Wärmerückgewinnung (WRG): Wirkungsgrad, Einsparung und Luftzustand

Die Wärmerückgewinnung (WRG) ist die Übertragung von Wärmeenergie aus der Abluft auf die Zuluft mithilfe eines Wärmeübertragers. Der Temperaturwirkungsgrad wird berechnet: $\eta_T = \dfrac{ϑ_{2} - ϑ_{1}}{ϑ_{ex} - ϑ_{1}}$, wobei $ϑ_{1}$ die Temperatur der Zuluft vor dem Übertrager, $ϑ_{2}$ hinter dem Übertrager und $ϑ_{ex}$ die Temperatur der Abluft ist.

Wann ist WRG vorgeschrieben (Gesetzgebung)

In Deutschland regeln das Gebäudeenergiegesetz (GEG) und die Normenreihe DIN EN 16798-3 die Anforderungen an die Wärmerückgewinnung in RLT-Anlagen. Für maschinelle Lüftungsanlagen ist ab bestimmten Luftmengen und Betriebszeiten eine WRG mit nachgewiesenem Wirkungsgrad gefordert; die konkreten Grenzwerte und Nachweisverfahren enthalten das GEG sowie DIN EN 16798-3 und die zugehörigen technischen Regeln (u. a. VDI 3803).

Arten von WRG-Übertragern

Plattenrekuperator (Kreuz- oder Gegenstrom)

Die Luftströme sind durch Metall- oder Kunststoffplatten getrennt – es findet keine Feuchteübertragung statt, nur die Übertragung sensibler Wärme.

• Temperaturwirkungsgrad: Kreuzstromanordnung ca. 50–70 %, Gegenstrom ca. 80–93 %
• Vorteile: niedriger Preis, einfache Wartung, keine Geruchsübertragung
• Nachteile: Bypass zur Enteisung bei t < −5 °C (Zuluft) erforderlich, Kondensat auf der Abluftseite

Rotationswärmeübertrager (Enthalpierotor)

Ein Rotor aus Sorptionsmaterial dreht sich (5–10 U/min) zwischen Zu- und Abluftstrom – er überträgt Wärme und Feuchte.

• Gesamtwirkungsgrad (enthalpisch): 75–85 %
• Vorteile: die Feuchteübertragung verringert den Befeuchtungsbedarf im Winter
• Nachteile: Geruchsübertragung (max. 5 %) muss berücksichtigt werden, höherer Preis; Enteisung weniger problematisch

Glykol-/Wasserkreislauf

Zwei Übertrager, über eine Rohrleitung mit Glykolkreislauf verbunden – die Luftströme sind nicht in Kontakt.

• Wirkungsgrad: 40–60 %
• Vorteile: Trennung der Ströme (Gerüche, hygienisch sensible Anlagen)
• Nachteile: niedrigerer Wirkungsgrad, Pumpe

Berechnung der WRG

Temperaturwirkungsgrad (sensibel)

$$\eta_T = \frac{ϑ_{2} - ϑ_{1}}{ϑ_{ex,1} - ϑ_{1}}$$

Beispiel (Winter):

• $ϑ_{1} = -12$ °C (Außenluft)
• $ϑ_{ex,1} = +22$ °C (Abluft aus dem Raum)
• $\eta_T = 75\ \%$

$$ϑ_{2} = ϑ_{1} + \eta_T \cdot (ϑ_{ex,1} - ϑ_{1}) = -12 + 0{,}75 \cdot (22 - (-12)) = -12 + 25{,}5 = +13{,}5\ ^{\circ}\text{C}$$

Die Luft am Eintritt in den Erhitzer ist 13,5 °C statt −12 °C.

Einsparung an Wärmeleistung

$$\Delta \Phi = \dot{m} \cdot c_{pa} \cdot (ϑ_{2} - ϑ_{1}) = \dot{m} \cdot 1{,}006 \cdot 25{,}5$$

Beispiel: $\dot{m} = 2$ kg/s → $\Delta \Phi = 2 \cdot 1{,}006 \cdot 25{,}5 =$ 51,3 kW

Jährliche Energieeinsparung

$$E_{\text{jährl}} = \frac{\Delta \Phi \cdot \tau_{\text{Heizung}}}{1000} \quad \text{[MWh]}$$

wobei $\tau_{\text{Heizung}}$ = die jährliche Betriebsstundenzahl in der Heizperiode (typischerweise 3 000–4 500 h/Jahr in Mitteleuropa).

Beispiel: $E_{\text{jährl}} = \dfrac{51{,}3 \cdot 3500}{1000} =$ 179,6 MWh/Jahr

WRG im Mollier-Diagramm

Plattenrekuperator (ohne Feuchteübertragung)

Zuluft: Verschiebung senkrecht nach oben (konstantes $x$) von Punkt 1 (Außenluft) in Richtung der Ablufttemperatur.

Abluft: Verschiebung senkrecht nach unten – mögliche Kondensation an den Lamellen unterhalb des Taupunkts der Abluft. Beide Verschiebungen lassen sich mit dem Bleistift auf einem leeren Blatt zum Ausdrucken prüfen – bei der WRG ist die grafische Kontrolle die schnellste, weil eine unsinnige Linienneigung eher auffällt als ein Fehler in der Tabelle.

Rotationswärmeübertrager (mit Feuchteübertragung)

Zuluft: diagonale Verschiebung – $ϑ$ und $x$ steigen (Feuchte aus der Abluft wird zugeführt).

Kondensation in der WRG und Enteisung

Im Winter kondensiert Feuchte aus der Abluft an den kalten Lamellen – ein Kondensatablauf (Siphon, Ableitung in die Kanalisation) ist erforderlich.

Bei einer Außentemperatur unter etwa −5 °C (abhängig vom Zustand der Abluft) droht das Vereisen des Kondensats an den Lamellen. Lösungen:

1. Abluft-Bypass – ein Teil der Abluft wird am Übertrager vorbeigeleitet und erhöht die Lamellentemperatur
2. Elektrische Vorerwärmung der Zuluft – Vorerwärmung vor dem Rekuperator
3. Rotationswärmeübertrager – von Natur aus widerstandsfähiger dank der Rotation (mechanische Enteisung)

Praktische Empfehlung für die Auswahl

Anwendung	Empfehlung
Einfamilienhaus, Wohneinheit	Gegenstrom-Plattenübertrager (η > 85 %)
Büro, Schule, Hotel	Platten- oder Rotationsübertrager
Restaurant (Gerüche)	Glykolkreislauf oder Plattenübertrager mit Luftspalt
Große Produktionshalle	Rotationsübertrager (große Volumenströme, deutliche Feuchtebilanz)
Krankenhaus, Reinbereich	Plattenübertrager (keine Übertragung zwischen den Luftströmen)

Normen und Vorschriften

• DIN EN 16798-3 – Lüftungssysteme, Anforderungen an die WRG
• GEG (Gebäudeenergiegesetz) – energetische Anforderungen an Gebäude, Niedrigstenergiegebäude
• DIN EN 308 – Wärmeübertrager, Prüfverfahren zur Leistungsbestimmung
• VDI 3803 – Raumlufttechnik, bauliche und technische Anforderungen