Wärmerückgewinnung (WRG): Wirkungsgrad und Einsparung

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).

Ökodesign: Mindestwirkungsgrad der WRG im RLT-Gerät

Das Gebäudeenergiegesetz betrifft das Gebäude. Das Produkt regelt die Verordnung (EU) Nr. 1253/2014, die die Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG für Lüftungsgeräte mit einer elektrischen Leistungsaufnahme ab 30 W umsetzt. Ein Gerät, das sie nicht erfüllt, darf in der EU nicht in Verkehr gebracht werden – gleich, welches Gerät der Planer wählt.

Für Zweiwege-Lüftungsgeräte im Nichtwohnbereich (NWLG) mit WRG gilt ein thermischer Mindestwirkungsgrad (Temperaturübertragung):

Gilt ab	Übrige WRG-Systeme (Platte, Rotor …)	Kreislaufverbundsystem (Glykol/Wasser)
1. 1. 2016	67 %	63 %
1. 1. 2018 (aktuell)	73 %	68 %

• Das WRG-System muss eine thermische Bypass-Einrichtung haben.
• Der Wirkungsgrad wird nach Anhang IX der Verordnung unter Referenzbedingungen ermittelt und ist der trockene Temperaturwirkungsgrad (ohne Kondensation, bei gleichen Massenströmen beider Luftströme). Der Enthalpiewirkungsgrad eines Rotors zählt für die Anforderung nicht; ein Katalogwert unter Winterbedingungen mit Kondensation ist daher nicht vergleichbar.
• Ökodesign begrenzt zudem die spezifische Ventilatorleistung (SFP) – höherer Wirkungsgrad lässt sich also nicht durch beliebig hohen Druckverlust im Wärmeübertrager „erkaufen“.

In der Praxis legt Ökodesign die Untergrenze für jedes gelieferte Gerät fest (73 %), während das Gebäudeenergierecht darüber entscheidet, ob im Gebäude überhaupt eine WRG erforderlich ist. Für Auslegung und Energieberechnung zählt stets der tatsächliche Wirkungsgrad des gewählten Geräts, nicht das gesetzliche Minimum: Zwischen 73 % und 85 % unterscheidet sich die jährliche Einsparung im folgenden Beispiel um rund 15 MWh.

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. Um so viel wird der Erhitzer am kältesten Tag des Jahres entlastet – eine Zahl für die Auslegung, nicht für die Jahresbilanz.

Jährliche Energieeinsparung

Die jährliche Einsparung ergibt sich nicht, indem man diese Auslegungsleistung mit den Betriebsstunden multipliziert: Der Auslegungsfall ist der kälteste Tag des Jahres, in der übrigen Heizperiode ist die Temperaturdifferenz viel kleiner. Die Rechnung muss von der mittleren Außentemperatur der Heizperiode $\bar{ϑ}_{1}$ ausgehen:

$$E_{\text{jährl}} = \dot{m} \cdot c_{pa} \cdot \eta_T \cdot (ϑ_{ex,1} - \bar{ϑ}_{1}) \cdot \tau_{\text{Heizung}} \quad \text{[kWh]}$$

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

Beispiel: Für das Referenzklima Deutschland nach DIN V 4108-6 ergibt sich aus den Monatsmitteln des Winterhalbjahrs (Oktober bis März) eine mittlere Außentemperatur von 3,1 °C. Mit $\tau_{\text{Heizung}} = 3500$ h:

$$E_{\text{jährl}} = 2 \cdot 1{,}006 \cdot 0{,}75 \cdot (22 - 3{,}1) \cdot 3500 \approx 99\,800\ \text{kWh} \approx \mathbf{99{,}8}\ \textbf{MWh/Jahr}$$

Die naive Multiplikation (51,3 kW × 3 500 h ≈ 180 MWh) würde die Einsparung fast verdoppeln. Selbst so ist das Ergebnis für ein Gebäude, das nur tagsüber läuft, etwas optimistisch: Das Mittel von 3,1 °C schließt die Nächte ein, und während der Arbeitszeit ist die Außenluft milder.

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. Außenluft-Bypass – ein Teil der kalten Außenluft (Zuluftseite) wird am Übertrager vorbeigeleitet; die Abluft kühlt dadurch weniger ab, und die Lamellentemperatur steigt
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
• Verordnung (EU) Nr. 1253/2014 (Ökodesign von Lüftungsgeräten) – thermischer Mindestwirkungsgrad der WRG 73 % (Kreislaufverbundsystem 68 %) und thermische Bypass-Einrichtung
• DIN EN 308 – Wärmeübertrager, Prüfverfahren zur Leistungsbestimmung
• VDI 3803 – Raumlufttechnik, bauliche und technische Anforderungen