Wärmetauscher im Vergleich – Lüftungsanlage mit WRG

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Wärmerückgewinnung: Wärmetauscher-Bauformen im Überblick

Bei Heizung, Kühlung, Lüftung und Klimatisierung geht es immer um Wärme. Auch in der Physik gibt es keine Kälte-, sondern lediglich Wärmeenergie. Ist diese etwa im Sommer auf zu hohem Niveau, kann zur Kühlung keine Kälte erzeugt, sondern nur Wärme abgeleitet werden.

HLK-Anlagen leiten Wärme ab, um Kälte zu erzeugen © petrroudny, stock.adobe.com
HLK-Anlagen leiten Wärme ab, um Kälte zu erzeugen © petrroudny, stock.adobe.com

Die Kernkompetenzen jedes HLK-Systems sind das Transportieren und Übertragen von Wärmeenergie. Ob Kühlschrank oder Klimaanlagenheizung, Wärmepumpe oder Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung: In allen gängigen Heiz-, Kühl- und Klimageräten arbeiten Ventilatoren oder Pumpen, um flüssige oder gasförmige Trägermedien (z. B. Luft, Wasser, Sole, Kältemittel) zu bewegen, die wiederum Wärme aufnehmen, transportieren und abgeben können. Begegnen sich zwei unterschiedlich warme Stoffe oder Ströme, etwa kalte Außenluft und warme Abluft, kommt es zur Wärmeübertragung; der wärmere Stoff gibt dabei einen Teil seiner Wärme an den kühleren ab.

Hinweis: Laut dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik fließt Wärme ohne Hilfe immer nur vom wärmeren Stoff oder System zum kälteren, nie umgekehrt.

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Obwohl alle HLK-Geräte Wärme übertragen, gibt es einen wesentlichen Unterschied zu den kompakten Wärmetauschern, die zur Wärmerückgewinnung in Lüftungsanlagen eingesetzt werden: Wärmetauscher benötigen keine eigene Stromversorgung, keine Brennstoffe und keinen geschlossenen Kältemittelkreislauf, sondern werden einfach über Luftleitungsanschlüsse in das Strömungssystem eingebunden, sodass sie von der kalten Außenluft und der warmen Abluft durchströmt werden.

Wärmetauscher verbessern die Übertragung von Wärmeenergie in einem HLK-System © Michal, stock.adobe.com
Wärmetauscher verbessern die Übertragung von Wärmeenergie in einem HLK-System © Michal, stock.adobe.com

Der Wärmetauscher optimiert die Wärmeübertragung ausschließlich durch seinen Aufbau und die spezielle Struktur, die eine sehr hohe Wärmeübertragungsrate bei minimalem Platzbedarf ermöglicht. Weil sich ohne zusätzliche Energiezufuhr bis zu 90 % der Wärme zurückgewinnen lassen, leisten WRG-Wärmetauscher einen enormen Beitrag zur Energieeffizienz und können Heizlast und Heizkosten im Gebäude beträchtlich verringern. In luftdichten Neubauten oder energetisch sanierten Bestandsbauten, die den Vorgaben der Lüftungsnorm und des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) entsprechen müssen, ist die Wärmerückgewinnung daher ein unverzichtbarer Teil der kontrollierten Wohnungslüftung.

Eine hohe Dichtheit der Gebäudehülle erfordert ein funktionierendes Lüftungskonzept. Laut DIN 1946-6 ist dies für moderne Neubauten Pflicht © VectorMine, stock.adobe.com
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Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung: Funktionsprinzip im Überblick
Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung: Funktionsprinzip im Überblick

In zentralen Lüftungsanlagen mit WRG werden häufig Plattenwärmetauscher verwendet; diese bestehen aus dünnen Metallplatten, zwischen denen die Luftströme sehr nahe beieinander hindurchgeführt werden. Ebenso werden Wärmetauscher mit Lamellen oder Spiralleitungen angeboten, die nach dem gleichen Prinzip funktionieren. Die Wärmeübertragung kann jeweils durch mehrere Faktoren erhöht werden:

Grundsätzlich arbeiten alle Wärmetauscher-Arten nach dem gleichen Prinzip, unterscheiden sich aber in Größe und Aufbau © Faiz, stock.adobe.com
Grundsätzlich arbeiten alle Wärmetauscher-Arten nach dem gleichen Prinzip, unterscheiden sich aber in Größe und Aufbau © Faiz, stock.adobe.com
  • Oberflächenvergrößerung: Viele gestapelte Platten oder eng angeordnete Lamellen bieten eine maximal große Oberfläche bei minimalem Gesamtvolumen. Das erhöht den Bereich, über den die Wärmeübertragung stattfindet, und minimiert Wärmeverluste.
  • Dünne, hoch wärmeleitfähige Trennwände: Dünne Platten oder Lamellen aus wärmeleitfähigen Metallen beschleunigen die Wärmeübertragung, da sie kaum Widerstand bieten.
  • Turbulente Strömung: Die Durchflusskanäle in Wärmetauschern sind oft so gestaltet, dass sie eine turbulente, also chaotischere Strömung ermöglichen. Das erhöht den Wärmeaustausch im Vergleich zu geordneten (laminaren) Strömungen.

Hinweis: Der Wärmebereitstellungsgrad oder thermische Wirkungsgrad einer Lüftung mit WRG gibt an, wie effizient die Wärme zwischen Zu- und Abluft übertragen bzw. wieviel Wärme für die Erwärmung der Zuluft genutzt wird. Dabei werden sowohl die Temperaturübertragung („fühlbare Wärme“ als auch der Energiegehalt der Luftfeuchte („latente Wärme“) berücksichtigt. Ebenso wird die Abwärme der Geräte (z. B. Ventilatoren) eingerechnet, da diese die Wärmeübertragung erhöht.

Verschiedene Arten von Plattenwärmetauschern für zentrale Lüftungsgeräte

WRG-Plattenwärmetauscher arbeiten mit unterschiedlichen Strömungsanordnungen, die auch namensgebend sind. Die drei gängigsten Arten von Plattenwärmetauschern in zentralen Lüftungsanlagen sind:

Plattenwärmetauscher sind mit unterschiedlichen Strömungsanordnungen erhältlich, die sich in Effizienz und Anschaffungskosten unterscheiden © blacklight_trace, stock.adobe.com
Plattenwärmetauscher sind mit unterschiedlichen Strömungsanordnungen erhältlich, die sich in Effizienz und Anschaffungskosten unterscheiden © blacklight_trace, stock.adobe.com

Gegenstrom-Wärmetauscher: Hier strömen Frisch- und Abluft in entgegengesetzten Richtungen, sodass die wärmste Luft beim Eintritt in den Wärmetauscher der kältesten Luft begegnet. Das Gegenstromprinzip bietet die höchste thermische Effizienz und daher auch die höchsten Wärmerückgewinnungsraten. Weil das Temperaturgefälle über die gesamte Länge des Wärmetauschers am größten ist, kann die Auslasstemperatur der neuen Zuluft sehr nah an die Einlasstemperatur der verbrauchten Abluft heranreichen. Wegen der komplexeren Bauweise sind Gegenstrom-Wärmetauscher allerdings oft teurer als andere Arten.

Kreuzstrom-Wärmetauscher: Beim Kreuzstromprinzip strömen Kalt- und Warmluft senkrecht zueinander durch den Wärmetauscher. Sie kreuzen sich, ohne in derselben Richtung zu strömen. Diese Bauform ist einfacher in der Herstellung und daher oft kostengünstiger; dafür sind die WRG-Raten bei vergleichbarer Größe geringer als beim Gegenstromprinzip.

Kreuzgegenstrom-Wärmetauscher kombinieren das Kreuz- und das Gegenstromprinzip und liegen daher von der Effizienz und Rückgewinnungsrate zwischen den beiden anderen Bauformen. Im Wärmetauscher gibt es mehrere Kreuz- und Gegenstromsektionen; häufig sind die Strömungswege im Zickzack angeordnet. Auch diese Art Plattenwärmetauscher kann für eine Vielzahl von Anwendungen angepasst und in viele Lüftungsgeräte auch nachträglich problemlos eingebaut werden.

Wärmetauscher entziehen einem Luftstrom Wärmeenergie und übertragen diese auf einen anderen © VectorMine, stock.adobe.com
Wärmetauscher entziehen einem Luftstrom Wärmeenergie und übertragen diese auf einen anderen © VectorMine, stock.adobe.com

Hinweis: Welcher WRG-Plattenwärmetauscher für Ihre Lüftungsanlage am besten geeignet ist, hängt von verschiedenen Faktoren ab, etwa von der Kompatibilität mit Ihrem Zentralgerät. Die individuellen Anforderungen an die Lüftungs-WRG ergeben sich stets aus dem Gesamtsystem (z. B. Luftheizung oder Wasserheizung, zentrale oder dezentrale Lüftung, eigene Stromerzeugung etc.).

Sowohl bei der Planung einer neuen Lüftungsanlage als auch bei Nachrüstungen oder Modernisierungen im Bestand sollten Sie sich vor Ort von einem Experten beraten lassen. Mit unserem kostenlosen Angebotsservice können Sie Fachbetriebe in Ihrer Nähe finden, gezielte Anfragen stellen und unverbindlich Angebote erhalten und vergleichen.

Direkte, indirekte und halbindirekte Wärmetauscher – Unterschiede und Einsatzgebiete

Die Wärmeübertragung von einem Stoff bzw. Wärmeträger auf einen anderen kann direkt, indirekt oder halbindirekt ablaufen. Bei einer direkten Wärmeübertragung berühren und vermischen sich die beiden Ströme, etwa wenn kühle Frischluft durchs geöffnete Fenster ins warme Zimmer strömt oder der Kaffeedampf die Luft über der Tasse erwärmt. 

Bei der direkten Wärmeübertragung – etwa beim Lüften – berühren und mischen sich Luftströme © Photo Sesaon, stock.adobe.com
Bei der direkten Wärmeübertragung – etwa beim Lüften – berühren und mischen sich Luftströme © Photo Sesaon, stock.adobe.com

Die oben beschriebenen Plattenwärmetauscher bieten in Lüftungssystemen mit zwei Luftströmen (Außenluft/Zuluft und Abluft/Fortluft) eine indirekte Wärmeübertragung, bei der sich die beiden Ströme weder berühren noch vermischen. Die Wärme der verbrauchten Abluft wird über die Trennwände an die kalte Außenluft weitergegeben, ohne dass Schadstoffe, Bakterien oder Gerüche aus der verbrauchten Luft in die Zuluft gelangen können. Nach demselben Prinzip funktionieren auch konventionelle Heizkörper, die Wasserwärme über eine wasserdichte Metalloberfläche an die Raumluft abgeben.

Halbindirekte Wärmetauscher sind Wärmespeicher, die abwechselnd Wärme aufnehmen und wieder abgeben. Sie werden vor allem in dezentralen Lüftungsgeräten eingesetzt, die durch regelmäßiges Umkehren der Ventilatorrichtung abwechselnd Frischluft ansaugen und Abluft hinausbefördern. Weil sich bei solchen alternierenden Lüftungsgeräten oder Pendellüftern die beiden Luftströme nur zeitversetzt begegnen, wird zur Wärmerückgewinnung immer wieder Abluftwärme in den Speicher geladen und vom nächsten Außenluftstrom abgeholt.

Rekuperative und regenerative Wärmerückgewinnung

Bei der rekuperativen Wärmerückgewinnung werden Abluft und Außenluft in getrennten Kanälen durch den Wärmetauscher (Rekuperator) geführt. Die Wärme wird indirekt über die Oberflächen des Wärmetauschers übertragen.

Bei der regenerativen Wärmerückgewinnung nutzen Fort- und Außenluft denselben Kanal und berühren abwechselnd dieselben Oberflächen oder Elemente im Wärmetauscher (Regenerator). So lässt sich nicht nur Wärme, sondern auch Feuchtigkeit übertragen bzw. zurückgewinnen, was in vielen Fällen erwünscht ist, um das Raumklima zu optimieren.

Eine Wärmerückgewinnung kann entweder rekuperativ oder regenerativ realisiert werden © sunnychicka, stock.adobe.com
Eine Wärmerückgewinnung kann entweder rekuperativ oder regenerativ realisiert werden © sunnychicka, stock.adobe.com

Lüftungsgeräte mit zwei Ventilatoren für zwei getrennte Luftströme sind geeignet für die rekuperative Wärmerückgewinnung, können aber auch mit regenerativen Wärmetauschern ausgestattet werden. Dagegen funktioniert bei Pendellüftern und anderen Systemen mit direkter Verbindung zwischen Außen- und Fortluft nur die regenerative Wärmerückgewinnung über statische oder bewegliche Speicherelemente.

Keramik-Wärmespeicher in Pendellüftern dienen der WRG, sind aber nicht dafür ausgelegt, Feuchtigkeit zurückzugewinnen. Dagegen können Wärmetauscher mit speziellen Oberflächen auch Feuchtigkeit aus der Abluft aufnehmen und auf die Zuluft übertragen, ohne die beiden Luftströme zu vermischen.

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Wärme- und Feuchterückgewinnung mit Rotations- und Enthalpiewärmetauschern

Regenerative Wärmerückgewinnungssysteme haben den Vorteil, dass sich mit ihnen recht einfach auch Luftfeuchtigkeit zurückgewinnen lässt, etwa durch einen rotierenden Wärmeübertrager. Rotationswärmetauscher oder Wärmeräder bestehen aus einem Material mit hoher Wärmekapazität, etwa einem sog. Sorptionsmittel, das Feuchtigkeit aufnehmen und speichern kann.

Um zu verhindern, dass bei einer zentralen Lüftungsanlage mit WRG die Feuchtigkeit der Abluft verloren geht und unangenehm trockene Heizungs- oder Lüftungsluft entsteht, können Sie auch einen Enthalpiewärmetauscher nutzen. In diesen Regeneratoren ist eine dampfdurchlässige Membran verbaut, die zwar Wassermoleküle, nicht aber Keime, Bakterien oder Gerüche durchlässt. Damit ist die maximale Wärmerückgewinnungsrate zwar ein wenig geringer als bei einem Kreuz- oder Gegenstrom-Rekuperator, doch dafür sorgt die angenehm klimatisierte Luft für mehr gefühlte Wärme und Wohnkomfort.

Enthalpiewärmetauscher nutzen eine dampfdurchlässige Membran, um Wärme und Feuchtigkeit zu übertragen © Vector Tradition, stock.adobe.com
Enthalpiewärmetauscher nutzen eine dampfdurchlässige Membran, um Wärme und Feuchtigkeit zu übertragen © Vector Tradition, stock.adobe.com

Enthalpiewärmetauscher bieten noch weitere Vorteile: Sie sind bis zu ‑ 15 °C frostfest, benötigen keinen Kondensatablauf und können im Sommer auch zur Kühlung der Raumluft beitragen. Weil sie selbst in kalten Wintern nicht vereisen, brauchen Sie damit weder eine stromintensive Vorheizung (z. B. Heizregister im Ansaugkanal) noch einen Erdwärmetauscher, der dem Lüftungsgerät die Außenluft anwärmt.

Hinweis: Die Enthalpie (auch „gespeicherte Wärme“ oder „Wärmemenge“) eines Stoffs beinhaltet sowohl dessen sensible Wärme (Temperatur) als auch die latente Wärme (Energie, die bei Phasenänderungen wie Verdampfung oder Kondensation aufgenommen oder abgegeben wird). Enthalpiewärmetauscher bzw. -regeneratoren können beides übertragen. Beim Vergleich der Wärme- oder Feuchterückgewinnungswerte von Rekuperatoren und Regeneratoren ist jedoch Vorsicht geboten, da diese meist auf unterschiedlichen Messmethoden basieren.

Kombiniert mit einer Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung, kann sich die Investition in einen Erdwärmetauscher lohnen © WoGi, stock.adobe.com
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