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Wärmerückgewinnung – Systeme und ihre Funktionsweise

Wärmerückgewinnung umfasst als Sammelbegriff verschiedene Verfahren, um Wärmeenergie am Ende eines Prozesses erneut nutzbar zu machen. Bei einer einfachen Wärmeabgabe reicht ein Wärmeübertrager aus, andernfalls ist ein Wärmespeicher notwendig, um die abgegebene Energie zu speichern. Das Ziel der Rückgewinnung ist stets die Reduktion des Energiebedarfs. Wärmerückgewinnungssysteme lassen sich nach Art ihres Wärmeübertragers einteilen in:

  • Rekuperative Systeme
  • Regenerative Systeme

Rekuperative Wärmerückgewinnung

Bi rekuperativen Systemen besteht keine direkte Verbindung der beiden Komponenten, eine Trennwand verhindert den direkten Stoffaustausch beim Übertrag der Wärme.

Plattenwärmetauscher

Diese spezielle Bauform des Wärmeübertragers besteht aus wellenförmigen Platten, die in abwechselnder Funktion aneinandergereiht sind (ein Wärme abgebendes Element folgt einem Wärme aufnehmenden). Das Paket ist nach außen hin abgedichtet. Zusammengehalten wird das Paket durch Spannschrauben, Laserschweißung oder Lötstellen. Die würfel- oder quaderförmigen Plattenwärmetauscher besitzen eine Rückwärmezahl von 50 bis 80 % und sind bei kleinen Luftleistungen bis ca. 25.000 m³/h meist die wirtschaftlichste Lösung.

Rohrbündelwärmeübertrager

Bei Rohrbündelwärmeübertragern handelt es sich um indirekte Wärmeübertrager, bei denen die Wärmeübertragung durch Wände erfolgt. Die Bauform ist ein Hohlzylinder aus Stahlblech, in dessen Innerem sich bis zu mehreren Tausend Rohren befinden. Wenn durch den Hohlzylinder z. B. heißes Wasser strömt, strömt durch die Rohre das kalte, welches sich aufheizt. Je nach Betriebsweise und Strömungsrichtung der Medien unterscheiden sich:

  • Gegenstromrekuperatoren
  • Kreuzstromrekuperatoren
  • Gleichstromrekuperatoren

Zum Einsatz kommen Rohrbündelwärmeübertrager z. B. als Kondensatoren, Ölkühler an Großmaschinen oder Abgaswärmetauscher in der industriellen Produktion. In Öfen dienen sie der Rückgewinnung von Abwärme, wobei sie deren Wirkungsgrad verbessern und die Temperatur des Ofens erhöhen. In der chemischen Industrie hingegen dienen sie häufig dem Aufheizen, Verdampfen, Kühlen und Kondensieren von Medien.

Regenerative Wärmerückgewinnung

Bei diesen Systemen ist zur Wärmeübertragung ein Medium zwischengelagert, das der Speicherung der Wärme dient und abwechselnd Energie aufnimmt und wieder abgibt. Zu unterscheiden sich hier statische und bewegliche Speichermassen.

Rotationswärmetauscher

Hier dreht sich ein Rotor mit einem Durchmesser zwischen 40 cm und 6m als Wärmetauscher 5-20 Mal in der Minute, sodass abwechselnd kalte Außenluft und warme Abluft durch den Rotor strömen. Dieser erhitzt sich durch den einen Luftstrom und kühlt durch den anderen wieder ab, die Speichermasse überträgt die Energie zwischen den Luftströmen.
Die Geräte kommen erst bei Luftleistungen ab 10.000 m³/h zum Einsatz. Die Amortisation erfolgt schnell über höhere Rückwärmezahlen. Es gibt Bauarten, die nicht nur der Wärme-, sondern auch der Feuchteübertragung dienen.

Kreislaufverbundsysteme (KVS)

Ein KVS besteht aus zwei Wärmetauschern, die im Zu- und Abluftsystem eingebaut sind. Zwischen beiden zirkuliert in einem Rohrsystem die Speichermasse, die die Wärme von Register zu Register überträgt. Üblich sind Systeme mit bis zu 80 % Übertragungsgrad. Auch Systeme, die der Übertragung von Nachwärme oder Nachkälte, Betriebswasserwasservorerwärmung sowie Solar- und Abwärmenutzung dienen, kommen zum Einsatz.

Wärmerohrtauscher (Heatpipes)

Wärmerohre aus luftleeren Lamellenröhren, in denen ein Kältemittel eingeschlossen ist, werden durch warme Abluft am unteren Ende erwärmt – das Kältemittel verdampft und trägt die Wärme nach oben an die kalte Zuluft.
Es wird zwischen zwei Bauformen von Wärmerohren unterschieden, der Heatpipe und dem Zwei-Phasen-Thermosiphon, wobei beide Bauformen grundsätzlich gleich funktionieren. Der Vorteil der Wärmerohre ist die Möglichkeit, große Wärmemengen auf kleiner Fläche zu transportieren.

Umschaltwärmetauscher

Mindestens zwei statische Wärmespeichergeräte werden wechselseitig von Zu- und Abluft durchströmt, deren Steuerung mithilfe von Umschaltklappen erfolgt. Die warme Luft lädt dabei den Speicher auf, die kalte den Speicher ab. Das Gerät kommt zum Einsatz, wenn besonders hohe Rückwärmzahlen gefordert sind.

Wärmepumpen

Auch mit Wärmepumpen ist eine Wärmerückgewinnung möglich. Die Pumpe entzieht der Abluft dabei Wärme und führt sie der Zuluft zu bzw. im Sommer erfolgt das Prinzip umgekehrt. Das Besondere daran ist, dass eine Wärmepumpe die Energie nicht direkt zum Aufheizen der Zuluft nutzt, sondern über einen technischen Prozess das Temperaturniveau der rückgewonnenen Wärme so weit anhebt, dass diese sogar für Heizung oder Warmwasserbereitung genutzt werden kann.

Anwendungsgebiete der Wärmerückgewinnung

Die Einsatzgebiete, in denen eine Wärmerückgewinnungsanlage zum Einsatz kommen kann, sind vielfältig:

  • Wärmerückgewinnung beim Luftwechsel: Hierbei wird Abluft genutzt, um die Zuluft zu erwärmen bzw. in der warmen Jahreszeit zu kühlen. Vor allem in Passivhäusern werden derartige Anlagen genutzt, um überschüssige Feuchtigkeit aus dem Gebäude abzuführen.
  • Wärmerückgewinnung aus Abwasser: In Wohnbauten ist die Erwärmung des Duschwassers aus Abwassers zwar wirtschaftlich sinnvoll, doch noch nicht allzu weit verbreitet – nicht zuletzt, da sich die niedrige Temperatur des Abwassers nur direkt über Wärmepumpen nutzen lässt.
  • Wärmerückgewinnung bei industriellen Prozessen: Im Gegensatz zum Wohnungsbau fallen in der industriellen Produktion höhere Temperaturen an, die eine Wärmerückgewinnung sinnvoll erscheinen lassen. Möglich ist hier sowohl die rekuperative Nutzung, die Verwendung zu Heizzwecken oder die Umwandlung in Elektroenergie.
  • Wärmerückgewinnung mit exothermer Reaktion: Im Prozess entstehen Gase als Abfallprodukte, deren Verbrennung zusätzliche Wärme erzeugt. Diese Technik kommt vor allem in Hochöfen zum Einsatz, um die erforderlichen Temperaturen zu erzeugen.

Die Nutzung von Abgasen in Dampfkesseln und in Wärmekraftwerken wird nicht als Wärmerückgewinnung bezeichnet.

Vorteile der Wärmerückgewinnung

Die Wärmerückgewinnung hat sowohl wirtschaftliche wie auch ökologische Vorteile.

  • Verringerung der Anschlussleistungen für Heiz- und Kälteenergie
  • Verringerung des Energieverbrauchs für Heizung und Kühlung
  • Verkleinerung oder Entfall von Heizkessel, Kältemaschine, Rückkühlwerk, Verrohrung, Technikzentrale, Schornstein, oder ähnlichen Bauteilen
  • Verringerung der Investitions- und Betriebskosten in anderen Gewerken
  • Verringerung der Schadstoffemissionen
  • Verringerung der Temperaturdifferenz (Entfall oder Verminderung des Nacherwärmers)