Der Artikel kompakt zusammengefasst
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- Insbesondere durch die regenerative Wärmerückgewinnung bieten rotierende Wärmeübertrager erhebliche energetische Vorteile. Verschiedene Ausführungen als Kondensations-, Enthalpie- und Sorptionsrotoren erschließen spezifische Vorteile in Bezug auf Feuchterückgewinnung und Effizienz.
- Trotz ihrer Vorteile sind Leckagen bei Rotations-Wärmeübertragern systembedingt und können zu unerwünschten Stoff- und Geruchsübertragungen führen. Leckagen können durch geeignete Maßnahmen minimiert werden. Die richtige Anordnung der Ventilatoren spielt dabei ebenfalls eine wichtige Rolle.
Rotations-Wärmeübertrager stellen aus energetischer Sicht in vielen Anwendungen die optimale Lösung für raumlufttechnische Geräte dar. Die regenerative Wärmerückgewinnung ermöglicht die Einsparung von Wärmeenergie und auch die Rückgewinnung von Feuchtigkeit und der damit verbundenen latenten Wärmeenergie. Um die energetischen Vorteile voll auszuschöpfen, muss systembedingten Leckagen konstruktiv begegnet werden.
Je nach Ausführung eines Rotations-Wärmeübertragers kann in vielen Fällen auf eine aktive Befeuchtung im Winterfall und / oder eine aktive Entfeuchtung im Sommerfall verzichtet werden:
- Kondensationsrotor zur Übertragung sensibler Wärme mit Feuchterückgewinnung bei niedrigen Außenlufttemperaturen
- Enthalpierotor mit hygroskopischer Beschichtung für erhöhte Feuchterückgewinnung – Entfeuchtung im Sommerbetrieb und Rückfeuchtung im Winterbetriebb
- Sorptionsrotor mit hochhygroskopischer Beschichtung für optimale Feuchterückgewinnung – Entfeuchtung im Sommerbetrieb und Rückfeuchtung im Winterbetrieb
Weitere Vorteile von Rotations-Wärmeübertragern sind ihr geringer Platzbedarf, die Entbehrlichkeit der Kondensatableitung, die einfache Reinigbarkeit sowie der geringere Druckverlust gegenüber einem Platten-Wärmeübertrager. Ab einer Luftmenge von ca. 10.000 m3/h ergibt sich zudem ein Investitionskostenvorteil.
Bei der regenerativen Wärmerückgewinnung im Rotations-Wärmeübertrager kommen die beiden Luftströme, beispielsweise Abluft und Außenluft, konstruktionsbedingt abwechselnd mit der Oberfläche des Wärmeübertragers in Kontakt. Durch die Mechanik sind Leckagen nicht ausgeschlossen, was zu unerwünschten Stoff- und Geruchsübertragungen führen kann.
Hygienische Anforderungen beachten
Die hygienischen Anforderungen und Beurteilungskriterien zur Luftqualität legen nahe, Rotations-Wärmeübertrager nur dann einzusetzen, wenn keine Geruchs- oder Schadstoffbelastungen aus der Abluft in die Zuluft übertragen werden können. Im Zweifelsfall sind Leckagen wie Umluft zu bewerten. Die Qualität der Abluft bzw. die Abluftkategorie spielt dabei eine entscheidende Rolle.
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Abluft der besten Kategorie EHA1 aus Wohn-, Klassen- oder Büroräumen kann gemäß VDI 6022 Blatt 3 („Beurteilung der Raumluftqualität“) mit der üblichen Abluftfiltration ISOePM10 50 % als Umluft wiederverwendet werden. Abluft der Kategorie EHA2, also Luft mit geringen „Emissionen aus der Einrichtung“, wie beispielsweise aus Speiseräumen, Hotelzimmern oder Umkleideräumen, muss vor der Wiederverwendung so behandelt werden, dass sie als EHA1 eingestuft werden kann.
Die Abluftreinigung ist je nach Luftqualitätsanforderung aufwendig und verursacht Druckverluste und damit zusätzlichen Energieverbrauch. Deshalb werden in vielen Fällen leckagefreie, rekuperative Verfahren wie Platten-Wärmetauscher bevorzugt.
Um in sensiblen Anlagen nicht auf die energetischen Vorteile von Rotations-Wärmeübertragern verzichten zu müssen, ist es wichtig, die systembedingten Leckagen zu beherrschen, siehe Bild 2. Dabei sind folgende Undichtheiten zu beachten:
- an der Mittelstegabdichtung im Übergang von Ab- und Zuluft
- durch mitrotierende Luft in der Speichermasse des Rotations-Wärmeübertragers
- am Umfang des Rotations-Wärmeübertragers
Mittelstegabdichtung
Die Ausführung der Mittelstegabdichtung ist überwiegend verantwortlich für die tatsächlich verfügbaren Luftmengen und wird beschrieben durch die Parameter EATR (Extraction Air Transfer Ratio) sowie OACF (Outdoor Air Correction Factor).
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Die Leckage von der Außenluft (ODA) zur Fortluftseite (EHA) reduziert die verfügbare Zuluftmenge. Der Korrekturfaktor OACF (z. B. 1,1) im Beispiel bedeutet, dass 10 % der Außenluft über die Mittelstegabdichtung zur Fortluftseite abfließen. Der EATR-Wert (z. B. 3 %) gibt an, wieviel Abluft über die Mittelstegabdichtung zur Zuluft übertragen wird.
Im Beispiel besteht die Zuluft (SUP) aus 97 % Außenluft (ODA) und 3 % Abluft (ETA). Um eine ausbalancierte Zu- und Abluftmenge zu gewährleisten, muss der Fortluftventilator 7 % mehr Luft fördern als für die Nennluftmenge berechnet wurde, siehe Bild 3.
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Dieser Zusammenhang verdeutlicht die Bedeutung der optimalen Funktion der Mittelstegabdichtung, um eine Umluftbeimischung zu reduzieren und ausgeglichene Zu- und Abluftmengen zu gewährleisten. Wolf Air Handling bevorzugt eine mehrlippige Dichtung, siehe Bild 4, die gleichermaßen gute Dichtwirkung, lange Standzeiten und ein niedriges Reibungsmoment bietet.
Mitrotation von Abluft
Neben der unerwünschten, EATR-bedingten Umluftbeimischung ist auch die Übertragung von mitrotierender Abluft in die Zuluft zu beachten. Physikalisch bedingt ist die so übertragene Luftmenge vom Luftvolumen in der Speichermasse sowie der Drehgeschwindigkeit abhängig.
Ein Beispiel: Bei 10.000 m3/h Zu- und Abluft, einem Luftinhalt von 0,2 m3 im Rotations-Wärmeübertrager und einer typischen Rotordrehzahl von 12 U/min ergibt sich ein zusätzlicher Umluftanteil von:
12 min−1 × 60 min/h × 0,2 m3 / 10.000 m3/h =1,44 %
Eine Spülkammer oder ein Spülsektor (Bild 5) kann Abhilfe schaffen, indem die Rotormasse im Übergangsbereich von der Abluft zur Außenluft kurzzeitig mit frischer Außenluft gespült wird.
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Bei richtiger Anordnung der Ventilatoren sind Spülkammern äußerst effektiv und reduzieren den Anteil der mitrotierenden Abluft auf weniger als 0,5 %. Diese Vermeidung der Abluftverschleppung geht jedoch mit einer leichten Erhöhung des OAC-Faktors und geringfügig reduzierten Wärmerückgewinnungswerten einher.
Um die optimale Funktion einer Spülkammer zu gewährleisten, müssen die Drücke, die Anordnung der Ventilatoren sowie Rotordrehzahl und Spülwinkel richtig aufeinander abgestimmt sein.
Anordnung der Ventilatoren
In vielen Fällen beeinflussen die Gebäudegeometrie oder vielmehr der zur Verfügung stehende Platz die Anordnung der Komponenten in der Lüftungsanlage. Für den Betrieb mit Rotations-Wärmeübertrager gibt es jedoch klare Vorzugsvarianten. Eine Bewertung der verschiedenen Möglichkeiten zur Ventilatoranordnung in typischen Anwendungsfällen in Bild 6:
1: empfohlene Anordnung zur Minimierung der Leckagen und Reduzierung der Ventilatorenergie
2: möglich – aber hohe OACF-Werte – Korrektur Außenluftventilator empfohlen
3: empfohlene Anordnung, wenn Umluftbetrieb erlaubt und geplant ist – Spülkammer nicht möglich bzw. notwendig
4: möglich – aber sehr hohe OACF-Werte – Korrektur Außenluftventilator notwendig
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Hohlraum um den Rotor
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Im Hohlraum um den Rotations-Wärmeübertrager stellt sich ein Druckgleichgewicht über alle vier Luftströme (ODA, SUP, ETA und EHA) ein. Die auftretenden Leckagen können, abhängig von der Ventilatoranordnung, die Parameter OACF, EATR und auch die Rückwärmeleistung negativ beeinflussen. Messungen an bestehenden Anlagen zeigen oft Leckageraten von über 10 %, was schwer vorhersehbare Auswirkungen auf die Luftmengen und Effizienzverluste zur Folge hat.
Eine effektive Abdichtung am Umfang der Speichermasse ist deshalb unerlässlich. Sehr gute Ergebnisse liefert eine umlaufende Labyrinthdichtung (Bild 7), die Leckagen auf weniger als 2 % reduzieren kann. ■
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