Plädoyer für rotierende Wärmeübertrager

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• Bei rotierenden Wärmeübertragern kann die Luft­leckage und Luftübertragung zwischen Ab- und Zuluft konstruktiv minimiert bzw. verhindert werden.
• Studien zeigen, dass gasförmige Verunreinigung durch Absorption und Desorption auf den Flächen rotierender Wärmeübertrager bei typischen Anwendungen kein Risiko darstellen und kompensiert werden können.
• Rotierende Wärmeübertrager haben einen sehr ­hohen energetischen Wirkungsgrad und ermög­lichen häufig den Verzicht auf eine Nacherwärmung der Zuluft.

Auf einigen Märkten gibt es ausgesprochene Vorbehalte gegenüber rotierenden Wärmeübertragern Abb. 1 in Lüftungssystemen. Sie resultieren aus dem angeblichen Risiko einer Verunreinigung der Zuluft durch Luftleckagen zwischen der Ab- und Zuluft im Wärmeübertrager. Diese Auffassung ist mehr oder minder traditionell bedingt und basiert zum Teil auf schlechten Erfahrungen aus der Vergangenheit mit falschen Systemlösungen. Heutigen Wärmeübertragerkonstruktionen und Lüftungssystemen wird dies nicht gerecht.

Die allgemeine Auffassung lautet, dass die Luftleckage bei der Anwendung von rotierenden Wärmeübertragern etwa 10 bis 20 % beträgt. Aber wie ist die Situation eigentlich in der Realität? In den letzten Jahren gab es viele Studien, Untersuchungen und Forschungsprojekte zu den Zuluft-Verunreinigungen durch ­rotierende Wärmeübertragern. Die generellen Ergebnisse¹⁾ dieser Analysen sind durchweg einheitlich:

• Die Übertragung von partikelgebundenen Verunreinigungen (inklusive Bakterien, Viren, Pilzsporen und Pollen) findet so gut wie nicht statt, wenn der Wärmeübertrager korrekt konstruiert, installiert und gewartet wird. Eine fehlerhafte Funktion kann jedoch zu bedeutenden Luftleckagen und damit zur Übertragung partikelgebundener Verunreinigungen führen.
• Die Übertragung von gasförmigen Verunreinigungen durch Absorption und Desorption auf der Rotoroberfläche (also nicht auf Luftleckagen beruhend) gibt es in unterschiedlichem Grad. Das Niveau der gasförmigen Verunreinigungen in der Raumluft ist jedoch oft so niedrig (in Wohnräumen, Büros, Schulen, Krankenhäusern etc.), dass auch ein hoher Zurückführungsgrad kein gesundheitliches Risiko darstellt. Allerdings können Gerüche, beispielsweise von Speisen und Tabakrauch übertragen werden, was zu Unbehagen führen kann.

Die Studien zeigen also, dass Risiken bei der Anwendung von rotierenden Wärmeübertragern unter normalen (üblichen) Bedingungen mit einem geringen Niveau gasförmiger Verunreinigungen in der Raumluft so gut wie ausgeschlossen sind. Eine Voraussetzung ist allerdings, dass der Wärmeübertrager richtig installiert ist und einwandfrei funktioniert. Doch was bedeutet dies?

Übertragung und Gegenmaßnahmen

Es gibt bei einem rotierenden Wärmetauscher im Wesentlichen drei Mechanismen für die Übertragung von Verunreinigungen von der Abluft- auf die Zuluftseite.

Luftleckage: Luft strömt an den Dichtungen des Rotors vorbei. Um dies zu verhindern, muss der Druck auf der Zuluftseite höher als auf der Abluftseite sein. Dies erreicht man dadurch, dass der Abluftventilator in Luftströmungsrichtung hinter dem Rotor platziert wird („saugende“ Anordnung). Dies ist nicht immer ausreichend, es kann auch erforderlich sein, das Druckgleichgewicht mithilfe von Klappen zu justieren. In modernen Geräten sind die Ventilatoren korrekt angeordnet und außerdem mit einer internen Druckregelung ausgestattet, dies stellt das richtige Druckverhältnis im Betrieb sicher.

Luftübertragung („carry over“): In den Kanälen des Rotors wird ein kleiner Teil der Luft gefangen, wenn sich der Rotor von der Abluftseite auf die Zuluftseite bewegt. Um eine Übertragung dieses Luftvolumens zu verhindern, wird in einer Spülzone die eingesperrte Abluft mit Zuluft direkt zur Fortluftseite geführt.

Absorption und Desorption: Die Gasmoleküle in der Abluft können von der Rotoroberfläche aufgenommen werden (Absorption) und danach an die Zuluft abgegeben werden (Desorption). Die Stärke der Übertragung ist Abhängig von der Art der Verunreinigung und vom Rotormaterial. Bei der Verwendung hygroskopischer Rotormaterialien nimmt das Übertragungsrisiko zu. Diese Form der Übertragung lässt sich also nicht vollständig vermeiden, darum sollten rotierende Wärmeübertrager in Umgebungen, in denen gasförmige Verunreinigungen das Wohlbefinden von Menschen beeinträchtigen können, nur mit Bedacht eingesetzt oder vollkommen vermieden werden. Dies gilt für Umgebungen mit Tabakrauch, Essensgerüchen oder gesundheitsschädlichen Stoffen. Aus diesem Grund werden nach rotierenden Wärmeübertragern manchmal Aktivkohlefilter eingesetzt, beispielsweise in Mehrfamilienhäusern.

Es gibt heute also zuverlässige Möglich­keiten, Luftleckagen (und Luftübertragungen) durch eine entsprechende Einstellung und ­Regelung des Druckgleichgewichts in modernen RLT-Geräten zu verhindern. Dies bedeutet jedoch nicht, dass das Vorhandensein von Luftleckagen in rotierenden Wärmeüber­tragern ein abgeschlossenes Kapitel ist – das Gerät muss korrekt installiert und einwandfrei gewartet werden. Eine Forderung, die allerdings unabhängig von der Art der Wärmerückgewinnung gilt.

Außerdem ist die Übertragung über die ­Rotoroberfläche ein mehr oder minder unvermeidbarer Prozess, der bei der Planung eines Lüftungssystems berücksichtigt werden muss. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass trotzdem in vielen Krankenhäusern in Schweden ­rotierende Wärmeübertrager verwendet werden und dass beispielsweise Locum²⁾ Möglichkeiten eruiert, die Nutzung dieser Technik in die Krankenpflege auszuweiten, um hier die Energieeffizienz zu erhöhen.

Steigerung des Luftvolumenstroms

Was sind die Folgen einer eventuellen Übertragung über den rotierenden Wärmeübertrager? Die Konzentration der Verunreinigungen in der Raumluft steigt mit einer zunehmenden Übertragung – allerdings nicht so maßlos, wie manchmal behauptet wird. Wenn beispielsweise die Übertragung in einem vorhandenen System besonders extrem von 0 auf 20 % ansteigt, nimmt die Verunreinigungskonzentration in der Raumluft um 25 % zu. Eine entsprechende Erhöhung des Luftvolumenstroms um 25 % in einer solchen Extremsituation würde dem Prozess wirkungsvoll entgegenwirken und die Verunreinigungskonzentration wieder auf das Ursprungsniveau senken.

Dies zeigt Abb. 2, wobei an der senkrechten ­Achse zwei Funktionen abzulesen sind. Wie stark die Konzentration der Verunreinigung der Raumluft bei einem bestimmten Verun­reinigungsniveau zunimmt – im Vergleich mit einer Situation ohne Übertragung. Und: Wie groß die erforderliche Zunahme des Luft­volumenstroms sein muss, damit die Konzentration der Verunreinigung in der Raumluft bei einem bestimmten Übertragungsniveau nicht ansteigt – im Vergleich mit einer Situation ohne Übertragung.

Abb. 2 zeigt somit, dass ein erhöhter Luftvolumenstrom von beispielsweise 25 % den Verunreinigungseffekt bei einer Übertragung von 20 % kompensiert. Dies verhindert sicher nicht die Ausbreitung einer lokalen Verunreinigungsquelle, beispielsweise Tabakrauch in andere Räume, die von der gleichen Lüftungsanlage versorgt werden. In einem solchen Fall müssen andere Maßnahmen erfolgen (z.B. Einsatz von Kohlefiltern) oder es wird auf die Nutzung eines rotierenden Wärmeübertragers verzichtet. Bei einer homogenen Verbreitung von Verunreinigungen in Räumen können dagegen die Konsequenzen von 10…20 % Übertragung entsprechend der gängigen Auffassung durch eine Erhöhung des Luftvolumenstroms um 10…25 % kompensiert werden. Diese Maßnahme führt zwar zu höheren Kosten für die Investition und für den Betrieb der Ventilatoren, aber die thermischen Einsparungen durch einen rotierenden Wärmeübertrager sind in der Regel größer.

Energiewirkungsgrad

Der Temperaturwirkungsgrad η_T für rekupera­tive Wärmeübertrager (Register- und Plattenwärmeübertrager) liegt normalerweise bei etwa 50…60 %, während er bei regenerativen (rotierenden) Wärmeübertragern mit bis zu 80…90 % wesentlich höher ist.

t_WRG Temperatur nach der Wärmerückgewinnung

t_Au Außenlufttemperatur

t_Ab Ablufttemperatur

Der daraus resultierende Unterschied bei der Wärmerückgewinnung lässt sich bei­spielhaft durch einen einfachen Vergleich ­zwischen einem Plattenwärmeübertrager mit einem Temperaturwirkungsgrad von 60 % und einem rotierenden Wärmeübertrager mit einem Temperaturwirkungsgrad von 85 % aufzeigen. Annahme ist, dass ein Lüftungs­system mit einer Zulufttemperatur von 18 °C und einer Ablufttemperatur von 22 °C versorgt wird.

In Abb. 3 wurden die Stunden eines Normaljahres mit einer mittleren Außentemperatur von 6 °C) nach der Außentemperatur geordnet. Die Außenluft muss im Lüftungsgerät bis zur Zulufttemperatur erwärmt werden, was zum größten Teil mithilfe der Wärmerückgewinnung erfolgt (grüne Fläche). Die hellrote Fläche zeigt, welche Energiemenge der Nacherhitzer beitragen muss. Es wird deutlich, wie groß der Unterschied zwischen den verglichenen Wärmerückgewinnungseinheiten ist, hier ist es der Faktor 36.

Bezogen auf die Wärmerückgewinnung deckt der Plattenwärmeübertrager 76 % des Bedarfs, der rotierende Wärmeübertrager jedoch 99 %. Der Temperaturwirkungsgrad gibt also nur einen ungefähren Anhaltspunkt für die Energieeinsparung. Ein deutlich besseres Maß für die Effizienz eines Wärmeübertragers ist der Energiewirkungsgrad. Je größer der Unterschied zwischen Zu- und Ablufttemperatur ist, umso größer ist auch der Energiewirkungsgrad. Abb. 4 zeigt das Verhältnis zwischen Energiewirkungsgrad und Temperaturwirkungsgrad bei verschiedenen Ablufttemperaturen für eine Zulufttemperatur von 18 °C.

Bei einem Temperaturwirkungsgrad über 80 %, also bei der Verwendung eines rotie­renden Wärmeübertragers, kann der Heiz­energiebedarf für den Lufterhitzer im Prinzip vernachlässigt werden, insbesondere wenn man berücksichtigt, dass er nur benötigt wird, wenn die Außentemperatur extrem niedrig ist. Die Installation von Register- oder Plattenwärmeübertragern statt rotierender Wärmeübertrager kann also deutlich höhere Kosten für Energie und Betrieb verursachen. Aus ­diesem Blickwinkel ist eine Erhöhung des Luftvolumenstroms nur eine absichernde (und oft nicht notwendige) Maßnahme, um das höhere Potenzial rotierender Wärmeübertrager nutzen zu können und faktisch Energie zu sparen.

Ausblick

Die Energiebilanz von Gebäuden steht heute und in Zukunft ständig im Fokus, nicht zuletzt aufgrund der EU-Gebäuderichtlinie Webcode 296893. Gründe hierfür sind der hohe Endenergieverbrauchsanteil von Gebäuden in der EU von etwa 40 %, aber auch die über­proportional steigenden Energiepreise und die hohe Importabhängigkeit der EU bei Energie, insbesondere bei Energieträgern zur Wärme­erzeugung. Die mittel- und langfristigen Minderungsziele erfordern die Installation von ­besonders energieeffizienten Anlagen und ­damit auch einer hochgradigen Wärmerück­gewinnung. Deswegen – und unter Berück­sichtigung weiterer Aspekte, wie das Rauchverbot in öffentlichen Gebäuden in weiten Teilen Europas, der Entwicklung moderner Lüftungsgeräte und effektiver Filter – werden zunehmend rotierende Wärmeübertrager bei Neubauten, Renovierungsprojekten und Maßnahmen zur Steigerung der Energieeffizienz ein­gesetzt werden. •

Dieser Fachartikel wurde in Zusammenarbeit der CIT Energy Management AB in Göteborg und der Swegon Air Academy, Swegons grenz­überschreitendem Forum für Klima-Kompetenz und objektiven Wissensaustausch, erstellt.

1) Siehe unter anderem: Transfer of pollutants in rotary air-to-air heat exchangers – a literature survey/state of the art review by Svein Ruud at SP (Technical Research Institute of Sweden). SP Report 1993:03.

2) Locum ist eine der größten schwedischen Immobilienverwaltungen und verwaltet vor allem Krankenhäuser im Großraum Stockholm.

„Zentrale RLT-Geräte – Potenzial der Wärmerückgewinnung“, Christoph Kaup, TGA Fachplaner 12-2009 oder Webcode 264953auf https://www.tga-fachplaner.de/:

Eine Studie des Umweltcampus Birkenfeld in Zusammenarbeit mit dem Herstellerverband Raumlufttechnische Geräte hat erstmals untersucht, welche primärenergetische sowie markt- und volkswirtschaftliche Bedeutung die von der EnEV 2009 vorgeschriebene Wärmerückgewinnung bei zentralen raumlufttechnischen Geräten hat. Gleichzeitig sprechen die Erkenntnisse der Studie für eine Neubewertung der Wärmerückgewinnung und ihre Gleichstellung mit erneuerbaren Energien im EEWärmeG.

TGA-Planer: Rotierende Wärmeübertrager sind heute erheblich besser als ihr Ruf. Erfolgreiche Referenzen belegen, dass Vorbehalte unbegründet sind und systembedingte Nachteile einfach kompensiert werden können. Der Übertragung von Gerüchen kann durch Aktivkohlefilter begegnet werden.

Anlagenbauer: Richtig geplante und ausgeführte Lüftungskonzepte mit rotierenden Wärmeübertragern können den Platzbedarf verringern und kommen häufig ohne Nacherwärmung der Zuluft aus.

Bauherren: Rotierende Wärmeübertrager ermöglichen eine besonders hohe Energierückgewinnung, erhebliche Energiekosteneinsparungen und sind somit eine lohnende Investition. In Schweden werden sie sogar in Krankenhäusern eingesetzt.

Wärmerückgewinnung mit RLT-Anlagen

Wärmerückgewinnung ist mittlerweile gesetzliches Pflichtprogramm, zumindest beim Neubau und bei Maßnahmen an bestehenden Lüftungsanlagen. Zum Beispiel EnEV § 15 Klimaanlagen und sonstige Anlagen der Raumlufttechnik, Absatz 5:

„Werden Anlagen nach Absatz 1 Satz 1 [Anmerkung: das sind raumlufttechnische Anlagen, die für einen Volumenstrom der Zuluft von wenigstens 4000 m³/h ausgelegt sind] in Gebäude eingebaut oder Zentralgeräte solcher Anlagen erneuert, müssen diese mit einer Einrichtung zur Wärmerückgewinnung ausgestattet sein, die mindestens der Klassifizierung H3 nach DIN EN 13053: 2007-09 entspricht. […].“

Diese Anforderung belegt indirekt die hohe Wirtschaftlichkeit der Wärmerückgewinnung bei Lüftungsanlagen. Denn der Bundesregierung ist bei der Ausgestaltung der EnEV ein enger Rahmen vorgegeben. Energieeinsparungsgesetz – EnEG § 2 Energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden:

„1) Wer Heizungs-, raumlufttechnische, Kühl-, Beleuchtungs- sowie Warmwasserversorgungsanlagen oder -einrichtungen in Gebäude einbaut oder einbauen lässt oder in Gebäuden aufstellt oder aufstellen lässt, hat bei Entwurf, Auswahl und Ausführung dieser Anlagen und Einrichtungen nach Maßgabe der nach den Absätzen 2 und 3 zu erlassenden Rechtsverordnungen dafür Sorge zu tragen, dass nicht mehr Energie verbraucht wird, als zur bestimmungsgemäßen Nutzung erforderlich ist.

(2) Die Bundesregierung wird ermächtigt, durch Rechtsverordnung mit Zustimmung des Bundesrates vorzuschreiben, welchen Anforderungen die Beschaffenheit und die Ausführung der in ­Absatz 1 genannten Anlagen und Einrichtungen genügen müssen, damit vermeidbare Energie­verluste unterbleiben. Für zu errichtende Gebäude können sich die Anforderungen beziehen auf […] den Einsatz von Wärmerückgewinnungsanlagen […].

(3) Die Absätze 1 und 2 gelten entsprechend, soweit in bestehende Gebäude bisher nicht vorhandene ­Anlagen oder Einrichtungen eingebaut oder vor­handene ersetzt, erweitert oder umgerüstet werden. Bei wesentlichen Erweiterungen oder Umrüstungen können die Anforderungen auf die gesamten Anlagen oder Einrichtungen erstreckt werden. Außerdem können Anforderungen zur E­rgänzung der in Absatz1 genannten Anlagen und Einrichtungen mit dem Ziel einer nachträg­lichen Verbesserung des Wirkungsgrades und einer Erfassung des Energieverbrauchs gestellt werden. […]“

Die Wärmerückgewinnung ist gemäß Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz – EEWärmeG zwar keine „erneuerbare Energie“, wird jedoch als Ersatzmaßnahme anerkannt. Das EEWärmeG ­verpflichtet die Eigentümer von neu errichteten Gebäuden den Wärmeenergiebedarf durch die anteilige Nutzung von erneuerbaren Energien zu decken. Die Pflicht gilt jedoch u.a. auch dann als erfüllt, wenn der Wärmeenergiebedarf zu ­mindestens 50 % aus Anlagen zur Nutzung von ­Abwärme gedeckt wird. Sofern Abwärme durch raumlufttechnische Anlagen mit Wärmerück­gewinnung genutzt wird, gilt diese Nutzung jedoch nur dann als Ersatzmaßnahme wenn der Wärmerückgewinnungsgrad der Anlage mindestens 70 % beträgt. Zusätzlich muss die Leistungszahl, die aus dem Verhältnis der aus der Wärmerückgewinnung stammenden und genutzten Wärme zum Stromeinsatz für den Betrieb der raumlufttechnischen Anlage ermittelt wird, mindestens 10 betragen.

Für die meisten Gebäude / Gebäudenutzungen ist es nicht realistisch, den Wärmeenergiebedarf zu 50 % über einen Wärmeübertrager in der Lüftungsanlage zu decken. Hier lässt des „Wärmegesetz“ jedoch zu, erneuerbare Energien im Sinne des Gesetzes sowie die benannten Ersatzmaßnahmen miteinander zu kombinieren.

Tipp: Das Fachinstitut Gebäude-Klima FGK hat im Oktober 2010 den Status-Report Nr. 20 „Die Bewertung von Wärmerückgewinnung und Regenerativen Energien in RLT-Anlagen für Nichtwohngebäude nach EEWärmeG“ veröffentlicht. Auf sechs Seiten beschreibt die Arbeitshilfe die Randbedingungen, die Berücksichtigung der Kühlung sowie die Nachweisverpflichtungen zur Erfüllung des EEWärmeG. Webcode 294189