Potenzial der Wärmerückgewinnung

Wärmerückgewinnungssysteme werden seit Jahren zur effizienten Reduktion des benötig­ten thermischen Primärenergiebedarfs in raumlufttechnischen Geräten und Anlagen eingesetzt. Diese Effizienzmaßnahme gehört spätes­tens seit Inkrafttreten der Energieeinsparverordnung (EnEV 2009) [1] am 1. Oktober 2009 explizit zum Stand der Technik: In § 15 werden nun für sämtliche raumlufttechnischen Anlagen ab einem Volumenstrom von 4000 m³/h Wärmerückgewinnungseinrichtungen entsprechend der Klasse H3 nach DIN EN 13053 [2] zwingend gefordert.

Und auch gemäß des EEWärmeG [3] wird die Wärmerückgewinnung (WRG) seit dem 1. Januar 2009 als Ersatzmaßnahme faktisch gleichwertig zu den regenerativen Energien bewertet, wenn die Gütekriterien einer Leistungsziffer¹⁾ von mindes­tens 10 und ein Übertragungsgrad von mindestens 70 % erreicht werden. Dies unterstreicht deutlich die Bedeutung der WRG.

Bisher wurde normativ die Wärmerückge­winnung in verschiedenen Regelwerken durch eine „Sollvorschrift“ gefordert. „Sollen“ bedeutet normativ jedoch „müssen“, wenn man „kann“. Mit dem Inkrafttreten der EnEV 2009 gibt es nun keinen Spielraum mehr, Gründe für den Einsatz oder Nichteinsatz von WRG-Einrichtungen zu suchen.

Neben dem geforderten Temperaturänderungsgrad wird die Effizienz der Wärmerückge­winnung auch durch die maximalen Druckverluste auf den Medienseiten bestimmt. Sowohl die DIN EN 13053 als auch die VDI-Richtlinie 3803 [4] definieren neben den Mindestrückwärmzahlen die maximalen Druckverluste auf der Luftseite der WRG bei einem ausgeglichenen Massenstromverhältnis. Hierauf nimmt die EnEV 2009 direkten Bezug.

Es stellt sich dabei unter markt- und volkswirtschaftlichen Gesichtspunkten immer wieder die Frage, welchen Anteil die von der EnEV 2009 erfassten Anlagen am Gesamtprimärenergiebedarf in der Bundesrepublik Deutschland haben. Dies zu beantworten war das Ziel einer umfangreichen Studie, die der Umweltcampus Birkenfeld in Zusammenarbeit mit dem Herstellerverband Raumlufttechnische Geräte e.V. erstellt hat [5].

Nichtwohngebäude

Normativ wird der Bestand an Gebäuden in Wohn- und Nichtwohngebäude (WG und NWG) eingeteilt. Bei den Letztgenannten handelt es sich um Bauwerke, die keine Wohnungen beinhalten und die überwiegend für Nichtwohnzwecke bestimmt sind. Hierzu gehören Büro- und Verwaltungsgebäude, Läden und Kaufhäuser, Kliniken und Krankenhäuser, Schulen und Gewerbebauten und „sons­tige Nichtwohngebäude“, wie Universitäts- und Hochschulgebäude, Gebäude von Sportanlagen, Theater, Kirchen und Versammlungsstätten.

Wird mindestens die Hälfte der Gesamtnutzfläche für Wohnzwecke genutzt, gilt das Gebäude als Wohngebäude. Bauten, die nicht von Wänden umschlossen sind, und freistehende selbstständige Konstruktionen gelten nicht als Gebäude und damit auch nicht als Nichtwohngebäude. Die Anzahl der Wohngebäude mit 17,3 Mio. Einheiten ist deutlich größer als der Bestand an Nichtwohngebäuden mit ca. 1,5 Mio. Einheiten (Bild 1). Dieser Sachverhalt ist jedoch nicht entscheidend. Denn es ergeben sich ganz andere Verhältnisse, wenn man die Flächenanteile der Gebäude betrachtet (Bild 2).

Im Rahmen einer Enquete-Studie wurde der Gebäudebestand Deutschlands bis Dezember 1991 beschrieben. Ein Kriterium der Erfassung war u.a. die Verteilung der Gesamtnutzfläche (NF) bezogen auf Nutzungsklassen und Baualtersklassen. Demnach stellen Wohngebäude mit Einfami­lienhäusern (EFH), Reihenhäusern (RH) und Mehrfamilienhäusern (MFH) 50,5 % der gesamten bebauten Flächen. Nichtwohngebäude umfassen demnach 49,5 % des bebauten Bestands. Insbesondere Industrie (10 %), Lager (12 %) und sons­tige NWG (11 %) stellen die höchsten Anteile dieses Gebäudetyps. Die Flächenverteilungen zwischen Wohn- und Nichtwohngebäuden ist also ausgeglichen. Rund 75 % dieses Bestands wurden vor 1975 errichtet.

Bezogen auf die Raumlufttechnik bestehen zwar keine gesicherten Studien zum Anteil der Nutzung der Technik in den einzelnen Gebäudetypen, aber es kann als begründet angenommen werden, dass raumlufttechnische Anlagen in Nichtwohngebäuden heute wesentlich häufiger verwendet werden als in Wohngebäuden, womit die Wohnraumlüftung eine geringere energetische Bedeutung hat als die Raumlufttechnik in Nichtwohngebäuden. Berücksichtigt man die unterschiedlichen Raumhöhen der NWG, kann bezogen auf die Raumvolumen ein energierelevantes Verhältnis von etwa 63,5 % (NWG) zu 36,5 % (WG) abgeschätzt werden.

Größenverteilung zentraler RLT-Geräte

In Nichtwohngebäuden wird zwischen zent­raler und dezentraler Raumlufttechnik unterschieden. Da dezentrale Geräte bauartbedingt meistens Volumenströme unter 4000 m³/h fördern, werden sie nicht von der EnEV 2009 erfasst.

Im Mittelpunkt der weiteren Betrachtungen steht somit die Anwendung von zentralen raumlufttechnischen Geräten. Hierzu wurden zwei Datenbanken bei zwei verschiedenen Herstellern von raumlufttechnischen Geräten analysiert. Ziel war es, repräsentative Daten über die Verteilung der tatsächlich in der Praxis verwendeten Volumenströme zu erhalten. Die beiden Datenbanken stellten 30022 bzw. 53597 Datensätze zur Verfügung, die in den vergangenen ca. zehn Jahren erfasst worden sind. Eine der Datenbanken erfasst sämtliche in dem Unternehmen eingegangenen An­fragen zu konkreten Projekten. Sie erlaubt damit einen guten Überblick über die üblichen Marktanforderungen.

Die zweite Datenbank beinhaltet sämtliche angebotenen raumlufttechnischen Geräte des betreffenden Herstellers der vergangenen Jahre mit einer Gesamtzahl von über 53000 Geräten. Auch sie repräsentiert den typischen Bedarf an zentralen RLT-Geräten. Beide Verteilungen gibt Bild 3 wieder.

Es ist ersichtlich, dass die Analysen der beiden Datenbanken sehr gut korrelieren. Nur außerhalb des EnEV-Anwendungsbereichs bei Geräten mit weniger als 2000 m³/h Luftmenge existieren signifikante Unterschiede in der Verteilung. Über 130000 m³/h sind nur noch geringe Ausprägungen (3/h. In der weiteren Betrachtung wurde der gewichtete Mittelwert der beiden Analysen herangezogen.

Aus der Luftmengenverteilung (Bild 4) und aus den Summenhäufigkeiten (Bild 5) wird auch ersichtlich, dass die EnEV 2009 nur für 71 % aller RLT-Geräte zutrifft. 29 % aller RLT-Geräte sind kleiner als 4000 m³/h. Aus den Einzelwerten je Luftmengenverteilung wurden die Summenhäufigkeiten (Bild 5) bestimmt. Aus dieser Berechnung ergibt sich als Mittelwert der Luftmengen ein Wert von 7500 m³/h bezogen auf die Luftmengenverteilung im Verhältnis zu den Stückzahlen an RLT-Geräten.

Marktvolumen zentraler RLT-Geräte

Das Marktvolumen zentraler raumlufttechnischer Geräte, das durch die Mitgliedsfirmen des Herstellerverbands Raumlufttechnische Geräte abgedeckt wird, beläuft sich auf durchschnittlich ca. 370 Mio. Euro (Tabelle 1).

Der Anteil an RLT-Geräten mit WRG belief sich im Durchschnitt der letzen drei Jahre auf ca. 30 %. Jedoch nicht alle RLT-Geräte können mit einer WRG ausgestattet werden. Der Anteil der RLT-Geräte, bei denen diese Ausstattung möglich ist, liegt laut Dissertation Beck [6] bei 79 %. In einer weiteren Studie zur Elektroenergieeffizienz am Umweltcampus Birkenfeld wurde der Wert mit 80,9 % bestätigt [7]. Im Folgenden wird mit 79 % der ungünstigere Wert angesetzt. Dieser repräsentiert damit 34141 Geräte. Von diesen wiederum sind durchschnittlich 37,7 % der RLT-Geräte mit WRG ausgestattet. Erkennbar ist eine stark steigende Tendenz, in 2008 sind schon 46,7 % aller ausstattungsfähigen Geräte mit WRG ausgerüstet worden. Es ist auch zu vermuten, dass insbesondere kleine Geräte nicht mit WRG-Einrichtungen ausgestattet werden. Da hierzu jedoch keine gesicherten Studien vorliegen, wird im Weiteren eine gleichmäßige Verteilung der WRG-Nutzung vorausgesetzt (worst case-Betrachtung).

Das gesamte Marktvolumen von RLT-Geräten in Deutschland wird nicht von den Mitgliedsfirmen des Herstellerverbands allein abgedeckt. Analysiert man die Bilanzen weiterer deutscher Herstellerfirmen, ergibt sich für diese ein hinzuzurechnendes Umsatzvolumen von 156,4 Mio. Euro/a. An dem Gesamtvolumen des deutschen Markts von rund 530 Mio. Euro/a haben die Mitgliedsfirmen des Herstellerverbands demnach einen Anteil von 70,5 %.

Wärmebedarf der Raumlufttechnik

Der Wärmebedarf im 24-h-Dauerbetrieb (8760 h/a) der Anlagen liegt bei 31,33 kWh/(m³/h)/a [6]. Da RLT-Anlagen jedoch nicht im Dauerbetrieb, sondern meist im Einschichtbetrieb genutzt werden, wurde die durchschnittliche Laufzeit der Anlagen mit 2350 h/a festgelegt. Dafür ergibt sich ein Wärmebedarf von 8,4 kWh/(m³/h)/a. Bewertet man die Anzahl der RLT-Geräte nach der vorliegenden Luftmengenverteilung mit dem spezifischen Wärmebedarf, wird deutlich, dass der Schwerpunkt nun nicht mehr bei kleinen Luftmengen liegt, sondern der Luftmengenbereich von rund 20000 bis etwa 100000 m³/h signifikant herausragt (Bild 6).

Bildet man jetzt die Summenhäufigkeiten der Wärmearbeiten (Bild 7), ergibt sich ein Mittelwert aller Anlagen, der nicht mehr bei 7500 m³/h liegt, sondern bei 28750 m³/h. Und man erkennt, dass die RLT-Geräte unter 4000 m³/h einen wesentlich geringeren Anteil von nur noch 4 % am Gesamtwärmebedarf aller RLT-Geräte haben.

Insofern ist die Luftmengengrenze der EnEV 2009 mit 4000 m³/h tolerierbar, wenn es nicht durch Umgehungshandlungen zu einer Verschiebung der bestehenden Luftmengenverteilung kommt. Es wird zugleich ersichtlich, dass insbesondere in Nichtwohngebäuden ein wesentliches Augenmerk auf Anlagen mit großen Luftmengen gelegt werden muss. Denn hier sind die größten Einsparpotenziale zu erreichen. Außerdem sind in großen Anlagen auch komplexe und hocheffiziente WRG-Systeme sehr wirtschaftlich einsetzbar, da bei großen Luftmengen der spezifische Investitionsbedarf geringer ist.

Die Nutzungszeit der RLT-Anlagen wird in der Literatur meist mit 15 Jahren angegeben. Eine ­Befragung im Herstellerverband ergab eine tatsächliche Laufzeit der Anlagen von mindestens 20 Jahren.

Wenn man nun davon ausgeht, dass der ­heutige Bestand mit einer Wachstumsrate bezogen auf Stückzahlen von 1 % (38000 Anlagen in 1997 zu 43200 Anlagen in 2008) aufgebaut wurde und zusätzlich eine Ausfallquote (Ver­schrottung etc.) von ebenfalls 1 % angenommen wird, ergibt sich ein abgezinster Multiplikator der Anlagen (Basis 2 %) von 20 · (1–0,02)²⁰ = 13,4 Jahre.

Berechnet man mit diesem Multiplikator statt der linearen Laufzeit den Wärmebedarf der RLT-Geräte, ergibt sich ein differenziertes Bild, das in Abhängigkeit von den einzelnen Szenarien be­wertet werden muss (Bild 8).

Der Status quo wurde mit den Mindestwerten (Wärmerückgewinnungsgrad) nach DIN EN 13053 H3 berechnet. Gleichzeitig wurde die aktuelle WRG-Nutzungsquote laut Marktabfrage berücksichtigt. Die Säule „(EnEV)“ ergibt sich, wenn zukünftig sämtliche Anlagen mit WRG gemäß Klasse H3 nach DIN EN 13053 ausgestattet werden. Allerdings haben alte Anlagen auch nach EnEV 2009 einen Bestandsschutz, sodass sich erst über die Nutzungszeit von bis zu 20 Jahren das gesamte Potenzial der WRG-Nutzung entfalten kann (Bild 9). Des Weiteren zeigt Bild 9 die Möglichkeiten, die eine verstärkte Nutzung der heutigen Klasse H1 nach DIN EN 13053, der flächendeckende Einsatz der WRG nach EEWärmeG oder die geplante Änderung (Amendment) der Klasse H1 der DIN EN 13053 bieten können.

Würde künftig ein stärkerer Wert auf besonders effiziente WRG-Systeme gelegt, was auch politisch durchsetzbar und wirtschaftlich vertretbar ist, dann könnte das Potenzial von heute ca. 15 auf 60 TWh/a (Amendment EN 13053 H1 mit 0,75) gesteigert werden. Bezogen auf CO₂-Einsparpotenziale ergibt sich ein ähnliches Ergebnis (Bild 10). Auch monetär lässt sich der Einspar­effekt bewerten (Bild 11).

Aus den Betrachtungen wird deutlich, dass die Wärmerückgewinnung in zentralen raumlufttechnischen Anlagen ein erhebliches Potenzial aufweist. Bis zu 20 Mio. t/a CO₂ und bis zu 3 Mrd. Euro/a ließen sich durch die konsequente und hocheffiziente Nutzung der WRG in raumluft­technischen Geräten einsparen. Eine Entwicklung zu immer effizienteren WRG-Systemen ist auch normativ und auch auf europäischer Ebene zu konstatieren und muss politisch im Rahmen der Klimaschutzziele der Bundesregierung auf­gegriffen werden.

Flächenanteil zentraler RLT-Geräte

Das durch RLT-Geräte versorgte Gebäude­volumen, das dem Herstellerverband Raumlufttechnische Geräte pro Jahr zugeordnet werden kann, beträgt bei einer angenommenen zwei­fachen Luftwechselrate 319,2 Mio. m³. Berücksichtigt man den Marktanteil des Herstellerverbands von 70,5 %, ergibt sich ein versorgtes Gesamtgebäudevolumen von insgesamt 452,8 Mio. m³ pro Jahr. Bei einer mittleren Raumhöhe von 2,5 m errechnet sich damit eine Flä­che von 181,1 Mio. m². Berücksichtigt man die abgezinste Laufzeit von 13,35 Jahren, errechnet sich eine belüftete Gesamtfläche von 2,418 Mrd. m². Dies entspricht 9,3 % der gesamten Flächen in Nichtwohngebäuden in Deutschland mit insgesamt 26,2 Mrd. m². Dies unterstreicht die große Bedeutung der zentralen Raumlufttechnik, die aufgrund ihres ­ernormen Energieeinsparpotenzials künftig eine immer größere Rolle spielen wird.

Fazit

Die Studie zeigt, dass die Wärmerückgewinnung aus RLT-Anlagen ein erhebliches Energieeinspar-Potenzial birgt. Auch wird deutlich, dass insbesondere der Nichtwohngebäudebestand einen wesentlichen Beitrag dazu leisten kann. Aufgezeigt wird auch, dass der Markt für große Anlagen ein enormes Einsparpotenzial darstellt und als „schlafender Riese“ bezeichnet werden kann. Denn bei großen Volumenströmen lassen sich hocheffiziente WRG-Systeme mit hoher Wirtschaftlichkeit integrieren, weil dann die spezifische Investition am geringsten ist. Darum müssen gerade hier die politischen Rahmenbedingungen attraktiv gestaltet werden.

Mit der Gültigkeit der EnEV 2009 sind die ersten Ansätze geschaffen worden, die auch im EEWärmeG fortgeführt worden sind. Ein weiteres Ziel muss die Anpassung der Gesetze an die gewonnenen Erkenntnisse sein. Denn die Rückgewinnung von Wärme aus dem Fortluftstrom von Gebäuden ist eine wichtige Maßnahme zur Senkung des Endenergiebedarfs für die Raumwärmebereitstellung. Sie wird allerdings nicht als regenerative Energieform im eigentlichen Sinne anerkannt.

Es ist aber unplausibel, dass Abwärme auf einem höheren Temperatur- und damit Energie­niveau als Ersatzmaßnahme und nicht als erneuerbare Energie gemäß EEWärmeG betrachtet wird, während dieselbe Wärme, „nach außen gelüftet“ und durch den Mischprozess mit kühlerer Außenluft abgekühlt, als „Umweltwärme“ und damit als erneuerbare Energie gilt, obwohl letztere unter Aufwand von Energie (z.B. mithilfe einer elektrischen Wärmepumpe) auf das Temperaturniveau der Gebäude gehoben werden muss. Abwärme ist nicht nur darum der Umweltwärme vorzuziehen, sondern auch aus Gründen der effizienten, einfachen und bedarfsgerechten Nutzung.

Es muss deswegen gefordert werden, dass Abwärme als regenerative Energieform im eigentlichen Sinne zu werten ist. Denn durch die Lüftung mit WRG ergeben sich er­hebliche Einsparungen des Gesamtenergiebedarfs. Dies stellt diese Studie eindrucksvoll unter Beweis.

Kommen erneuerbare Energien als Primär­energie zum Einsatz, die gefördert werden, so dient die WRG einer wesentlich effizienteren Nutzung der erneuerbaren Wärme, denn in Kom­bination mit erneuerbarer Energie wirkt die WRG wie eine Effizienzmaßnahme der Heizung und Kühlung. Dies steigert die Rechtfertigung, WRG als regenerative Energie zu betrachten und zu fördern, weil so der eingesetzte erneuerbare Brennstoff (oder die Solarenergie) einen größeren Nutzen erzielt.

Förderte man WRG in Kombination mit er­neuerbaren Energien, wäre es aber widersinnig, diese nicht auch in Verbindung mit fossilen Energien zu fördern, da in diesen Einsatzfällen fossile Brennstoffe und CO₂-Emissionen in er­heblichem Umfang eingespart werden. Der Einbau einer WRG senkt den Heizwärmebedarf und damit den Brennstoffbedarf erheblich. Eine solche Maßnahme ist ein wichtiger Schritt zu einer zukunftsfähigen technischen Gebäude­ausrüstung.

¹⁾ Verhältnis der Wärmeleistung zur elektrischen Leistung nach DIN EN 308, Wärmeaustauscher – Prüfverfahren zur Bestimmung der Leistungskriterien von Luft/Luft- und Luft/Abgas-Wärmerückgewinnungsanlagen, Juni 1997

Literatur

[1] Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und ­energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden (Energie­einsparverordnung – EnEV), Oktober 2009

[2] DIN EN 13053 Lüftung von Gebäuden – Zentrale raum­lufttechnische Geräte – Leistungskenndaten für Geräte, Kom­ponenten und Baueinheiten, November 2007

[3] Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärme­bereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz – EEWärmeG)

[4] VDI 3803 Raumlufttechnik – Bauliche und technische ­An­forderungen an zentrale Raumlufttechnische Anlagen (VDI-Lüftungsregeln), Juni 2008

[5] Kaup Christoph: WRG-Studie. Umweltcampus Birkenfeld, FH Trier, in Zusammenarbeit mit dem Herstellerverband Raumlufttechnische Geräte e.V., 2009

[6] Beck, E.: Dissertation: Energieverbrauch, -einsparpotential und -grenzwerte von Lüftungsanlagen, Universität und Gesamthochschule Kassel, 2000

[7] Studie zur Elektroenergieeffizienz in RLT-Geräten, Umweltcampus Birkenfeld, 2009

Das Gesetz zur Förderung Erneuerbarer Energien im Wärmebereich (Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz – EEWärmeG) definiert in § 2 Begriffsbestimmungen: „(1) Erneuerbare Energien im Sinne dieses Gesetzes sind 1. die dem Erdboden entnommene Wärme (Geothermie), 2. die der Luft oder dem Wasser entnommene Wärme mit Ausnahme von Abwärme (Umweltwärme) […]. (2) Im Sinne dieses Gesetzes ist 1. Abwärme die Wärme, die aus technischen Prozessen und baulichen Anlagen stammenden Abluft- und Abwasserströmen entnommen wird […].“ Das EEWärmeG findet sich als Download auf: http://www.bundesrecht.juris.de/eew_rmeg

Dr.-Ing., ist Lehrbeauftragter für Energieeffizienz und Wärmerückgewinnung am Umweltcampus Birkenfeld der FH Trier, Vorstandsmitglied und Obmann für Technik des Herstellerverbands Raumlufttechnische Geräte e.V., Geschäfts­führender Gesellschafter der Howatherm Klimatechnik GmbH (https://www.howatherm.de/de/home/) in Brücken und Mitglied in verschiedenen Normungs­gremien, z.B. DIN EN 13779, DIN EN 13053, DIN EN 1886 und in Richtlinienausschüssen, z.B. VDI 6022, VDI 3803 und VDI 2071.