Zu-/Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung: Funktionsprinzip, Vor- und Nachteile im Überblick

Die Zufuhr von Frischluft in der kalten Jahreszeit macht deren Erwärmung erforderlich, um ein richtiges Raumklima zu gewährleisten. Zur Minimierung des Stromverbrauchs kann eine Zu-/Abluftanlage mit Wärmerückgewinnung eingesetzt werden.

Das Verständnis ihrer Funktionsprinzipien ermöglicht es, Wärmeverluste so effizient wie möglich zu reduzieren und dabei ein ausreichendes Luftwechselvolumen zu erhalten. Lassen Sie uns versuchen, diese Frage zu klären.

Energieeinsparung in Lüftungsanlagen

Im Herbst-Frühling-Zeitraum stellt bei der Raumlüftung der große Temperaturunterschied zwischen der zugeführten und der Innenluft ein ernstes Problem dar. Der kalte Luftstrom strömt nach unten und erzeugt ein ungünstiges Raumklima in Wohnhäusern, Büros und in der Produktion oder einen unzulässigen vertikalen Temperaturgradienten im Lager.

Eine verbreitete Lösung des Problems ist die Integration eines Heizregisters in die Zuluftlüftung, mit dem der Luftstrom erwärmt wird. Ein solches System benötigt elektrische Energie, während die erhebliche Menge an austretender warmer Luft zu beträchtlichen Wärmeverlusten führt.

Der Austritt von Luft mit starkem Dampf nach außen dient als Indikator für erhebliche Wärmeverluste, die zur Erwärmung des Zuluftstroms genutzt werden könnten.

Wenn die Kanäle für Zu- und Abluft nebeneinander angeordnet sind, kann die Wärme des Abluftstroms teilweise auf den Zuluftstrom übertragen werden. Dies ermöglicht eine Reduzierung des Stromverbrauchs des Lufterhitzers oder einen vollständigen Verzicht darauf. Eine Vorrichtung zur Sicherstellung des Wärmeaustauschs zwischen Gasströmen unterschiedlicher Temperatur wird als Wärmetauscher (Rekuperator) bezeichnet.

In der warmen Jahreszeit, wenn die Außenlufttemperatur deutlich über der Raumtemperatur liegt, kann der Wärmetauscher zur Kühlung des Zuluftstroms genutzt werden.

Aufbau des Blocks mit Wärmetauscher

Die innere Konstruktion von Zu- und Abluftsystemen mit integriertem Rekuperator ist relativ einfach, daher ist der separate Kauf und die Installation der Komponenten möglich. Falls die Zusammenstellung oder der eigenständige Einbau Schwierigkeiten bereitet, können vorgefertigte Lösungen in Form von typischen Monoblock- oder individuellen maßgefertigten Konstruktionen erworben werden.

Die typische Darstellung einer Zu- und Abluftlüftungsanlage mit einem im gemeinsamen Gehäuse untergebrachten Wärmerückgewinnungsgerät kann nach Ermessen des Benutzers durch weitere Komponenten ergänzt werden.

Hauptelemente und ihre Parameter

Das Gehäuse mit Wärme- und Schalldämmung besteht in der Regel aus Stahlblech. Bei einer Wandmontage muss es dem Druck standhalten, der beim Ausschäumen der Spalten um das Gerät entsteht, und außerdem Vibrationen durch den Betrieb der Ventilatoren verhindern.

Bei verteilter Luftentnahme und -zufuhr in verschiedenen Räumen wird an das Gehäuse ein Luftkanalsystem angeschlossen. Dieses wird mit Klappen und Drosselklappen zur Verteilung der Luftströme ausgestattet.

Ohne Luftkanäle wird an der Zuluftöffnung auf der Raumseite ein Gitter oder Diffusor zur Luftstromverteilung angebracht. An der Zuluftöffnung auf der Außenseite wird ein Außenluftansauggitter montiert, um das Eindringen von Vögeln, großen Insekten und Schmutz in das Lüftungssystem zu verhindern.

Die Luftbewegung wird durch zwei Ventilatoren vom Axial- oder Radialtyp gewährleistet. Bei Vorhandensein eines Wärmerückgewinnungsgeräts ist eine ausreichende natürliche Zirkulation aufgrund des von dieser Komponente erzeugten aerodynamischen Widerstands nicht möglich.

Das Vorhandensein eines Wärmerückgewinnungsgeräts erfordert die Installation von Feinfiltern am Eingang beider Luftströme. Dies ist notwendig, um die Verstopfung der feinen Kanäle des Wärmetauschers durch Staub und Fettablagerungen zu verringern. Andernfalls müsste die Häufigkeit der Wartungsarbeiten erhöht werden, um die einwandfreie Funktion des Systems zu gewährleisten.

Feinfilter müssen regelmäßig ausgetauscht oder gereinigt werden. Andernfalls führt der erhöhte Strömungswiderstand zu einem Ausfall der Ventilatoren.

Ein oder mehrere Wärmerückgewinnungsgeräte nehmen den Hauptteil des Zu- und Abluftgeräts ein. Sie werden in der Mitte der Konstruktion montiert.

Bei für das Gebiet typischen strengen Frösten und unzureichendem Wirkungsgrad des Wärmerückgewinnungsgeräts zur Erwärmung der Außenluft kann zusätzlich ein Lufterhitzer installiert werden. Bei Bedarf werden auch ein Befeuchter, Ionisator und andere Geräte zur Schaffung eines angenehmen Raumklimas montiert.

Moderne Modelle sind mit einer elektronischen Steuereinheit ausgestattet. Komplexe Ausführungen verfügen über Funktionen zur Programmierung der Betriebsmodi in Abhängigkeit von den physikalischen Parametern der Luftumgebung. Die Außenpaneele haben ein ansprechendes Aussehen und können daher gut in jede Innenraumgestaltung integriert werden.

Lösung des Problems der Kondensatbildung

Die Kühlung der aus dem Raum eintretenden Luft begünstigt die Abgabe von Feuchtigkeit und die Bildung von Kondensat. Bei hoher Strömungsgeschwindigkeit sammelt sich ein Großteil davon nicht im Rekuperator und gelangt nach außen. Bei langsamer Luftbewegung verbleibt ein erheblicher Teil des Wassers im Gerät. Daher muss die Sammlung von Feuchtigkeit und deren Abführung aus dem Gehäuse des Zu- und Abluftsystems gewährleistet werden.

Eine einfache Vorrichtung zum Sammeln und Ableiten von Kondensat ist eine Wanne, die unter dem Rekuperator mit Gefälle zur Ablauföffnung angebracht ist.

Die Feuchtigkeit wird in einen geschlossenen Behälter abgeleitet. Dieser wird nur im Innenraum aufgestellt, um ein Einfrieren der Ablaufkanäle bei Minustemperaturen zu vermeiden. Es gibt keinen zuverlässigen Algorithmus zur Berechnung der Wassermenge bei Systemen mit Rekuperator, daher wird sie empirisch ermittelt.

Die Wiederverwendung von Kondensat zur Luftbefeuchtung ist nicht empfehlenswert, da das Wasser viele Schadstoffe wie menschlichen Schweiß, Gerüche usw. aufnimmt.

Das Kondensatvolumen kann erheblich reduziert und die damit verbundenen Probleme vermieden werden, indem ein separates Abluftsystem für Bad und Küche eingerichtet wird. Gerade in diesen Räumen hat die Luft die höchste Luftfeuchtigkeit. Bei mehreren Abluftsystemen muss der Luftaustausch zwischen dem technischen und dem Wohnbereich durch den Einbau von Rückschlagklappen begrenzt werden.

Wenn der abströmende Luftstrom im Rekuperator auf Minustemperaturen abkühlt, geht das Kondensat in Eis über, was den freien Strömungsquerschnitt verringert und folglich zu einer Volumenreduzierung oder einem vollständigen Stillstand der Belüftung führt.

Für das gelegentliche oder einmalige Abtauen des Rekuperators wird ein Bypass installiert – ein Umgehungskanal für die Zuluftbewegung. Wenn der Strom am Gerät vorbeigeführt wird, wird die Wärmeübertragung unterbrochen, der Wärmetauscher erwärmt sich und das Eis geht in den flüssigen Zustand über. Das Wasser fließt in den Kondensatbehälter oder verdunstet nach außen.

Das Prinzip des Bypasses ist einfach, daher ist es bei Vereisungsrisiko sinnvoll, eine solche Lösung vorzusehen, da das Auftauen des Rekuperators auf andere Weise schwierig und zeitaufwändig ist.

Bei Durchströmen des Bypasses erfolgt keine Erwärmung der Zuluft durch den Wärmetauscher. Deshalb muss bei Aktivierung dieses Modus die automatische Einschaltung des Heizgeräts erfolgen.

Besonderheiten verschiedener Wärmetauschertypen

Es gibt mehrere konstruktiv unterschiedliche Varianten der Wärmeübertragung zwischen kalten und warmen Luftströmen. Jede von ihnen hat ihre eigenen charakteristischen Merkmale, die den Hauptzweck für jeden Wärmetauschertyp bestimmen.

Plattenkreuzstromwärmetauscher

Die Konstruktion des Platten-Wärmetauschers basiert auf dünnwandigen Platten, die abwechselnd so verbunden sind, dass zwischen ihnen im 90-Grad-Winkel Ströme unterschiedlicher Temperatur durchgeleitet werden können. Eine Modifikation dieses Modells ist ein Gerät mit Rippenkanälen für den Luftdurchtritt. Es hat einen höheren Wärmeübergangskoeffizienten.

Die abwechselnde Durchleitung von warmem und kaltem Luftstrom durch die Platten wird durch Umkanten der Plattenränder und Abdichtung der Verbindungen mit Polyesterharz realisiert.

Die Wärmetauscherpaneele können aus verschiedenen Materialien hergestellt sein:

• Kupfer, Messing und Legierungen auf Aluminiumbasis haben eine gute Wärmeleitfähigkeit und sind nicht korrosionsanfällig;
• Kunststoff aus polymerem hydrophobem Material mit hohem Wärmeleitkoeffizienten hat ein geringes Gewicht;
• Hygroskopische Zellulose ermöglicht es dem Kondensat, durch die Platte zu dringen und zurück in den Raum zu gelangen.

Ein Nachteil ist die Möglichkeit der Kondensatbildung bei niedrigen Temperaturen. Aufgrund des geringen Abstands zwischen den Platten erhöhen Feuchtigkeit oder Eis den Strömungswiderstand erheblich. Bei Vereisung muss der eintretende Luftstrom unterbrochen werden, um die Platten aufzutauen.

Die Vorteile von Platten-Wärmetauschern sind folgende:

• niedrige Kosten;
• Lange Lebensdauer;
• lange Intervalle zwischen den Wartungen und einfache Durchführung;
• geringe Abmessungen und geringes Gewicht.

Dieser Wärmetauschertyp ist am häufigsten in Wohn- und Büroräumen anzutreffen. Er wird auch in einigen technologischen Prozessen eingesetzt, beispielsweise zur Optimierung der Brennstoffverbrennung beim Betrieb von Öfen.

Trommel- oder Rotortyp

Das Funktionsprinzip des Rotationswärmetauschers basiert auf der Rotation des Wärmetauschers, in dem sich Schichten aus gewelltem Metall mit hoher Wärmekapazität befinden. Durch die Wechselwirkung mit dem Abluftstrom wird ein Sektor der Trommel erwärmt, der anschließend die Wärme an die Zuluft abgibt.

Der feinmaschige Wärmetauscher des Rotationswärmetauschers neigt zur Verschmutzung, daher muss auf die einwandfreie Funktion der Feinfilter besonders geachtet werden.

Die Vorteile von Rotationswärmetauschern sind:

• ein relativ hoher Wirkungsgrad im Vergleich zu konkurrierenden Typen;
• Rückführung einer großen Menge Feuchtigkeit, die als Kondensat auf der Trommel verbleibt und bei Kontakt mit der eintretenden trockenen Luft verdunstet.

Dieser Wärmetauschertyp wird seltener für Wohngebäude bei Wohnungs- oder Einfamilienhauslüftung eingesetzt. Oft wird er in großen Heizungsanlagen zur Wärmerückführung zu den Öfen oder für große Räume industrieller oder gewerblicher Nutzung verwendet.

Allerdings hat dieser Gerätetyp erhebliche Nachteile:

• eine relativ komplexe Konstruktion mit beweglichen Teilen, die einen Elektromotor, eine Trommel und einen Riemenantrieb umfasst, was eine ständige Wartung erfordert;
• erhöhter Geräuschpegel.

Manchmal findet man für Geräte dieser Art den Begriff “regenerativer Wärmetauscher”, was korrekter ist als “Rekuperator”. Das liegt daran, dass ein geringer Teil der Abluft aufgrund einer unzureichenden Abdichtung der Trommel am Gehäuse zurückströmt.

Dies schränkt die Einsatzmöglichkeiten solcher Geräte weiter ein. Beispielsweise darf als Wärmeträger keine verunreinigte Luft von Heizöfen verwendet werden.

Rohrbündelwärmetauscher

Ein Rohrrekuperator besteht aus einem System dünnwandiger Rohre mit kleinem Durchmesser, die in einem isolierten Gehäuse angeordnet sind und durch die die Außenluft zugeführt wird. Durch den Mantel wird die warme Raumluft abgeführt, die den eintretenden Luftstrom erwärmt.

Die Abführung der warmen Luft muss über den Mantel erfolgen, nicht über das Rohrsystem, da Kondensat aus diesen nicht entfernt werden kann

Die Hauptvorteile von Rohrrekuperatoren sind:

• ein hoher Wirkungsgrad durch das Gegenstromprinzip von Wärmeträger und eintretender Luft;
• die einfache Konstruktion und das Fehlen beweglicher Teile sorgen für eine geringe Lautstärke und seltenen Wartungsbedarf;
• Lange Lebensdauer;
• der geringste Querschnitt unter allen Rekuperationsgerätetypen.

Für Rohre dieser Bauart werden entweder Leichtmetall oder seltener Polymere verwendet. Diese Materialien sind nicht hygroskopisch, daher kann bei einem großen Temperaturunterschied zwischen den Strömungen eine intensive Kondensatbildung im Mantel auftreten, was eine konstruktive Lösung zur Ableitung erfordert. Ein weiterer Nachteil ist das hohe Gewicht der metallischen Komponente trotz der geringen Abmessungen.

Die einfache Konstruktion des Rohrrekuperators macht diesen Gerätetyp für den Eigenbau beliebt. Als Außenmantel werden üblicherweise Kunststoffrohre für Luftkanäle verwendet, die mit einer Polyurethanschaumschale isoliert sind.

Anlage mit Zwischenwärmeträger

Manchmal befinden sich der Zuluft- und der Abluftkanal in einiger Entfernung voneinander. Eine solche Situation kann aufgrund der technologischen Eigenschaften des Gebäudes oder der hygie-nischen Anforderungen an eine zuverlässige Trennung der Luftströme auftreten.

In diesem Fall wird ein Wärmeträgermedium verwendet, das zwischen den Luftkanälen durch eine isolierte Rohrleitung zirkuliert. Als Medium zur Wärmeübertragung dient Wasser oder eine Wasser-Glykol-Lösung, deren Zirkulation durch den Betrieb einer Wärmepumpe sichergestellt wird.

Ein Wärmerückgewinnungsgerät mit Zwischenwärmeträger ist ein voluminöses und teures Gerät, dessen Einsatz wirtschaftlich für Räume mit großen Flächen gerechtfertigt ist.

Falls die Möglichkeit besteht, einen anderen Typ von Wärmerückgewinnungsgerät zu verwenden, ist es besser, das System mit Zwischenwärmeträger nicht einzusetzen, da es folgende wesentliche Nachteile aufweist:

• niedriger Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Gerätetypen, daher werden solche Geräte für kleine Räume mit geringem Luftdurchsatz nicht eingesetzt;
• erhebliches Volumen und Gewicht des gesamten Systems;
• Notwendigkeit einer zusätzlichen elektrischen Pumpe für die Flüssigkeitszirkulation;
• erhöhte Geräuschentwicklung durch die Pumpe.

Es gibt eine Modifikation dieses Systems, bei der anstelle der erzwungenen Zirkulation der Wärmetauscherflüssigkeit ein Medium mit niedrigem Siedepunkt, z. B. Freon, verwendet wird. In diesem Fall ist die Bewegung im Kreislauf auf natürliche Weise möglich, jedoch nur, wenn der Zuluftkanal über dem Abluftkanal angeordnet ist.

Ein solches System erfordert keine zusätzlichen Stromkosten, funktioniert aber nur bei einem erheblichen Temperaturunterschied zur Beheizung. Darüber hinaus ist eine genaue Einstellung des Punktes des Aggregatzustandswechsels der Wärmetauscherflüssigkeit erforderlich, die durch Erzeugen des erforderlichen Drucks oder einer bestimmten chemischen Zusammensetzung realisiert werden kann.

Wichtige technische Parameter

Kennt man die erforderliche Leistung des Lüftungssystems und den Wärmeübertragungswirkungsgrad des Wärmerückgewinnungsgeräts, lässt sich die Einsparung bei der Lufterwärmung für den Raum unter bestimmten Klimabedingungen leicht berechnen. Durch den Vergleich des potenziellen Nutzens mit den Anschaffungs- und Wartungskosten des Systems kann man fundiert eine Entscheidung für das Wärmerückgewinnungsgerät oder eine standardmäßige Heizregister treffen.

Häufig bieten die Gerätehersteller eine Modellreihe an, in der sich Lüftungsblöcke mit ähnlicher Funktionalität im Luftwechselvolumen unterscheiden. Für Wohnräume muss dieser Parameter gemäß Tabelle 9.1 der SP 54.13330.2016 berechnet werden.

Wirkungsgrad

Unter dem Wirkungsgrad des Wärmerückgewinnungsgeräts versteht man die Wärmeübertragungseffizienz, die nach folgender Formel berechnet wird:

K = (T_p – T_n) / (T_v – T_n)

Dabei bedeutet:

• T_p – Temperatur der in den Raum eintretenden Luft;
• T_n – Außentemperatur;
• T_i – Raumlufttemperatur.

Der maximale Wirkungsgrad bei der standardmäßigen Luftströmungsgeschwindigkeit und einem bestimmten Temperaturbereich wird in der technischen Dokumentation des Geräts angegeben. Der tatsächliche Wert liegt etwas darunter.

Bei der Eigenherstellung eines Platten- oder Röhrenwärmetauschers müssen folgende Regeln beachtet werden, um die maximale Wärmeübertragungseffizienz zu erreichen:

• Den besten Wärmeaustausch bieten Gegenstromgeräte, dann Kreuzstromgeräte, und den geringsten die mit gleichgerichteter Strömung beider Luftströme.
• Die Intensität des Wärmeaustauschs hängt vom Material und der Dicke der Wände, die die Ströme trennen, sowie von der Verweildauer der Luft im Gerät ab.

Mit Kenntnis des Wirkungsgrads des Wärmetauschers kann seine Energieeffizienz bei verschiedenen Außen- und Innentemperaturen berechnet werden:

E (W) = 0,36 x P x K x (T_v – T_n)

wobei P (m³/h) – der Luftdurchsatz ist.

Die Berechnung der Effizienz des Wärmetauschers in Geldäquivalent und der Vergleich mit den Kosten für dessen Anschaffung und Montage für ein zweistöckiges Einfamilienhaus mit einer Gesamtfläche von 270 m2 zeigt die Zweckmäßigkeit der Installation eines solchen Systems.

Die Kosten für Wärmetauscher mit hohem Wirkungsgrad sind recht hoch, sie haben eine komplexe Konstruktion und beträchtliche Abmessungen. Manchmal kann man diese Probleme umgehen, indem man mehrere einfachere Geräte so installiert, dass die eintretende Luft nacheinander durch sie hindurchströmt.

Leistung der Lüftungsanlage

Das durchgelassene Luftvolumen wird durch den statischen Druck bestimmt, der von der Leistung des Ventilators und der Hauptkomponenten, die den Strömungswiderstand erzeugen, abhängt. In der Regel ist eine genaue Berechnung aufgrund der Komplexität des mathematischen Modells nicht möglich, daher werden für typische Monoblockkonstruktionen experimentelle Untersuchungen durchgeführt, und für individuelle Geräte erfolgt die Auswahl der Komponenten.

Die Ventilatorleistung ist unter Berücksichtigung der Durchlasskapazität der installierten Wärmetauscher jeden Typs zu wählen, die in der technischen Dokumentation als empfohlene Strömungsgeschwindigkeit oder als vom Gerät pro Zeiteinheit durchgelassenes Luftvolumen angegeben ist. In der Regel überschreitet die zulässige Luftgeschwindigkeit im Gerät nicht 2 m/s.

Andernfalls kommt es bei hohen Geschwindigkeiten in den engen Elementen des Wärmetauschers zu einem starken Anstieg des Strömungswiderstands. Dies führt zu unnötigem Stromverbrauch, ineffizienter Erwärmung der Außenluft und einer verkürzten Lebensdauer der Ventilatoren.

Das Diagramm des Druckverlusts in Abhängigkeit von der Luftströmungsgeschwindigkeit für mehrere Modelle von Hochleistungs-Wärmerückgewinnungsgeräten zeigt ein nichtlineares Ansteigen des Widerstands. Daher müssen die Anforderungen an das empfohlene Luftwechselvolumen eingehalten werden, die in der technischen Dokumentation des Geräts angegeben sind.

Eine Änderung der Luftströmungsrichtung erzeugt einen zusätzlichen aerodynamischen Widerstand. Daher sollte bei der Modellierung der Luftkanalgeometrie im Innenraum die Anzahl der 90-Grad-Rohrkrümmungen minimiert werden. Auch Luftdiffusoren erhöhen den Widerstand, daher sollten Elemente mit komplexen Mustern möglichst nicht verwendet werden.

Verschmutzte Filter und Gitter behindern die Luftströmung erheblich. Daher müssen sie regelmäßig gereinigt oder ausgetauscht werden. Eine effektive Methode zur Beurteilung der Verschmutzung ist die Installation von Sensoren, die den Druckabfall vor und nach dem Filter messen.

Fazit und nützliche Videos zum Thema

Funktionsprinzip eines Rotations- und Plattenwärmetauschers:

Messung des Wirkungsgrads eines Plattenwärmetauschers:

Haushalts- und Industrielüftungssysteme mit integriertem Wärmerückgewinnungsgerät haben ihre Energieeffizienz bei der Wärmeerhaltung in Innenräumen unter Beweis gestellt. Derzeit gibt es zahlreiche Angebote für den Kauf und die Installation solcher Geräte, sowohl als fertige und erprobte Modelle als auch auf individuelle Bestellung. Die Berechnung der erforderlichen Parameter und die Montage können selbst durchgeführt werden.

Wenn beim Lesen der Informationen Fragen auftauchen oder Sie Ungenauigkeiten in unserem Material finden, hinterlassen Sie bitte Ihre Kommentare im unten stehenden Block.