Betrieb von Rotationswärmeübertragern in der Pandemie sicher

• Die Problemstellung
• Die Durchführung der Untersuchungen
• Die Ergebnisse
• Schlussfolgerungen aus den Untersuchungsergebnissen
• Welche weiteren generellen Schlüsse können aus den Untersuchungsergebnissen gezogen werden?
• Die Ergebnisse der Untersuchungen werden im TGA-Report 8 wie folgt kommentiert

Übertragen Rotationswärmeübertrager Schadstoffe aus der Abluft in die Zuluft? Bereits seit weit vor der Corona-Pandemie wird in der LüKK darüber diskutiert, in welchem Umfang in RLT-Geräten über Rotationswärmeübertrager (Rotoren) Schadstoffe aus der Abluft (Stäube, Viren, Bakterien, Aerosole, Gase) zur Zuluft übertragen werden können und wie stark solche Übertragungen zur Verunreinigung der Zuluft beitragen können.

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Diese Themen haben Forscher im HLK-Labor der Hochschule Luzern (HSLU) im Auftrag des Fachverbands Gebäude-Klima (FGK) untersucht und die Prüfmodalitäten und Ergebnisse im Bericht „Measurements of Aerosol Transfer by Rotary Heat Exchangers” zusammengestellt. Der Beitrag (30 Seiten) steht in englischer Sprache mit einem deutschen Vorwort als TGA-Report 8 zur Verfügung (www.fgk.de). Das wichtigste Ergebnis der Forscher nach den umfangreichen Untersuchungen lautet: Bei fachgerechter Dimensionierung und korrektem Einbau kann durch den Betrieb von Kondensations- und Sorptionsrotoren eine Übertragung von Aerosolen aus der Abluft zur Zuluft nahezu ausgeschlossen werden. cci Wissensportal fasst nachfolgend Inhalte und Ergebnisse aus dem TGA-Report 8 zusammen.

Die Problemstellung

Wie Abbildung 1 zeigt, dreht sich beim Einsatz eines Rotationswärmeübertragers in einem RLT-Gerät die Speichermasse langsam um eine Mittelachse. Dadurch wird zum Beispiel im Winterbetrieb die Speichermasse von der warmen Abluft erwärmt. Diese Wärme wird dann nach der Drehung des Rotors an die angesaugte kühle Außenluft übertragen, die vorerwärmt wird.

Da durch diese Rotation die Speichermasse abwechselnd mit der Abluft und der Zuluft in Kontakt kommt, stellt sich die Frage, ob in dem Rotor außer der Wärme auch Aerosole und weitere Schadstoffe übertragen werden können und welche Parameter eine solche Übertragung verstärken oder verringern. Mögliche Wege für Übertragungen sind Leckagen, Mitrotation oder über das Material der Speichermasse.

Grundsätzlich können ungewünschte Überströmungen von der Abluft zur Zuluft bei Rotoren in einem ersten Schritt durch eine geeignete Anordnung der Ventilatoren minimiert werden. Wenn, wie in Abbildung 2 dargestellt, im RLT-Gerät auf der Zuluftseite der Ventilator drückend vor dem Rotor und auf der Abluftseite der Ventilator saugend hinter dem Rotor positioniert wird, ergibt sich ein Druckgefälle zur Abluft hin. Daraus folgt eine Luftströmung von der Zuluft- zur Abluftseite hin, durch die Übertragungen von Schadstoffen aus der Abluft zur Zuluft stark verringert werden.

In Ergänzung dazu kann durch den Einsatz einer Spülzone im Rotor die Übertragung von Schadstoffen aus der Abluft zur Zuluft nochmals verringert werden (siehe Abbildung 1). Die Spülzone verhindert, dass Abluft, die sich noch in der Rotormatrix befindet, durch Mitrotation in die Zuluft gelangt. In der Spülzone wird ein Teil der Außenluft in die Fortluftseite umgeleitet und spült die in der Rotormatrix verbliebene Abluft aus. Es befindet sich dann also nur noch Außenluft im Rotor, bevor er sich in den Zuluftstrom dreht.

Die Durchführung der Untersuchungen

Um die Übertragung von belasteter Abluft zur Zuluft bei vielen unterschiedlichen Betriebsbedingungen auch quantitativ zu untersuchen und zu beurteilen, wurden auf dem Prüfstand des HLK-Labors der HSLU umfangreiche Messreihen durchgeführt. Dazu wurden zwei handelsübliche Rotoren verschiedener Hersteller sowohl für den Heiz- als auch für den Kühlfall und mit Feuchteübertragung eingesetzt. Für beide Rotoren wurden die Versuche jeweils mit und ohne Einsatz der Spülzone durchgeführt.

• Prüfobjekt eins ist ein Aluminium-Kondensationsrotor, der mit einer Drehzahl von etwa 9 bis 12 U/min betrieben wird. Der Luftvolumenstrom wurde auf rund 4.170 m³/h eingestellt, die Druckdifferenz auf 10 Pa.
• Prüfobjekt zwei ist ein Sorptionsrotor mit einer Zeolithbeschichtung zur bewussten, zusätzlichen Übertragung auch von Feuchte zwischen Abluft und Zuluft. Beim Betrieb des Sorptionsrotors wurde die Drehzahl zwischen 10 und 20 U/min variiert. Der Luftvolumenstrom betrug rund 2.250 m³/h, die Druckdifferenz 20 Pa.

Die Anströmgeschwindigkeit der Luft auf die Rotoren wurde für alle Messungen auf konstant 2 m/s eingestellt. Darüber hinaus wurden für die Prüfungen folgende Parameter variiert:

• Temperaturen: Außenluft = -3 °C bis 35 °C, Abluft = 20 bis 25 °C
• Feuchten: Außenluft = 50 bis 70 %, Abluft = 45 bis 50 %

Zur quantitativen Beurteilung der Übertragungen im Rotor wurden in den Messreihen jeweils zwei Kennwerte bestimmt:

• Das Abluftübertragungsverhältnis EATR (Exhaust Air Transfer Ratio) ist ein Maß für die Überströmung von Abluft zur Zuluft und somit auch zur Übertragung von Stoffen im Luftstrom. Die Erfassung des EATR erfolgte durch das Injizieren von Tracergas (SF6) in die Abluft vor dem Rotor.
• Das Aerosolübertragungsverhältnis ASTR (Aerosol Transfer Ratio) ist ein Maß für die entsprechende Aerosolübertragung von der Abluft zur Zuluft. Das für die Bestimmung des ASTR verwendete Aerosol besteht aus einer verdampften Wasser-Glykol-Lösung und ist mit von Menschen ausgeatmeten Aerosolen vergleichbar.

Die Ergebnisse

Im Bericht der HSLU werden die Ergebnisse für die EATR- und ASTR-Werte bei den vielen verschiedenen Prüfparametern jeweils dargestellt für

• den Kondensationsrotor mit/ohne Spülkammer
• den Sorptionsrotor mit/ohne Spülkammer.

Zusammenfassungen der Ergebnisse zeigen die Abbildungen 4 bis 6 sowie die Tabelle.

Schlussfolgerungen aus den Untersuchungsergebnissen

Sorptionsrotor (Abbildung 5 und Tabelle)
Die höchsten ASTR- und EATR-Werte bis etwa 5,6 % Übertragungsrate von der Abluft zur Zuluft ergaben sich beim Sorptionsrotor ohne Einsatz der Spülzone bei maximaler Drehzahl und niedriger Außentemperatur. Die Übertragungsraten verringerten sich aber bei Inbetriebnahme der Spülzone sehr stark um mehr als den Faktor 10 auf nur noch maximal etwa 0,4 %. In Abbildung 5 ist eine weitere Tendenz zu erkennen: Während das Abluftübertragungsverhältnis EATR nahezu unabhängig von der Temperatur ist, sinken die Aerosolübertragungswerte ASTR beim Betrieb ohne Spülkammer mit steigender Temperatur deutlich.

Kondensationsrotor (Abbildung 6 und Tabelle)
Abbildung 6 und die Tabelle zeigen, dass beim Kondensationsrotor sowohl die EATR- als auch die ASTR-Werte beim Betrieb ohne Spülzone mit Maxima im Bereich von 3 % jeweils deutlich unter denen des Sorptionsrotors liegen. Wird die Spülzone in Betrieb genommen, sinken auch beim Kondensationsrotor die Werte auf maximal 0,6 %. Auch hier ist in Abbildung 6 deutlich die Temperaturabhängigkeit des ASTR-Werts zu erkennen.

Welche weiteren generellen Schlüsse können aus den Untersuchungsergebnissen gezogen werden?

• Die Messungen zeigen sehr deutlich die enorme Bedeutung der Spülzone zur Verringerung jeglicher Übertragungen von der Abluft- zur Zuluftseite: Beim Betrieb der Spülzone in einem Rotor sinken die Übertragungsraten für EATR und ASTR in einen Bereich unter etwa 0,5 % und sind somit vernachlässigbar gering. Demgegenüber ergeben sich bei Rotoren ohne Spülzone Übertragungsraten bis etwa 3 % (Kondensationsrotor) beziehungsweise bis rund 5 % beim Sorptionsrotor. Daraus folgt: Durch den Betrieb der Spülzone wird eine Übertragung um etwa den Faktor 10 verringert.
• Mit steigender Drehzahl des Rotors erhöht sich besonders beim Betrieb ohne Spülkammer sowohl der ASTR- als auch der EATR-Wert. Um diesen Effekt zu verhindern (also um Übertragungen zu minimieren), müsste somit die Rotordrehzahl verringert werden – was aber dazu führen würde, dass nun die Effizienz der Wärmerückgewinnung stark zurückgeht. Bei Rotoren mit Spülzone ist der Einfluss der Drehzahl vernachlässigbar.

Die Ergebnisse der Untersuchungen werden im TGA-Report 8 wie folgt kommentiert:

Bei allen betrachteten Temperatur- und Feuchtebedingungen lagen die Werte für das Aerosolübertragungsverhältnis ASTR ohne Spülzone unter den Werten des Abluftübertragungsverhältnisses EATR. Bei den Messungen mit Spülzone und sonst gleichen Bedingungen waren sowohl die EATR- als auch die ASTR-Werte stets sehr gering (ASTR und EATR maximal 0,6 %). Zusammengefasst wird festgestellt, dass neben einer möglichen Aerosolübertragung durch Leckagen bei Rotationswärmeübertragern kein zusätzliches Risiko der Aerosolübertragung über weitere Transportmechanismen besteht. Das ASTR ist mit den bekannten EATR-Kennwerten ausreichend genau abschätzbar.
Damit ist nachgewiesen, dass bei der fachgerechten Anwendung von Rotationswärmeübertragern unter Berücksichtigung der EATR-Kennwerte ein sicherer Betrieb von Lüftungsanlagen ohne erhöhtes Risiko der Aerosolübertragung möglich ist.

Der Link zum FGK-Report ist hier (https://downloads.fgk.de/403_TGA_08_2022_Measurements_of_Aerosol_Transfer_V1_220407.pdf)

Die Zusammenfassung des FGK-Reports 8 für cci Wissensportal wurde von Dr. Manfred Stahl erstellt (Stand: Mai 2022)

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