Energierückgewinnung in Rotationswärmetauschern verstehen

Wichtige technische Elemente, die die Energieeffizienz beeinflussen

Energierückgewinnung in Rotationswärmetauschern verstehen – Wichtige technische Elemente, die die Energieeffizienz beeinflussen

Wärmerückgewinnungssysteme können anhand der thermischen Parameter des Systems in zwei Kategorien unterteilt werden: Systeme zur Energierückgewinnung und -umwandlung aus Abwärme mit hohen thermischen Parametern (über 70^oC) und Systeme zur Energierückgewinnung und -umwandlung aus Abwärme mit niedrigen thermischen Parametern (unter 70^oC).

Wärmerückgewinnungs- und Energieumwandlungssysteme über 70^oC werden in technologischen Prozessen der Energie-, Lebensmittel-, Chemie- und anderen Prozessindustrien eingesetzt, bei denen große Mengen Abwärme freigesetzt werden. Diese Abwärme mit hohen thermischen Parametern kann zur Verbesserung der Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit von Unternehmen genutzt werden, indem Luft in Lüftungssystemen direkt erwärmt oder technologische Prozesse, die höhere Temperaturen erfordern, unterstützt werden (z. B. als Wärmequelle für Wärmepumpen zur Pasteurisierung in der Lebensmittelindustrie oder zur Stromerzeugung im Organic Rankine Cycle oder Kalina Cycle). Abwärme mit derart hohen thermischen Parametern kann auch für Kälte- und Klimatisierungsprozesse genutzt werden (z. B. zur Umwandlung von Wärmeenergie in Kaltwasser mit Absorptions- oder Adsorptionskältemaschinen).

Wärmerückgewinnungs- und Energieumwandlungssysteme unter 70^oC werden am häufigsten zu Heizzwecken in Wohngebäuden (z. B. Fußbodenheizung mit Wärmepumpen) oder Gewerbegebäuden (z. B. in Lüftungsanlagen zur Erwärmung von Frisch- oder Außenluft durch Wärmerückgewinnung aus der Abluft) eingesetzt. Dieser Artikel konzentriert sich auf Anwendungen in Gewerbegebäuden.

Wärmerückgewinnungssysteme in Lüftungsanlagen basieren auf zwei Systemen, die je nach gewählter Lösung Strom verbrauchen (aktive Systeme) oder nicht (passive Systeme). Aktive Wärmerückgewinnungssysteme in Lüftungsanlagen umfassen beispielsweise Systeme mit Rotationswärmetauschern oder reversiblen Wärmepumpen. Passive Wärmerückgewinnungssysteme umfassen Kreuz- und Sechseckwärmetauscher. Charakteristisch für die Wärmerückgewinnung in Lüftungsanlagen ist die Wärmerückgewinnung bei geringen Temperaturunterschieden zwischen dem Luftstrom mit höherer und dem Luftstrom mit niedrigerer Temperatur, wobei die Luft mit höherer Temperatur selten 30 °C überschreitet.^oC (bei Gewerbebauten erfolgt die Wärmerückgewinnung auch bei niedrigeren Lufttemperaturen).

Die Wärmerückgewinnung in Lüftungs- und Klimaanlagen erfolgt meist über Rotations- oder Kreuzstrom-Wärmetauscher (sechseckig), seltener über Wärmepumpen. Rotationswärmetauscher werden in RLT-Anlagen eingesetzt, in denen ein Massenaustausch zwischen Zu- und Abluft zulässig ist (meist öffentliche Gebäude). Kreuzstrom- und sechseckige Wärmetauscher kommen in RLT-Anlagen zum Einsatz, in denen ein Massenaustausch zwischen Frisch- und Abluft nicht möglich ist (z. B. Krankenhäuser). Reversible Wärmepumpen kommen zum Einsatz, wenn zu Heizzwecken Zuluft mit hoher Temperatur benötigt wird.

Massen- und Energiebilanz von Wärmetauschern in Lüftungsanlagen

Bei der Berechnung der Leistung von Rotationswärmetauschern zur Wärmerückgewinnung in Lüftungsanlagen ist neben der Energiebilanz auch eine entsprechende Massenbilanz erforderlich. Nachfolgend sind Energie- und Massenbilanzgleichungen für stationäre Strömungsbedingungen mit folgender Annahme aufgeführt. Periodische Parameteränderungen, die sich aus der Rotationsbewegung des Tauschers ergeben, werden in der Gesamtenergie- und Feuchtigkeitsbilanz gemittelt. Das heißt, periodische lokale Temperatur- und Feuchtigkeitsänderungen an der Oberfläche des rotierenden Rades sind unbedeutend und werden daher in den Berechnungen nicht berücksichtigt.

a) Masse, Konzentration und Energiebilanz für Rotationswärmetauscher: