Wärmerückgewinnung in RLT-Anlagen: Typen, Wirkungsgrade und Normen

Die Wärmerückgewinnung ist in modernen RLT-Anlagen energetisch unverzichtbar: Sie reduziert den Heizbedarf im Winter und den Kühlbedarf im Sommer, indem Fortluft-Enthalpie auf die Zuluft übertragen wird. DIN EN 308 definiert die Prüf- und Berechnungsgrundlagen für Wärmeübertrager; das GEG schreibt für Neubauten Mindestwirkungsgrade vor. Dieser Artikel systematisiert alle relevanten WRG-Typen, erläutert die Wirkungsgradberechnung und zeigt, welche Systemwahl für welche Anwendung sinnvoll ist.

Grundbegriffe der Wärmerückgewinnung

Die Wärmerückgewinnung (WRG) beschreibt die thermische Nutzung der Energie, die in der Fortluft einer raumlufttechnischen Anlage enthalten ist. Anstatt diese Energie ungenutzt ins Freie abzuführen, wird sie auf die einströmende Außenluft übertragen – im Winter zur Vorerwärmung, im Sommer bei geeigneter Systemkonfiguration zur Vorkühlung. Der energetische Nutzen ist erheblich: Bei einer Außenlufttemperatur von –10 °C und einer Fortlufttemperatur von 22 °C lässt sich der Heizenergieaufwand durch eine WRG mit einem Temperaturänderungsgrad von 75 % um mehr als zwei Drittel reduzieren.

Zur quantitativen Beschreibung der Übertragungsleistung definiert VDI 3803 Blatt 5 drei zentrale Kenngrößen. Der Temperaturänderungsgrad (Rückwärmzahl) $Φ_t$ beschreibt, wie stark die Außenluft durch die WRG erwärmt wird, bezogen auf die maximal mögliche Temperaturdifferenz zwischen Fort- und Außenluft:

dabei ist t₂₁ die Außenlufteintrittstemperatur, t₂₂ die Außenluftaustrittstemperatur und t₁₁ die Fortlufteintrittstemperatur. Der Feuchteänderungsgrad (Rückfeuchtzahl) $Φ_x$ beschreibt die anteilige Feuchteübertragung, der Enthalpieänderungsgrad $Φ_h$ die übertragene Gesamtenergie einschließlich des latenten Anteils aus dem Wasserdampf. Für Anlagen mit Befeuchter ist der Enthalpieänderungsgrad die aussagekräftigere Kenngröße, weil er auch die Kondensationswärme des Wasserdampfs in der Fortluft berücksichtigt.

Ein konzeptionell wichtiger Unterschied besteht zwischen reiner Wärmerückgewinnung und Enthalpierückgewinnung. Systeme ohne Feuchteübertragung (Kreuzstrom- und Gegenstromwärmetauscher aus Aluminium oder Kunststoff) übertragen ausschließlich fühlbare Wärme; $Φ_t$ und $Φ_x$ sind dabei entkoppelt. Systeme mit hygroskopischer Beschichtung oder Sorptionsmasse (Rotationswärmetauscher mit Enthalpieübertragung, Membranwärmetauscher) übertragen auch latente Energie und können im Winter zusätzlich Feuchtigkeit rückgewinnen, was den Befeuchterbedarf senkt. Bei der Systemwahl ist jedoch zu beachten, dass jede Form der Feuchteübertragung hygienische Anforderungen nach VDI 6022 Blatt 1 berührt, insbesondere wenn Keime oder Schadstoffe zwischen Fortluft und Zuluft übertragen werden können.

Rekuperatoren – Kreuzstrom- und Gegenstromwärmetauscher

Rekuperative Wärmeübertrager arbeiten mit einer festen, trennenden Wand zwischen Fortluft- und Außenluftseite. Der Wärmeübergang erfolgt durch Wärmeleitung durch diese Trennfläche und Konvektion auf beiden Seiten; eine direkte Vermischung der Luftströme findet nicht statt. Diese strikte Trennung ist der hygienische Hauptvorteil gegenüber regenerativen Systemen und macht den Rekuperator zur bevorzugten Bauform für Anwendungen, bei denen nach VDI 6022 Blatt 1 keine Kreuzkontamination toleriert werden darf.

Die gebräuchlichsten Bauformen sind der Kreuzstromwärmetauscher und der Gegenstromwärmetauscher. Beim Kreuzstromwärmetauscher strömen Fort- und Außenluft senkrecht zueinander durch ein Plattenpaket; erreichbare Temperaturänderungsgrade liegen typischerweise bei 50–70 %. Beim Gegenstromwärmetauscher strömen beide Luftströme in entgegengesetzter Richtung parallel zueinander, was eine deutlich größere mittlere Temperaturdifferenz über die gesamte Übertragungsfläche ermöglicht; hochwertige Gegenstromgeräte erreichen $Φ_t$-Werte von bis zu 90–95 %. In der Praxis werden häufig Kreuzgegenstromkombinationen eingesetzt, die konstruktiv kompakter sind als reine Gegenstromgeräte und dabei Wirkungsgrade von 75–85 % erzielen.

Bei der Auslegung ist das Entfrostungskonzept zwingend zu berücksichtigen. Fällt die Außenlufttemperatur unter etwa –3 °C bis –7 °C (abhängig von Fortluftfeuchte und Gerätekonfiguration), kondensiert und gefriert der Wasserdampf der Fortluft auf der Übertragungsfläche. Typische Gegenmaßnahmen sind Abtauzyklen über eine Bypassklappe auf der Außenluftseite, elektrische Vorheizung der Außenluft oder eine Reduktion des Außenluftvolumenstroms. Wird das Entfrostungskonzept in der Planung nicht korrekt dimensioniert, kann es zum vollständigen Zufrieren des Wärmetauschers und damit zum Ausfall der Anlage kommen – ein in der Praxis nicht seltenes Problem, das häufig auf eine Unterschätzung der Fortluftfeuchte in der Planungsphase zurückzuführen ist.

Rotationswärmetauscher (Rotationswärmeübertrager)

Der Rotationswärmetauscher, auch Regenerator oder Rotationsläufer genannt, arbeitet nach dem regenerativen Prinzip: Ein langsam rotierendes Rad aus gewelltem Aluminium- oder Kunststoffband nimmt im Fortluftstrom Wärme auf und gibt sie nach einer halben Umdrehung im Außenluftstrom wieder ab. Die Drehzahl liegt typischerweise zwischen 8 und 20 Umdrehungen pro Minute. Der erreichbare Temperaturänderungsgrad beträgt bei gut ausgelegten Systemen 75–85 %, bei qualitativ hochwertigen Geräten können Werte bis 85 % erreicht werden.

Rotationswärmetauscher mit sorptiver Beschichtung (Enthalpierotoren, auch „hygroscopic wheels“) können zusätzlich Feuchte übertragen. Die Speichermasse ist dabei mit einem hygroskopischen Material (Silicagel, Zeolith oder Lithiumchlorid) beschichtet, das im Fortluftstrom Feuchtigkeit adsorbiert und im Außenluftstrom desorbiert. Dies ermöglicht $Φ_h$-Werte von bis zu 80 % und reduziert im Winter den Befeuchtungsbedarf erheblich. Im Sommer kann ein Enthalpieläufer bei hoher Außenluftfeuchte jedoch auch unerwünschte Feuchte in die Zuluft eintragen, was bei der Systemauslegung zu berücksichtigen ist.

Das zentrale planerische Problem des Rotationswärmetauschers ist die Leckage: Da sich das Speicherrad durch beide Luftströme bewegt, ist eine vollständige Trennung von Fort- und Außenluft bauartbedingt nicht möglich. VDI 3803 Blatt 5 definiert hierfür die Leckagezahl L und die Umluftzahl U. Nach VDI 6022 Blatt 1 sind Rotationswärmetauscher für Anlagen zulässig, wenn die Leckage durch konstruktive Maßnahmen (Druckdifferenzoptimierung, Spülsektoren) minimiert wird und keine hygienisch bedenklichen Stoffe in der Fortluft vorliegen. Bei Anlagen in Krankenhäusern, Labors oder Gebäuden mit erhöhten Hygieneanforderungen scheidet der Rotationsläufer in der Regel aus; hier kommen ausschließlich Rekuperatoren zum Einsatz.

Kreislaufverbundsystem (KVS)

Das Kreislaufverbundsystem (KVS) unterscheidet sich grundlegend von allen anderen WRG-Typen: Fortluft- und Außenluftseite sind räumlich vollständig getrennt und nur über einen Wasser-Glykol-Kreislauf thermisch verbunden. Im Fortluftstrom befindet sich ein Wärmetauscher (Register), der dem Luftstrom Wärme entzieht; eine Pumpe fördert das erwärmte Trägermedium zum zweiten Register im Außenluftstrom, wo die Wärme an die Zuluft abgegeben wird. Die vollständige räumliche Trennung der Luftströme macht das KVS zur einzigen WRG-Lösung, die auch in Gebäuden mit stark unterschiedlich positionierten Zu- und Abluftgeräten eingesetzt werden kann.

Der Temperaturänderungsgrad des Kreislaufverbundsystems liegt konstruktionsbedingt unter dem von Rekuperatoren und Rotationsläufern. Erreichbare Werte liegen bei 45–65 %, da das Wärmeträgermedium als zusätzliches Übertragungsglied einen weiteren Temperaturverlust einführt. Die Effizienz des Systems hängt zudem von der Pumpenleistung ab, die als elektrischer Energieaufwand gegen den thermischen Nutzen verrechnet werden muss. In der normativen Bewertung nach DIN EN 16798-3 erreichen KVS-Systeme damit in der Regel eine niedrigere Effizienzklasse als hochwertige Gegenstromwärmetauscher.

Bei der Auslegung ist die Frostschutzbeimischung im Trägermedium zwingend zu beachten. In der Praxis bewährt hat sich eine Glykol-Wasser-Mischung mit einem Gefrierpunkt von mindestens –15 °C; bei sehr kalten Standorten ist eine Anpassung auf –20 °C oder tiefer empfehlenswert. Ein häufiger Planungsfehler besteht darin, den Glykol-Anteil zu niedrig anzusetzen und damit Frostschäden an Rohrleitungen und Registern zu riskieren. Die Pumpenauslegung sollte zudem mit einem ausreichenden Regelbereich konzipiert werden, um im Teillastbetrieb die Pumpverluste zu minimieren.

Berechnungsbeispiel / Formeln

Grundformel Temperaturänderungsgrad:

dabei bezeichnet t₁₁ die Fortlufttemperatur beim Eintritt in den WRG (= Raumablufttemperatur), t₂₁ die Außenlufttemperatur und t₂₂ die Zulufttemperatur nach dem WRG (Außenluftaustritt). Die Indizierung folgt VDI 3803 Blatt 5: erster Index = Luftstrom (1 = Fortluft, 2 = Außenluft), zweiter Index = Position (1 = Eintritt, 2 = Austritt).

Berechnungsbeispiel 1 – Temperaturänderungsgrad:

Außenlufttemperatur t₂₁ = –10 °C, Fortlufttemperatur t₁₁ = 22 °C, Zulufttemperatur nach WRG t₂₂ = 14,4 °C.

Berechnungsbeispiel 2 – Rückgewonnener Wärmestrom:

Die rückgewonnene thermische Leistung ergibt sich aus:

mit $V̇_{AUL}$ = 5.000 m³/h = 1,389 m³/s, ρ = 1,25 kg/m³ (Luft bei ca. 0 °C), $c_p$ = 1.006 J/(kg·K):

Ohne WRG müsste dieser Wärmebedarf durch einen Erhitzer gedeckt werden, was bei einem angenommenen Gaspreis von 8 ct/kWh und 3.000 Heizbetriebsstunden pro Jahr Betriebskosten von ca. 10.200 €/a bedeuten würde.

Berechnungsbeispiel 3 – KVS mit reduziertem $Φ_t$:

Bei gleichem Szenario, jedoch einem KVS mit $Φ_t$ = 0,55:

Der Vergleich zeigt, dass die Systemwahl zwischen einem Hochleistungsgegenstromgerät ($Φ_t$ = 0,90) und einem KVS ($Φ_t$ = 0,55) bei diesem Volumenstrom einen Leistungsunterschied von rund 20 kW bedeutet – eine erhebliche Differenz bei der Jahresenergiebilanz.

Normvorgaben und GEG-Anforderungen

Das Gebäudeenergiegesetz (GEG) stellt für Neubauten und wesentliche Sanierungen konkrete Mindestanforderungen an die Wärmerückgewinnung im Rahmen der gesamtenergetischen Bewertung. Für zentrale raumlufttechnische Anlagen mit Zu- und Abluftbetrieb in Nichtwohngebäuden fordert das GEG in Verbindung mit DIN V 18599 einen Wärmebereitstellungsgrad, der im Planungsnachweis zu belegen ist. In der Praxis wird dabei häufig ein Mindestwirkungsgrad von 70 % als unterer Richtwert kommuniziert; maßgeblich ist jedoch die Gesamtenergiebilanz des Gebäudes nach GEG.

Für Wohngebäude mit kontrollierter Lüftung (KWL) ist die Situation klarer geregelt: DIN 13141-7, das Prüfnormwerk für Wohnraumlüftungsgeräte, definiert Prüfbedingungen und Effizienzklassen. Das Passivhaus-Institut setzt als Mindestanforderung für Passivhaus-zertifizierte Geräte einen Wärmebereitstellungsgrad von ≥ 75 % bei definierten Prüfbedingungen voraus. In der Praxis erreichen marktgängige Geräte Werte von 80–93 %, wobei höhere Werte in der Regel mit höheren Druckverlusten und damit erhöhtem Ventilatorenergiebedarf einhergehen – ein Optimierungsdilemma, das nur über die Gesamtenergiebetrachtung (Wärmerückgewinnung vs. Ventilatoraufwand, ausgedrückt als SFP-Wert) aufgelöst werden kann.

DIN EN 16798-3 klassifiziert die energetische Leistungsfähigkeit von Lüftungsanlagen für Nichtwohngebäude und unterscheidet drei Effizienzklassen (H1 bis H3). Die Klassifikation basiert auf dem Wärmebereitstellungsgrad und dem spezifischen Ventilatorleistungsbedarf (SFP); sie dient als Planungsinstrument für die Auswahl energieeffizienter Geräte und als Nachweisgrundlage im Rahmen der Gebäudeenergieplanung. DIN EN 308 regelt die Prüfverfahren für Wärmerückgewinnungsgeräte selbst und definiert die messtechnischen Grundlagen für die Bestimmung von $Φ_t$, $Φ_x$ und $Φ_h$ – die Angaben in Herstellerunterlagen beziehen sich stets auf diese Prüfnorm.

Bei der Planung ist zu beachten, dass die in Datenblättern angegebenen Wirkungsgrade unter Nennbedingungen ermittelt werden. Im Teillastbetrieb – der in der Praxis den überwiegenden Teil der Betriebszeit ausmacht – können die tatsächlichen Temperaturänderungsgrade erheblich abweichen, besonders wenn das Volumenstromverhältnis zwischen Zu- und Fortluft von 1:1 abweicht. VDI 3803 Blatt 5 stellt hierfür Korrekturformeln bereit, die für ein Massenstromverhältnis im Bereich 0,8 < $q_{m1}/q_{m2}$ < 1,25 angewendet werden können.

Wärmerückgewinnung im Sommer – Kühlung und Bypass

Im Sommer kehrt sich die Funktion der Wärmerückgewinnung aus energetischer Sicht um: Bei Außentemperaturen oberhalb der Zuluft-Solltemperatur würde eine aktive Wärmerückgewinnung die Außenluft zusätzlich erwärmen, anstatt sie zu kühlen. In der Übergangszeit und im Sommer muss die WRG daher abgeschaltet oder umgangen werden. Hierfür ist eine Bypassklappe erforderlich, die den Außenluftstrom am Wärmetauscher vorbeiführt. Die Steuerungslogik für den automatischen Bypass-Betrieb sollte auf Basis der Enthalpiedifferenz zwischen Außen- und Raumluft ausgelegt werden – nicht allein auf Temperaturbasis –, da sonst an feuchten Sommertagen Fehler in der Betriebsweise auftreten können.

Ein besonderer Anwendungsfall ist die Nachtauskühlung (Nachtlüftung). Liegt die Außenlufttemperatur in den Nachtstunden unter der Raumtemperatur, kann die WRG abgeschaltet und der Volumenstrom erhöht werden, um die im Gebäude gespeicherte Wärme über erhöhte Lüftung abzuführen. In der Planungspraxis hat sich gezeigt, dass Nachtauskühlung nur dann wirksam ist, wenn die Gebäudemasse ausreichend groß ist (schwere Bauweise) und der erzielbare Volumenstrom mindestens 2–3-fachen hygienischen Mindestluftwechsel übersteigt. Die Steuerung muss dabei automatisch auf Außentemperatur und Raumtemperatur reagieren können.

Enthalpierotoren und Sorptionssysteme sind im Sommer mit besonderer Sorgfalt zu betreiben. Da diese Systeme auch Feuchte übertragen, können sie bei hoher Außenluftfeuchte unerwünschten Feuchtegehalt in die Zuluft einbringen, was den Kühllastbedarf der Anlage erhöht und den Komfort beeinträchtigt. In Regionen mit heißen und feuchten Sommern (beispielsweise süddeutsche Regionen mit hoher Schwüle) sollte der Enthalpieläufer im Sommer über einen Drehzahlregler auf minimale Drehzahl oder vollständigen Stillstand gesteuert werden. Ein häufiger Ausführungsfehler besteht darin, den Enthalpieläufer ohne Bypassmöglichkeit und ohne Drehzahlregelung zu installieren, was im Sommer zu Überschreitungen des Zuluftfeuchtegehalts führen kann.

Fazit

Die Wärmerückgewinnung ist die energetisch bedeutsamste Einzelkomponente moderner Lüftungsanlagen. Die Systemwahl zwischen Rekuperator, Rotationswärmetauscher und Kreislaufverbundsystem ist nicht allein eine Frage des erreichbaren Wirkungsgrads, sondern wird maßgeblich durch Hygieneanforderungen, bauliche Randbedingungen und den geplanten Betriebsmodus bestimmt. Gegenstromwärmetauscher erzielen die höchsten $Φ_t$-Werte, setzen aber eine gemeinsame Gerätebasis für Zu- und Fortluft voraus. Kreislaufverbundsysteme bieten maximale bauliche Flexibilität auf Kosten des Wirkungsgrads. Rotationswärmetauscher liegen dazwischen, sind jedoch in hygienisch sensiblen Bereichen mit Einschränkungen behaftet.

Die normativen Anforderungen nach GEG, DIN EN 16798-3 und DIN EN 308 bilden den rechtsverbindlichen Rahmen für die Planung; die Kenngrößen $Φ_t$, $Φ_h$ und SFP sind die zentralen Bewertungsparameter für Energieeffizienz und Systemvergleich.