Grundlagen: Wärmerückgewinnung in zentralen RLT-Anlagen

• Wie funktioniert die Wärmerückgewinnung?
• Komponenten der Wärmerückgewinnung
• Wie wird die Leistungszahl einer Wärmerückgewinnung berechnet?
• Die Wärmerückgewinnung im Gebäudeenergiegesetz GEG (ehemals EnEV)
• Die Wärmerückgewinnung im EEWärmeG
• Beispielrechnung zur Wärmerückgewinnnug
• Die Wärmerückgewinnung in der Ökodesign-Verordnung
• Die Wärmerückgewinnung zur Verdunstungskühlung

Um in zentralen RLT- und Klimageräten die gewünschten Zuluftzustände zu erzeugen, muss die angesaugte Außenluft konditioniert werden. Zur Konditionierung gehören die Erwärmung, die Kühlung sowie die Be- und Entfeuchtung der Luft. Durch den Einsatz einer Wärmerückgewinnung kann der Bedarf an thermischer Energie, der zum Erwärmen oder Kühlen der Luft in einem Heizkessel (Heizwasser) oder einem Wasserkühlsatz (Kaltwasser) erzeugt werden muss, erheblich verringert werden. Somit ist die Wärmerückgewinnung eine der effizientesten, ökologischsten und auch wirtschaftlichsten Maßnahmen zum Energiesparen in RLT-Anlagen.

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Der Beitrag wurde für cci Wissensportal von Dr.-Ing. Manfred Stahl im Februar 2013 erstellt und im Mai 2021 überarbeitet und aktualisiert.

Wie funktioniert die Wärmerückgewinnung?

Bei der Wärmerückgewinnung in einem RLT-Gerät wird der Temperaturunterschied zwischen der angesaugten Außenluft und der aus dem Gebäude entnommenen Abluft genutzt.

Abbildung 1: Wärmerückgewinnung in einem Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager. (Quelle © Klingenburg)

Dazu ein Beispiel. Wenn im Winter die Außenluft eine Temperatur von 0 °C hat und die Abluft, die zum Beispiel aus Büros abgesaugt wird, eine Temperatur von 20 °C aufweist, ergibt sich ein Temperaturunterschied von 20 K, von dem so viel wie möglich genutzt werden soll. Dazu wird im RLT-Gerät ein Wärmerückgewinner eingesetzt, zum Beispiel ein Plattenwärmeübertrager (Abb. 1). Wie in der Abbildung dargestellt, gibt die 20 °C warme Abluft im Plattenwärmeübertrager Wärme an die 0 °C kalte Außenluft ab, die dadurch auf eine Temperatur von 16 °C erwärmt wird.

Die thermische Effizienz der Wärmerückgewinnung, also deren Güte beziehungsweise Qualität, wird durch die Rückwärmezahl η_t beschrieben. Diese wird nach folgender Gleichung berechnet:

t₁ = Temperatur der vorerwärmten Außenluft nach der Wärmerückgewinnung (°C)
t_AUL = Temperatur der Außenluft (°C)
t_ABL = Temperatur der Abluft (°C)

Setzt man die Werte aus dem Beispiel in Abbildung 1 in Gleichung 1 ein, ergibt für die Wärmerückgewinnung eine Rückwärmezahl von η_t = 0,8 = 80 %. Das ist ein guter Wert.

Die Rückwärmezahl η_t wird vom Hersteller der Wärmerückgewinnung angegeben. Meist ist es so, dass bei einer bekannten Rückwärmezahl für die jeweiligen Temperaturen ausgerechnet werden muss, welche Temperatur t₁ der Außenluft sich nach der Wärmerückgewinnung einstellen wird. Dann muss Gleichung 1 nach t1 aufgelöst werden und es ergibt sich

t₁ = η_t • (t_ABL – t_AUL) + t_AUL (Gleichung 2)

Dazu ein weiteres Beispiel. Die Rückwärmezahl η_t der WRG beträgt 0,72 (72 %), die Temperatur der Abluft t_ABL ist 22 °C und die Temperatur der Außenluft t_AUL ist -6 °C. Dann ergibt sich nach Gleichung 2 für die Temperatur t₁ nach der Wärmerückgewinnung:

t₁ = 0,72 • (22 – (-6)) + (-6) = 14,16 °C

Um den Nutzen der Wärmerückgewinnung zur Energieeinsparung zu verdeutlichen, wird das vorherige Beispiel weiter betrachtet. Dazu wird angenommen, dass die Lüftungsanlage einen Luftvolumenstrom von q_v = 10.800 m³/h = 3 m³/s fördert. Wenn die Außenluft t_AUL mit einer Temperatur von -6 °C auf eine Zulufttemperatur t_ZUL von 23 °C erwärmt werden soll, ist dazu folgende Wärmeleistung Q notwendig:

Q = q_v • ρ • c_p • Δt (Gleichung 3)

mit
q_v = Luftvolumenstrom (m³/s)
ρ = Dichte der Luft (etwa 1,2 kg/m³)
c_p = spezifische Wärmekapazität der Luft (etwa 1.000 J/kgK)
Δt = Temperaturdifferenz zwischen Zuluft und Außenluft (K)

Durch das Einsetzen der Werte in Gleichung 3 ergibt sich

Q = 3 m³/s • 1,2 kg/m³ • 1.000 J/kgK • (23 – (-6)) K = 104.400 W = 104,4 kW

Es wäre also eine Wärmeleistung von rund 104 kW zur Erwärmung der Außenluft nötig, wenn es im RLT-Gerät keine Wärmerückgewinnung gäbe. Nun wird aber, wie zuvor berechnet, durch die Wärmerückgewinnung die Außenluft von -6 °C bereits auf 14,16 °C vorerwärmt. Dadurch ergibt sich eine benötigte Rest-Wärmeleistung zur Zulufterwärmung von

Q = 3 m³/s • 1,2 kg/m³ • 1.000 J/kgK • (23 – 14,16) K = 31.824 W = 31,8 kW

Das heißt, dass die zur Lufterwärmung benötigte, zum Beispiel von einem Heizkessel zu erzeugende Heizleistung von rund 104 kW (ohne Wärmerückgewinnung) auf etwa 32 kW (mit Wärmerückgewinnung) verringert wird. Dies entspricht einer Minderung um fast 70 %, die einen erheblichen Beitrag zum Energiesparen und zur Verringerung von CO₂-Emissionen bedeutet.

Komponenten der Wärmerückgewinnung

Zur Wärmerückgewinnung in RLT-Geräten und -Anlagen gibt es mehrere Varianten und Geräte, die dazu eingesetzt werden. Die gängigsten Verfahren sind:

Plattenwärmeübertrager (Rekuperatoren, Abbildung 2) bestehen aus einem Plattenpaket, durch das die Außenluft und die Abluft in unterschiedlicher Richtung strömen. Dabei ist eine Vermischung der Abluft mit der Außenluft nicht möglich beziehungsweise minimal. Die Wärmeübertragung von dem wärmeren zum kälteren Luftstrom erfolgt durch die Platten.

Abbildung 2: Plattenwärmeübertrager (Quelle © Klingenburg)

Rotationswärmeübertrager (Rotoren, Regeneratoren, Abbildung 3) drehen sich langsam zwischen der Außenluft- und der Abluftzone im RLT-Gerät. In der Abluftzone wird die Rotormasse (Aluminium) erwärmt und gibt die aufgenommene Wärme nach einer Rotation an die kühle Außenluft ab. Bei Rotoren ist zu beachten, dass infolge der Rotation des Rads kleinere Abluftmengen auf die Zuluftseite übertragen werden können.

Abb. 3: Rotationswärmeübertrager (Quelle © Klingenburg)

Bei einem Kreislaufverbund-System (KVS, Abbildung 4) befindet sich je ein Wärmeübertrager in der Zuluft- und in der Abluftseite eines RLT-Geräts. Die beiden Wärmeübertrager sind durch wasserführende Rohre inklusive einer Pumpe miteinander verbunden. So nimmt zum Beispiel das Wasser im Abluft-Wärmeübertrager (in Abbildung 4 oben) Wärme auf und gibt diese bei der Durchströmung des Wärmeübertragers im Zuluftstrang (in Abbildung 4 unten) an die angesaugte kühle Außenluft ab. Bei Kreislaufverbundsystemen ist eine Übertragung von Abluft zur Zuluft physikalisch ausgeschlossen.

Abbildung 4: Kreislaufverbundsystem (Quelle © Howatherm)

Einige typische Merkmale der Wärmerückgewinnungssysteme sind in Tabelle 1 dargestellt (gemäß VDI 3803 Blatt 5):

Tabelle 1: Merkmale von Wärmerückgewinnungssystemen gemäß VDI 3803 Blatt 5 „Raumlufttechnik, Geräteanforderungen – Wärmerückgewinnungssysteme“

Wie wird die Leistungszahl einer Wärmerückgewinnung berechnet?

Neben den beschriebenen positiven Eigenschaften der Wärmerückgewinnung gibt es einen wichtigen Punkt zu beachten. Durch den Einsatz einer WRG erhöht sich auf der Abluft- und auf der Zuluftseite im RLT-Gerät der Druckverlust. Das bedeutet, dass die Ventilatoren mehr elektrische Leistung benötigen, um diese Druckverluste zu überwinden.

In der Norm DIN EN 13053 „Zentrale raumlufttechnische Geräte – Leistungskenndaten für Geräte, Komponenten und Baueinheiten“ (2020, Zusammenfassung: Artikelnummer cci87669) und in der Richtlinie VDI 3803 Blatt 5 „Raumlufttechnik, Geräteanforderungen – Wärmerückgewinnungssysteme“ (2013, Zusammenfassung: Artikelnummer cci22169) wird gleichlautend der gesamte Nutzen einer Wärmerückgewinnung – also der Gewinn an thermischer Leistung im Verhältnis zum Aufwand an elektrischer Leistung (Ventilatoren) – wie folgt in einer Kennzahl erfasst:

Kennzahl eins gilt für den Temperaturübertragungsgrad (η_t) und wird durch Gleichung 1 bestimmt.

t₁ = Temperatur der vorerwärmten Außenluft nach der Wärmerückgewinnung (°C)
t_AUL = Temperatur der Außenluft (°C)
t_ABL = Temperatur der Abluft (°C)

Kennzahl zwei gilt für den Druckverlust der WRG (Δp_WRG):

Δp_WRG = Δp_Zuluft + Δp_Abluft (Gleichung 4)

Somit ergibt sich der Gesamtdruckverlust der Wärmerückgewinnung aus der Summe der Druckverluste auf der Zuluft- und auf der Abluftseite des RLT-Geräts (jeweils in Pa).

Kennzahl drei betrachtet die zusätzliche elektrische Leistungsaufnahme (Pel) der Ventilatoreinheit, die durch die Druckverluste der WRG verursacht wird:

P_el =(q_v • Δp_WRG) : η_V + P_el,aux (Gleichung 5)

qv = Luftvolumenstrom (m³/s)
Δp_WRG = Gesamtdruckverlust der Wärmerückgewinnung (Pa)
η_V = Gesamtwirkungsgrad der Ventilators (etwa 0,6)
P_el,aux = möglicher Verbrauch an Hilfsenergien (zum Beispiel durch Pumpen bei KVS-Systemen oder den Antrieb eines Regenerators

Aus diesen Kennzahlen folgen zwei weitere Kennzahlen:

Die Leistungsziffer der WRG (ε)

ε = Q_WRG / P_el (Gleichung 6)

Dabei ist Q_WRG die thermische Leistung der Wärmerückgewinnung bei einem definierten Temperaturabstand zwischen der Außenluft (5 °C) und der Abluft (25 °C), also bei 20 K.

Die Energieeffizienz der WRG (η_e):

η_e = η_t • (1 − 1/ε) (Gleichung 7)

Somit ist die Energieeffizienz der Wärmerückgewinnung η_e nun die wichtigste Kennzahl zur Beurteilung der Gesamtqualität und energetischen Gesamteffizienz einer WRG. Entsprechend dem η_e-Wert gelten für die Wärmerückgewinnungsklassen H1 bis H5 folgende Anforderungen (gemäß DIN EN 13053):

Die Wärmerückgewinnung im Gebäudeenergiegesetz GEG (ehemals EnEV)

In RLT-Geräte, die aus Zuluft- und Abluftteilen bestehen, sollten aus energetischen Gründen Systeme der Wärmerückgewinnung (WRG) eingesetzt werden. Bereits seit 2009 forderte die Energieeinsparverordnung (EnEV), dass alle RLT-Geräte mit Luftvolumenströmen über 4.000 m³/h mit Wärmerückgewinnungen ausgestattet werden müssen. Dabei verwies die EnEV – und dieses Verfahren hat das GEG Ende 2020 unverändert übernommen – auf die frühere Ausgabe der DIN EN 13053 (2007). Darin werden die Mindestqualitätskriterien der Wärmerückgewinnung wie folgt beschrieben.

Tabelle 1 definiert für die mittelgute Klasse H3 Mindestrückwärmezahlen η_t der Wärmerückgewinnung in Abhängigkeit von Luftvolumenstromklassen q_v
– q_v = 2.000 bis 5.000 m³/h, 5.000 bis 10.000 m³/h, 10.000 bis 25.000 m³/h, über 25.000 m³/h
und von der jährlichen Laufzeit der RLT-Anlage
– Laufzeit = unter 2.000 h, 2.000 bis 4.000 h, 4.000 bis 6.000 h, über 6.000 h.
Die Werte in dieser Tabelle liegen zwischen Rückwärmezahlen von 0,40 (geringer Luftvolumenstrom und geringe Laufleistung) und 0,68 (hohe Luftvolumenströme und lange Laufleistung). Gleichzeitig werden auch maximale Druckverluste der WRG-Systeme von 150 bis 325 Pa vorgegeben.

Tabelle 2 definiert auf Basis der Angaben zur Wärmerückgewinnungsklasse H3 in Tabelle 1 Umrechnungsfaktoren für die besseren WRG-Klassen H1 und H2 und die schlechteren WRG-Klassen H4 und H5. So müssen zum Beispiel die Rückwärmezahlen der Klasse H3 um den Faktor 1,1 oder 1,15 multipliziert werden, um die bessere WRG-Klasse H2 oder H1 zu erreichen.

Obwohl der (frühere) Weißdruck der DIN EN 13053 mit dem zuvor beschriebenen neuen Verfahren zur Bestimmung der Effizienz einer Wärmerückgewinnung η_e bereits im Februar 2012 erschienen ist, hielt die Energieeinsparung EnEV und auch das GEG am bisherigen Tabellenverfahren fest.

Anmerkung
Wie im Kapitel „Die Wärmerückgewinnung in der Ökodesign-Verordnung“ gezeigt wird, sind die Anforderungen an die Qualität der Wärmerückgewinnung in der Verordnung deutlich höher als die in der EnEV/GEG. Daher sind die EnEV/GEG-Werte mittlerweile überholt und stellen nicht mehr den Stand der Technik dar.

Die Wärmerückgewinnung im EEWärmeG

Im Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG), das Ende 2020 auch in das GEG überführt wurde, wird die Wärmerückgewinnung in RLT-Anlagen, ebenso wie zum Beispiel die Fernwärme, die Kraft-Wärme-Kopplung und eine Bauausführung besser als das EnEV-Niveau, als „Ersatzmaßnahme“. Das bedeutet, dass die im WRG-System aus der Abluft rückgewonnene Wärme mit der in Solarkollektoren, Biofeuerungen und Wärmepumpen erzeugten Wärme gleichgestellt wird.

Beispielrechnung zur Wärmerückgewinnung

Für eine Beispielrechnung zur Erläuterung der vorherigen Berechnungen wird ein RLT-Gerät mit einem Zu- und Abluftvolumenstrom q_v von je 3 m³/s (= 10.800 m³/h), einem Ventilator-Gesamtwirkungsgrad η_V von 60 % und einer Betriebszeit von 14 Stunden pro Tag / 6 Tage pro Woche angenommen. Die Geräte werden mit Ventilatoren der besten Effizienzklasse P1 ausgestattet, die Luftgeschwindigkeit im RLT-Gerät beträgt 1,8 m/s. Zur Wärmerückgewinnung wird das Gerät mit einem Plattenwärmeübertrager, einem Rotationswärmeübertrager und einem Kreislaufverbundsystem ausgestattet, die alle eine identische Rückwärmezahl von 70 % aufweisen. Die Kenndaten der Systeme sind:

Fall 1: Plattenwärmeübertrager
Zum Erreichen einer Rückwärmezahl von 70 % werden in der Zuluft und in der Abluft je zwei Kreuzstrom-Wärmerückgewinner angeordnet. Diese vier Wärmerückgewinner haben einen Gesamtdruckverlust von Δp = 570 Pa.

Fall 2: Rotationswärmeübertrager
Es wird ein Rotationswärmeübertrager mit einer Rückwärmezahl von 70 % eingesetzt, der einen Gesamtdruckverlust Δp = 248 Pa aufweist. Zum Antrieb des Rotors wird eine elektrische Leistung von 100 W benötigt.

Fall 3: Kreislaufverbundsystem
Zur Realisierung eines Kreislaufverbundsystems (KVS) mit einer Rückwärmezahl von 70 % werden im Zuluft- und im Abluftstrang je zwei Wärmeübertrager mit einem Gesamtdruckverlust von Δp = 378 Pa eingesetzt. Die Pumpe hat eine elektrische Leistung von 600 W.

Da für alle drei Wärmerückgewinnungssysteme ein Temperaturübertragungsgrad von η_t = 0,7 vorgegeben ist, ergibt sich für die thermische Leistung der Wärmerückgewinnung für den in der Norm definierten Temperaturabstand zwischen Außenluft und Abluft von 20 K für alle drei Fälle ein identischer Wert von (siehe Gleichung 3)

Q_WRG = 3 m³/s • 1,2 kg/m³ • 1.006 J/kgK • 0,7 • 20 K = 50.700 W

Berechnet man aus den vorgegebenen Daten und mit den entsprechenden Gleichungen für die drei Wärmerückgewinnungssysteme die jeweiligen Leistungsziffern ε und die Energieeffizienzen η_e, ergeben sich folgende, in Tabelle 3 dargestellte Werte.

Somit wäre – zumindest auf den ersten Blick – der Rotor der Gewinner in diesem Wettstreit der Systeme. Nun müssen weiterführende Wirtschaftlichkeitsberechnungen zeigen, ob diese Rangliste so bestehen bleibt oder eine andere Reihenfolge bekommt.

Die Wärmerückgewinnung in der Ökodesign-Verordnung

Seit Einführung der Ökodesign-Verordnung 1253/2014 am 1. Januar 2016 und der zum 1. Januar 2018 in Kraft getretenen Verschärfung gelten für neue RLT-Geräte strenge Anforderungen an deren Effizienz. Sofern die Geräte vorgegebene Mindesteffizienzkriterien nicht erfüllen, dürfen sie in den EU-Staaten nicht in Verkehr gebracht werden, also nicht an Kunden ausgeliefert werden. Verantwortlich dafür, dass ein Gerät die Vorgaben der Verordnung einhält, ist der Gerätehersteller. Er muss die Konformität des Geräts mit der Verordnung in der Gerätedokumentation bestätigen.

Die Ökodesign-Verordnung unterscheidet in Abhängigkeit vom Luftvolumenstrom der Geräte folgende Fälle:
– Alle Geräte mit Nennluftleistungen unter 250 m³/h gelten als Wohnungslüftungsgeräte.
– Bei Geräten mit Luftleistungen zwischen 250 und 1.000 m³/h kann der Hersteller erklären, ob dieses Gerät zur Wohnungslüftung oder zur Nichtwohnungslüftung eingesetzt werden soll.
– Alle Geräte mit Luftleistungen über 1.000 m³/h sind Nichtwohnungslüftungsgeräte.

Die Effizienzanforderungen an RLT-Geräte im Nichtwohnbereich betreffen in der sogenannten Ökodesign-Standardkonfiguration zwei Komponenten: die verpflichtende Wärmerückgewinnung (WRG) und Luftfilter. Alle weiteren Komponenten, mit denen das Gerät möglicherweise ausgestattet wird (Lufterhitzer, Kühler, Befeuchter, Schalldämpfer, Klappen), werden beim Ökodesign-Nachweis nicht berücksichtigt.

Alle RLT-Geräte müssen mit einem System zur Wärmerückgewinnung ausgestattet werden. Dabei unterscheidet die Verordnung in Kreislaufverbundsysteme (KVS) und sonstige Systeme (Rotoren, Plattenwärmeübertrager). Die Mindestanforderungen an die WRG (trockene Rückwärmezahlen) sind seit dem 1.Januar 2018:

KVS-Systeme: η_t = 67 %
Rotoren, Plattenwärmeübertrager: η_t = 73 %

Die Wärmerückgewinnung zur Verdunstungskühlung

Auch bei Systemen zur indirekten Verdunstungskühlung spielt die Wärmerückgewinnung eine entscheidende Rolle. Das Ziel der Verdunstungskühlung, bei der Wasser zur Abkühlung der warmen Luft genutzt wird, besteht darin, die bislang zur Luftkühlung eingesetzten Wasserkühlsätze zu ersetzen oder zumindest deren Leistung deutlich zu verringern. Dadurch werden elektrische Energie und damit einhergehende CO2-Emissionen eingespart sowie Emissionen von Kältemitteln aus Leckagen in den Wasserkühlsätzen in die Umgebung verringert. Ein großer Vorteil der Verdunstungskühlung liegt auch in der Senkung der Betriebskosten zur Luftkühlung.

Bei der indirekten Verdunstungskühlung wird die aus einem Gebäude entnommene warme Abluft im Lüftungsgerät so intensiv wie möglich befeuchtet. Je trockner die Abluft dabei ist, umso mehr kann sie befeuchtet und gekühlt werden. Pro Gramm Wasser, um das die Abluft befeuchtet wird, sinkt ihre Temperatur um 2,5 K. Danach strömt die nun gekühlte Abluft im Lüftungsgerät durch die Wärmerückgewinnung und kann dort der warmen, ins Lüftungsgerät angesaugten Außenluft Wärme entziehen und sie dadurch kühlen. Dieses Prinzip zeigt die Abbildung 5:

Abbildung 6 zeigt eine andere Bauart der indirekten Verdunstungskühlung:

Ein ausführlicher Beitrag „Grundlagen: Verdunstungskühlsysteme in zentralen Lüftungsgeräten“ steht in cci Wissensportal unter der Artikelnummer cci47325.

Der Beitrag wurde von Dr. Manfred Stahl für cci Wissensportal im Mai 2021 geprüft, überarbeitet und aktualisiert.

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