Wärmerückgewinnung bei der Lüftung

Methoden der Wärmerückgewinnung bei der Lüftung

Moderne Häuser werden energieeffizient gebaut um die Umwelt zu schonen und Heizkosten zu sparen. Wenn es um die Lüftung geht, greifen Architekten und Planer somit immer häufiger auf eine mechanische bzw. ventilatorgestützte Lüftung mit Wärmerückgewinnung zurück. Sie sorgt nicht nur für frische Luft im Wohnraum und erhöhen damit den Wohnkomfort, sie dient auch einer DIN-konformen Belüftung zur Schimmelprävention. Gerade auch in Bezug auf das Energieeinsparpotenzial beim Bauen, welches von der Energieeinsparverordnung (EnEV) klare Vorgaben erhält, rückt die Bedeutung einer kontrollierten Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung in den Vordergrund. Durch einen Wärmetauscher in einer Lüftungsanlage kann bis zu 90% der Wärmeenergie zurückgewonnen werden. Dies ist abhängig vom Geräteaufbau und der Methodik der Wärmerückgewinnung. Welche Methoden es bei der Wärmerückgewinnung einer Lüftung gibt und wie das Prinzip der Wärmetauscher funktioniert, erfahren Sie in den folgenden Abschnitten.
 

Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung für mehr Wohnkomfort

   

Bedeutung der Wärmerückgewinnung bei einer Lüftung für die energetische Bewertung

Die Anforderungen an den Hausbau wachsen stetig. Gebäude sollen so dicht wie möglich konstruiert sein, um die Energie darin zu speichern. Die Energieeinsparverordnung (EnEV) hat dafür besondere Richtlinien definiert, die beim Bau eines Hauses eingehalten werden müssen. Im Folgenden möchten wir Ihnen einen kurzen Überblick darüber geben:

Energieeffizient bauen – Richtlinien für Wärmerückgewinnung

Dicht konstruierte Gebäudehüllen, eine verstärkte Dämmung der Dächer sowie mehrfachverglaste Fenster sollen den Primärenergiebedarf des Hauses senken. Damit sollen einerseits langfristige Ziele in der Energie- und Klimaschutzpolitik der Bundesregierung erreicht werden. Andererseits  helfen sie den Hauseigentümern dabei, Ihren Besitz energetisch effizient zu halten und Heizkosten zu sparen (mehr zum Thema EnEV können Sie in unserem Ratgeber zur Energieeinsparverordnung  nachlesen).

Maßnahmen für energieeffizientes Bauen - Richtlinien für Wärmerückgewinnung

Doch dort, wo durch die kompakte Bauweise Energie eingespart wird, entstehen wiederum Probleme: Die Luft kann nicht mehr auf natürliche Weise (durch Ritzen in den Fugen oder durch eine durchlässige Bausubstanz) zirkulieren. Abgestandene, mit Feuchtigkeit und Schadstoffen angereicherte Luft (Ausdünstungen aus Heimtextilien, Möbeln, etc.) sorgt dafür, dass Wohlbefinden und Gesundheit der Bewohner sowie die Bausubstanz des Hauses angegriffen werden. Die EnEV fordert aus diesem Grund einen Mindestluftwechsel. Wie dies im Einzelnen zu erreichen ist, ist Bestandteil der Lüftungsnorm DIN 1946-6, die als Grundlage für das Lüftungskonzept herangezogen wird. Einen Überblick zum Thema Lüftungskonzept finden Sie im weiteren Verlauf des Ratgebers.

Lüftungskonzept für eine Lüftung mit Wärmerückgewinnung

Um sich rechtlich auf der sicheren Seite zu bewegen, ist für Fachplaner ein Lüftungskonzept nach DIN 1946-6 nicht nur sinnvoll, sondern laut geltender Energieeinsparverordnung auch Pflicht. 
Dies gilt sowohl für den Neubau eines Hauses als auch nachträglich für bestehende Wohngebäude, wenn im Zuge einer Sanierung 

  • mehr als ein Drittel der Fenster ausgetauscht oder
  • mehr als ein Drittel der Dachfläche bei Einfamilienhäusern gedämmt werden. 

Eine Lüftung mit Wärmerückgewinnung lässt sich nach DIN 1946-6  für die Nennlüftung auslegen. Das ist die Lüftungsstufe, die sowohl hygienische Standards für die Gesundheit der Bewohner definiert als auch für einen ausreichenden Feuchteschutz sorgt, um langfristig die Bausubstanz vor Schimmelbefall zu schützen. Wichtig wird die Auslegung nach normenkonformer Nennlüftung, wenn es um die Beantragung von Fördergeldern  über die KfW geht. 

Lüftungskonzept für Lüftung mit Wärmerückgewinnung

  

Überblick über Wärmetauscher bei der Lüftung - Methoden der Wärmerückgewinnung

Grundsätzlich funktioniert das Prinzip der Wärmerückgewinnung durch die Übertragung  thermischer Energie der Abluft aus dem Innenraum an die zugeführte Frischluft von außen oder durch den Übertrag an eine Speichermasse mit anschließender Abgabe an den nachfolgenden Luftstrom. Somit muss weniger Heizenergie aufgebracht werden, um die Temperatur im Innenraum konstant (warm) zu halten. Dies spart Heizkosten und schont zudem die Umwelt. Die Wärmerückgewinnung ist technisch auf verschiedene Weise umsetzbar. Im Groben unterscheiden wir zwischen zwei Varianten:

  • die rekuperative Wärmerückgewinnung (lat. recuperare = wiedergewinnen)
  • die regenerative Wärmerückgewinnung (lat. regeneratio = wieder erzeugen)


Rekuperative Wärmetauscher finden vor allem praktische Anwendung in zentralen Lüftungsanlagen. Charakteristisch ist dabei der getrennt geführte  Zu- und Abluftstrom.
Regenerative Wärmerückgewinnung findet durch einen Kurzzeit-Wärmespeicher statt, der abwechselnd von Zu- und Abluft durchströmt wird. Diese Art der Wärmerückgewinnung wird vor allem bei den dezentralen Lüftungsanlagen angewandt.
 

Wärmetauscher bei der Lüftung - profitieren von einer kontrollierten Wohnraumlüftung

  

Die rekuperative Wärmerückgewinnung bei der Lüftung

Wenn Abluft- und Zuluftstrom in getrennten Kanälen aneinander vorbeigeführt werden, sprechen wir von rekuperativer Wärmerückgewinnung. Der Austausch der thermischen Energie erfolgt über sogenannte Wärmetauscher. Diese können im Rohrbündel oder einer Plattenform vorkommen und bestehen meist aus besonders leitfähigem Metall wie Aluminium, oder einem speziellen Kunststoff. Ein besonderes Merkmal der Wärmerückgewinnung über Wärmetauscher bei der Lüftung ist, dass die Luftströme miteinander nicht in Berührung kommen und es daher zu keinerlei Vermischung kommen kann. Gerüche oder andere feste Partikel werden dabei nicht oder kaum übertragen.  Eine Lüftung mit Wärmetauscher wird in der Regel da eingesetzt, wo konstant hohe Luftvolumenströme erforderlich sind. Die Methode der rekuperativen Wärmerückgewinnung wird vorwiegend in den Zentralanlagen angewandt.

Rekuperative Wärmetauscher bei der Lüftung:

  • Kreuzstromwärmetauscher
  • Gegenstromwärmetauscher

 

  • Gleichstromwärmetauscher
  • Kreuzgegenstromwärmetauscher

 

  • Enthalpiewärmetauscher
  • Rohrbündelwärmetauscher

 

Hausbelüftung mit Wärmerückgewinnung: Kreuzstromwärmetauscher
Belüftung mit Wärmerückgewinnung: Gegenstromwärmetauscher
Hausbelüftung mit Wärmerückgewinnung: Kreuzgegenstromwärmetauscher

   

Plattenwärmetauscher bei der mechanischen Lüftung mit Wärmerückgewinnung

Der Plattenwärmetauscher kommt vor allem bei den zentralen Lüftungsanlagen zum Einsatz. Hier bilden mehrere dünne Aluminiumplatten oder Folien aus speziellem Kunststoff die Trennwände der Luftströme. Durch diese Zwischenräume strömen warme Abluft und frische (kalte) Außenluft im Gleichstromprinzip, d.h. in identischer Richtung, im Kreuzstromprinzip, im rechten Winkel oder im Gegenstromprinzip, also in entgegengesetzter Richtung aneinander vorbei. Die Energie überträgt sich dabei von der Luft mit hohem Energieniveau (Raumluft) auf den Wärmetauscher und von dort aus wieder an die Außenluft, die ein niedrigeres Energieniveau besitzt. 
Beim Kreuzgegenstromprinzip werden beide Luftströme gekreuzt und in entgegengesetzter Richtung aneinander vorbeigeführt. Die Kontaktzeit bei der Wärmeübertragung verlängert sich, wodurch der Temperaturwirkungsgrad und die Effizienz der Wärmerückgewinnung gegenüber dem Kreuzstromprinzip weiter gesteigert wird.
Weitere Auswirkungen auf den Grad der Wärmerückgewinnung bei Plattenwärmetauscher haben  die Geometrie des Wärmetauschers, das Material, der Luftvolumenstrom, die Temperaturdifferenz, Größe des Wärmetauschers und die Durchströmungszeit.
 
Dabei gilt: 

  • Je schneller der Luftaustausch umso weniger effizient ist die Wärmerückgewinnung.
  • Gegenstromwärmetauscher haben bei gleicher Fläche eine höhere Wärmeübertragung als Kreuzstromwärmetauscher.
  • Mit speziellen Konstruktionen, wie einer drei- oder viereckigen Kanalbauweise, entsteht eine größere Wärmeübertragungsfläche bei gleichem Bauvolumen

  

Achtung Feuchterückgewinnung: Eine Feuchterückgewinnung besteht bei herkömmlichen Wärmetauschern nicht automatisch. Durch die Temperaturunterschiede können häufig größere Mengen an Kondensat anfallen. Dies erfordert noch einmal den Einbau eines entsprechenden Rohres für den Ablauf, was sich im Einbauaufwand  und in den Kosten widerspiegelt.
Speziell für die Feuchterückgwinnung bei der Lüftung wurde der  Enthalpiewärmetauscher entwickelt. Anders als bei den herkömmlichen Plattentwärmetauschern trennt eine Membran den Zu- und Abluftstrom voneinander.  Diese Membran kann durch das Osmoseprinzip  einen großen Teil der Feuchtigkeit aus der (warmen) Abluft an die trockene und kalte Zuluft abgeben. Da sich die Feuchterückgewinnung beim Enthalpiewärmetauscher nicht regulieren lässt, ist dieser vorwiegend für größere Wohngebäude mit geringer Belegung oder besonders wenig Luftfeuchtigkeit geeignet.

   

Rohrbündelwärmetauscher zur Wärmerückgewinnung

Der Rohrbündelwärmetauscher gehört ebenfalls zu den rekuperativen Methoden zur Übertragung von Wärmeenergie, da die beiden Luftströme - warm und kalt, voneinander getrennt sind und die Wärmeübertragung über die Rohrwand erfolgt. Der Rekuperator besteht aus einer Vielzahl an Rohren mit geringem Durchmesser, die in einem Hohlzylinder aus Stahlblech angeordnet sind. Im einfachsten Fall des Rohrbündelwärmetauschers befindet sich lediglich ein kleines Rohr in einem großem. Über das größere wird warme Luft angesogen, die kalte Luft, die durch das kleinere Rohr geleitet wird, erwärmt sich dabei indirekt über die Trennwand. Das Prinzip der Wärmerückgewinnung durch den Rohrbündelwärmetauscher wird mittlerweile eher selten in der Wohnraumlüftung angewandt.

  

Wärmerückgewinnung Lüftung: Rohrbündelwärmetauscher

Die rekuperative Wärmerückgewinnung in der Zentralanlage

Das Funktionsprinzip der rekuperativen Wärmerückgewinnung wird vor allem in den zentralen Lüftungsanlagen angewandt. Die Zentralanlage funktioniert über ein Einzelgerät, das durch ein Rohrleitungssystem mit dem gesamten Haus verbunden ist. Das Haus wird dabei in Zu- und Ablufträume unterteilt. Wohn- und Schlafbereiche gehören üblicherweise zu den Zulufträumen. Ablufträume sind dabei die Räume, in denen häufiger Feuchtespitzen entstehen können, wie z.B. Küche und Bad.

Lüftung: Rekuperative Wärmerückgewinnung in Zentralanlage

Verbrauchte Luft wird über den Abluftraum eingesogen, gelangt über das Rohrleitungssystem in den Plattenwärmetauscher des Zentralgerätes und wird nach außen dann als sogenannte „Fortluft“ abgegeben. Gleichzeitig wird frische Außenluft eingesogen, gelangt über den Rekuperator des Zentralsystems wieder in die Zuluftrohrleitungen und wird anschließend in die entsprechenden Räume überführt. Mit der zentralen Anlage ist ein Wärmerückgewinnungsgrad von 70% bis über 90% möglich.
Ein vorgeschaltetes Heizregister kann im Winter dafür sorgen, dass auch bei niedrigen Temperaturen ein Frostschutz der dünnen Aluminium- oder Kunststoffplatten im Wärmetauscher gewährleistet ist. Dieses wird unter erhöhtem Energieaufwand betrieben, welche die Betriebskosten im Vergleich zu dezentralen Lüftungsanlagen deutlich steigern können. Im Sommer wird dagegen oft ein Sommerbypass eingesetzt, um den Wärmetauscher im Gerät komplett zu umgehen.
Mit einem vorgeschalteten Erdwärmetauscher lässt sich der zusätzliche Energiebedarf des Vorheizregisters umgehen. Jedoch ist der Einbau mit hohen Aufwand und Kosten verbunden und ebenfalls nur für  große Grundstücke geeignet.  

   

Die regenerative Wärmerückgewinnung bei einer Lüftung

Bei der regenerativen Wärmerückgewinnung wird thermische Energie in einem festen oder flüssigen Körper kurzfristig „zwischengespeichert“ und über diese Oberfläche wieder an die kältere Zuluft abgegeben. Die Speichermasse wird dabei abwechselnd von kalter und warmer Luft durchströmt. Der Zwischenspeicher, auch Regenerator genannt, kann dabei im Lüftungsgerät als Festkörper fixiert oder aber beweglich sein (Rotationswärmespeicher). Besonders in den dezentralen Lüftungsanlagen und in der Industrielüftung kommen diese Regeneratoren zur Wärmerückgewinnung zum Einsatz. 

Keramikwärmespeicher - dezentrale Lüftung mit Wärmerückgewinnung

   

Wärmerückgewinnung bei der Lüftung durch Festkörper

Gewöhnlich bestehen die Wärmespeicher in den dezentralen Lüftungsanlagen aus hochwertigen Keramikkörpern. In Intervallen von 70 – 90 Sekunden wechselt dabei ein Reversierventilator die Richtung und sorgt für die abwechselnde Laufrichtung des Luftstromes. Der Festkörper wird dabei im Abluftmodus von warmer Luft durchströmt, wodurch sich der Wärmespeicher im Inneren des Lüfters auflädt. Im darauffolgenden Zuluftintervall wird kalte Frischluft von außen eingesogen, nimmt die zwischengespeicherte Wärme auf und strömt dann vorgewärmt in den Raum hinein. Insbesondere der wabenförmige Aufbau eines aus Keramik gefertigten Wärmespeichers erreicht dabei eine hohe Effizienz bei der Wärmerückgewinnung. Die Übergabefläche wird durch den wabenförmigen Aufbau maximiert, wodurch noch mehr thermische Energie zwischengespeichert werden kann.

     

Funktionsprinzip: dezentrale Lüftung mit Wärmerückgewinnung

Die regenerative Wärmerückgewinnung durch Keramikwärmespeicher wird vor allem in der Wohnraumlüftung mit dezentralen Lüftungsgeräten eingesetzt. Das einfache Einbauprinzip der Geräte direkt in die Außenwände, welche auch einen nachträglichen Einbau im Zuge einer energetischen Sanierung ermöglicht, hat die dezentralen Lüfter in den letzten Jahren besonders populär auf dem Markt der Wohnraumlüftung gemacht. Mittlerweile hat sich diese Geräteart durchgesetzt und liegt mengenmäßig sogar noch vor den Zentralanlagen. 
Weitere Vorteile der dezentralen Lüftungsanlage  für Ihr Bauvorhaben erfahren Sie in unserem Ratgeber.

Die hohe Wärmekapazität von Keramik, ermöglicht eine Wärmerückgewinnung von 80% bis über 93%. Die schmutzabweisende Oberfläche eignet sich zudem für hygienische Anforderungen bei der Lüftung und ist leicht zu reinigen. Aus diesem Grund hat sich die Keramikvariante gegenüber der Aluminiumversion als Standard durchgesetzt.

Vorteile gegenüber rekuperativer Wärmerückgewinnung von Lüftungssystemen:

  • Kein Frostschutz notwendig: problemloser Betrieb bis -20 Grad
  • Sommerbetrieb: Wärmebarriere in umgekehrter Richtung
  • Hygienisch und leicht zu reinigen

   

Hinweis: Dezentrale Lüfter mit Keramikwärmespeicher auch für den Sommerbetrieb geeignet. Das Prinzip der Wärmerückgewinnung  bei einem Festkörper funktioniert auch  in umgekehrter Temperaturkonstellation. Wenn im Sommer die Außenluft besonders warm ist, wirkt der Keramikwärmespeicher wie eine Wärmebarriere und lässt den Innenraum länger kühl.

Hinweis: Der Keramikwärmespeicher wurde das erste Mal  vor etwa 20 Jahren entwickelt und in die inVENTer Lüftungsgeräte eingesetzt . Seither etablierte sich dieser Aufbau zum Marktstandard bei dezentralen Lüftungsgeräten. Erfahren Sie mehr über das Original.

Wärmerückgewinnung bei der Industrielüftung: Rotationswärmetauscher

Im Gegensatz zu den Lüftungsanlagen mit fixiertem Wärmetauscher, bewegt sich bei den Rotationswärmetauschern die kreisrunde Speichermasse „rotierend“ um eine Achse. Auf einer dieser Seiten wird warme Abluft über einen Kanal auf die Rotationsscheibe geführt, welche sich dadurch erwärmt. Innerhalb der Drehbewegung wird dann zeitversetzt die Scheibe auf der anderen Seite über den Zuluftkanal geführt. Dort strömt die kühlere Zuluft ein, nimmt die thermische Energie der Rotationsscheibe auf und wird dann erwärmt in das Gebäude hineingeführt. Die Rotationsscheibe kühlt sich folglich wieder ab und kann daher in der weiteren Rotation erneut thermische Energie der Abluft aufnehmen.

Der Rotationswärmetauscher wird aufgrund seines Aufbaus auch als Wärmerad bezeichnet. Er besteht aus einer Vielzahl von dünnen Folien, die wie eine Art Wellpappe angeordnet sind: eine glatte Folie wechselt sich mit einer gewellten Lage ab. Dies ergibt eine dreieckige Form, die eine Art Kanal bildet. Die Folien sind etwa 0,05 mm bis 0,12 mm dick und bestehen meist aus Aluminium oder einem anderen leitfähigem Edelstahl. Der Rotationswärmetauscher kann neben der Wärme auch Feuchtigkeit übertragen. Wenn auf der Abluftseite Kondensat ansteht wird diese Feuchtigkeit von der Außenluft wieder aufgenommen. Das heißt vor allem im Winter, wenn die Luft in den Innenräumen besonders trocken ist, kann der Rotationswärmetauscher Feuchtigkeit durch die Übernahme von größeren Kondensatmengen bereitstellen. 
Durch ihre Größe werden sie vorrangig für die Lüftung von Industriegebäuden eingesetzt (Wärmeräder können einen Durchmesser von bis zu 2 Meter haben).

Funktionsprinzoü Rotationswärmetauscher Wärmerückgewinnung

Welche Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung passt zu Ihrem Haus? Vergleichen Sie hier die Vor- und Nachteile der einzelnen Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung .


Fazit - Lüftung mit Wärmerückgewinnung

Es gibt viele technologische Methoden der Wärmerückgewinnung in Lüftungssystemen. Die rekuperative Wärmerückgewinnung findet vorrangig in Zentralanlagen statt, wobei hohe Luftvolumenströme räumlich getränt aneinander vorbeigeführt werden und eine Frostschutzstrategie vonnöten ist.
Die regenerative Wärmerückgewinnung bei der Lüftung mit Wärmespeichern erfolgt über Rotationswärmetauscher zur Belüftung von großen Industriegebäuden oder über Festkörper aus Keramik in den dezentralen Anlagen zur Wohnraumbelüftung.

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Eine Wärmerückgewinnung von über 93% ist durch die wabenförmige Struktur des Querschnittes der Keramik technisch möglich. Der vergleichsweise geringe Einbauaufwand, die geringen Betriebskosten und die einfache Wartung und Reinigung machen die dezentralen Lüftungsgeräte mit Wärmerückgewinnung besonders praktikabel, sodass diese sowohl für den Neubau als auch für nachträgliche Sanierungsmaßnahmen attraktiv sind.

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