Wärmerückgewinnung

Wärmerückgewinnung (WRG) ist ein Sammelbegriff für Verfahren zur Wiedernutzbarmachung der thermischen Energie eines den Prozess verlassenden Massenstromes.

Wärmerückgewinnung mit einer Rückwärmzahl von 0,8 bzw. 80%

Grundsätzliches Ziel der Wärmerückgewinnung ist die Minimierung des Primärenergieverbrauchs. Dabei stehen neben den energiewirtschaftlichen Bedürfnissen auch ökologische Forderungen im Vordergrund. Insbesondere werden im Hinblick auf das Kyoto-Protokoll zum Schutz des Klimas gesamtheitlich enorme Mengen an Treibhausgase bzw. CO₂-Emissionen vermieden. Für die eigentliche Funktion von Herstellungsprozessen ist in keinem einzigen Fall eine Wärmerückgewinnung erforderlich. Die Wärmerückgewinnung ist somit nicht dem eigentlichen Herstellungsprozess zugehörig. Sie hat lediglich die Aufgabe, die Energiepotentiale der von den Herstellungsprozessen letztlich in die Umwelt entlassenen Energieströme nachhaltig zu bewahren und zu erneuern. Damit hat die Wärmerückgewinnung die Eigenschaft einer regenerativen Energie.

Übersicht

Das Verfahren der Wärmerückgewinnung lässt sich bei Gasen, Flüssigkeiten oder festen Stoffen für Wärme- oder Kälteprozesse einsetzen. Wärmerückgewinnungssysteme lassen sich nach ihrem Wärmeübertrager einteilen in:

• Rekuperative Systeme
• Regenerative Systeme
• Regeneratoren
• Wärmepumpen

Bewertung der Übertragungsverhalten bezüglich Schadstoffe und Gerüche in Anlehnung an VDI 2071
hinsichtlich lüftungstechnischer Anlagen:

WRG - System	mit Wärmeübertrager	Rück- wärmzahl	Rück- feuchtzahl	Übertragungsverhalten bei
				Gerüche	Keime	Staub	Öl & Fett	Gase	Betriebs- störung
Rekuperative Systeme
	Plattenwärmetauscher	0,4-0,8 (*)	0,0	o	o	o	o	-	--
	Plattenwärmetauscher (feuchtedurchlässige Folien)	0,4-0,8 (*)	0-0,8	o	-	o	--	--	--
	Röhrenwärmetauscher	0,3-0,5 (*)	0,0	o	o	o	o	-	--
Regenerative Systeme
Kreislauf-Verbundsysteme	Kompakt-Wärmetauscher	0,3-0,5	0,0	+	+	+	+	+	+
	Gegenstrom-Schichtwärmetauscher	0,7-0,8	0,0	+	+	+	+	+	+
Wärmerohre	Schwerkraftwärmerohr (Thermosiphon)	0,2-0,4 (*)	0,0	o	o	o	o	o	o
	Kapillarwärmerohr	0,5-0,8 (*)	0,0	o	o	+	o	o	o
Regeneratoren
Rotoren	Rotor mit Sorption	0,7-0,8 (*)	0,6-0,7	o	-	o	o	--	--
	Rotor ohne Sorption	0,7-0,8 (*)	0,1-0,2	o	-	o	o	--	--
Sonstige	Kapillargebläse	0,2-0,4 (*)	0,2-0,4	--	--	--	--	--	--
	Umschaltspeicher	0,6-0,9 (*)	0,5-0,7	--	--	--	--	--	--
Wärmepumpen
	Kompressor-Wärmepumpe	./.	0,0	+	+	+	+	+	+
	Adsorptions-Wärmepumpe	./.	0,0	+	+	+	+	+	+
(--) ungeeignet, (-) weniger geeignet, (o) nur mit Hilfs- und Sonderkonstruktion geeignet, (+) geeignet (*) Leckage und/oder Mitrotation enthalten, (./.) fehlender Bezugsmaßstab

Rückwärm- und Rückfeuchtzahl

Die Rückwärmzahl gibt das Verhältnis der übertragenen Temperatur zu dem Temperaturunterschied der Eintrittsmedien an und ist identisch mit dem Temperaturaustauschgrad, -wirkungsgrad bzw. -änderungsgrad. Die Rückwärmzahl lässt sich auf die Warm- und Kaltseite beziehen. Bei gleichem Wärmekapazitätenstrom sind im sensiblen Fall die Werte beider Rückwärmzahlen gleich. Die Wärmerückgewinnung im obigen Bild ergibt so zum Beispiel eine beidseitige Rückwärmzahl von (19°C − 0°C) / (24°C − 0°C) = (24°C − 5°C) / (24°C − 0°C) = 0,8 bzw. 80 %. Analog gibt die Rückfeuchtzahl die übertragene absolute Feuchte zu der maximal übertragbaren absoluten Feuchte an.

Vorteile einer Wärmerückgewinnung

• Verringerung der Anschlussleistungen [kW] für Heiz- und Kälteenergie
• Verringerung des Energieverbrauchs [kWh] für Heizung und Kühlung
• Verkleinerung oder Entfall von Heizkessel, Kältemaschine, Rückkühlwerk, Verrohrung, Technikzentrale, Schornstein, ...
• Verringerung der Investitions- und Betriebskosten in anderen Gewerken (z.B. Heizung, Kühlung)
• Verringerung der Schadstoffemissionen
• Verringerung der Temperaturdifferenz (Entfall oder Verminderung des Nacherwärmers für komfortable Zulufttemp.)

Anwendungen der Wärmerückgewinnung

• Wärmerückgewinnung beim Luftwechsel: Sowohl bei klimatisierten Gebäuden als auch bei Passivhäusern und Minergie-Häusern wird der Energieinhalt der Abluft genutzt, um die Zuluft zu temperieren. In der kalten Jahreszeit wird die Zuluft erwärmt und in der warmen Jahreszeit gekühlt. Da neue Bauten zum Schutz gegen Außenlärm und Wärmeverluste dicht gebaut werden, werden anspruchsvollere Wohnbauten in rasch wachsender Zahl mit Lüftungen mit Wärmerückgewinnung ausgerüstet. Diese werden auch als Komfortlüftungen bezeichnet, weil sie Frischluft bei geschlossenen Fenstern (d.h. Schutz gegen Außenlärm, Staub, Pollen, kalte Räume) zu- und mit der Abluft Feuchtigkeit automatisch abführen (wirksamer Schutz gegen Schimmelpilz in Bädern und Küchen). Umluftbetrieb wird nicht als Wärmerückgewinnung eingeordnet. Effiziente Wärmerückgewinnungssysteme mit multifunktionaler Nutzung verwenden auch im Sommer zur Kühlung zusätzliche Verdunstungskälte der Abluft und werden somit auch selbst zur Kälteanlage.

• Wärmerückgewinnung aus Abwasser: Der Großteil des Warmwasser-Verbrauchs im Haushalt wird für die Körperpflege benötigt. Beim Duschen finden ein Fluss von warmem Abwasser und die Abnahme von Kaltwasser für die Wassererwärmung gleichzeitig statt. In einer Fallleitung Wärmetauscher wird das abfließende Abwasser gekühlt und das zufließende Kaltwasser aufgewärmt. Das angewärmte Kaltwasser fließt dann weiter in den Warmwasserbereiter und braucht bis zu 35 % weniger Energie, um auf 60˚C aufgewärmt zu werden. Normalerweise ist die Temperatur des gemischten Abwassers von Wohnhäusern so niedrig, dass die darin enthaltene thermische Energie nur mit Wärmepumpen genutzt werden kann (vgl. Abwasserwärmerückgewinnung). Wärmeübertrager für Stellen, an denen ausreichend warmes Wasser anfällt (Dusche, Badewanne) sind noch relativ wenig verbreitet, obwohl sie zurzeit wirtschaftlich sind. Eine interessante Entwicklung sind Duschkabinen, Duschwannen und Fallleitung Wärmetauscher, bei denen das Kaltwasser mit dem Abwasser aufgewärmt wird. Dadurch wird das Kaltwasser vorgewärmt und kann direkt verwendet bzw. in Warmwasserbereiter eingespeist werden. Fazit: eine deutliche Senkung des benötigten Energieverbrauchs für Warmwasser.

14.000-kW-Absorptionswärmepumpe zur Nutzung industrieller Abwärme in einem österreichischen Fernheizwerk

• Wärmerückgewinnung bei industriellen Prozessen: Bei vielen industriellen Prozessen sind hohe Temperaturen notwendig. Beim Abkühlen der Produkte, aber auch der erhitzten Umgebungsluft oder anderer Gase, die beim Prozess aufgewärmt werden, kann Wärme zurückgewonnen werden. Man kann diese Wärme auf niedrigen Temperaturniveaus rekuperativ (d.h., dass beide Fluide in getrennten Systemen verlaufen) in den Prozess einbringen oder sie für Heizzwecke verwenden. Weiterhin kann man die Wärme in Elektroenergie wandeln. Da Abwärme meistens auf niedrigem Temperaturniveau anfällt, ist eine Wandlung in Elektroenergie meistens nur mit Hilfe des ORC-Prozesses möglich.

• Die Nutzung der Abgase von Dampfkesseln („Economiser“) und Kraftwerken (Kraft-Wärme-Kopplung) wird im Allgemeinen nicht als Wärmerückgewinnung bezeichnet.

Literatur

• VDI-Gesellschaft Technische Gebäudeausrüstung: VDI-Richtlinie VDI 2071, Wärmerückgewinnung in Raumlufttechnischen Anlagen, Beuth-Verlag, 1997

Weblinks

• Beschreibung der Wärmerückgewinnungssysteme mit Skizzen
• Beschreibung der Wärmerückgewinnungssysteme aus Abwasser
• Beschreibung der Wärmerückgewinnung aus Abwasser Innerhalb Gebäude
• Wärmerückgewinnung bei BINE Informationsdienst – Energieforschung für die Praxis gefördert vom BMWi