In Bezug auf Wärmeaustauschreaktionen wird die Rekuperation als teilweise Rückführung der für eine technologische Maßnahme aufgewendeten Energie zur Wiederverwendung im selben Prozess definiert.

In der Lüftungsanlage wird das Prinzip der Wärmerückgewinnung genutzt, um Wärmeenergie zu sparen.

Analog dazu erfolgt die Kälterückgewinnung bei heißem Wetter – warme Zuluftmassen erwärmen die abzuführende 'Abluft' und ihre Temperatur sinkt.

Der Energierückgewinnungsprozess erfolgt in einem Wärmerückgewinnungs-Wärmetauscher. Das Gerät verfügt über ein Wärmetauscherelement und Ventilatoren zum Fördern der gegenläufigen Luftströme. Zur Steuerung des Prozesses und zur Überwachung der Luftqualität wird ein Automatisierungssystem eingesetzt.

Die Konstruktion ist so ausgelegt, dass die Zu- und Abluftströme in getrennten Kammern bleiben und sich nicht vermischen – die Wärmerückgewinnung erfolgt über die Wände des Wärmetauschers.

Um zu verstehen, was eine Lüftung mit Wärmerückgewinnung ist, hilft eine anschauliche Darstellung der Luftzirkulation.

Durch die Abluftöffnungen in Feuchträumen (Toilette, Bad, Küche) strömt die verbrauchte Luft ab. Bevor sie nach draußen gelangt, durchströmt sie den Wärmerückgewinnungsgerät und gibt einen Teil der Wärme ab. Die zugeführte Luft bewegt sich in entgegengesetzter Richtung, wird erwärmt und gelangt in die Wohnräume (+).

Zweckmäßigkeit eines Wärmerückgewinners in der Lüftung

Über die Zweckmäßigkeit der Installation einer Lüftung mit Wärmerückgewinnung kann man sprechen, nachdem man die Effizienz des Systems bewertet und seine Vor- und Nachteile abgewogen hat.

Der abgeführten Abluft wird ein Teil der Wärme entzogen und den zugeführten frischen Luftströmen, die in den Raum geleitet werden, zugeführt. Dadurch können die Wärmeverluste um bis zu 70 % gesenkt werden (+).

Die Notwendigkeit der Wärmerückgewinnung ist in Gebäuden mit Zwangsablüftung am größten. In der Regel handelt es sich um leichte Gebäude, die mit innovativen Wärmedämmtechnologien errichtet wurden (Häuser aus Sandwichpaneelen, Gassilikatplatten, Porenbetonsteinen).

Bei solchen Gebäuden speichern die Wände Wärme schlecht, und der natürliche Luftaustausch ist wenig effektiv.

Allerdings sind Probleme mit der Luftzirkulation auch für «traditionelle» Gebäude aus Ziegel und Beton typisch. Das Vorhandensein von dichten, wärme- und schalldämmenden PVC-Fenstern blockiert die natürliche Zirkulation – die Frischluftzufuhr stoppt und der Zug im Lüftungskanal kehrt sich um oder geht gegen Null.

Die Lösung des Problems der „Eurofenster“ – die Organisation einer Zwangsbelüftung. Das System stellt den Luftaustausch wieder her, aber die Wärmeverluste steigen auf bis zu 60%. Und hier kommt man ohne Wärmerückgewinnung nicht aus.

Die Effizienz des Austauschprozesses wird in Prozent ausgedrückt und zeigt die Menge der von der Abluft aufgebrachten Wärme zur Erwärmung der frischen Zuluft.

Kennwert des Wirkungsgrads der Lüftungswärmerückgewinnung:

• 0% – offenes Fenster – warme Luft wird an die Atmosphäre abgegeben, kalte Luft dringt ein und senkt die Raumtemperatur;
• 100% – die Zuluft wird auf die Temperatur der Abluft erwärmt – technisch nicht realisierbar;
• 30-90% – zulässiger Parameter, eine Rekuperation mit einer Effizienz von 60% und mehr gilt als gut, ein Wirkungsgrad über 80% – hervorragender Wärmeaustausch.

Die Effizienz des Systems hängt vom Typ des Rekuperators, der Raumgröße und dem Luftdurchsatz ab. In jedem Fall ist der Einsatz einer Rekuperationslüftung selbst mit einem Wirkungsgrad von 30% vorteilhafter als deren Fehlen. Neben erheblichen Energieeinsparungen verbessert die „Regeneration“ der Wärme das allgemeine Raumklima.

Nachteile der Verwendung eines Wärmetauschers:

1. Stromabhängigkeit. Der Kauf von Klimageräten ist gerechtfertigt, wenn der Stromverbrauch deutlich geringer ist als die Einsparungen nach der Installation des Rekuperators.
2. Kondensatbildung. Aufgrund des Temperaturunterschieds kann an den Wänden des Wärmetauschers Feuchtigkeit kondensieren. Im Winter besteht die Gefahr von Vereisung, was zu einem raschen Abfall des Wirkungsgrads oder zum Ausfall des Rekuperators führen kann.
3. Laute Arbeitsweise. Einige Modelle erzeugen während des Betriebs ein Brummen. Wenn dieser Nachteil tagsüber nicht besonders spürbar ist, verursacht der Lärm nachts Unbehagen. Rekuperatoren mit verbesserter Isolierung arbeiten leise.

Hohe Anfangsinvestitionen sind oft das Hauptargument gegen eine energieeffiziente Lüftung.

Es ist sinnvoll, in das System zu investieren, das sich innerhalb von 5-8 Jahren amortisiert. Man muss bedenken, dass für die Wartung der Anlage zusätzliche Kosten anfallen, z. B. der regelmäßige Austausch von Ventilatoren.

Eigenschaften verschiedener Wärmetauschertypen

Die Konstruktion des Rekuperators bestimmt das Strömungsschema des Wärmeträgers, die Effizienz des Lüftungssystems, die Energieeffizienzklasse und die Kosten der Anlage. Es werden fünf Wärmetauschervarianten eingesetzt: Plattenwärmetauscher, Rotationswärmetauscher, Wärmerohre, Kammergeräte und Modelle mit Zwischenwärmeträger.

Plattenwärmetauscher – Einfachheit der Konstruktion

Die Basis des Wärmetauschers ist eine abgedichtete Kammer mit vielen parallelen Luftkanälen. Die Kanäle sind durch Trennwände – wärmeleitende Platten aus Stahl oder Aluminium – getrennt.

Wellenförmige Platten (60–70 Stück) sind in einem Block so gruppiert, dass die gebildeten Kanäle kreuzweise zueinander angeordnet sind – die erzeugte Turbulenz verbessert den Wärmeaustausch (+)

Die Gasströme bewegen sich aufeinander zu, kreuzen sich in der Rekuperatorkassette, vermischen sich jedoch nicht. Der Wärmeaustausch erfolgt durch gleichzeitiges Kühlen und Erwärmen der Platten von verschiedenen Seiten.

Vorteile des Kreuzwärmetauschers:

• einfache Montage und Einrichtung der Anlage;
• Vermeidung des Kontakts der Luftmassen;
• erschwingliche Kosten und kompakte Abmessungen;
• Fehlen von reibenden und beweglichen Teilen.

Der Wirkungsgrad variiert im Bereich von 40–70%.

Der Hauptnachteil des Plattenmodells ist die Kondensatablagerung im Abluftkanal und die Eisbildung im Winter. Zum Auftauen des Geräts wird der einströmende Luftstrom am Wärmetauscher vorbeigeleitet, während der warme Abluftstrom das Eis auf den Platten schmilzt.

Im „Abtau-Modus“ findet keine Energieeinsparung statt; zur Erwärmung der einströmenden Luft werden Heizregister mit einer Leistung von bis zu 5 kW eingesetzt. Der durchschnittliche Wirkungsgrad sinkt um 20 % (+)

Es gibt zwei Lösungswege:

1. Vorwärmung des einströmenden Luftstroms auf eine Temperatur, bei der Eisbildung ausgeschlossen ist.
2. Rekuperator mit Platten aus hygroskopischer Zellulose. Das Material nimmt Feuchtigkeit aus der Abluft auf und gibt sie an die neu einströmenden Luftströme ab.

Bei der Wahl eines Kreuzwärmetauschers sind die Betriebseigenschaften der Platten zu berücksichtigen.

Ihre Eigenschaften hängen vom Herstellungsmaterial ab:

1. Aluminiumfolie – erschwingliche Kosten, aber begrenzte Leistung im Winter. Außerdem wird sie aufgrund der Lufttrocknung nicht für Wohnräume empfohlen. Versionen mit Aluminium-„Füllung“ – optimale Wahl für Bäder und Schwimmbäder.
2. Kunststofftrennwände – preislich ähnlich wie Metallprodukte, zeichnen sich jedoch durch eine verbesserte Effizienz aus.
3. Zellulose-Wärmetauscher – verhindert Vereisung und erhält eine normale Luftfeuchtigkeit im Raum.

Der hygroskopische Zellulose-Rekuperator ist am wirtschaftlichsten und optimal für die Belüftung von Wohngebäuden.

Rotationswärmetauscher – hohe Systemeffizienz

Der Wärmetauscher ist als ein Zylinder aufgebaut, der mit Schichten aus gewelltem Metall gefüllt ist. Während der Drehung der Trommelanlage strömen abwechselnd warme oder kalte Luftströme in jede Kammer.

Aufbau des Rotationswärmetauschers: Drehwelle und zwei Luftkanäle. Ein Bereich des Rotors wird durch die Abluft erwärmt, die Trommel dreht sich und die Wärme wird zu den kalten Luftmassen im benachbarten Kanal geleitet (+)

Der Wirkungsgrad des Wärmeaustauschs wird durch die Drehzahl des Rotors bestimmt, die Effizienz lässt sich regulieren.

Argumente für den Rotationswärmetauscher:

• Wärmerückgewinnung von bis zu 65–90 %;
• Wirtschaftlichkeit des Stromverbrauchs;
• Teilweise Feuchtigkeitsrückgewinnung – auf einen Befeuchter kann verzichtet werden;
• Amortisationszeit – bis zu 4 Jahre.

Trotz seiner hohen Effizienz hat sich der Trommelwärmetauscher nicht zum Spitzenreiter unter vergleichbaren Anlagen entwickelt.

Nachteile des Lüftungssystems:

1. Vermischung von verunreinigter Luft mit der Zuluft. In den Mikrokanälen zirkulieren abwechselnd Abluft- und Zuluftmassen, sodass etwa 3–8 % der Abluft zurückgeführt werden. Die Trommel überträgt häufig Gerüche der Abluft.
2. Komplexität der Konstruktion. Die rotierenden Teile des Rotors benötigen regelmäßige Wartung und gelegentlichen Austausch. Die beweglichen Elemente verursachen während des Betriebs Lärm und Vibrationen.
3. Hohe Kosten. Der Preis für Rotationsmodelle ist höher als für Plattenwärmetauscher. Dies ist auf die Verwendung komplexer Mechanik in der Konstruktion des Trommelwärmetauschers zurückzuführen.
4. Große Abmessungen. Die Montage erfolgt in einer geräumigen Lüftungskammer.

Aufgrund ihrer Sperrigkeit werden Rotationsanlagen hauptsächlich in Industriebetrieben eingesetzt.

Um die Vermischung der Luftströme zu minimieren, werden Rotationswärmetauscher mit Zwischensektoren ergänzt – hier werden die Mikrokanäle mit Frischluft durchspült, die anschließend in die Abluft zurückgeführt wird. Nachteil dieser Anordnung: verminderter Wirkungsgrad (+)

Gekoppelte Wärmetauscher – Glykolmodell

Eine Rückgewinnungsanlage mit einem Zwischenwärmeträger wird aufgrund ihrer konstruktiven Merkmale oft als gekoppelter Wärmetauscher oder Glykolaggregat bezeichnet. Es handelt sich um eines der flexibelsten Systeme zur Wärmerückgewinnung. Ein Wärmetauscher wird in den Zuluftkanal eingebaut, der zweite in die Abluft.

Im Anschlussschema sind enthalten: Umwälzpumpe, Ausdehnungsgefäß, Luftklappe, Regler, Temperatursensor, Sicherheitsventil, Druckindikator (+)

Arbeitsprinzip. Die Glykollösung zirkuliert zwischen den Wärmetauschern. Die Temperatur des Wärmeträgers steigt durch den erwärmten Abluftstrom, und dann wird die Wärmeenergie an die Frischluft übertragen. Das geschlossene System verhindert die Vermischung der entgegenströmenden Luftmassen.

Besonderheiten der Arbeit von Wärmetauschern mit Wärmeträger:

• Wirkungsgrad – 45-55%;
• Effizienzregelung mit der Pumpe – die Geschwindigkeit des Frostschutzmittels wird gewählt;
• Möglichkeit der entfernten Platzierung von Zu- und Abluftkanälen (bis zu 800 m);
• Die Montage des Rekuperators erfolgt vertikal oder horizontal;
• Bei starkem Frost gefriert die Oberfläche des Abluftwärmetauschers – es bildet sich Eis; die Verwendung von Frostschutzmittel ermöglicht den Betrieb des Rekuperators, ohne auf Abtauung zurückgreifen zu müssen;
• Amortisationszeit der Anlage – bis zu 2 Jahren;
• Eine Kombination von 1 Abluft und mehreren Zuluften oder umgekehrt ist zulässig.

Das Volumen der abgeführten und der zugeführten Luft sollte annähernd gleich sein. Solche Rekuperatoren werden normalerweise verwendet, wenn die Zuluft toxisch oder stark verschmutzt ist, wenn eine Vermischung der Ströme nicht zulässig ist.

Kammeraggregat – universelle Anwendung

Konstruktiv ist der Kammerwärmetauscher eine geschlossene Box, die innen durch eine bewegliche Klappe geteilt ist. Die bewegliche Trennwand bestimmt die Arbeitsweise des Rekuperators.

Der Abluftstrom verläuft entlang eines Kanals, während der Zuluftstrom in die zweite Kammer eintritt. Im Wärmetauscher erwärmen die warmen Massen die Wände des ersten Abschnitts. Nach einer Weile bewegt sich die Klappe und der Luftstrom ändert die Richtung.

Infolgedessen bewegt sich der Zuluftstrom entlang der warmen Wände des ersten Luftkanals, während die "Abluft" die Oberfläche der zweiten Kammer erwärmt. Zu einem bestimmten Zeitpunkt kehrt die Trennwand zurück und der Zyklus wiederholt sich.

Vorteile des Kammerwärmetauschers:

• Wirkungsgrad – 80-90%;
• In Kombination mit einer hochwertigen Wärmedämmung werden die Heizkosten auf ein Minimum reduziert;
• Einfache Montage – die Hilfe von Fachleuten wird bei der Auswahl der Parameter der Lüftungsanlage benötigt;
• Erhaltung des Feuchtigkeitsniveaus;
• Vereisung der Anlage ist ausgeschlossen.

Der Kammerrekuperator ist eine ausgezeichnete Option für Regionen, in denen über einen längeren Zeitraum im Jahr ein erhebliches Ungleichgewicht zwischen Innen- und Außentemperatur besteht.

Zu den Nachteilen des Wärmerückgewinnungsmoduls gehören:

• Notwendigkeit regelmäßiger Wartung der beweglichen Teile;
• Entgegenströmende Luftströme vermischen sich teilweise – Gerüche und Verunreinigungen könnten zurück ins Gebäude gelangen.

Zur Reduzierung der Beimischung wird das System mit einem Filterelement ausgestattet. Die Luft wird sauberer, aber die Effizienz des Wärmerückgewinners sinkt.

Wärmerohre – geschlossenes Wärmeübertragungssystem

Der Rekuperator besteht aus vielen Kupfer- oder Aluminiumrohren, die mit einem leicht verdampfenden Stoff, z.B. Freon, gefüllt sind. Das Funktionsprinzip des Rohrwärmetauschers basiert auf physikalischen Prozessen – der Zustandsänderung des Stoffes beim Erhitzen.

Das Wärmerohr wird vertikal positioniert – das untere Ende des Wärmetauschers befindet sich im Abluftkanal, das obere im Zuluftkanal. Die Abluftströme umströmen das Ende des Rohres – das Kältemittel erhitzt sich, siedet und verdampft (+)

Das Gas steigt auf und gibt die Wärmeenergie an die Zuluft ab, woraufhin das Kältemittel kondensiert und im Rekuperator nach unten fließt. Der thermische Kreislauf wiederholt sich im Kreis.

Technische und betriebliche Eigenschaften des Rohrwärmetauschers:

• Effizienz des Geräts – bis zu 65%;
• Geräuscharmer Betrieb dank fehlender beweglicher Teile;
• Einfachheit der Konstruktion und Wartungsfreundlichkeit;
• Kompaktheit – geringe Abmessungen und geringes Gewicht;
• Energieunabhängigkeit – der Wärmeträger zirkuliert auf natürlichem Wege;

Ein gewichtiger Vorteil besteht darin, dass die Luftströme von Zuluft und Abluft nicht vermischt werden.

Schwachstellen der Wärmerohre:

• Hoher Wirkungsgrad wird in einem engen Temperaturbereich erreicht – bei starker Überhitzung verdampft das gesamte Kältemittel, und bei unzureichender Erwärmung verlangsamt sich die Dampfbildung;
• Geringe Festigkeit der Rohre – Formänderung oder Druckverlust verringert die Funktionsfähigkeit der Anlage.

Rohrrekuperatoren werden im privaten Bauwesen, in Verwaltungs- und Bürogebäuden sowie in kleinen Industrieanlagen eingesetzt.

Methoden zur Organisation der Lüftung mit Wärmerückgewinnung

Die Rekuperation wird auf eine der folgenden Arten eingerichtet: zentral und dezentral. Im ersten Fall durchlaufen die Lüftungsströme des gesamten Raums den Wärmetauscher, im zweiten Fall die eines einzelnen Raums.

Zentrales System – Zu- und Abluftanlage

Das zentrale System wird in der Bauphase oder bei einer grundlegenden Modernisierung des Lüftungssystems eingerichtet.

Es wird eine Zwangsbelüftungsanlage (Zu- und Abluftanlage) mit integriertem Rekuperator ausgewählt. Das Hauptauswahlkriterium ist die Gesamtleistung der Anlage basierend auf dem gesamten Luftvolumen im Gebäude (+)

Die Zu- und Abluftanlage mit Rekuperator gewährleistet einen ausreichenden Luftaustausch auch in Häusern mit dichten Fenstern. Dabei werden die Luftströme gleichmäßig verteilt, ohne Zugluft zu verursachen.

Komplexe Zu- und Abluftanlagen in Monoblockbauweise sind ausgestattet mit:

• Ventilatoren – rund um die Uhr Zufuhr von Frischluft und Abfuhr von mit Kohlendioxid gesättigten Luftströmen;
• Lufterhitzer – Vorheizung der Zuluft;
• Filter – halten Staub und Mikropartikel zurück;
• Rekuperator – verschiedene Anlagentypen können eingesetzt werden.

Der Funktionsumfang einiger Zu- und Abluftanlagen wird durch einen Einschalttimer, einen Leistungsregler, Feuchtigkeitssensoren usw. erweitert.

Das Gehäuse der Monoblock-Modelle ist mit schalldämmendem Material ausgekleidet, wodurch der Betrieb der Lüftungsgeräte sehr leise wird. Es sind vertikale, horizontale und hängende Ausführungen der Lüftungsgeräte möglich.

Bewährt haben sich Monoblock-Wärmerückgewinnungslüftungsgeräte von: Wents (Ukraine), Dantherm (Dänemark), Daikin (Japan), Dantex (England).

Lokale Geräte – Ergänzung zum bestehenden Lüftungssystem

Für die Wiederherstellung der Luftzirkulation in einem bestehenden Raum eignen sich dezentrale Lüftungsgeräte mit Wärmerückgewinnung.

Sie werden in die Gebäudefassade eingebaut oder durch das Fenster montiert. Ihre Hauptaufgabe – die Verbesserung der Zuluftlüftung im Haus.

In den lokalen Wärmerückgewinnungssystemen sind ein Ventilator und ein Plattenwärmeübertrager vorgesehen. Der «Ansaugschlauch» des Zuluftgeräts ist mit schalldämmendem Material isoliert. Die Steuerungseinheit der kompakten Lüftungsgeräte wird an der Innenwand angebracht.

Besonderheiten dezentraler Lüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung:

• Wirkungsgrad – 60-96%;
• Niedrige Leistung – die Geräte sind für den Luftaustausch in Räumen bis zu 20-35 m² ausgelegt;
• Erschwinglicher Preis und eine große Auswahl an Geräten, von einfachen Wandventilen bis hin zu automatisierten Modellen mit mehrstufigem Filtersystem und Feuchtigkeitsregelung;
• Einfache Montage – für die Inbetriebnahme ist keine Verlegung von Luftkanälen erforderlich, das Wandventil kann selbst installiert werden.

Bekannte Hersteller lokaler Wärmerückgewinnungsgeräte: Prana (Ukraine), O.Erre (Italien), Blizzard (Deutschland), Wents (Ukraine), Aerovital (Deutschland).

Wichtige Auswahlkriterien für ein Wand-Zuluftgerät: zulässige Wandstärke, Leistung, Wirkungsgrad des Wärmerückgewinners, Durchmesser des Luftkanals und Temperatur des zu fördernden Mediums.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Vergleich der Funktionsweise der natürlichen Lüftung und der Zwangslüftung mit Wärmerückgewinnung:

Funktionsprinzip eines zentralen Wärmerückgewinners, Berechnung des Wirkungsgrads:

Aufbau und Funktionsweise eines dezentralen Wärmetauschers am Beispiel des Wandventils Prana:

Über das Lüftungssystem gehen etwa 25-35 % der Wärme aus dem Raum verloren. Zur Reduzierung der Verluste und für eine effiziente Wärmerückgewinnung werden Wärmerückgewinnungsgeräte eingesetzt. Die Klimageräte ermöglichen es, die Energie der Abluft für die Erwärmung der Zuluft zu nutzen.

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