WRG-System der nächsten Generation

Kompakt informieren

• Verschärfte Energieeffizienzklassen für RLT-Zentralgeräte erfordern WRG-Systeme mit höchsten Wirkungsgraden. Unter den rekuperativen WRG-Systemen erfüllen nur Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager die höchsten Anforderungen problemlos.
• Menerga hat jetzt den ersten druckverlustarmen Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager für Zentralklimageräte mit bis zu 30000m³/h entwickelt und in den Markt eingeführt.
• Das WRG-System wird mit einem neuen Verfahren aus druckstabilen Doppelstegplatten aus Poly­propylen gefertigt. Der Werkstoff weist eine gute Umweltbilanz auf und ist deutlich leichter als ­Aluminium.

Mit der Neuveröffentlichung von DIN EN 13053 [1] wurden die Karten für die energetische Bewertung von RLT-Anlagen neu gemischt. Die deutliche Verschärfung der Kriterien führt dazu, dass vor allem hinsichtlich der Wärmerückgewinnung (WRG) nun wesentlich höhere Anforderungen erfüllt werden müssen, um weiterhin die höchsten Effizienzklassen zu erreichen. Wurde ein RLT-Gerät mit einem einfachen Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager nach der zuvor gültigen Ausgabe von DIN EN 13053 aus dem Jahr 2007 bereits mit der höchsten WRG-Klasse H1 bewertet, reicht dies in der aktuellen Version gerade noch für die Klasse H3.

Ergänzend wurde als zentrales Bewertungskriterium für die WRG-Klassen der energetische Wirkungsgrad eingeführt. Dieser berücksichtigt neben der Rückwärmzahl eines WRG-Systems auch die für dessen Betrieb notwendige elektrische Leistung. Hier werden sowohl die im Gerät zu überwindenden Druckverluste als auch eventuelle Hilfsenergien – beispielsweise die Pumpen eines Kreislaufverbundsystems oder der Antrieb eines Rotations-Wärmeübertragers – berücksichtigt. Bezogen auf die in DIN EN 308 [2] festgelegten Rahmenbedingungen wird so die Gesamteffizienz eines WRG-Systems definiert, wobei für die höchste Klasse H1 ein energetischer Wirkungsgrad von mindestens 71 % ohne Kondensation im WRG-System gefordert ist.

Grenzen der Wärmeübertragung

Angesichts der hohen Wirkungsgrade, die für die Klasse H1 notwendig sind, stoßen herkömmliche rekuperative Wärmeübertrager nach dem Kreuzstromprinzip an ihre physikalischen Grenzen. Deutlich wird dies bei der Betrachtung der NTU-Diagramme (NTU: Number of Transfer Units) für verschiedene Strömungsführungen in WRG-Systemen Abb. 2. Die NTU-Diagramme ermöglichen die Ermittlung der für eine bestimmte Rückwärmzahl erforderlichen Wärmeübertragungsfläche bei bekanntem Wärmedurchgangskoeffizienten und Massenstrom. Für eine Rückwärmzahl von 60 % benötigt ein Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager eine NTU von 3,0. Diesen Wert erreicht ein Kreuz-Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager bereits mit einer NTU von 1,8 – bei gleichem Massenstrom und Wärmedurchgangskoeffizienten also mit einer um 40 % geringeren Wärmeübertragungsfläche.

Die Kennlinien der einzelnen Strömungsführungen verlaufen im Bereich niedriger Rückwärmzahlen bis 50 % nahezu deckungsgleich. Unter gleichen Bedingungen ist die zu erwartende Rückwärmzahl des WRG-Systems relativ unabhängig von der Strömungsführung. Erst im Bereich von (heute zunehmend geforderten) Rückwärmzahlen größer 60 % ergeben sich deutliche Unterschiede.

Des Weiteren zeigt der weitere Verlauf der NTU-Kennlinien, dass sich die Rückwärmzahl mit zunehmender Größe des Wärmeübertragers in Abhängigkeit der Strömungsführung unterschiedlichen Grenzwerten annähert. Die maximale Rückwärmzahl für einen Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager mit beidseitiger Quervermischung liegt unter trockenen Abluftbedingungen beispielsweise bei 65 %. Dieses WRG-System könnte also aufgrund der physikalischen Gegebenheiten selbst bei einer sehr großen Dimensionierung keine bessere Klasse als H3 erreichen. Auch zwei Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager in Kreuz-Gegenstrom-Verschaltung erreichen eine Rückwärmzahl von 70 % erst ab einer NTU größer 3,5.

WRG mit Rückwärmzahl von 80 %

Das einzige rekuperative WRG-System, das gegenwärtig die neuen Anforderungen der Klasse H1 problemlos erfüllen kann, ist der Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager. Hier werden die Luftströme im Kreuzstrom zusammengeführt, strömen dann über die Länge des Wärmeübertragers im Gegenstrom und werden anschließend wieder im Kreuzstrom entflochten. Auf diese Weise sind nach der NTU-Kennlinie trockene Rückwärmzahlen von 75 % und mehr möglich – und dies schon ab einer NTU von 3. Damit weist der Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager auch von allen drei Rekuperatoren die höchste Materialeffizienz auf. Für eine Rückwärmzahl von 60 % benötigt dieser nur eine NTU von 1,5, das sind 50 % weniger als bei einem Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager (siehe oben). Gerade unter dem Aspekt der Nachhaltigkeit bedeutet dies bei der Herstellung weniger Materialeinsatz und einen niedrigeren Energieverbrauch.

Bisher waren Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager allerdings nur in kleineren Kompaktgeräten mit Luftleistungen bis 10000 m³/h verfügbar. Der Lüftungs- und Klimatechnikhersteller Menerga hat nun mit der Serie Adcon­air Abb. 1 als erster Anbieter ein klassisches Zentralklimagerät mit entsprechender Ausstattung und maximalen Luftvolumenströmen von über 30000 m³/h in den Markt eingeführt.

Während kompakte Plug-&-Play-Systeme nur wenige Möglichkeiten zur Anpassung an den jeweiligen Einsatzzweck bieten und darüber hinaus gerade in höheren Leistungsbereichen sehr große Gerätequerschnitte aufweisen, zeichnen sich die Adconair-Zentralklimageräte (weitere technische Daten siehe Info-Kasten) durch vollständige Konfigurierbarkeit sowie kompakte Abmessungen – vor allem in Hinblick auf die Gerätetiefe – aus. So verfügt eine Anlage mit einer Nennluftleistung von 10500 m³/h lediglich über eine Tiefe von 1430mm.

Die hohe Energieeffizienz des von Menerga selbst entwickelten und gefertigten Gegenstrom-Plattenwärmeübertragers wurde dabei von einem unabhängigen Prüfinstitut bestätigt. Gemäß DIN EN 308 erreichen die Anlagen bei trockener Abluft eine Rückwärmzahl von 80 %. Bei höheren Abluftfeuchten sind durch die Kondensation im Rekuperator sogar Werte von über 90 % möglich. Dabei betragen die Druckverluste im Nennvolumenstrom, bei dem die Geräte auf eine Luftgeschwindigkeit von 1,8 m/s im Anlagenquerschnitt ausgelegt sind, lediglich 150 Pa. Dadurch wird ein hoher energetischer Wirkungsgrad von 78 % nach DIN EN 13053:2012 erzielt. Selbst bei maximalen Volumenströmen mit Luftgeschwindigkeiten von bis zu 3 m/s wird ein Druckverlust von 230 Pa nicht überschritten und die höchste Wärmerückgewinnungsklasse H1 immer noch erfüllt.

Patentierte Konstruktion

Maßgeblich verantwortlich für die sehr guten Leistungsdaten des Gegenstrom-Plattenwärmeübertragers sind die patentierte Konstruktionsweise sowie das Herstellungsmaterial Polypropylen. Um die Luft für den Gegenstrom zusammenzuführen und später wieder zu entflechten, benötigt der Wärmeübertrager eine Ein- und Ausströmung Abb. 3. In diesem Bereich findet die Wärmerückgewinnung im weniger effizienten Kreuzstrom statt. Des­wegen sollte die Geometrie des Wärmeüber­tragers so gewählt werden, dass der Kreuz­stromanteil im Verhältnis zum Gegenstrom­anteil so weit wie möglich minimiert wird. Durch die optimierte Gestaltung des Ein- und Ausströmbereichs erreicht der Wärmeübertrager einen Gegenstromanteil von mehr als 80 %, sodass ein Großteil der Übertragungsfläche auch tatsächlich mit den höchsten Wirkungsgraden genutzt wird.

Dieser große Flächenanteil stellt allerdings auch besondere Anforderungen an die Druckstabilität des Gegenstrom-Plattenwärmeübertragers. Aufgrund der Druckdifferenzen zwischen dem Zuluft- und Abluftweg besteht die Gefahr, dass sich die dünnen Übertragungsflächen verformen und der Strömungs­kanal verengt wird. Dies verursacht einen ­höheren luftseitigen Druckverlust. Je größer dabei die freien Flächen sind, desto größer sind auch die möglichen Verformungen der Wärmeübertragungsflächen. Dieses Problem löst Menerga durch die Verwendung von Doppelstegplatten aus Polypropylen, in denen jeweils ein Luftstrom fest gefangen ist. In kurzen Abständen parallel zum Luftstrom eingesetzte Stege stellen eine sehr druckstabile Luftführung sicher. Nach Herstellerangaben können dabei mehr als 1000 Pa Differenzdruck zwischen den beiden Luftströmen anliegen, ohne dass sich die Geometrie des Wärmeübertragers messbar verändert.

Gute Umweltbilanz für Polypropylen

Aufbauend auf den Doppelstegplatten wird der gesamte Wärmeübertrager aus Polypropylen gefertigt. Hierzu hat Menerga ein neuartiges Kaltklebeverfahren eingeführt, das nicht nur die absolute Dichtigkeit der Luftführung gewährleistet, sondern auch den Klebstoff- und Energieeinsatz nahezu um den Faktor 100 reduziert. Auch der Werkstoff selbst weist im Vergleich zum üblicherweise verwendeten Aluminium eine sehr gute Umweltbilanz auf.

So werden nach den gängigen Fertigungsprozessen etwa 210 MJ elektrische Energie zur Herstellung von einem kg Aluminium benötigt, was einem CO₂-Äquivalent von 16 kg/kg_AI entspricht. Polypropylen liegt demgegenüber nur bei 80 MJ pro kg_PP bzw. einem CO₂-Äquivalent von 6 kg/kg_PP. Die Dichte von Aluminium ist mit 2,7 kg/dm³ dreifach höher als die Dichte von Polypropylen. Dies bedeutet, dass die Kunststoff-Wärmeübertrager nicht nur ein deutlich niedrigeres Gewicht haben als eine entsprechende Aluminium-Ausführung, sondern gleichzeitig auch die mit der Materialherstellung verbundenen CO₂-Emissionen um etwa 75 % niedriger sind.

Bedarfsgerechtes Abtauen im Betrieb

Aufgrund des hohen Wirkungsgrades des Gegenstrom-Plattenwärmeübertragers spielt im Winter die Abtaufunktion eine wichtige Rolle. Durch die starke Auskühlung der Fortluft ist die Vereisungsgefahr deutlich größer als bei konventionellen WRG-Systemen. Die patentierte Konstruktionsweise des Adconair-Wärmeübertragers ermöglicht das Abtauen des RLT-Gerätes ohne Frischluftunterbrechung im laufenden Betrieb.

Zu diesem Zweck wird durch Öffnen der Abluft-Bypassklappe die 18 bis 22 °C warme Luft genau in den Bereich des Rekuperators geführt, wo durch kalten Außenlufteintritt auf der Fortluftseite Vereisungen auftreten Abb. 4. Dementsprechend wird nur eine kurze Zeit benötigt, um Vereisungen abzutauen. Der Zuluftweg bleibt dabei unverändert, sodass auch weiterhin eine Wärmerückgewinnung stattfindet – wenn auch mit verminderter Leistung. Im Vergleich zu konventionellen Abtaulösungen, bei denen die kalte Außenluft am Wärmeübertrager vorbei geführt und vollständig im Heizregister erwärmt wird, fällt die benötigte Nachheizleistung deutlich geringer aus.

Grundsätzlich ist es aber nur notwendig in den Abtaubetrieb zu gehen, wenn auch tatsächlich die Gefahr der Vereisung besteht. Hier verfügen die Adconair-Klimageräte über eine Regelung, die ein bedarfsgerechtes Abtauen in Abhängigkeit vom Abluftzustand ermöglicht. So ist der Feuchteanteil der Abluft im Winter in vielen Gebäuden so niedrig, dass auch bei deutlichen Minusgraden keine Kondensation möglich ist. Die Regelung ermittelt den Taupunkt der Fortluft und leitet den Abtaubetrieb erst ein, wenn aufgrund einer niedrigeren Außenlufttemperatur Kondensat entstehen und gefrieren kann. Im Gegensatz zu einer ausschließlich von der Außenlufttemperatur abhängigen Steuerung werden so unnötige Abtauzyklen vermieden und die Energieeffizienz erhöht.

Vollständig integrierter Bypass

In den Übergangszeiten ermöglicht die Teilung des Wärmeübertragers in der Längsachse einen vollständig integrierten Bypassbetrieb für beide Luftwege. Abluft und Außenluft werden in getrennten Hälften aneinander vorbei geführt, wobei sich die über den gesamten Gerätequerschnitt reichenden Bypasseintritte über eine Schräge stetig verjüngen. Die Luftströme werden zunächst oberhalb des WRG-Systems in den Bypass geleitet und strömen dann nur durch das Ausströmteil des Wärmeübertragers Abb. 5.

Damit ist ein separater Bypasskanal mit entsprechend reduzierter Wärmeübertragerfläche nicht mehr notwendig und die gesamte Gerätetiefe steht für die Wärmerückgewinnung zur Verfügung. Zudem wird das WRG-System auf diese Weise im Bypassbetrieb auf beiden Luftwegen nur teilweise durchströmt, was sich auch in entsprechend reduzierten luftseitigen Druckverlusten für beide Luftwege bemerkbar macht.

Reinigung nach VDI 6022

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass alle auf dem deutschen Markt verfügbaren RLT-Geräte den Hygieneanforderungen der VDI 6022 [3] entsprechen müssen. Für das WRG-System bedeutet dies, dass im Bedarfsfall eine Reinigung möglich sein muss. Der Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager wurde so konstruiert, dass sein Gehäuse im eingebauten Zustand geöffnet werden kann und die Wärmeübertragungsflächen neben dem Ein- und Ausströmbereich auch im Gegenstromteil für die Inspektion und Reinigung frei zugänglich sind.

Fazit

Mit den verschärften Effizienzklassen der DIN EN 13053:2012 wurde für die Hersteller von RLT-Geräten endlich ein Anreiz geschaffen, deutlich effizientere Anlagen auf den Markt zu bringen. Um durchgängig die höchsten Anforderungen zu erfüllen, reichen bekannte und bewährte rekuperative WRG-Systeme oftmals nicht mehr aus. Menerga hat als weltweit erster Hersteller ein Zentralklimagerät für hohe Luftleistungen bis 30000 m³/h auf den Markt gebracht, in dem ein Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager eingesetzt wird. Mit einer trockenen Rückwärmzahl von 80 % und einem energetischen Wirkungsgrad von 78 % werden die Anforderungen der WRG-Klasse H1 deutlich überboten.•

Literatur

[1] DIN EN 13053 Lüftung von Gebäuden – Zentrale raumlufttechnische Geräte – Leistungskenndaten für Geräte, Komponenten und Baueinheiten. Berlin: Beuth Verlag, Februar 2012

[2] DIN EN 308 Wärmeaustauscher – Prüfverfahren zur Bestimmung der Leistungskriterien von Luft/Luft- und Luft/Abgas-Wärmerück­gewinnungsanlagen. Berlin: Beuth Verlag, Juni 1997

[3] VDI 6022 Blatt 1 Raumlufttechnik, Raumluftqualität – Hygieneanforderungen an Raumlufttechnische Anlagen und Geräte (VDI-Lüftungsregeln), Juli 2011; Blatt 1.1 Prüfung von Raumlufttechnischen Anlagen (VDI-Lüftungsregeln), August 2012. Berlin: Beuth Verlag

• Frei konfigurierbares Zentralklimagerät mit Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager
• Trockene Rückwärmzahl von 80 %
• Energetischer Wirkungsgrad von 78 % (DIN EN 13053:2012)
• 10 Standard-Baugrößen mit maximalen Luftvolumenströmen von über 30000 m³/h
• WRG-Klasse H1 auch bei hohen ­Luftgeschwindigkeiten bis 3 m/s
• Kompakte Abmessungen mit besonders geringer Gerätetiefe (z.B. 1430 mm bei 10500 m³/h)
• Integrierte Abtaufunktion
• Sommerbypass für beide Luftwege
• Zweistufige Zuluft-Filterung
• Vollständige Reinigbarkeit des Wärmeübertragers

ist Geschäftsführer der Menerga GmbH, 45473 Mülheim an der Ruhr, Telefon (02 08) 9 98 10, https://www.menerga.com/