Wärmerückgewinnung: Technik und Kennwerte im Überblick

Der Begriff Wärmerückgewinnung, kurz: WRG, fasst technische Verfahren zusammen, die helfen, Wärme, die bei einem Prozess abfällt (Abwärme), wieder nutzbar zu machen. Das Ziel der Wärmerückgewinnung ist es, den Primärenergiebedarf zu minimieren – das spart Energie und Energiekosten.

Mit technischen Systemen zur Wärmerückgewinnung reduziert man seit Jahren erfolgreich die Menge an Primärenergie, die zum Heizen im weitesten Sinne, zum Beispiel als Raumwärme, als Wärme zur Warmwasserbereitung und als Prozesswärme, benötigt wird.

Der Einbau einer Wärmerückgewinnung (kurz: WRG) senkt sowohl den Heizwärmebedarf als auch den Brennstoffbedarf erheblich. Damit spielt Wärmerückgewinnung konzeptionell eine bedeutende Rolle bei der effizienten Gestaltung von energieverbrauchenden Prozessen und der Energiewende, die Energieeinsparung zum Ziel hat.

Das Einspar-Potential ist laut Studien erheblich, sowohl im privaten Energieraum als auch im nicht privaten (öffentliche Gebäude, Gewerbe, Industrie). Wärmerückgewinnung hat darüber hinaus mitunter auch den Zweck, eine gegebenenfalls schädliche ökologische Wirkung von Abwärme zu vermeiden.

Daher wurde die Wärmerückgewinnung auch als Effizienzmaßnahme mit dem Inkrafttreten der Energieeinsparverordnung (EnEV 2009) explizit zum Stand der Technik erhoben: Paragraf (§) 15 der EnEV fordert für alle raumlufttechnischen Anlagen ab einem Volumenstrom von 4.000 Kubikmeter pro Stunde (m³/h) Wärmerückgewinnungsanlagen, die der Klasse H3 gemäß der europäischen Norm DIN EN 13 053 ausgelegt sind.

Auch das EEWärmeG wertet die Wärmerückgewinnung seit 2009 als Ersatzmaßnahme faktisch gleichwertig zu regenerativen Energien, vorausgesetzt, die Gütekriterien entsprechen mindestens der Leistungsziffer 10 und der Übertragungsgrad beträgt mindestens 70 Prozent. Systeme zur Wärmerückgewinnung verringern:

• die Anschlussleistungen
• den Energieverbrauch
• die Investitions- und Betriebskosten
• die Menge emittierter Schadstoffe

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Man unterscheidet die technischen Verfahren zur Wärmerückgewinnung nach der Art der Wärmeüberträger, die sie nutzen, in sogenannte

• rekuperative Systeme,
• regenerative Systeme,
• Regeneratoren und
• Wärmepumpen.

Das Prinzip der Wärmerückgewinnung nutzt man heute vor allem in technischen Anlagen, die die Qualität von Raumluft sicherstellen, sogenannten Lüftungsanlagen, darunter Anlagen zur kontrollierten Wohnraumlüftung (KWL). Diese entziehen der warmen Abluft die Wärme und erwärmen damit die von außen frisch zugeführte Luft. Man erreicht mit Wärme rückgewinnenden Lüftungssystemen heute bereits Wärme-Wiedernutzungsraten von über 90 Prozent. Der Einsatz solcher Wärmerückgewinnungssysteme macht daher in Energiesparbauten wie Passivhäusern großen Sinn.

Auch technische Anlagen im Bereich der Haustechnik oder in industriellen Bereichen produzieren jede Menge Abwärme, zum Beispiel Heizungsanlagen, deren Wärmeerzeuger wie Heizungskessel viel Wärme in den Raum abgeben, in dem sie aufgestellt sind. Eine Warmwasser-Wärmepumpe kann dem Raum die Wärme entziehen, so dass sie anschließend der Erwärmung von Heiz- und / oder Brauchwasser zugutekommt. Dabei ist bei aller Wärmerückgewinnung die Dämmung der Heizungsanlagen nicht zu vernachlässigen, um den Wärmeverlust von vornherein zu minimieren.

Das technische Verfahren zur Rückgewinnung andernfalls verlorener Energie (thermische, mechanische oder elektrische), die sogenannte Rekuperation, macht man sich in bestimmten Feuerungsanlagen zunutze, insbesondere solchen, die Hochtemperaturwärme erzeugen: Dort wärmt man mit Hilfe eines Wärmeüberträgers die Verbrennungsluft mit Hilfe des Abgases vor.

Sogenannte regenerative Brenner funktionieren mit Hilfe von Regeneratoren, die diskontinuierlich in Betrieb sind. Die bisher verfügbaren Regenerator-Brenner-Systeme eignen sich jedoch wegen der diskontinuierlichen Betriebsweise nicht für Prozesse, bei denen eine hohe Gleichmäßigkeit der Temperatur gefordert wird. Auch aufgrund des erhöhten Wartungs- und Reinigungsbedarfes konnten sich solche Systeme in Deutschland noch nicht durchsetzen.

• Dampfkesselanlagen, darunter Dampfturbinenkraftwerke, wärmen das Speisewasser in einem sogenannten Economiser vor.
• Große Computeranlagen wie sie in Rechen- bzw. Datenzentren zum Einsatz kommen, wandeln praktisch die gesamte elektrische Energie in thermische Energie um. Um eine Überhitzung der Anlagen zu verhindern, muss die Wärme abgeführt werden und kann je nach Anwendung zurückgewonnen werden.
• Auch die Abwärme sogenannter Kältemaschinen und Klimaanlagen lässt sich wieder nutzen, unter anderem, um Warmwasser bereit zu stellen.
• In bestimmten industriellen Prozessen nutzt man die Wärme aus zuvor erhitzten Gegenständen oder Medien, darunter Abwasser, erneut, anstatt sie ungenutzt in die Umwelt abzugeben.
• Manche Duschwannen sind mit einem integrierten Wärmeüberträger ausgerüstet, der das kalte Wasser vorwärmt.
• Außerdem gibt es zentrale Anlagen zur Wärmerückgewinnung aus Abwasser für die Warmwasserbereitung. U.a. gibt es Kanalwärmetauscher, die Abwärme für Wärmepumpenheizungen zur Verfügung stellen.

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Im Zusammenhang mit Wärmerückgewinnung sollten Sie über folgende Kennwerte informiert sein:

Die sogenannte Rückwärmezahl drückt das Verhältnis der übertragenen Temperatur (Temperaturabnahme der Abluft in der Lüftungsanlage) zu dem Temperaturunterschied der Eintrittsmedien (Abluft und Außenluft) aus. Damit gibt die Rückwärmezahl an, welcher Anteil an fühlbarere Wärme der Abluft entzogen wird. Eine derart festgelegte Rückwärmezahl Fortluft wird in der Regel kaum von der Abwärme der Ventilatoren beeinflusst und kann deswegen herangezogen werden, um die Energieeffizienz des Wärmeüberträgers anzuzeigen.

Die Rückwärmezahl lässt sich sowohl auf die Warm- als auch die Kaltseite beziehen. Wird sie auf die Außenluft bezogen, zeigt sie an, wie viel fühlbare Wärme von der Abluft auf die Zuluft übertragen wird, wobei die Abwärme der Ventilatoren Großteils enthalten ist. Das bedeutet, dass die Rückwärmezahl Außenluft prinzipiell mehr als einhundert Prozent betragen kann, wenn die Verluste im Wärmeüberträger geringer sind als die Abwärme von den Ventilatoren. Die Rückwärmezahl entspricht damit dem Temperaturaustauschgrad, Temperaturwirkungsgrad bzw. Temperaturänderungsgrad.

Analog gibt die Rückfeuchtzahl die tatsächlich übertragene absolute Feuchte zu der maximal übertragbaren absoluten Feuchte an.

• Die Rückfeuchtezahl Fortluft beschreibt, wie groß der Anteil der Differenz von absoluter Luftfeuchtigkeit (in g/kg) zwischen Abluft und Außenluft ist, der der Abluft entzogen wird.
• Die Rückfeuchtezahl Außenluft gibt demnach an, wie groß der Anteil der Differenz von absoluter Luftfeuchtigkeit ist, der auf die zugeführte Frischluft übertragen wird. Diese Werte können voneinander abweichen, wenn im Wärmeüberträger Kondenswasser abgeführt wird.

Der WRG gibt gemäß der VDI 2071 das Verhältnis der Enthalpie, die der Abluft entzogen wird, zur Enthalpiedifferenz zwischen Abluft und Außenluft an. Anders ausgedrückt: Der Wärmerückgewinnungsgrad informiert über den Anteil der fühlbaren und latenten Wärme aus der Abluft, der sich einer Wiedernutzung zuführen lässt, wobei die Abwärme des Geräts unberücksichtigt bleibt. Das heißt: Der WRG entspricht der Rückwärmezahl Fortluft bei Berücksichtigung der Luftfeuchte.

Der Wärmebereitstellungsgrad gemäß der VDI 2071 beschreibt das Verhältnis der der Zuluft zugeführten Enthalpie zur Enthalpiedifferenz zwischen Abluft und Außenluft. Er umfasst demnach auch die Abwärme des Geräts und ist somit etwas höher als der Wärmerückgewinnungsgrad.

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