Verhalten von Kreislauf-Verbund-Systemen

In raumlufttechnischen Anlagen werden seit vielen Jahren Kreislauf-Verbund-Systeme (KV-Systeme) zur Wärmerück­gewinnung eingesetzt. Ein KV-System besteht aus einem oder mehreren Wärme­übertragern im Außenluftstrom und im Fortluftstrom, die durch ein Wärmeträgermedium (Sole) gekoppelt sind.

Unter Verwendung von handelsüblichen Lufterhitzern und Luftkühlern wurden dabei Temperatur-Änderungsgrade bis ca. 50 % erzielt. Seit ca. 15 Jahren jedoch erreichen KV-Systeme mit optimierten hocheffizienten Wärmeübertragern auch Temperatur-Änderungsgrade von 70 bis zu 80 %. Neben der Rückgewinnung von thermischer Energie können solche KV-Systeme auch noch zusätzliche Funktionen wirtschaftlich übernehmen und werden dadurch noch interessanter.

Vorteile von KV-Systemen

Im Gegensatz zu Wärmerohren, Platten­wärmeübertragern (Rekuperatoren) und Rotationswärmeübertragern (Regenerato­ren) müssen die Luftströme des Gebäudes bei KV-Systemen nicht beim jeweiligen Energierückgewinnungssystem zusammengeführt werden. Durch die vollständige Trennung von Außenluftstrom und Fortluftstrom ist zudem der Einsatz in Gebäuden mit hohen Anforderungen an die Hygiene möglich. Es entstehen keine Spaltverluste wie etwa bei Platten- oder Rota­tionswärmeübertragern. Da die Wärme­übertragung zwischen den verschiedenen gekoppelten Wärmeübertragern indirekt über ein Wärmeträgermedium (Sole) erfolgt, kann in diesen Umlaufstrom auch thermische Energie ein- oder ausgekoppelt ­werden. Dieser Vorteil wird heute oft genutzt, um die Anlagentechnik noch effi­zienter und wirtschaftlicher zu gestalten.

Definition des Temperatur-Änderungsgrads von KV-Systemen

Die Temperatur-Änderungsgrade von Wärmerückgewinnungsanlagen werden nach DIN EN 308 [1] auf der Zuluftseite definiert, weil die Zustandsbedingungen der Zuluft das Hauptkriterium für die Bemessung von Wärmerückgewinnungsanlagen sind. Der Temperatur-Änderungsgrad wird gemäß DIN EN 308 ohne latente Wärme­übertragung ermittelt und ist das Verhältnis der Temperaturänderung im Zuluft-Wärmeübertrager zu der Temperaturdifferenz zwischen Ablufteintritt und Zulufteintritt (siehe Bild 1).

Um Temperatur-Änderungsgrade von 70 bis 80 % erreichen zu können, müssen die einzelnen Wärmeübertrager Temperatur-Übertragungsgrade von 84 bis 90 % erreichen. Dafür werden spezielle Hochleistungswärmeübertrager mit einem Gegenstromanteil von über 95 % benötigt. Außerdem muss der Umlaufstrom des Wärmeträgers stetig an den Massenstrom der Luft angepasst werden.

Einfluss des Umlaufstromes des Wärmeträgers

Für die nachfolgenden Untersuchungen wurde der Winterfall eines einfachen KV-Systems mit je einem Lufterhitzer He in der Zuluft SA und einem Luftkühler Co in der Abluft RA betrachtet (siehe Bild 2).

Die Lufteintrittsbedingungen wurden gemäß DIN EN 308 gewählt. Die Wärme­übertrager wurden jeweils mit einem Lamellenabstand von 3,0 mm und 12 Rohrreihen in Luftrichtung ausgeführt und mit einer Luftgeschwindigkeit im freien Eintrittsquerschnitt von ca. 2,0 m/s betrieben (Zu- und Abluftmassenstrom 9542 kg/h entsprechend einem Volumenstrom von 8000 m³/h bei Luft 20 °C, 40 % r. F. und 1013 hPa). Als Wärmeträger wurde eine 25 Vol.-%ige Ethylenglykol-Wasser-Mischung verwendet.

In Bild 3 ist der Temperaturverlauf dieses KV-Systems bei gleichem Wärmekapazitätsstrom der Sole, bezeichnet mit WS, und der Luft, bezeichnet mit WL, dargestellt. Wie in Bild 3 zu sehen ist, verläuft bei gleichen Wärmekapazitätsströmen die Linie des ­Wärmeträgers mit gleichem Abstand von ca. 3,7 K zu den beiden Linien der Lufttemperaturen. In diesem Beispiel wird bei einer Ablufttemperatur von 25 °C und 20 % r. F. die Zuluft von 5 °C auf 17,6 °C erwärmt. Der Temperatur-Änderungsgrad bei trockener Oberfläche des Abluftwärmeübertragers wird damit 63 %.

Bei einer Absenkung des Umlaufstroms des Wärmeträgers wird der Temperaturabstand zwischen der Luft und dem Wärmeträger am Eintritt der Wärmeübertrager kleiner und am Austritt größer durch die größere Temperaturspreizung des Wärmeträgers. Dadurch verringert sich die Erwärmung der Zuluft. Der Temperatur-Änderungsgrad reduziert sich in diesem Beispiel bei einem Wärmekapazitätsstromverhältnis von 0,70 auf 57 %.

Bei einer Erhöhung des Umlaufstroms des Wärmeträgers wird im Gegensatz dazu der Temperaturabstand zwischen der Luft und dem Wärmeträger am Eintritt der Wärmeübertrager größer und am Austritt kleiner durch die kleinere Temperaturspreizung des Wärmeträgers. Dadurch verringert sich ebenfalls die Erwärmung der Zuluft. Der Temperatur-Änderungsgrad reduziert sich hier bei einem Wärmekapazitätsstromverhältnis von 1,40 auf 61 %. Der Abfall des Temperatur-Änderungsgrades bei Wärmekapazitätsströmen über 1 fällt weniger stark aus, da durch die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit in den Rohren der Wärme­durchgangskoeffizient der Wärmeüber­trager ansteigt.

Bei Hintereinanderschaltung von jeweils zwei Wärmeübertragern mit 12 Rohrreihen in Luftrichtung und gleichem Wärmekapazitätsstrom verkleinert sich durch die ansteigende Übertragungsleistung der Abstand zwischen der Linie des Wärmeträgers und den beiden Linien der Lufttemperaturen auf ca. 2,3 K. In diesem Beispiel wird bei einer Ablufttemperatur von 25 °C und 20 % r. F. die Zuluft von 5 °C auf 20,3 °C erwärmt. Der Temperatur-Änderungsgrad bei trockener Oberfläche des Abluftwärmeübertragers wird damit 76 %.

Wie in Bild 4 zu sehen ist, wird der höchste Temperatur-Änderungsgrad bei beiden Rohrreihenzahlen bei einem Wärmekapazitätsstromverhältnis von ca. 1,10 erreicht. Außerdem ist deutlich zu erkennen, dass bei KV-Systemen mit höherem Temperatur-Änderungsgrad die Anpassung des Umlaufstroms des Wärmeträgers immer wichtiger wird. Ausgehend vom höchsten Temperatur-Änderungsgrad fällt dieser schon bei kleineren Abweichungen wegen der kleineren Temperaturdifferenzen in den Wärmeübertragern stärker ab.

Einfluss des Verhältnisses der Luftmassenströme

Wird der Luftmassenstrom der Zuluft M_L2 kleiner als der Luftmassenstrom der Abluft M_L1, muss sich bei gleicher Übertragungsleistung die Zuluft stärker erwärmen als die Abluft abgekühlt wird (siehe Bild 5). Dadurch erhöht sich der Temperatur-Änderungsgrad.

Im umgekehrten Fall verkleinert sich der Temperatur-Änderungsgrad bei einem Luftmassenstromverhältnis M_L2/M_L1 größer als 1 (siehe Bild 6).

Verhalten bei Einspeisung von Energie

Bei KV-Systemen kann zwischen die einzelnen gekoppelten Wärmeübertrager über Plattenwärmeübertrager thermische Energie in den Umlaufstrom des Wärmeträgers ein- oder ausgekoppelt werden, zum Beispiel zur Nacherwärmung oder Nachkühlung der Zuluft auf die geforderten Zulufttemperaturen. Dadurch können luftseitige Nacherhitzer oder Nachkühler ent­fallen. Dies erhöht die Wirtschaftlichkeit von KV-Systemen, da die Betriebskos­ten durch die kleineren luftseitigen Druckverluste der Gesamtanlage verringert werden.

Für die nachfolgenden Betrachtungen wurde wieder der Winterfall wie im Abschnitt über die Betrachtung des Einfluss des Umlaufstromes zugrunde gelegt. Zur Nacherwärmung der Zuluft wurde thermische Energie über einen Plattenwärmeübertrager in das KV-System eingespeist. Durch die Erhöhung der Temperatur des Wärmeträgers kann der Zulufterhitzer die Luft stärker erwärmen. Das Schema des KV-Systems mit Einspeisung ist in Bild 7 dargestellt. Im Bild ist mit He der Lufterhitzer in der Zuluft SA und mit Co der Luftkühler in der Abluft RA bezeichnet. Pt ist die Bezeichnung für den Plattenwärmeübertrager.

Da der Temperatur-Übertragungsgrad der einzelnen Wärmeübertrager kleiner als 1 ist, kann allerdings nicht die komplette eingespeiste thermische Energie an die Luft übertragen werden und ein Teil der eingespeisten Energie verbleibt im Umlaufstrom.

In Bild 8 sind die veränderten Bedingungen für die Wärmeübertrager im Vergleich zum Betrieb ohne Einspeisung dargestellt. Die Wärmeübertrager mit 12 Rohrreihen in Luftrichtung erreichen einen Temperatur-Übertragungsgrad von 84 %. Um die geforderte Zulufttemperatur von 21 °C erreichen zu können, müssen 10,8 kW eingespeist werden. Die Vorlauftemperatur des Zulufterhitzers wird dabei um 4,3 K angehoben. Im Wärmeübertrager werden 9,1 kW (= 84 %) an die Luft abgegeben und 1,7 kW (= 16 %) verbleiben als schädlicher Anteil im Umlaufstrom. Die Vorlauftemperatur zum Abluftkühler ist dadurch 0,7 K höher im Vergleich zum Betrieb ohne Einspeisung. Damit kann der Abluft im Abluftkühler weniger Wärme (1,7 kW) entzogen werden und der Tempe­ratur-Änderungsgrad des KV-Systems verringert sich von 63 % auf knapp 60 %.

Je größer der Temperatur-Übertragungsgrad der Wärmeübertrager ist, umso kleiner wird der schädliche Anteil bei der Einspeisung von thermischer Energie. Da bei höherem Temperatur-Änderungsgrad des KV-Systems bereits höhere Zulufttemperaturen erreicht werden, muss außerdem ­weniger thermische Energie zur Erreichung einer geforderten Zulufttemperatur eingespeist werden. Dies verringert zusätzlich noch die schädlichen Anteile bei der Einspeisung. In Bild 8 ist die prozentuale Änderung des Temperatur-Änderungsgrades bezogen auf das KV-System ohne Einspeisung in Abhängigkeit von der ge­forderten Zulufttemperatur dargestellt. Das KV-System mit 12 Rohrreihen erreicht ohne Einspeisung eine Zulufttemperatur von 17,6 °C, mit 24 Rohrreihen werden bereits 20,3 °C erreicht. Um eine Zulufttemperatur von 23 °C zu erreichen, müssen beim System mit 12 Rohrreihen 17,3 kW eingespeist werden. Dabei verringert sich der Temperatur-Änderungsgrad des KV-Systems von 63 % auf 58 %. Beim KV-System mit 24 Rohrreihen müssen lediglich 8,2 kW eingespeist werden und der Temperatur-Änderungsgrad verringert sich von 76 % auf 75 %.

Fazit

Mit hocheffizienten Wärmeübertragern erreichen Kreislauf-Verbund-Systeme zur Wärmerückgewinnung in raumlufttechnischen Anlagen Temperatur-Änderungsgrade von 80 %. Dabei ist die stetige Anpassung des Wärmekapazitätsstroms des Wärmeträgers an den Wärmekapazitätsstrom der Luft sehr wichtig. Die höchsten Temperatur-Änderungsgrade werden bei einem Wärmekapazitätsstromverhältnis von ca. 1,10 erreicht.

Kreislauf-Verbund-Systeme mit hohen Temperatur-Änderungsgraden sind außerdem hervorragend geeignet für die Ein- und Auskopplung von thermischer Energie in den Umlaufstrom des Wärmeträgers, da der Temperatur-Änderungsgrad bei der Einspeisung nur gering abfällt. Dadurch können viele zusätzliche Funktionen wirtschaftlich übernommen werden, was den Nutzen der Kreislauf-Verbund-Systeme erhöht. -

Quellen

[1] DIN EN 308 : Juni 1997, Wärmeaustauscher Prüfverfahren zur Bestimmung der Leistungskriterien von Luft/Luft und Luft/Abgas-Wärmerückgewinnungsanlagen, Deutsche Fassung EN 308 : 1997

[2] Mit freundlicher Genehmigung von Zeller Consulting Suisse

HCR Consulting, Ingenieurbüro für Kälte- und Klimatechnik, Bietigheim-Bissingen