In der heutigen Welt, in der effiziente Energienutzung immer wichtiger wird, erfreuen sich Wärmerückgewinnungsanlagen als wirksames Mittel zur Verbesserung der Energieeffizienz von Gebäuden zunehmender Beliebtheit. Das Kernelement dieser modernen Lüftungssysteme sind Wärmetauscher, allgemein als Rekuperatoren bezeichnet. Welche Wärmetauschertypen werden in Wärmerückgewinnungsanlagen verwendet und wie unterscheiden sie sich voneinander? Erfahren Sie es in diesem Artikel!
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Wie wurde die Wärmerückgewinnung im Einfamilienhaus eingesetzt?
Im alltäglichen Sprachgebrauch ist der Begriff „ Rekuperator “ seit vielen Jahren gebräuchlich. Was bedeutet dieser Begriff eigentlich? Ein Rekuperator ist ein Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung. Ursprünglich wurde die Wärmerückgewinnung in großen Lüftungsgeräten mit einer Luftleistung von mehreren zehntausend, später mehreren tausend m³/h eingesetzt. Gesetzliche Regelungen haben diesen Wert schrittweise reduziert. Gemäß der aktuellen Verordnung des Infrastrukturministers „Über die technischen Anforderungen, die Gebäude und ihr Standort erfüllen müssen“ müssen in mechanischen Lüftungsanlagen mit einer Luftleistung von 500 m³/h und mehr Geräte zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft eingesetzt werden.
Der thermische Wirkungsgrad des Wärmerückgewinnungsgeräts muss mindestens 50 % betragen. Nicht nur die aktuellen gesetzlichen Bestimmungen haben in den letzten Jahren zum wachsenden Interesse an der Nutzung von Wärmerückgewinnung in Wohngebäuden beigetragen. Oftmals liegt der Wirkungsgrad der Zentraleinheit in einem Haus unter 500 m³/h. Das zunehmende Bewusstsein für die Bedeutung der Luftqualität, die wir täglich atmen, hat zur Popularität der mechanischen Lüftung in Einfamilienhäusern beigetragen.
Welche Rolle spielt der Wärmetauscher in einem Rekuperator?
Der Rekuperator (Wärmerückgewinnungseinheit) besteht aus folgenden Elementen:
- Wärmetauscher
- Zuluftventilator
- Abluftventilator
- Luftfilter
- Abluftfilter
- Sensoren
- Elektroheizung
- Bypass
- Gehäuse
Wir konzentrieren uns auf die wichtigste Komponente der Rekuperationseinheit , den Wärmetauscher. Er ist sozusagen das Herzstück des Geräts. Im Wärmetauscher wird die Wärme von der Abluft (aus den Räumen) an die Zuluft (von außen) abgegeben. Dadurch geht nicht die gesamte Wärme mit der Abluft verloren (wie bei einer typischen Schwerkraftlüftung), sondern ein großer Teil davon kann zurückgewonnen werden. Dadurch sparen wir Energie, die wir sonst für die Erwärmung der Lüftungsluft aufwenden müssten.
Ein wichtiges Thema im Zusammenhang mit der Wärmerückgewinnung ist die Feuchterückgewinnung bzw. deren Fehlen. Die Luftfeuchtigkeit im Raum spielt bei der Wahl des richtigen Geräts oft keine große Rolle. Dabei beeinflusst die Luftfeuchtigkeit viele Aspekte des Lebens und ist ein Schlüsselfaktor für den Komfort im Alltag. Sie wirkt sich direkt auf unser Wohlbefinden, gesundheitliche Probleme, die Entwicklung von Pilzen und Bakterien, die Übertragung von Viren oder die Haltbarkeit von Baumaterialien aus. Daher werden die im Folgenden ausführlich besprochenen Wärmetauschertypen auch unter diesem Aspekt beschrieben.
Einteilung und Typen von Wärmetauschern, die in Wärmerückgewinnungseinheiten verwendet werden
In Lüftungsgeräten mit Wärmerückgewinnung spielen Wärmetauscher eine zentrale Rolle für den effizienten Betrieb des Systems. Sie übertragen die Wärme von der Abluft auf die Zuluft, wodurch Energieverluste minimiert und die Effizienz des gesamten Lüftungsprozesses gesteigert werden. In Lüftungsgeräten mit Wärmerückgewinnung kommen viele verschiedene Wärmetauschertypen zum Einsatz, die jeweils einzigartige Eigenschaften und Anwendungsmöglichkeiten bieten. Was zeichnet sie aus?
Plattenwärmetauscher
Plattenwärmetauscher bestehen aus dünnen Platten aus Stahl, Aluminium, Kunststoff oder bei Enthalpietauschern (Feuchtigkeitsrückgewinnung) aus einer speziellen Membran. Die Platten bilden voneinander isolierte Zu- und Abluftkanäle. Die Luftströme berühren sich beim Durchströmen des Wärmetauschers nicht. Dadurch kommt es zur Rekuperation bzw. Wärmerückgewinnung. Der warme Luftstrom (aus den Räumen abgeführt) erwärmt die Wärmetauscherplatten, während der kalte Luftstrom (von außen zugeführt) die Wärme der erwärmten Platten aufnimmt. Im Winter kondensiert aufgrund des Temperaturunterschieds zwischen Zu- und Abluft Feuchtigkeit an der Oberfläche des Wärmetauschers.
Das kondensierte Kondensat wird in eine Auffangschale abgeleitet, wo es teilweise gefriert und die luftdurchströmten Räume blockiert. Dieser Vorgang wird allgemein als Wärmetauscher-Vereisung bezeichnet. Bei Außentemperaturen unter -4 °C ist ein Frostschutz erforderlich. Lüftungsgeräte mit Plattenwärmetauschern sind mit Schutzsystemen in Form einer leeren Kammer mit Klappe neben dem Wärmetauscher (üblicherweise Bypass genannt), eines elektrischen Vorheizers oder Algorithmen zur Regelung des Ventilatorbetriebs ausgestattet. Je nach Luftstrommethode werden Plattenwärmetauscher in Kreuzstrom- oder Gegenstromwärmetauscher unterteilt.
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Kreuzstromtauscher
Der Kreuzstromtauscher ist so konstruiert, dass die Luftkanäle der Zu- und Abluft senkrecht zueinander stehen. Es sieht so aus, als würden sich die Luftströme kreuzen (daher der Name). Tatsächlich verlaufen sie jedoch in getrennten Kanälen. Aufgrund der relativ kurzen Kontaktzeit der Luftströme ist der Wirkungsgrad von Kreuzstromtauschern geringer als der von Gegenstromtauschern und liegt zwischen 50 und 75 %. Kreuzstromtauscher sind am anfälligsten für Frost. Ihr Vorteil ist zweifellos ihre Einfachheit, die sich in einem günstigen Preis niederschlägt.
Gegenstromwärmetauscher
Der Gegenstromwärmetauscher ist eine Weiterentwicklung des Kreuzstromwärmetauschers. Er stellt eine verbesserte Version dar. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass im mittleren Teil des Wärmetauschers die Zu- und Abluftkanäle parallel zueinander verlaufen. Die Ströme fließen in entgegengesetzte Richtungen. Dadurch wird die kalte Luft, die durch den letzten Abschnitt des Wärmetauschers strömt, von der wärmsten Abluft erwärmt. Rekuperatoren mit Gegenstromwärmetauscher zeichnen sich durch einen höheren Wirkungsgrad aus als solche mit Kreuzstromwärmetauscher. Ihr Wirkungsgrad erreicht bis zu 90 %. Sie sind weniger anfällig für Frost, verfügen aber dennoch über eine Reihe von Sicherheitsvorkehrungen zum Abtauen des Wärmetauschers im Winter, wenn ständig Wasserdampf kondensiert. Konstruktionsbedingt sind sie teurer als Kreuzstromwärmetauscher.
Kondensierender Gegenstromwärmetauscher
Ein Gegenstromwärmetauscher, der Kondensat außerhalb der Luftzirkulation irreversibel entfernt, wird als kondensierender Gegenstromwärmetauscher bezeichnet. Dies kann sowohl sein Nachteil als auch sein Vorteil sein. Die von den Haushaltsmitgliedern erzeugten Wasserdampfgewinne reichen in der Regel nicht aus, um die Verluste durch den Dauerbetrieb der mechanischen Lüftung zu decken. Daher wird die Luft im Winter trocken, was den Nutzungskomfort erheblich beeinträchtigt. In Regen- und Übergangszeiten wiederum ermöglicht ein solcher Wärmetauscher die Trocknung der Luft im Gebäude.
Dies ist auch zu Beginn der Nutzung eines neuen Gebäudes sinnvoll, wenn sich noch Feuchtigkeit im Putz und Estrich angesammelt hat. Zu diesem Zeitpunkt wäre es sinnvoll, den Einsatz eines Zuluftbefeuchters in Betracht zu ziehen. Ihre Beliebtheit auf dem polnischen Markt ist jedoch gering. Hersteller, die einen Befeuchter anbieten, passen ihn sehr oft so an, dass er nur mit einer speziellen Zentraleinheit ihrer Produktion funktioniert. Und aus rein kommerzieller Sicht ist ihnen das kaum vorzuwerfen.
Enthalpietauscher
Der Unterschied zwischen Enthalpie- und Kondensations-Gegenstromwärmetauschern liegt im Plattenmaterial. Beim Enthalpie-Gegenstromwärmetauscher bestehen die Platten aus einer Polymermembran, die wie ein Filter wirkt und den Wasserdampfdurchgang ermöglicht. Durch einen solchen Wärmetauscher erfolgt die Wärmerückgewinnung und teilweise Feuchtigkeitsrückgewinnung.
Ein weiterer Vorteil von Enthalpietauschern ist ein größerer Betriebsbereich, ohne dass ein zusätzlicher Frostschutz erforderlich ist (Betrieb bis -8 °C). Geräte mit diesen Tauschern sind jedoch mit den oben genannten Schutzsystemen ausgestattet. Eine Feuchterückgewinnung im Winter ist ratsam und löst das Problem trockener Luft. Es ist jedoch zu beachten, dass die oben genannte Rückgewinnung auch im Sommer erfolgen kann. Die Luftfeuchtigkeit der Innenluft muss dann höher sein als die der Außenluft.
Spiral-Gegenstrom-Wärmetauscher
Erwähnenswert sind Gegenstrom-Spiralwärmetauscher. Die Konstruktion eines solchen Wärmetauschers ist patentrechtlich geschützt. Es handelt sich um eine einzigartige Lösung, die von einem polnischen Unternehmen umgesetzt wurde. Der Wärmetauscher besteht aus spiralförmig gerollter Aluminiumfolie und verzinktem Blech und hat die Form eines Zylinders. Der Wärmetauscher ist strukturell in zwei unabhängige Bereiche unterteilt: Zuluft und Abluft.
Beide Räume sind durch eine Dichtung getrennt, die eine präzise Trennung gewährleistet und so die Wärmerückgewinnung aus der Abluft ermöglicht, ohne diese mit der Zuluft zu vermischen. Die Spiralkonstruktion des Wärmetauschers sorgt für einen kreisförmigen Luftstrom im Gegenstrom und teilweise im Querstrom. Die große Wärmeaustauschfläche und der lange Luftweg machen den Wärmetauscher frostbeständig. Sein Wirkungsgrad liegt bei einem Verhältnis von 1:1 zwischen Zuluft und Abluft über 85 %.
Die hohe Frostbeständigkeit zeichnet die Wärmerückgewinnungsgeräte dieser Lösung aus und ermöglicht den Einsatz ohne Schutzheizungen am Frischlufteinlass und ohne die bei anderen Geräten dieser Art erforderlichen Abtausysteme. Der Verzicht auf eine Vorheizung zum Schutz des Wärmetauschers vor Frost bei niedrigen Temperaturen führt das ganze Jahr über zu messbaren Einsparungen.
Rotations-Kondensationswärmetauscher
Der Kondensations-Rotationswärmetauscher besteht aus abwechselnd gewellten und flachen Aluminiumblechen, die auf einen speziellen Zylinder (Trommel) gewickelt sind. Das Blech bildet Kanäle, durch die die zu- und abgeführten Luftströme abwechselnd strömen. Um den Wärmetauscher ist ein Antriebsriemen gewickelt, der, vom Motor angetrieben, den Zylinder in Bewegung versetzt (Rotation um die eigene Achse). Während der Rotation erfolgt die Energierückgewinnung durch den Regenerationsprozess.
Der Regenerationsprozess zeichnet sich dadurch aus, dass Innen- und Außenluftstrom dieselbe Oberfläche des Wärmetauschers berühren (Mischung), was eine Wärmerückgewinnung und teilweise Feuchtigkeitsrückgewinnung ermöglicht. Im Winter, wenn die Außenlufttemperatur niedrig ist, kühlt die aus den Räumen abgesaugte Luft auf eine Temperatur unter dem Taupunkt ab, was zur Kondensation des Kondensats führt. Das Wasser setzt sich in den Kanälen ab und gelangt dann durch die Rotation des Wärmetauschers in die kalte Umgebung der Außenluft.
Die Außenluft erwärmt sich, wodurch ein Teil des Kondensats verdunstet und anschließend wieder in den Kreislauf zurückgeführt wird, wodurch die Frischluft teilweise befeuchtet wird. Der Prozess läuft kontinuierlich ab, und das Kondensat hat keine Zeit zum Gefrieren. Hier liegt der Vorteil von Rotationswärmetauschern, da sie bei sehr niedrigen Außentemperaturen (-30 °C) ohne Frostschutz betrieben werden können. Nachteilig ist jedoch die Abhängigkeit von mechanischen Komponenten (Motor, Antriebsriemen usw.) und der zusätzliche Stromverbrauch (Notwendigkeit einer zusätzlichen Stromversorgung).
Sorptions-Rotationswärmetauscher
Ein Sorptionsrotationswärmetauscher ist nichts anderes als ein Kondensationswärmetauscher mit zusätzlichem hygroskopischem Material, der die Aufnahme von Wasserdampf aus der Luft ermöglicht. Ein solcher Wärmetauscher kann bis zu 90 % der Feuchtigkeit aus der Abluft zurückgewinnen. Die Aufnahme von Wasserdampf aus der Luft erfolgt sowohl im Winter als auch im Sommer und beruht nicht auf dem Phänomen der Kondensation. Der Einsatz dieses Wärmetauschertyps eignet sich gut für Räume mit niedriger Luftfeuchtigkeit. Die Einführung eines weiteren Wärmetauschers (Kondensationsrotations- oder Enthalpie-Gegenstrom) würde aufgrund der zu geringen Feuchtigkeitsrückgewinnung keine zufriedenstellenden Ergebnisse bringen.
Was ist bei der Auswahl eines Rekuperators zu beachten?
Der Wahl eines Rekuperators sollte eine grundlegende Analyse der Bedürfnisse der Nutzer belüfteter Räume vorausgehen. Für Büroräume wird ein anderes Gerät gewählt als für ein Wohnhaus. Bei Ein- und Mehrfamilienhäusern muss stets berücksichtigt werden, dass jede Familie anders ist und unterschiedliche Gewohnheiten und Arbeitsweisen hat, was eng mit der Entstehung von Feuchtigkeitsgewinnen zusammenhängt. Feuchtigkeitsgewinne sollten bei der Wahl der richtigen Energierückgewinnungslösung von zentraler Bedeutung sein.
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