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12. Juli 2017 Autor: Dr.-Ing. Manfred Stahl
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Grundlagen: Wärmerückgewinnung in RLT-Anlagen

Der Beitrag wurde im Juli 2017 vom Verfasser überprüft, dabei auf den aktuellen Stand der Normung (neue DIN EN 13053, Ökodesign-Verordnung für RLT-Geräte) gebracht und um ein Kapitel "Verdunstungskühlung in zentralen RLT-Geräten" ergänzt.

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.

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.
 Abb. 1: Wärmerückgewinnung in einem Plattenwärmeübertrager. (Abb. Klingenburg) Abb. 1: Wärmerückgewinnung in einem Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager. (Abb. 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 (Abbildung 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 beschrieben. Diese wird nach folgender Gleichung berechnet:

\(\eta_t=\dfrac{t_1-t_{AUL}}{t_{ABL}-t_{AUL}}\) (Gleichung 1)
\(t_1\) \(\left[^\circ {C}\right]\) : Temperatur der vorerwärmten Außenluft nach der Wärmerückgewinnung
\(t_{AUL}\) \(\left[^\circ {C}\right]\)   Temperatur der Außenluft
\(t_{ABL}\) \(\left[^\circ {C}\right]\)   Temperatur der Abluft

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

Die Rückwärmezahl ηt 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 [°C] = ηt • (tABL - tAUL) + tAUL (Gleichung 2)

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

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

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

Q [W] = qv * ρ * cp • Δt (Gleichung 3)

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

Durch das Einsetzen der Werte in Gleichung 3 ergibt sich

Q [W] = 3 m³/s * 1,2 kg/m³ * 1.000 J/kgK * (23 – (-6)) K = 104.400

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 [W] = 3 m³/s * 1,2 kg/m³ * 1.000 J/kgK * (23 – 14,16) K = 31.824

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.
 

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