TGA Raumlufttechnik

TGA Ausgabe 12-2015
Luft/Luft-Wärmeübertrager

Aluminium oder Kunststoff?


1 Produktion von Gegenstrom-Wärmeübertragern aus PET bei Holmak HeatX in Staphorst, Niederlande.

1  Produktion von Gegenstrom-Wärmeübertragern aus PET bei Holmak HeatX in Staphorst, Niederlande.

Die Nachfrage nach Wohnungslüftungssystemen mit Wärmerückgewinnung wird weiterhin deutlich steigen. Die integrierten Luft/Luft-Wärmeübertrager arbeiten nach unterschiedlichen physikalischen Prinzipien und werden aus Aluminium, Kunststoff und auch Keramik gefertigt. Wärmeübertrager aus Kunststoff haben jedoch einen wichtigen Öko-Vorteil.

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Gegenstrom-Wärmeübertrager aus PET und Aluminium sind wegen des höheren Wirkungsgrads bei der Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung führend.

Der Kunststoffvariante werden hohe Wachstumswerte im Wohnbereich vorhergesagt, weil sie hohe Effizienzwerte bei niedrigen Produktionskosten aufweisen.

Zudem werden Kunststoff-Wärmeübertrager im Allgemeinen aus recyceltem PET-Material gefertigt. Damit sind sie per se „ökofreundlicher“ als Wärmeübertrager aus Aluminium.

Die ab 1. Januar 2016 EU-weit für bestimmte Wohnungslüftungsgeräte vorgeschriebenen Etiketten (Öko-Label) berücksichtigen jedoch insbesondere den spezifischen Energieverbrauch.

Die Weltleitmesse ISH 2015 zeigte einen 5%igen Anstieg von Ausstellern aus dem Lüftungsbereich. Insbesondere der private Wohnungsmarkt ist für Steigerungen beim Absatz von Lüftungssystemen mit Wärmerückgewinnung verantwortlich. Hersteller von solchen Systemen, etwa Brink Climate Systems, berichten von Wachstumswerten von rund 10 % in kleineren Märkten wie Italien und der Schweiz und bis zu 20 % Wachstum in den mengenstarken Hauptabsatzmärkten Deutschland und Frankreich.

Der neue Trend zum automatischen Lüften ist nachvollziehbar, da in Deutschland, in dem mit rund 50 000 Anlagen pro Jahr größten Markt in Europa, Belüftungstechniken im Neubau, insbesondere mit Wärmerückgewinnung, bei der energetischen Bewertung über die Energieeinsparverordnung gefördert werden.

Aber auch im Renovierungsmarkt wird verstärkt nach Zentralbelüftungssystemen – z. B. als Deckenlösung in der Diele – oder dezentralen Einzelraumlösungen gefragt. Offensichtlich hat es sich bei Hausbesitzern, Architekten und Handwerkern herumgesprochen, dass die „Zwangsbelüftung“ Schimmelbildung bei hochgedämmten Gebäudehüllen verhindert, Straßen- oder Fluglärm abschottet, Energie spart, bei Allergien hilft, generell die Heiz- oder auch Kühlungskosten senkt und dabei den Komfort und die Gesundheit des Innenraumklimas steigert.

Verschiedene Prinzipien

Luft/Luft-Wärmeübertrager arbeiten nach verschiedenen Prinzipien. Jeder Typus hat wegen seiner Besonderheiten einen eigenen Markt. Es gibt Pendelwärmeübertrager, bei denen wechselweise der Ab- und Zuluftstrom zwecks Energieaustauschs durch einen regenerativen Aluminium- oder Keramik-Wärmeübertrager geführt wird. Es gibt Rotations- und Enthalpie-Wärmeübertrager, die nicht nur die Wärme, sondern auch die Feuchtigkeit der Luft durch Dampfdiffusion oder Sorption / Desorption zurückführen. Das ist vor allem in trocken-kalten Klimaregionen wie Skandinavien interessant. Typischerweise deckt dort der Enthalpie-Wärmeübertrager die kleineren und der Rotations-Wärmeübertrager die größeren Volumenströme ab.

Den größten Anteil im gesamten europäischen Neubaumarkt von Privatwohnungen und Eigenheimen haben aktuell rekuperative Platten-Wärmeübertrager, die nach dem Kreuz- oder Gegenstromprinzip Abb. 2 arbeiten. Sie werden traditionell aus Aluminium und zunehmend aus Kunststoff gefertigt.

Europäische Normen legen die Prüfungsanforderungen für Raum-Belüftungssysteme fest. Die Hersteller prüfen ihre Belüftungssysteme selbst entsprechend dieser Anforderungen hinsichtlich Luftleistung, Wärmebereitstellung, Akustik, elektrische Leistungsaufnahme und maximal mögliche Windlast bei der Installation auf der Gebäudefassade.

Erstmalig ab dem 1. Januar 2016 müssen nach den EU-Verordnungen 1253/20141) und 1254/20142) auch spezifische Ökodesign-Entsprechungen vom Hersteller auf seinem System ausgewiesen werden. Die vorgeschriebenen Etiketten (Öko-Label) enthalten Energieeffizienz-Einstufungen, die vom Topwert A+ bis zum Minimalwert G reichen. Sie orientieren sich an dem spezifischen Energieverbrauch (SEV). Der SEV-Wert (in kWh/(m2 a)) kennzeichnet den gesamten energetischen Vorteil eines Belüftungssystems verglichen mit einer Belüftung durch das Öffnen von Fenstern. Die Werte der SEV-Klassen A+ bis F liegen im negativen Bereich Abb. 5. In der EU-Verordnung 1253/2014 ist er wie folgt definiert: „Spezifischer Energieverbrauch (SEV)“ (in kWh/(m2 a)) bezeichnet einen Koeffizienten, mit dem die für Lüftung verbrauchte Energie je m2 beheizter Bodenfläche einer Wohnung oder eines Gebäudes ausgedrückt wird und der für WLA [Wohnraumlüftungsanlage] nach Anhang VIII berechnet wird.

Die Pflicht zur Prüfung und Ausweisung des Öko-Labels eines Belüftungssystems wird voraussichtlich zu einer Bevorzugung von Systemen mit Wärmerückgewinnung führen. Bei den Systemen mit Wärmerückgewinnung hingegen werden vor allem diejenigen an Bedeutung gewinnen, die gleichzeitig Topwerte bei der Effizienz des Wärmeübertragers und Minimalwerte beim Druckverlust aufweisen. Denn der Druckverlust beeinflusst den Energieverbrauch des Lüftermotors und damit ebenso wie der Wärmerückgewinnungsgrad die Energiebilanz des gesamten Systems.

Produzenten von Wärmeübertragern, wie der niederländische Hersteller Holmak, sind damit aufgefordert, beide Werte zu optimieren, um den Systemintegratoren einen möglichst geringen SEV-Wert des Gesamtsystems und damit eine grüne Effizienzklasse zu ermöglichen. Holmak hat sich auf die Entwicklung und Produktion von Plattenwärmeübertragern spezialisiert, die aufgrund des angewandten Gegenstromprinzips hohe Wärmerückgewinnungswerte und durch die Plattengeometrie nur geringe Druckverluste aufweisen. Diese Gegenstrom-Wärmeübertrager werden in Aluminium Abb. 3 und dem Kunststoff PET (Polyethylenterephthalat) Abb. 4 angeboten. Doch welches Material ist die bessere Wahl?

Nachhaltigkeit und CO2-Bilanz

Die Vorteile von Aluminium als Konstruktionsmaterial für ein Bauteil, das Wärme speichert und überträgt, liegen auf der Hand: Aluminium hat gegenüber Kunststoff eine höhere spezifische Speicher- und Wärmeleitfähigkeit. Zudem ist Aluminium beständiger gegenüber Druck, Frost und hohen Temperaturen und verspricht auch mechanisch eine höhere Lebensdauer. Allerdings ist Aluminium teurer, schwieriger zu verarbeiten und erlaubt weniger filigrane Plattengeometrien. Deshalb lohnt sich eine genauere Betrachtung der Vorteile von Kunststoff-Wärmeübertragern.

Kunststoff-Wärmeübertrager, die aus recycelbarem PET-Material gefertigt werden, sind per se „ökofreundlicher“ als Aluminium. Aluminium wird zwar auch recycelt, aber bereits bei der Aluminium-Rohstoffgewinnung wird so viel Primärenergie verbraucht, dass das erst nach Tausenden von Rückführungsprozessen wieder aufzuholen ist.

Wegen dem hohen energetischen Aufwand bei der Erstgewinnung und dem höheren energetischen Aufwand bei der Rückführung in den Wertstoffkreislauf ist die CO2-Bilanz bei Aluminium-Wärmeübertragern deutlich schlechter als bei den Kunststoffalternativen. Ein Argument, das angesichts des eigentlichen Sinns der Wärmerückgewinnung – nämlich der nachhaltige Umgang mit Energie und die nachhaltige Senkung der CO2-Emissionen – für das Material Kunststoff spricht. Vorteilhaft ist auch die einfache Verarbeitung Abb. 1.

Aufstellungsort und Wärmeeffizienz

Bei der Wahl des Aufstellungsortes ist man beim Einsatz von Aluminium-Wärmeübertragern flexibler. Kunststoff-Wärmeübertrager sollten in frostfreien Umgebungen aufgestellt werden. Bei beiden Arten muss bei Frost die kalte Zuluft vorgeheizt werden. Das geht beispielsweise durch Erdreich-Wärmeübertrager, Elektroheizungen oder Warmwasserheizregister.

Bei niedriger Außenlufttemperatur wird die feuchtwarme Abluft zudem stark abgekühlt, sodass die Sättigungsgrenze überschritten wird und sich Wasserdampf als Kondensat niederschlägt. Viele Wärmeübertrager sind auf diese Kondensat-Bildung vorbereitet, indem das Kondensat so abgeführt wird, dass sich in Ecken und Kanten keine Lebensräume für Keime bilden können.

Entscheidend für das Öko-Label ist unter anderem der Effizienzwert eines Luft/Luft-Wärmeübertragers. Im direkten Vergleich hat der Aluminium-Wärmeübertrager zwar formal beim Wärmeübergang die höhere Wärmeleitfähigkeit als Materialvorteil – weil die Platten jedoch sehr dünn sind, ist der tatsächliche Vorteil zu vernachlässigen.

Entscheidender ist die Temperaturverteilung über die gesamte Plattenbreite. Die ist bei Aluminium homogener. Je homogener diese Verteilung ist, desto kälter werden zwangsläufig auch die inneren Ränder. Bei Kunststoff-Wärmeübertragern sind die Wände auf der Innenseite wärmer und ermöglichen dadurch einen etwas höheren Rückgewinnungsgrad. Hohe Werte von über 90 % sind aber mit beiden Materialien möglich. Insbesondere dann, wenn das Gegenstromprinzip angewandt wird.

Entsprechend der EU-Verordnung 1253/2014 ist aber der Wirkungsgrad für eine gute Effizienzklasse nicht ausreichend. Auch der Druckverlust des Wärmeübertragers ist mitentscheidend, nicht ob dieser aus Aluminium oder Kunststoff besteht – letztendlich kommt es für einen niedrigen SEV-Wert darauf an, wie intelligent der Hersteller des kompletten Belüftungssystems alle Komponenten, vom Wärmeübertrager bis zum Lüfter, konstruktiv in Einklang bringt.

Es kommt auf die richtige Balance an

Für den Transport der Zu- und Abluft benötigen Wohnraumbelüftungsanlagen Ventilatoren, deren Strombedarf ein wichtiger Faktor bei der Energiebilanz des Gesamtsystems ist, auch wenn moderne geregelte Gleichstromventilatoren eine besonders hohe Energieeffizienz aufweisen. Die Leistungsaufnahme ist jedoch in Relation zum Luftdurchsatz zu sehen und wird als SFP-Wert (Specific Fan Power) in Wh/m3 (oder W/(m3/h)) angegeben. Der Luftdurchsatz wird wiederum zusammen mit einem bestimmten maximalen Wert beim aufgebauten Luftdruck spezifiziert. Es muss also eine Balance zwischen Wirkungsgrad, Luftdurchsatz, Druckverlust, SFP-Wert des Lüfters und der von ihm verursachten Geräuschentwicklung erreicht werden.

Nimmt ein Ventilator 50 W elektrische Leistung bei einem Volumenstrom von 200 m3/h auf, wird abhängig vom Gesamtsystem ein SFP-Wert von 0,25 W/(m3/h) erreicht. Der SFP-Wert fällt jedoch in der Praxis geringer aus, wenn das Gesamtsystem inklusive des verwendeten Wärmeübertragers einen geringeren Druckverlust aufweist und die Ventilatordrehzahl entsprechend verringert werden kann. Holmak-Wärmeübertrager zeichnen sich durch Konstruktionen aus, bei denen der Wirkungsgrad sehr hoch und gleichzeitig der Druckverlust sehr gering ist. Systemhersteller können dadurch eine insgesamt sehr gute Energiebilanz beim Verbrauch elektrischer Energie und der Rückgewinnung thermischer Energie erreichen.

1) Verordnung (EU) Nr. 1253/2014 Der Kommission vom 7. Juli 2014 zur Durchführung der Richtlinie 2009/125/EG des Europäischen Parlaments und des Rates. Amtsblatt der Europäischen Union vom 25. November 2015, L 337/8, Download auf www.eur-lex.europa.eu

2) Delegierte Verordnung (EU) Nr. 1254/2014 Der Kommission vom 11. Juli 2014 zur Ergänzung der Richtlinie 2010/30/EU des Europäischen Parlaments und des Rates im Hinblick auf die Kennzeichnung von Wohnraumlüftungsgeräten in Bezug auf den Energieverbrauch. Amtsblatt der Europäischen Union vom 25. November 2015, L 337/27, Download auf www.eur-lex.europa.eu

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Aluminium oder Kunststoff?
  2. Teil: Holmak HeatX …
  3. Teil: Ing. Mark Lammers
  • 2  Das Prinzip des Gegenstrom-Wärmeübertragers.

  • 3  Typische Gegenstrom-Wärmeübertrager aus Aluminium für Nennluftvolumenströme bis zu 2000 m 3 /h.

  • 4  Typische Gegenstrom-Wärmeübertrager aus dem Kunststoff PET für Nennluftvolumenströme bis zu 750 m 3 /h.

  • 5  EU-Produktetikett für Wohnraumlüftungsgeräte

    Klassen des spezifischen Energieverbrauchs (SEV) von Wohnraumlüftungsgeräten, berechnet für durchschnittliches Klima zur Einstufung ab 1. Januar 2016.

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