Die Wärmerückgewinnung in klimatechnischen Prozessen ist ein bisher weitgehend unterschätztes und vernachlässigtes Thema. Dabei bestehen zahlreiche Möglichkeiten, Wärme aus klimatechnischen Prozessen zurückzugewinnen und nutzbar zu machen. Besonders gut geeignet ist dafür die Luft/Luft-Wärmerückgewinnung, weil sie vom Funktionsprinzip relativ einfach aufgebaut ist: Ein Raum wird unter Einsatz von Energie geheizt. Statt die warme Luft einfach ungenutzt mit der Fortluft abzuführen, wird diese über ein Kanalsystem zu einem Wärmeübertrager geleitet. Dort gibt sie über Platten oder einen Speicher ihre Wärme an die Außenluft ab. Gegebenenfalls wird diese noch nacherwärmt, bevor sie als Zuluft dem Raum zugeführt wird.
Wärmerückgewinnungsverfahren lassen sich in drei Gruppen einteilen:
- rekuperative Verfahren
- regenerative Verfahren
- Wärmepumpenverfahren
Bei den rekuperativen Verfahren kommen feststehende Wärmeübertragerflächen in Form von Platten oder Rohren zum Einsatz. Ein Stoffaustausch erfolgt dabei nicht. Als Konstruktionswerkstoff für Wärmeübertragerplatten kommen unterschiedliche Materialien wie Metalle, Glas oder Kunststoffe in Betracht. Die Wärmeleitfähigkeit des Materials spielt wegen geringer Wandstärken eine eher untergeordnete Rolle.
Regenerative Systeme arbeiten mit Speichermassen. Neben der Speicherung und Abgabe von Wärmeströmen kann auch eine Stoffübertragung (Feuchte) erfolgen. Hierbei kommen Systeme mit rotierender oder feststehender Speichermasse zum Einsatz. Ein Vorteil besteht darin, dass bei diesen Verfahren die latente Wärme einfacher genutzt werden kann.
Das Kreislaufverbundsystem und das Wärmerohr funktionieren nach beiden Verfahren, dem rekuperativen und dem regenerativen Prinzip. Die sensible Wärmeübertragung erfolgt über Austauschflächen. Zum Energietransport wird ein flüssiger/gasförmiger Medienstrom verwendet. Kreislaufverbundsysteme werden beispielsweise dort angewendet, wo Luftströme nicht oder nur mit nicht vertretbarem Aufwand zusammengeführt werden können.
Bei der Wärmerückgewinnung mit einer Wärmepumpe wird der Abluft Energie für die Verdampfung des Kältemittels entzogen und nach der Verdichtung über den Kondensator dem kalten Außenluftstrom wieder zugeführt. So kann Wärme auf ein höheres Temperaturniveau als das der Abwärme gehoben werden. Für den Antrieb des mechanischen Verdichters wird elektrische Energie eingesetzt, die dem Prozess als Wärmegewinn zugutekommt. Wärmepumpen haben den Vorteil, dass sie mit den anderen Verfahren kombinierbar sind und daher eine besonders hohe Effizienz aufweisen. Besonders interessant und effektiv sind Wärmepumpen immer dann, wenn sie als reversible Systeme zum Einsatz kommen. Das heißt, dass sie auch im Sommer zur Raumkühlung durch Kreislaufumkehr eingesetzt werden können.
Unterschiedliche Wirkungsgrade
In welchen Größenordnungen die Wärmerückgewinnung nutzbar gemacht werden kann, zeigt der Vergleich der Wirkungsgrade der unterschiedlichen Systeme. Aktuell wird für diesen Vergleich oft immer noch der Temperaturwirkungsgrad herangezogen. Dieser ist definiert als Quotient aus der Temperaturdifferenz zwischen Zu- und Außenluft, also der tatsächlich erzielten Erwärmung, und der Temperaturdifferenz zwischen Ab- und Außenluft, also der theoretisch maximal erreichbaren Abkühlung bei einem idealen (unendlich großen) Wärmeübertrager. Die Massenströme der Zu- und Abluft müssen bei dieser Betrachtung natürlich gleich groß sein. Für eine genauere Betrachtung ist der Enthalpiewirkungsgrad heranzuziehen, bei dem auch die in der Luft enthaltene Feuchte, also die latente Energie, berücksichtigt wird.
Um einen hohen Wirkungsgrad zu erzielen, ist die Führung der Luftströme innerhalb des Wärmeübertragers von Bedeutung. Es besteht die Möglichkeit, die Luftmassen im Gleichstrom, im Kreuzstrom oder im Gegenstrom aneinander vorbeizuleiten. Das Gegenstromverfahren ist die effizienteste Methode der Wärmeübertragung, allerdings ist sie von der Bauart her am kompliziertesten umzusetzen. Der Wirkungsgrad eines Wärmeübertragers im Gleichstromverfahren liegt bei 30 bis 40 %. Beim Kreuzstromverfahren liegt er in der Regel bei 55 bis 60 % und beim Gegenstromverfahren können 75 bis zu 90 % erzielt werden.
Grundsätzlich hängt der Grad des Wärmerückgewinns vom Verhältnis der Übertragungsfläche zum vorbeiströmenden Volumen und anderen Faktoren ab. Sehr effizient arbeiten Plattenwärmeübertrager im Kreuz-Gegen-Kreuzstromverfahren, wie sie vom Mülheimer Klimaanlagenhersteller Menerga verwendet werden. Sie erreichen Temperaturwirkungsgrade von über 80 %.
Noch höhere Wirkungsgrade lassen sich bei regenerativen Verfahren mit feststehenden Speichermassen erzielen: Im Gegensatz zu den Rotationswärmeübertragern, die Temperaturwirkungsgrade von bis zu 80 % aufweisen können, werden bei den statischen Regeneratoren wechselweise Außen- und Abluft über hochsensible Speichermassen gefördert. Die Speichermasse besitzt die Eigenschaft, Wärme aus dem Abluftvolumenstrom sehr schnell aufzunehmen und diese genauso schnell wieder abzugeben. Vor und hinter den Speicherpaketen ist je ein Klappensystem zur Steuerung der Luftströme angeordnet. Das innere Klappensystem wird elektromotorisch betrieben, während sich das äußere aufgrund der durch die Zu- und Abluftventilatoren hervorgerufenen Druckunterschiede im Gerät öffnet oder schließt. In bestimmten Zeitintervallen wird der Luftvolumenstrom durch das gerade beschriebene Klappensystem umgelenkt. Mit Geräten, die nach diesem Prinzip arbeiten, werden Temperaturwirkungsgrade von mehr als 90 % erreicht.
Welches Verfahren sich am besten eignet, hängt ganz entscheidend von den Randbedingungen ab. Zudem ist auch stets die Möglichkeit in Betracht zu ziehen, die Wärmerückgewinnung in klimatechnischen Prozessen in umgekehrter Richtung, also zur Kühlung oder Vorkühlung zu nutzen.
Verdunstungskühlung
Die klassische Methode, warme Außenluft auf ein nutzbares Zulufttemperaturniveau herunterzukühlen, ist der Einsatz einer mechanischen Kältemaschine. Das ist jedoch ein sehr energie- und kostenintensives Verfahren. Stattdessen können auch natürliche Verfahren wie die Verdunstungskühlung zum Einsatz kommen.
Der direkte Kontakt der Außenluft durch die Berieselung mit Wasser hat allerdings den Nachteil, dass diese als Zuluft nach der Temperaturabsenkung eine deutlich erhöhte Luftfeuchte aufweist. Da dies unter anderem aus Komfortgründen nicht zulässig ist, kommt hier die Wärmerückgewinnung ins Spiel. Statt der direkten Kühlung des Zuluftstroms wird die Abluft befeuchtet und die abgekühlte, feuchte Luft in den Wärmeübertrager geführt. Hier wird dann die warme Außenluft sensibel abgekühlt, ohne mit der Abluft in Berührung zu kommen. Bei diesem Verfahren sind also die Stoff- und die Wärmeübertragung voneinander getrennt.
Energetisch und physikalisch deutlich günstiger ist es, wenn Stoff- und Wärmeübertragung gleichzeitig im Wärmeübertrager stattfinden können. In den Abluft-/Fortluftweg wird dabei so viel Wasser eingesprüht, dass der Verdunstungsprozess auch innerhalb des Plattenwärmeübertragers erfolgt. Auf diese Weise sind Temperaturabsenkungen von mehr als 10 K möglich. Die Nutzung dieser natürlichen Kühlung bringt eine Energieeinsparung von bis zu 50 % gegenüber der ausschließlichen Verwendung einer mechanischen Kältemaschine. Voraussetzung hierfür ist, dass der Wärmeübertrager absolut luftdicht und korrosionsbeständig ist.
Da Metalle oft den aggressiven Stoffen in der Luft sowie dem Kontakt mit Wasser nicht dauerhaft standhalten und auch zusätzlich aufgetragene, aufwendige Beschichtungen nur zeitlich begrenzte Lösungen darstellen, werden zum Beispiel spezielle Kunststoffe für die Herstellung der Plattenwärmeübertrager eingesetzt. Der richtige Werkstoff hat zudem noch den positiven Effekt, dass das Wasser aufgrund seiner Oberflächenbeschaffenheit an ihm abperlt. Das verhindert Staub oder sonstige Ablagerungen auf den Oberflächen und gewährleistet eine hygienisch unbedenkliche Luftzufuhr.
Hybride Kaltwassersätze
Wärmerückgewinnung und Verdunstungskühlung sind wichtige Bausteine für eine neue Technik zur Kälteerzeugung: In hybriden Kaltwassersätzen auch Kompakt-Kaltwassersätze genannt werden freie Kühlung, Verdunstungskühlung und mechanische Kälteerzeugung platzsparend zusammengeführt. Ein Plattenwärmeübertrager, in dem auch Wasser versprüht werden kann, dient hier als integriertes Rückkühlwerk und macht Kondensatoren auf dem Dach oder an der Fassade überflüssig. Die große Übertragungsfläche des Plattenwärmeübertragers wird zur Abkühlung des Mediums Wasser genutzt, wodurch sehr hohe Leistungszahlen erreicht werden. Eine Anlage mit einer Kälteleistung von 100 kW benötigt deshalb für die Abfuhr der Wärme lediglich eine Luftmenge von etwa 6000 m3/h. Damit können Kompakt-Kaltwassersätze problemlos auch in Technikräumen im Gebäudeinnern installiert werden. Da die verschiedenen Arten der Kälteerzeugung aufeinander aufbauen bzw. sich ergänzen, wird hier energiesparend nur zu Spitzenlastzeiten auf die mechanische Kälteerzeugung zurückgegriffen, welche dann auch nur die Differenz zwischen der angeforderten und der von der Verdunstungskühlung bereitgestellten Kälteleistung erbringen muss.
Absorptionsgestützte Entfeuchtung
Eine Technik, bei der Wärmerückgewinnung mit integrierter Verdunstungskühlung ebenfalls zum Einsatz kommen kann, ist die thermisch angetriebene Klimatisierung. Hierfür ist Wärme im Niedertemperaturbereich erforderlich, die durch solarthermische Anlagen, Fernwärmenetze oder Abwärme zur Verfügung gestellt werden kann. Mit diesem Verfahren ist sowohl die Kühlung als auch die Entfeuchtung der Luft möglich. Das in der Außenluft enthaltene Wasser wird durch ein Speichermedium gebunden. Dabei wird die Außenluft durch einen Absorptionsprozess mit einer flüssigen, konzentrierten Lösung, beispielsweise einer flüssigen Salzlösung aus Lithiumchlorid, entfeuchtet. Aufgrund des direkten Kontaktes mit der Zuluft sollten hierfür nur solche Stoffe verwendet werden, die nicht toxisch und nicht leicht flüchtig sind. In einem separaten Prozess kann die gesättigte Lösung dann mit Hilfe externer Wärmequellen regeneriert werden. Die Wärmerückgewinnung kommt hierbei insofern zum Zuge, als dass die frei werdende Sorptionswärme durch die nachgeschaltete adiabate Verdunstungskühlung auf die erforderliche Zulufttemperatur gekühlt wird. Darüber hinaus wird die beim Sorptionsprozess frei werdende Wärme über Flüssig/Flüssig-Wärmeübertrager mit zur Regeneration genutzt.
Wärmerückgewinnung in Schwimmhallen
Das Anwendungsgebiet, in dem sich die durch Wärmerückgewinnung möglichen Einsparungen am deutlichsten zeigen, ist die Klimatisierung von Schwimmhallen. Hierbei handelt es sich um die Gebäude mit der höchsten Energiedichte überhaupt. Insbesondere moderne Spaßbäder haben sehr hohe Anforderungen in Bezug auf die ganzjährige Entfeuchtung, Kühlung und Erwärmung der Luft. Große Glaskuppeln haben mittlerweile den Bedarf nach Kühlung im Sommer mit sich gebracht und jede Wasserbewegung, jedes Freisetzen von Wasserdampf durch die Attraktionen bedeutet eine hohe Belastung für die Luft und damit auch für die Behaglichkeit der Nutzer.
Alle Schwimmhallen müssen sowohl im Bade- als auch im Ruhebetrieb durchgehend 24 Stunden am Tag klimatisiert werden. Auch heute noch gibt es Anlagen, die im einfachen Außenluft-/Fortluft-Betrieb Energie sprichwörtlich nach draußen blasen. Dabei kann hier mit einem einfachen Kreuzstrom-Rekuperator bereits etwa 25 % der zum Heizen der Schwimmhalle benötigten Energie eingespart werden. Wird dieser Wärmeübertrager in seiner Geometrie speziell auf die Anforderungen für den Schwimmbadbetrieb zugeschnitten, lassen sich Einsparungen bis zu 40 % erreichen. Setzt man in Ergänzung dazu noch eine Wärmepumpe mit einer guten Leistungszahl von z.B. 6,5 ein, so lässt sich der Energiebedarf insgesamt um mehr als 70 % verringern.
Fazit
Die Wärmerückgewinnung bietet also ein enormes Potenzial, vorhandene überschüssige Wärmeenergie für klimatechnische Prozesse zu nutzen. Wie entscheidend die Wärmerückgewinnung ist, wird an den hohen Einspareffekten und der damit verbundenen Reduzierung der Energiekosten deutlich. Durch den Einsatz eines einfachen Kreuzstromplattenwärmeübertragers lässt sich der Lüftungswärmebedarf bereits um mehr als 50 % reduzieren. Die Wirkungsgrade von regenerativen Wärmerückgewinnungsverfahren liegen aber noch wesentlich darüber und können beim Einsatz entsprechend ausgereifter Verfahren wie zum Beispiel den Speicherplattenwärmeübertragern mehr als 90 % betragen. Mit einer Kombination aus einem rekuperativen Hochleistungswärmeübertrager und einer effizienten mechanischen Wärmepumpe kann zum Beispiel in einem Freizeithallenbad bis zu 70 % Energie gegenüber einer Lüftungsanlage ohne Wärmerückgewinnung eingespart werden.
Zusammenfassend führt die Wärmerückgewinnung zur Verringerung des Energieverbrauchs für Heizung und Kühlung und somit zu einer niedrigeren erforderlichen Anschlussleistung der Energieerzeuger. Zum Teil können einzelne Anlagenteile komplett entfallen. Beispielsweise kann bei leistungsstarken regenerativen Verfahren auf ein zusätzliches Heizregister verzichtet werden, wenn statische Heizkörper oder innere Wärmequellen vorhanden sind. Kesselanlagen können in den meisten Fällen wesentlich kleiner ausgelegt werden. Dies bedeutet einen geringeren Aufwand bei der Installation, niedrigere Betriebskosten sowie weniger Bauteile. Dadurch amortisieren sich die zusätzlichen Investitionen häufig schon nach wenigen Jahren. -
Dr.-Ing. Jürgen Röben
ist Geschäftsführer der Menerga GmbHin Mülheim an der Ruhr
