Wärmerückgewinnung, Kälterückgewinnung Feuchterückgewinnung, Nachtkühlung, Multifunktionale Nutzungskonzepte
Gewinnzone: Energieeinsparung
Durch steigende Kosten für Energie, ein zunehmendes Umweltbewusstsein und wachsende behördliche Auflagen kommt der energieeinsparenden Entwicklung der Lüftungstechnik immer größere Bedeutung zu.
Energierückgewinnung bedeutet geringeren Energieverbrauch für die gleiche Leistung, weniger Schadstoffemissionen, besseren Umweltschutz und nicht zuletzt niedrigere Betriebskosten.
Kälterückgewinnung
Wenn im Sommer (Kühlfall) hohe Außentemperaturen herrschen, wird mit der kälteren Abluft die warme Außenluft vorgekühlt.
Die Rückgewinnung von Kälteleistung aus der Abluft spart viel Energie für die Kühlung der Zuluft ein. Dadurch kann eine Kältemaschine mit geringerer Leistung, geringerem Energiebedarf / Betriebskosten und geringeren Investitionskosten eingesetzt werden. Nahezu alle Wärmerückgewinner können in der Prozessumkehr auch zur Rückgewinnung der Kälte verwendet werden.
Kälte aus adiabater Befeuchtung
Zusätzlich kann über eine effiziente Wärmerückgewinnung (WRG) die Abluft in Kombination mit einem adiabaten Befeuchtungssystem weiter abgekühlt werden. Über die effiziente WRG wird die so gewonnene Kälteleistung in die Zuluft übertragen. Der für die Zuluftkühlung erforderliche
Kälteerzeuger kann kleiner dimensioniert werden oder komplett entfallen.
Wärmerückgewinnung
Im Winter (Heizfall) wird der warmen Abluft, die aus dem Gebäude abgeführt wird, ein großer Teil ihrer thermischen Energie entzogen, dem kalten Außenluftstrom zugeführt und vorerwärmt.
Wärme aus Kälteprozessen
Schon kleine Kälteanlagen erzeugen so viel Abwärme, dass sich die Nutzung dieser Abwärme schnell amortisiert. Dieser Effekt wird durch Energiepreissteigerungen noch beschleunigt.
Wärme aus Entfeuchtung
Bei der Verflüssigung von Wasserdampf wird Wärme frei, die im Wege der Rückgewinnung genutzt werden kann. Vor allem in Schwimmbädern lässt sich die Wärmerückgewinnung durch Entfeuchtung besonders effektiv nutzen.
Feuchterückgewinnung
Die Zuluftbefeuchtung über Rückgewinnung der Feuchte aus der warmen Abluft verbessert das Raumklima und reduziert im Winter den Energieverbrauch von RLT-Anlagen mit Raumluftfeuchteregelung.
Anlagen mit Feuchterückgewinnung sind insgesamt wesentlich energieeffizienter als Anlagen ohne Feuchterückgewinnung. In RLT-Anlagen mit Kühlung reduziert die Feuchteübertragung die notwendige Kälteleistung.
Die Klimaanlage kann eventuell kleiner ausgelegt werden, weil sie bis zu 20 % weniger Leistung erbringen muss. Das spart Investitions- und Betriebskosten.
Bis zu 60% der Energiekosten lassen sich mit effizienten und gut geplanten WRG-Systemen im Jahresmittel einsparen!
Energieeffizienz ist immer wirtschaftlich
Höhere Investitionen für besonders energieeffiziente WRG-Systeme rechnen sich in Abhängigkeit von den Betriebsstunden der Anlage innerhalb sehr kurzer Zeit.
Meister der Effizienz
Laut DIN EN 13053 und Ökodesign-Richtlinie1253/2014 wird der Energieverbrauch von RLT-Zentralen in der Hauptsache durch folgende Faktoren beeinflusst:
- Wirkungsgrad und Druckverlust der Wärmerückgewinnung
- Luftgeschwindigkeit im Gerätequerschnitt elektrische Leistungsaufnahme der Motor-/Ventilatoreinheit
- Druckverlust der Einbauteile
Diese Kriterien werden als Basis für die Einteilung der Effizienzklassen verwendet und in der Auslegungssoftware bei WOLF Geisenfeld bei der Berechnung berücksichtigt. Ziel ist es, die Effizienzstufe des jeweiligen Geräts für den Kunden deutlich darzustellen und sie transparent und vergleichbar zu machen. Die durch den TÜV-Süd und EUROVENT geprüfte und zertifizierte Auslegungssoftware stellt die Richtigkeit und Verlässlichkeit der Daten sicher.
Wärmerückgewinnungs-Systeme
Rekuperative Systeme
Bei der rekuperativen Wärmerückgewinnung wird die Energie (Wärme / Kälte) durch eine feste Trennwand direkt vom Abluft- auf den Zuluftstrom übertragen. Die Luftströme sind konstruktiv luftdicht getrennt.
Eine Stoffübertragung ist nicht möglich.
Je nach deren Bauform spricht man von
- Kreuzstrom-Plattenwärmetauschern,
- Gegenstrom-Plattenwärmetauscher oder
- Röhrenwärmetauschern.
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal bei den rekuperativen Systemen ist die Schaltung der beiden Luftströme, die entweder im
- Kreuzstrom oder
- Gegenstrom betrieben werden.
Der Plattenabstand und die Profilierung ist für diese Art von Wärmetauschern ein wichtiges Kriterium. Mit kleinen Abständen lässt sich bei gleichem Querschnitt viel mehr Übertragungsfläche realisieren und auch mehr Leistung erzielen als bei größeren Abständen, jedoch steigt damit auch der Druckverlust und der elektrische Aufwand.
Optional
Ausführung als Enthalpie-Wärmetauscher mit Feuchteübertragung möglich (Diffusion über Spezialmembrane)
Regenerative Systeme
Bei der regenerativen Wärmerückgewinnung wird die Energie (Wärme/Kälte) indirekt über eine Speichermasse bzw. ein Zwischenmedium von der Abluft an die Zuluft übertragen. Eine Stoffübertragung ist teilweise möglich. Regenerative Wärmerückgewinnungssysteme gibt es in sehr unterschiedlichen Bauarten. Die VDI 3803-5 unterscheidet hier zwischen rotierenden und statischen Speichermassen. Andere Einteilungen unterscheiden Systeme mit und ohne Trennflächen.
Rotationswärmetauscher
mit umlaufender Speichermasse in Wellfolienstruktur aus Aluminium zur Rückgewinnung von Wärme und Feuchte sind das bekannteste System. Die rotierende Speichermasse des Rotors überträgt die Wärme und je nach Oberflächenausführung auch Feuchtigkeit von einem Luftstrom zum anderen.
Umschalt-Wärmetauscher (Wärme-Akkumulatoren)
bestehen aus zwei oder mehreren statischen Speichermassen, die abwechselnd von der Abluft „geladen“ und der vorbeistreichenden Außenluft „entladen“werden. Die Einbaumaße sind flexibel, Rückwärmezahl und Feuchteübertragung sind besonders hoch.
Hochleistungs-Kreislaufverbundsysteme (HKVS)
arbeiten mit einem Wasser-Glykol-Gemisch als Zwischenmedium in einem geschlossenen Rohrkreislauf zwischen Abluft und Außenluft. Die durch den Wärmetauscher der Abluft entzogene Wärme / Kälte wird über das Medium an den Wärmetauscher im Außenluftstrom übertragen. Die beiden Luftströme müssen dabei nicht zusammengeführt werden. Mit dem Leitungssystem können auch längere Distanzen überbrückt werden, deshalb ist eine räumlich getrennte Aufstellung von Zu- und Abluftgerät möglich.
Wärmepumpe
Auch die Verwendung von Wärmepumpen ist zur Wärmerückgewinnung möglich. Die Wärme wird dabei der Abluft entzogen und die Temperatur der Zuluft über die Wärmepumpe erhöht. Für den Kühlfall kann der Prozess umgekehrt werden.
Einzuhaltende Normen, Verordnungen, Richtlinien und Regelwerke
- Klassifizierung der Wärmerückgewinnung (DIN EN 13053)
- Kennzahlen von WRG-Systemen (VDI 3803-5)
- Richtlinie 2009/125/EG des Europäischen Parlaments und des Rates
- EU-Verordnung 1253/2014 der Kommission
- Gebäudeenergiegesetz (GEG) / DIN EN 13053
- VDI 3803 Blatt 5 Wärmerückgewinnungssysteme
in RLT-Anlagen
Mindestkriterien
- Trockener Wirkungsgradηt (%) ≥ 73 % Ausnahme: Kreislaufverbundsystem
- Trockener Wirkungsgradηt (%) Kreislaufverbundsystem ≥ 68 %
- System muss mit einer Leistungsregelung ausgestattet sein
- Einhaltung der Hygienevorschriften entsprechend Einsatzzweck nach VDI 6022, DIN EN 1946-4
- Minimierung von Leckage, SFP int. und Druckverlusten durch konstruktive Maßnahmen, Systemwahl und optimierte Anordnung in RLT-Anlagen
Planungscheckliste
Sorgfältige Planung ist die Gewähr für den größtmöglichen Spareffekt. Die folgenden Punkte sollten bei der Planung von Wärmerückgewinnungssystemen zwingend abgeklärt werden.
Daten präzise und praxisgerecht erfassen
Die Luftleistungen, die Temperaturen und die Feuchtebelastung am Tauschereintritt ermitteln. Vorsicht! Wenn die Auslegungswerte zu optimistisch gewählt werden, sind im praktischen Betrieb die prognostizierten Werte oft nicht zu erreichen.
Standort und Luftführung bestimmen
Hier lassen sich schon an der Basis Installations-kosten sparen. Oft wird damit auch das WRG-System festgelegt.
Erforderliche Luftqualität festlegen
Welche Ansprüche werden an die Luftqualität (Kontamination durch Systemundichtigkeit /Verschleppung) gestellt?
Feuchteübertragung
Soll Feuchte übertragen werden? Ist Feuchteübertragung nur im Winter oder auch im Sommer erforderlich?
Luftqualität der Abluft beachten
Sind giftige, korrosive, schädliche Stoffe in der Luft?
Regelung
Ist die Integration in bestehende Gebäudemanagement-Systeme erforderlich?
Kondensatanfall
Fällt Kondensat an? Wenn ja, welche Maßnahmen sind damit erforderlich?
Besteht Korrosionsgefahr?
Besteht Verschmutzungsgefahr?
Temperaturbereich
Sind Sonderausführungen bezüglich der Temperatur notwendig?
Wärmetauschersystem festlegen
Passendes System auswählen und bezüglich der Wirtschaftlichkeit optimieren.
Optimierung der Anlage
Kann mit der Wärme- / Kälte- / Feuchterückgewinnung die Wärme- / Kälte- / Feuchteerzeugung und -verteilung evtl. kleiner dimensioniert werden?
Spezifikation
Ausführung genau spezifizieren und sicherstellen,
dass die Vorgaben auch installiert werden.
Abnahme
Inbetriebnahme mit Leistungsprüfung durchführen.
Kreuzstrom-Plattenwärmetauscher
Plattenwärmetauscher zur Energierückgewinnung mit sich kreuzenden Luftströmen
Bei Kreuzstrom-Plattenwärmetauschern müssen die Luftströme von Zuluft und Abluft zusammengeführt sein, sind jedoch durch die Lamellen vollständig voneinander getrennt. Die Übertragung von Feuchte, aber auch von Schadstoffen ist deshalb in der Standardausführung nicht möglich.
Optional: Ausführung als Enthalpie-Wärmetauscher mit Feuchteübertragung (Spezialmembrane) möglich.
Durch reine Wärme- / Kälteleitung (rekuperativ) werden die Temperaturen der beiden Luftströme aneinander angeglichen.
Die trockene Rückwärmezahl beträgt bis zu 80 %. Der maximale Druckverlust richtet sich nach der DIN EN 13053 und Verordnung (EU) 1253/2014.
Die Leistungsregelungen erfolgt über einen stufenlos regelbaren Bypass. Plattenwärmetauscher sind ideal in Kombination mit einer adiabaten Kühlung einsetzbar.
Der Kreuzstromplattenwärmetauscher kann im Gleich- und Gegenstromprinzip ohne Leistungsminderung eingesetzt werden!
Gegenstrom-Plattenwärmetauscher
Plattenwärmetauscher zur Energierückgewinnung mit gegenläufigen Luftströmen
Bei Gegenstrom-Plattenwärmetauschern müssen die Luftströme von Zuluft und Abluft zusammengeführt sein, sind jedoch durch die Lamellen vollständig voneinander getrennt. Die Übertragung von Feuchte, aber auch von Schadstoffen ist deshalb in der Standardausführung nicht möglich. Optional ist die Ausführung als Enthalpie-Wärmetauscher mit Feuchteübertragung (Spezialmembrane) möglich.
Durch reine Wärme- / Kälteleitung (rekuperativ) werden die Temperaturen der beiden Luftströme aneinander angeglichen. Gegenstrom-Plattenwärmetauscher erreichen eine trockene Rückwärmezahl bis ca. 85 %. Die Leistungsregelung erfolgt über einen stufenlos regelbaren Bypass.
Der maximale Druckverlust richtet sich nach der DIN EN 13053 und Verordnung (EU) 1253/2014.
Gegenstrom-Wärmetauscher sind ideal in Kombination einer adiabater Kühlung einsetzbar. Der Gegenstrom-Plattenwärmetauscher darf nur im Gegenstromprinzip eingesetzt werden, da ansonsten die Übertragungsleistung auf 50 % sinkt
Rotationswärmetauscher
Wärmerückgewinnungssystem mit rotierender Speichermasse zur Wärmerückgewinnung / Feuchterückgewinnung / Entfeuchtung
Durch die Rotation wird die Speichermasse abwechselnd von der Abluft und der Außenluft durchströmt. Die Speichermasse nimmt dabei annähernd die Luftstromtemperaturen an, d. h. sie wird abwechselnd erwärmt und abgekühlt und überträgt so Energie zwischen den beiden Luftströmen.Die trockene Rückwärmezahl beträgt bis zu 85 %. Es können auch Stoffgrößen wie z. B. Feuchte, übertragen werden. Zuluft und Abluft müssen zusammengeführt sein. Die Ventilatoranordnung (Zu- / Abluft) und die internen Druckverhältnisse sind zu berücksichtigen, damit die Leckluftrate des Systems auf ein Minimum reduziert wird.
Durch die Einplanung von Spülzonen wird eine unerwünschte Kontamination der Zuluft mit Abluft minimiert. Der maximale Druckverlust richtet sich nach der DIN EN 13053 und Verordnung (EU) 1253/2014. Die Speichermasse (Sorptionsräder) von Entfeuchtungsrotoren ist mit einem hygroskopischen Material (Sorbens) beschichtet, an dem der Wasserdampf aus der Luft ein- bzw. angelagert wird. Der Regenerationsluftstrom nimmt diese Feuchte beim Durchströmen der Trägermasse wieder mit. Bei der Luftentfeuchtung (Schwimmbäder) sind frei werdende Wärmereserven der Feuchtluft (Kondensations- und Bindungswärme) zur Effizienzsteigerung nutzbar. Die Leistungsregelung erfolgt stufenlos über die Regelung der Rotationsgeschwindigkeit der Speichermasse. Der Rotationswärmetauscher darf nur im Gegenstromprinzip eingesetzt werden, da ansonsten die Übertragungsleistung auf 50 % sinkt!
Wärme-Akkumulator
Umschalt-Wärmetauscher zur Engergierückgewinnung
mit statischem Wärmespeicher
Der Wärme-Akkumulator ist ein Umschalt- Wärmetauscher mit zwei oder mehreren statischen, nicht bewegten Speichern zum Einbau in das Lüftungsgerät.
Durch ein vor- und nachgeschaltetes Klappensystem wird abwechselnd je ein Speicherblock geladen (Durchströmung mit Abluft), während gleichzeitig der andere entladen wird. (Durchströmung mit Außenluft).
Hierzu werden die Klappen lastabhängig umgeschaltet. Die Leistungsregelung erfolgt über das Regeln der Schaltzyklen. Die trockene Rückwärmezahl beträgt bis zu 90 %. Der maximale Druckverlust richtet sich nach der DIN EN 13053 und Verordnung (EU) 1253/2014. Der Wärme-Akkumulator darf nur im Gegenstromprinzip eingesetzt werden, da ansonsten die Übertragungsleistung auf 50 % sinkt!
Hochleistungskreislaufverbundsystem (HKVS)
Über Rohrnetz verbundene Hochleistungs-Wärmerückgewinnung als Kreislaufverbundsystem
Bei dem HKVS handelt es sich um ein regeneratives System mit Trennflächen, wobei keine Stoffgrößen übertragen werden können. Die Zuluft- und Abluftgeräte können lokal getrennt platziert werden.
Die Register in der Fortluft und der Außenluft sind durch das Rohrsystem aus Vor- und Rücklauf verbunden. Das System ist mit einem Gemisch aus Wasser / Frostschutz zum Schutz der Register und der Anlage gefüllt. Eine Hochleistungspumpe wälzt das Fluid im System um.
Das Register in der Abluft nimmt Wärme /Kälte auf und überträgt sie auf den Wasserkreislauf. Dieser transportiert die Wärme /Kälte zum Register in der Außenluft und überträgt hier die Wärme / Kälte auf
den Luftstrom.
Die HKV-Systeme erreichen trockene Rückwärmezahlen bis zu 85 %. Der luftseitige Druckverlust sollte bei maximal 250 Pa liegen.
Der maximale Druckverlust richtet sich nach der DIN EN 13053 und Verordnung (EU) 1253/2014.
Das HKV-System ist auch zur multifunktionalen Nutzung geeignet, z. B. kombiniert mit indirekt adiabater Kühlung, integrierter Nacherwärmung / Nachkühlung, integrierter freier Kühlung, integrierter Rückkühlung von Kältemaschinen, Brauchwasservorerwärmung mit Kältepotential-, Solar- und Abwärmenutzung.
HKVS mit integrierter Wärmepumpe
Wärmerückgewinnung mit integrierter Temperaturerhöhung
Wie beim HKVS werden die Register in der Abluft und die Register in der Außenluft durch ein Rohrsystem verbunden. Eine Hochleistungspumpe wälzt das Wasser-Glykol-Gemisch um und überträgt so die Energie in die Zuluft / Abluft.
Zusätzlich sind im Rohrsystem zwei Platten-wärmeübertrager angeordnet, die durch einen umkehrbaren Kältekreislauf miteinander verbunden sind.
Die Wärmepumpe verschiebt im Betrieb den Temperaturbereich der Sole vor Abluft- und Zuluftregister. Dies ermöglicht eine Erhöhung des Wirkungsgrades auf > 90 %. Zusätzlich können durch das System die Leistung von nachgeschalteten Heiz- und Kühlregistern deutlich reduziert oder ganz ersetzt werden.
Wärmepumpe
Wärmepumpen zur Rückgewinnung von Niedrigtemperatur-Wärme
Während beim Kühlen Wärme entzogen und auf der Geräterückseite an die Umgebung abgegeben wird, entziehen Wärmepumpen der Umwelt Wärme und „pumpen“ sie auf ein höheres Energieniveau, um sie für Heizung und Warmwasserbereitung nutzbar zu machen.
Der Funktion liegt ein thermodynamischer Kreisprozess zugrunde. Ein im System zirkulierendes Kältemittel mit niedrigem Siedepunkt verdampft unter dem Einfluss der aufgenommenen Umweltwärme.
Dieses Kältemittelgas wird komprimiert, wodurch seine Temperatur ansteigt. In einem Kondensator wird das Kältemittel wieder verflüssigt, wobei es die zugeführte Energie (Antriebs- und Wärmeenergie) an das Heizmedium abgibt. Der Kreislauf schließt sich, indem ein nachgeschaltetes Entspannungsventil den Druck wieder vermindert.
Adiabate Befeuchtung der Abluft und gesteigerte Energierückgewinnung über das WRG-System
Die adiabate Kühlung ist eine zusätzliche Baugruppe, die im Zusammenhang mit einer Energierückgewinnung die Kühlleistung der WRG deutlich erhöhen kann.
Dabei wird der Luft über einen Verdunstungs- oder einen Sprühnebelbefeuchter ohne Zugabe von Wärme Wasser zugeführt. Die Luft wird dabei entlang der Enthalpie-Linie abgekühlt. Dieser Prozess kann maximal bis zur Sättigungslinie des hx-Diagramms fortgeführt werden. Dadurch erhöht sich die Temperaturdifferenz zwischen Abluft und Außenluft an der WRG, wodurch mehr Energie übertragen werden kann.
Bei Verdunstungsbefeuchtern werden Verdunstermatten mit Wasser berieselt durch die gleichzeitig zu kühlende Luft geführt. Durch die Aufnahme des Wassers aus den Matten in die Luft erfolgt die adiabate Kühlung. Diese Methode ist besonders energieeffizient und kostengünstig. Die Verdunstermatten müssen jedoch beim Abschalten der Lüftungsanlage getrocknet werden, um Keimwachstum zu verhindern.
Bei den Sprühbefeuchtern wird das Wasser im Luftstrom über Düsen fein zerstäubt und durch den Luftstrom mitgerissen. Auf einer definierten Befeuchtungsstrecke werden die Wassertröpfchen durch die Luft aufgenommen und so adiabat gekühlt. Dieses System ist durch den Einsatz von Hochdruckpumpen technisch aufwändiger, durch die Abschaltung von Düsengruppen ist jedoch auch eine deutlich bessere Regelung der Befeuchterleistung möglich.
Multifunktionale Nutzung
Ziel der multifunktionalen Nutzung ist es, mit den verwendeten Baueinheiten möglichst viele technische Funktionen abzudecken. Systeme dieser Art sind sehr kompakt und effizient.
Als Basiseinheit sind zwei Hochleistungswärmetauscher über ein Kreislaufverbundsystem (HKV-System) zur WRG zusammengeschaltet.
Dieser Basiseinheit können weitere Funktionen zur multifunktionalen Nutzung aufgeschaltet werden:
- Integrierte adiabate Kühlung: Das Kältepotential aus Befeuchtung der Fortluft wird mit dem Basissystem auf den zu kühlenden Zuluftstrom übertragen. Oft erspart dies eine mechanische Kälteerzeugung.
- Integrierte Nacherwärmung / -kühlung über das KV-System erspart das Heiz- bzw. Kühlregister.
- Integrierte freie Kühlung
- Integrierte Rückkühlung von Kälte-maschinen spart Kühlleistung und damit Energie.
- Brauchwasservorerwärmung mit Kältepotentialnutzung
- Integrierte Solar- und Abwärmenutzung über das KV-System nutzt bereits Wärme ab 20 °C zu Heizzwecken.
- Integrierte Luft- und Wärmeaustauscherschaltung zur Nachtkältenutzung
- Nutzung natürlich vorkommender Kältepotentiale wie Brunnenwasser, Erdkälte etc.
Eine reine Umluftschaltung ergibt theoretisch eine 100%ige Nutzung der Abluftwärme.
In der Praxis sind der Verwendung von Umluft aber Grenzen gesetzt. Gestiegene Anforderungen an Hygiene und Komfort sowie normative und rechtliche Vorgaben schränken die Verwendung von Abluft als Umluft ein.
Ist eine Umluft- oder anteilige Nutzung der Umluft möglich, so kann diese bedarfsgerecht über Temperatur oder Luftqualität definiert und geregelt werden.
Regelungskonzepte / Bedarfsoptimierte Regelung
Mit auf den Bedarf abgestimmten und optimierten Programmen zur Betriebs-, Störungsüberwachung, Zeitschaltung und Energieoptimierung lassen sich mit einer direkten digitalen Regelung (DDC) zusätzlich zu den Effekten der Rückgewinnung erhebliche Energieeinsparungen realisieren.
Mit bedarfsgeführten und auf den Nutzer abgestimmten Regelkonzepten und Gebäudeleitsystemen lassen sich alle klimatischen, energetischen und technischen Anforderungen und Funktionen verknüpfen, effizient regeln und zentral steuern.
Über das automatisierte und begleitende Monitoring und Erfassen von Daten in Echtzeit sind notwendige Wartungen und Anpassungen optimal und ressourcensparend umsetzbar.
Moderne Regelsysteme für RLT-Anlagen sind über gängige Bussysteme wie BACnet oder Modbus leicht in die bestehende Gebäudeleittechnik integrierbar.
