Mehrfachfunktionale HochleistungsWärmerückgewinnungssysteme

Kreislaufverbund-Systeme (KV-Systeme) sind seit Jahren etabliert und wurden bisher sehr häufig als Wärmerückge­win­nungssys­teme (WRG) mit nied­rigen Übertra­gungsgraden ver­wendet. Bei der Be­ach­tung der konstruktiven Kriterien können KV-Systeme als Hochleis­tungs­systeme mit bis zu 80 % Systemübertragungsgrad wirtschaftlich eingesetzt werden. Neben der Funktion der WRG können dann aber auch zusätzliche Funktionen wie Nacher­wär­mung, Kühlung und weitere Funktio­nen der Energierückgewinnung im System realisiert wer­den. Dabei kann die zurückgewonnene Wärme nicht nur dem Ursprungsprozess, son­dern auch einem anderen Prozess zugeführt werden. Die mehrfachfunktionale Wärmerück­gewinnung wird auch ein wesentlicher Punkt der neuen VDI 3803 Blatt 5 (Wärmerückgewinnungssysteme in Raumlufttechnischen Anlagen) sein, die sich intensiv mit dieser Technik auseinandersetzt und sie nun auch normativ zum Stand der Technik definiert.

Zusatzenergien – Mehrfachfunktionale Nutzung des WRG-Systems

Der Medienstrom (Sole) eines Hochleistungs-Kreislaufverbund-Systems, dessen eigentliche Funktion die Wärmerückgewinnung ist, kann auch genutzt werden, um Wärme, aber auch Kälte in das System ein­zu­speisen. Aus Bild 1 ist ersichtlich, wie Zusatzwärme oder Zusatzkälte direkt oder aber indirekt in den Vorlauf des Zwischenkreises eingespeist werden kann. Energie wird dabei in das WRG-System ein- oder ausge­koppelt. Da­durch, dass in einem solchen Fall kein zusätz­licher Erhit­zer oder Kühler im Luft­strom notwendig wird, erhöht sich die Wirtschaftlichkeit eines Hoch­leistungs-KV-Sy­stems be­trächtlich, da zum einen die In­vesti­tionskosten verrin­gert und zum anderen die Be­triebskosten, ver­ursacht durch die Druckver­luste, reduziert werden kön­nen [1].

Übertragungsgrade bei gekoppelten Wärmeübertragern

Kreislaufverbund-Systeme sind unter den WRG-Systemen ein Sonderfall, da sie nicht aus einem Wärmeübertrager, sondern aus zwei durch einen Umlaufstrom gekoppelten Wärme­übertragern bestehen. Und in diesen Umlaufstrom können Ener­gien sowohl in den Vorlauf als auch in den Rücklauf des Systems ein- oder ausge­koppelt werden. Dadurch wird die mehrfachfunktionale Nut­zung des Sys­tems über­haupt erst ermöglicht.

Um diese erweiterten Funktionen gewährleisten zu können, sind hohe Systemüber­tragungs­grade (Gesamtübertragungsgrade) von etwa 80 % erforderlich. Und hierfür errech­nen sich Wär­me­über­tra­gungsgrade pro Wärmeübertrager (Zuluft und Abluft) von 0,9. Dies be­deu­tet, dass pro Wärme­übertrager 90 % der eingespeisten Wärme auch tat­säch­lich an die Luft abge­geben werden.

Der Gesamttemperaturübertragungsgrad Φ_2ges gibt das Verhältnis der mög­lichen Tempe­ratur­än­derung einer WRG-Einrichtung zur maximal möglichen Temperaturänderung, also dem Temperaturpotenzial zwischen Außen- und Raumluft, an. Er stellt somit einen „Wir­kungsgrad“ dar und ergibt sich aus den Wärmebilanzen:

Φ = Nutzen der WRG / Potential der WRG

              Φ = Q _WRG / Q _P

mit:

              Q _WRG = Leistung der WRG [kW]

              Q _P      = maximal mögliche Leistung aufgrund des Temperaturpotentials [kW]

wobei:

Q _WRG = m ₂ x c_pLx  (J₂´´- J₂´)

oder:

Q _WRG = m ₂ x c_pLx  (h₂´´- h₂´)

wobei:

              m        = Massenstrom der Luft [kg / s]

              c_pL       = spezifische Wärmekapazität [kJ / kg K]

J= Temperatur der Luft [°C]

              h          = Enthalpie der Luft [kJ / kg]

Die maximal mögliche Leistung wird durch das Temperaturpotential, also die Temperatur­differenz zwischen Abluft (J1´) und Außenluft (J2´), gebildet (siehe Bild 2).

Damit ergibt sich aus:

              Φ_t = Q _WRG / Q _P = m ₂x c_pL x (J₂´´- J₂´) / [ m ₂ x c_pL•  (J₁´- J₂´) ]

der Temperaturänderungsgrad:

              Φ_t = (J₂´´- J₂´) / (J₁´- J₂´)

Die Änderungsgrade werden gemäß DIN EN 308 [2] nur auf der Zuluftseite definiert, um Ver­wechslungen zu vermeiden. Physikalisch ist aber auch die Definition der Änderungs­grade, bezogen auf die Fortluft, mög­lich und bei der Betrachtung von mehrfachfunktionalen Verwendungen eines WRG-Systems auch sinnvoll.

Der Gesamtübertragungsgrad kann für das gekoppelte Wärmerückgewinnungssystem (Bild 3) auch aus den Übertragungsgraden jedes einzelnen Wärmeübertragers wie folgt hergeleitet werden:

Der Apparat 1 (Fortluftwärmeübertrager) mit den charakteristischen Größen:

NTU₁₁ = (k x A)₁ / W₁

μ₁₁ = W₁ / W _s

              Φ₁ = (J₁´- J₁´´) / (J₁´- J_s1´)

wobei:

              NTU    = number of transfer units

              k          = Wärmedurchgangskoeffizient [W / m² K]

              A         = Wärmeübertragende Fläche [m²]

              W        = Wärmekapazitätstrom mit:

W = m x c_p [W / K]

                          wobei:            m         = Massenstrom des Fluids [kg / s]

und der Apparat 2 (Außenluftwärmeübertrager) mit:

NTU₂₂ = (k x A)₂ / W₂

μ ₂₂ = W₂ / W_s

              Φ₂ = (J₂´- J₂´´) / (J_s2´- J₂´)

Für das Gesamtsystem gilt dann:

              Φ_2ges = (J₂´´- J₂´) / (J₁´- J₂´)

μ _2ges = W₂ / W₁  = 1 / μ _1ges

Hierdurch ergibt sich für die dimensionslose Temperaturänderung des Gesamtsystems [3]:

1 / Φ_2ges = 1 / Φ₂₂ + 1 / Φ₁₁  x μ _2ges – μ₂₂

Der optimale umlaufende Wärmekapazitätsstrom ermittelt sich dabei aus [4]:

  1 / W_sopt = (k x A)₁ / [ (k x A)₁ + (k x A)₂ ] / W₁ + (k x A)₂ / [ (k x A)₁ + (k x A)₂ ] / W₂

Wenn dieser optimale Umlaufstrom erfüllt ist, ergibt sich das effektive k x A aus:

1 / (k x A)_eff = 1 / (k x A)₁ + 1 / (k x A)₂

Unter trockenen Bedingungen und gleichen Luftmengen gilt:

              μ _2ges = W₁ / W₂= 1             mit:      μ ₁₁ = μ ₂₂ = 1

folgt vereinfacht für den Gesamtübertragungsgrad des gekoppelten Systems:

1 / Φ_2ges = 1 / Φ₂₂ + 1 / Φ₁₁ – 1

Einfluss der Ein- und Auskopplung von Energieströmen in gekoppelte Wärmeübertrager

Wenn in den Zwischenkreis der WRG nun weitere Energieströme ein- oder ausgekoppelt werden wie Nach­erwärmung, Nachkühlung, freie Kälte, Brauchwasser­vor­erwärmung, Kälte­maschi­nenabwärme etc., muss der Einfluss auf das System be­rücksichtigt werden. Hierbei ist zu unterscheiden, ob dies im Vorlauf (Bild 4) oder im Rücklauf (Bild 5) des Systems ge­schieht [5].

Hierbei wird der Übertragungsgrad der WRG verändert. Dieser Ein­fluss muss bei einer seriösen Betrachtung der Gesamt­effizienz der WRG berechnet werden.

Ausgehend von der zusätzlich geforderten Lufttemperaturänderung (z. B. Nacherwär­mung), bemisst sich die Tem­peraturänderung im Umlaufstrom damit nach:

ΔJ_U2^´ = ΔJ₂^´´ / Φ₂₂

wobei:

              ΔJ ₂^´´ = gewünschte Lufterwärmung [K]

              ΔJ_U2^´   = benötigte Temperaturänderung am Eintritt (Umlaufstrom) [K]

              Φ₂₂      = luftseitiger Übertragungsgrad des Zuluftwärmeübertragers [./.]

Mit dem Übertragungsgrad des Zuluftwärmeübertragers wird diese zusätzliche Leistung an die Luft übertragen. Da der Übertragungsgrad immer kleiner als 1 ist, ver­bleibt auf der Aus­trittsseite dieses Registers die nicht übertragene Leistung in Form einer Temperaturände­rung des Umlaufstroms:

ΔJ_U2^´´ = ΔJ₂^´´ x (1 / Φ₂₁  - 1)

mit:

              ΔJ_U2^´´  = Temperaturänderung am Austritt (Umlaufstrom) [K]

              Φ₂₁      = Medienseitiger Übertragungsgrad des Zuluftwärmeübertragers [./.]

Diese Temperaturänderung im Umlaufstrom hat wiederum einen Einfluss auf die Fortluft­temperatur mit:

ΔJ ₁^´ = ΔJ _U2^´´ x Φ₁₁

wobei:

              ΔJ ₁^´ = Temperaturänderung der Fortluft [K]

              Φ₁₁      = luftseitiger Übertragungsgrad des Abluftwärmeübertragers [./.]

Zusammengesetzt ergibt sich damit die Änderungsgleichung:

ΔJ ₁^´ = ΔJ₂^´´ x (1 / Φ₂₁  - 1) x Φ₁₁

Diese korrigierte Fortlufttemperatur kann nun zur Berechnung des Temperaturübertra­gungsgrades ΔΦ_2ges mit Beeinflussung der Ein- oder Auskopplung verwendet werden.

              ΔΦ_2ges = ΔΦ_{2ges 0} – ΔΦ_Korr

also:

              ΔΦ_2ges = ΔΦ_{2ges 0} – ΔJ₁^´ / (J₁´- J₂´) / μ _2ges

Nach Jüttemann kann dieser Einfluss auch berechnet werden nach [6]:

ΔJ _U2^´´ = ΔJ _U2^´ x (1 - Φ₂₂) / Φ₂₂ / (2 – Φ₂₂)

Diese Gleichung gilt jedoch nur unter der vereinfachten Voraussetzung mit:

μ _2ges = W₁ / W₂  = 1 und damit μ ₁₁ = μ ₂₂ = 1 und Φ₂₂ = Φ₁₁ = Φ₂₁.

Hieraus kann also geschlossen werden: Je höher der ursprüngliche Übertragungsgrad ΔΦ_{2ges 0} der WRG ist und damit die Übertragungsgrade der beiden Wärme­übertrager sind und je kleiner die Tempe­ra­turdifferenz der ein- oder auszu­koppelnden Energien ist, desto geringer ist der Einfluss der Ein- oder Auskopplung auf den WRG-Übertragungsgrad.

Allerdings beeinflussen sich die beiden Faktoren positiv. Denn je größer der ursprüng­liche Übertragungsgrad ΔΦ_{2ges 0} der WRG ist, desto geringer sind meist die zusätzliche Leistun­gen, die ein- oder ausgekoppelt werden müssen, und desto geringer ist auch deshalb die Beeinflussung der Ein- oder Auskopplung auf den Über­tragungsgrad.

Dies ist damit die unabdingbare Voraussetzung zur mehrfachfunk­tionalen Nutzung der ein­zelnen Wärme­übertra­ger, die dann neben der Funk­tion der Wärmerückgewin­nung auch zu­sätzlich Nach­wärme oder im Sommer Nachkälte im System übertra­gen können, ohne den Rücklauf und damit den zweiten Wärmeübertrager auf der Abluftseite deutlich zu beein­flus­sen.

Aus diesem Grund empfiehlt die VDI-Richtlinie 2071 [7] Systemübertragungsgrade von min­destens 70 % zu verwenden. Auch in der neuen VDI 2071 werden mindestens 70 % gefor­dert und auf die o. g. Einflüsse hingewiesen.

Analog kann diese Berechnung auch auf die Beeinflussung der Rücklaufseite (z. B. Aus­kopplung von freier Kälte) des Systems erfolgen (Bild 5).

Diese errechnet sich aus:

ΔJ_U2^´ = ΔJ₁^´ x (1 / Φ₁₂  - 1)

mit:

              ΔJ_U2^´   = Temperaturänderung am Eintritt (Umlaufstrom) [K]

              Φ₁₂      = Medienseitiger Übertragungsgrad des Abluftwärmeübertragers [./.]

und dem Einfluss auf die Zulufttemperatur mit:

ΔJ ₂^´´ = ΔJ _U2^´ x Φ₂₂

wobei:

              ΔJ ₂^´´ = Temperaturänderung der Zuluft [K]

              Φ₂₂      = luftseitiger Übertragungsgrad des Zuluftwärmeübertragers [./.]

Zusammengesetzt ergibt sich damit die Änderungsgleichung:

ΔJ ₂^´´ = ΔJ₁^´ x (1 / Φ₁₂  - 1) x Φ₂₂

Diese korrigierte Zulufttemperatur kann nun ebenfalls zur Berechnung des Temperaturüber­tragungsgrades ΔΦ_2ges mit Beeinflussung der Einspeisung verwendet wer­den.

              ΔΦ_2ges = ΔΦ_{2ges 0} – ΔΦ_Korr

also:

              ΔΦ_2ges = ΔΦ_{2ges 0} – ΔJ₂^´´ / (J₁´- J₂´)

Um exakte Zustandsänderungen auf der Umlaufmedienseite sowie auf den Luftseiten zu erhalten, muss diese Berechnung iterativ und mehrfach erfolgen, da die jeweiligen Auswir­kungen sich auch gegenseitig beeinflussen. Hierzu sind Berech­nungsprogramme sinnvoll und notwendig.

Denn durch das Ein- und Auskoppeln von Wärme kann der Gesamtübertragungsgrad des Systems sowohl negativ als auch positiv beeinflusst werden.

Die erweiterten Funktionen

Indirekte Nachwärme

Über einen Plattenwärmeübertrager wird durch Warm- oder Heißwasser Wärme in das Sys­tem eingespeist. Ein luftseitiger Nacherhitzer im Gerät kann wirtschaftlich sehr vorteilhaft entfallen. Durch das Einspeisen der Wärme wird der Übertragungsgrad der WRG in geringem Maß negativ beeinflusst. Diese Beeinflussung muss natürlich bei der Aus­legung des Systems und bei Wirtschaftlichkeits­betrachtungen wie beschrieben berücksichtigt werden [8].

Indirekte oder direkte Nachkühlung

Über einen Plattenwärmeübertrager wird durch Kaltwasser Kälte in das System eingespeist. Wird in der Kältemaschine nicht Kaltwasser, sondern Sole gekühlt, kann dieses Medium direkt in das System über ein Dreiwegeventil eingespeist werden. Ein Nach­kühler im Gerät oder ein zu­sätzlicher Plattenwärmeübertrager im Solestrom kann entfallen (siehe Bild 1). Sowohl bei der Nacherwärmung, als auch bei der Nachkühlung wird der Übertragungsgrad einer hocheffi­zienten WRG im geringen Maße negativ beeinflusst.

Entfeuchtungsschaltung

Das WRG-KV-System kann auch zur Entfeuchtung der Luft eingesetzt werden [9]. Dazu wird zwischen dem zweiten und dritten Register (in Luftrichtung) Kälte in das System einge­speist. Dies kann direkt oder indirekt erfolgen. Dabei wird die Sole im Zwischen­kreis vor dem Eintritt in die zweite Stufe soweit abgekühlt, dass die Luft in den zwei folgenden Stufen entfeuchtet wird (siehe Bild 6). Diese unterkühlte Luft wird danach durch das, in Luft­richtung gesehen, dritte Register geführt. Dabei findet im dritten Register zwangsläufig ein Wärmeaus­tausch statt, der die Sole vor der Kälteeinspei­sung vorkühlt und die Luft gleichzeitig erwärmt. Diese vorgekühlte Sole verringert damit wie­derum die einzuspeisende Kälteleistung deutlich und die Nacherwärmung kann ohne zusätzliche Primärenergie­aufwendungen realisiert werden (Ent­feuch­tungskälte­rückgewinnung).

Kältemaschinenabwärme

Die Abwärme der Kältemaschine kann energetisch vorteilhaft über das in Luftrichtung ge­sehen, letzte Register des Wärmeübertragers im Fortluftstrom abgegeben werden. Hierzu wird das letzte Re­gister aus dem Wärmerückgewinnungsprozess ausgekoppelt und der Kälte­maschi­nenrückkühlung zur Verfügung gestellt (siehe Bild 6) oder es wird die Kältemaschinen­ab­wärme über einen Plattenwärmeübertrager im Rücklauf einge­speist.

Damit ist auch die Einbindung einer Wärmepumpe in ein mehrfachfunktionales WRG-System möglich, die im Sommer die „Restkühlung“ der Zuluft gewährleistet und im Winter die Nach­erwärmung durch die Kältemaschinenabwärme sicherstellt.

Freie Kälte

Wird ganzjährig Kälteenergie benötigt, kann auch in der Winter- und Übergangszeit das Rücklaufmedium zur Aus­kopplung von Kälte genutzt werden. Hier besteht die Möglichkeit, ein externes Medium ener­getisch sinnvoll über den WRG-Kreislauf zu kühlen. Dazu wird ent­weder ein zusätz­licher Plattenwärme­übertrager im Solerücklauf installiert oder über ein Um­schalt­ventil das in Luft­richtung ge­sehen, erste Register des Wärme­übertragers im Außenluft­volu­menstrom vom WRG-Kreislauf abgekoppelt und mit dem externen Fluidstrom verbunden (Bild 7).

Brauchwasservorerwärmung

Bei hohen latenten Wärmeinhalten der Abluft (z. B. in der Schwimmbadnutzung) kann mehr Wärme dem Ab­luftstrom entzogen werden, als auf der Zuluftseite benötigt wird. In diesem Fall kann durch die Ver­wendung eines Plattenwärmeübertragers auf der Vorlaufseite Wärme dem Medienstrom zur Brauchwasservorerwärmung entzogen werden (Bild 7). Sowohl die Brauchwasservorerwärmung, als auch die Auskopplung der freien Kälte verbessern den Übertragungsgrad der Wärmerückgewinnung wesentlich.

Bewertung der Hilfsenergien

Die Druckverluste der WRG bestimmen im Wesentlichen die Hilfsenergien, die zum Betrieb einer WRG zwin­gend notwendig sind. Mit der mehrfachen Nutzung des Systems können gerade diese Hilfsenergien minimiert werden, da auf der Luftseite Komponenten eingespart werden können und damit deren Differenzdrücke entfallen.

Diese Hilfsenergien werden im Wesentlichen durch die elekt­rischen Antriebe (Ventilatoren und weitere Verbraucher, z. B. Pumpen) be­stimmt. Die erforderlichen elekt­rischen Leistun­gen errechnen sich dabei aus:

P_el = V x Δp_WRG x 1 / η

mit:

              P_el       = Elektrische Leistung [KW]

              V        = Volumenstrom [m³/s]

              Δp_WRG = Differenzdruck der WRG [Pa]

              η          = Gesamtwirkungsgrad des Antriebs (z. B. Ventilatoren) [./.]

Die elektrischen Leistungen, die zum Betrieb der WRG notwendig sind, können auch durch ei­ne Leistungsziffer ε (COP = coefficient of performance), also das Verhältnis der thermi­schen Leistung zur elektrischen Leistung, beschrieben werden.

ε = Q _WRG / P_el

Gute WRG-Systeme erreichen Leistungsziffern von 10 bis 20, weshalb beispielsweise das neue EEWärmeG [10] auch eine mittlere Leistungsziffer von mindestens 10 bei ei­nem Über­tragungs­grad von mindestens 70 % vor­schreibt, wenn die WRG als Er­satzmaß­nahme aner­kannt werden soll.

Berücksichtigt man die mehrfachfunktionale Nutzung von Hochleistungs-Kreislaufverbund-Systemen, kann damit leicht eine Leistungsziffer von 15 bis 50 erreicht wer­den, da neben der eigentlichen Funktion der WRG Ener­gieströme in das Sys­tem ein- und ausgekoppelt werden können. Hierdurch erhöht sich die Leistungs­ziffer deut­lich.

Konstruktive Kriterien der Wärmeübertrager

Kreislaufverbund-Systeme können nur dann wirtschaftlich als mehrfachfunktionale WRG-Systeme mit zu­sätzlichen Funktionen eingesetzt werden, wenn durch die Beachtung von konstruk­tiven Kriterien der Temperaturüber­tragungsgrad auf bis zu 0.8 bei akzeptablen Druckverlusten von 200 bis ca. 300 Pa ge­steigert wird.

Um diese Übertragungsgrade zu erreichen, setzt man Hochleistungswärmeübertrager ein, die einen thermodynamischen Gegenstromanteil von mehr als 99 % auf­weisen, da nur bei maxi­malem Gegenstromanteil der einzelnen Übertragungsein­hei­ten hohe WRG-Übertra­gungsgrade überhaupt erreichbar sind. Dies setzt die konse­quente Einhaltung einer Gegen­sinn­schaltung der Medien (z. B. Sole) und der Luft voraus. Gleichstrom­an­teile sind zu ver­meiden, da im Gleichstrom der Übertra­gungs­grad auf < 50 % begrenzt ist.

Neben der Stromführung sind zur Erreichung der Temperaturübertragungsgrade von 0.9 pro Luftseite La­mellenwärmeübertrager mit einer Bautiefe von ca. 900 bis 1200 mm not­wendig [11].

Neben den konstruktiven Kriterien spielt bei der Erreichung der Übertragungsgrade die Ab­stimmung der beiden Medien (Luft und Sole) eine erheb­liche Rolle. Nur bei optimaler Zwi­schen­medien­menge wird auch der projektierte Übertragungsgrad erreicht. Dieses Optimum liegt unter trockenen Bedingungen bei einem Wärmestrom­kapazitätsverhältnis von 1, also bei m_L x cp_L = m_Z x cp_Z, der Wärmekapa­zitäts­strom Luft muss gleich dem Wärmekapa­zi­tätsstrom des Zwischenkreises (z. B. Sole) sein (siehe Bild 8).

Je höher der an­ge­strebte Übertragungsgrad ist, desto wichtiger ist die Abstimmung der Medien­massen­ströme aufein­ander. Bei Anlagen mit va­riabler Luft­menge muss der Zwi­schenkreismassenstrom stetig geregelt und den variablen Luftmengen angepasst werden. Dies geschieht vorteilhaft z. B. über eine drehzahl­geregelte Pumpe  in Abhängigkeit der gemes­senen Luft- und Zwischen­kreismenge.

Da sich die beiden Wärmekapazitäten von Luft und z. B. Sole etwa um den Faktor 4 und die beiden Dichten rund um den Faktor 1000 un­terscheiden, muss der Zwischen­kreis mit einem Viertel des Luft­massenstromes bzw. 1/4000 des Volumenstromes betrie­ben wer­den. Aufgrund dessen ergibt sich ein Zielkonflikt zwischen der Medienmenge, die ge­ring sein muss (Optimum), und der Mediengeschwin­digkeit im Wärmeübertrager, die rela­tiv hoch lie­gen muss, um hohe Übertra­gungs­koeffizien­ten bei turbulenter Strömung zu errei­chen. Die­ser Zielkonflikt kann nur durch spezielle Gegensinn-Rohrschal­tun­gen gelöst wer­den, bei denen die Zwi­schen­medien­ge­schwindig­keit im Wärmeüber­trager bei möglichst großem Gegen­strom­anteil hoch liegen muss und die benötigte Medien­menge opti­miert gefahren werden kann [12].

Hierbei ist vor allem darauf zu achten, dass die Entlüftung der Schaltung automatisch er­folgt, um Ansammlungen von Ausgasungen im System zu vermeiden. Des Weite­ren sollten die Schaltungsvarianten selbstständig entleerbar sein, um einen zu hohen Entleerungsauf­wand im Reparatur- oder Wartungsfall zu vermeiden.

Unter Beachtung der beschriebenen Voraussetzungen können dann auch tatsächlich Sys­temüber­tra­gungs­grade von 0.7 bis 0.8 erreicht werden. Dies haben umfang­reiche Mes­sun­gen auf dem Prüfstand des RWTÜV in Essen und dem nach DIN/EN 45001 ak­kreditierten Prüf­stand des Technikums Luzern in Horw (Schweiz) sowie eine Vielzahl von ausgeführten Anlagen ergeben.

Mehrstufige adiabatische Verdunstungssysteme

Die adiabatische indirekte Verdunstungskühlung hat sich in den letzten Jahren im Sommer­betrieb be­währt. Über ein Wärmerückgewinnungssystem wird die Verdunstungskälte, die durch einen adia­ba­tischen Befeuchter erzeugt wird, auf die Zu­luftseite übertragen. Durch die Aufteilung des Gesamtsystems in mehrere Stufen entsteht ein komplexes Hybridsys­tem

Der Vorteil der Mehrstufigkeit liegt in der höheren Kälteleistung gegenüber einem einstufi­gen System, die daraus resultiert, dass die Lufttemperatur in den folgenden Stufen noch­mals ab­ge­senkt wird und somit die mittlere Temperatur tiefer liegt als bei einem einstufigen System. Die Kälteleistung kann mit diesem Verfahren um etwa 25 % gesteigert werden, ohne dass sich dabei die Druckverluste des Systems erhöhen, da die ohnehin benötigten Lamellen nicht nur der Wärmeübertragung dienen, son­dern auch als Verdunstungsober­flä­che heran­gezogen wer­den (Hybridsystem) (siehe Bild 9).

Durch Hybridsysteme werden die Elektroenergiekosten reduziert, da die Druckverluste der Befeuchter (mehrstufig) entfallen und die me­chanische Kälteerzeu­gung erheblich später zum Einsatz kommen kann.

Im Sommerbetrieb wird bei 32 °C Außenlufttemperatur eine Zulufttemperatur von ca. 22 °C  erreicht. Dies haben umfangreiche Messungen auf dem Prüfstand des RWTÜV er­geben. Erst bei einer weiteren Zulufttemperaturabsenkung wird dann die mecha­ni­sche Kälteerzeu­gung notwen­dig [13].

Fazit

Aus diesen Ausführungen wird deutlich, dass auch mit speziellen KV-Systemen hohe Aus­tauschgrade von bis zu 80 % realisierbar sind, wenn die konstruktiven Kriterien beachtet und die Medienströme exakt aufeinander eingestellt werden.

Mit hohen Übertragungsgraden kann ein KV-System durch die einfache Einflussnahme auf den Zwischenkreisstrom auch zur Übertragung von Zusatzenergien (mehrfach­funktionale Nut­zung) verwendet werden, was die Wirtschaftlichkeit des Systems deutlich erhöht. Je größer der Übertragungsgrad der WRG ist, desto ge­ringer sind die zusätzlichen Leistun­gen, die ein- oder ausgekoppelt werden müssen (z. B. Nachwärme), und desto geringer ist die Beeinflussung auf den Übertragungs­grad. Hierzu sind aufwändige Berechnungen erfor­derlich, um die Beeinflussung der Ein- und Auskopplung der Energieströme berücksichtigen zu können.

Durch die Nutzung der Wärmeübertrager als Befeuchterkörper (Hybridsystem) können die Kälteleistungen erhöht und gleichzeitig die Druckverluste verringert werden.

Durch die mehrfachfunktionale Nutzung der WRG und die hybride, mehrstufige  Nutzung der indirekten Verdunstungskühlung können sehr hohe COP-Werte von 50 und mehr er­reicht werden.

Mit Erscheinen der neuen VDI 2071 wird auch normativ die Basis für mehrfachfunktionale WRG-Systeme geboten.

Literatur

[1] Kaup, Die Physik der Kreislaufverbundsysteme, VDI-Jahrbuch 1999, S. 216 ff

[2] DIN EN 308, Juni 1997. Wärmeaustauscher – Prüfverfahren zur Bestimmung der Leistungskriterien von Luft/Luft- und Luft/Abgas-Wärmerückgewinnungsanlagen; Deutsche Fassung EN 308:1997

[3] VDI-Wärmeatlas, 7. Auflage 1994: CA 13

[4] VDI-Wärmeatlas, 7. Auflage 1994: CA 14

[5] Kaup, Mehrfachfunktionale Hochleistungs-Wärmerückgewinnungssysteme, HLH 02/2009

[6] Jüttemann, Wärme- und Kälterückgewinnung in raumlufttechnischen Anlagen, Werner Verlag: 2001

[7] VDI 2071. Wärmerückgewinnung in Raumlufttechnischen Anlagen. Ausgabe: 1997

[8] Kaup, Praxishandbuch Thermodynamik, S. 474 ff, PP Publico Publications, 2008

[9] Kaup, Minimierung der latenten Kühlleistung durch integrierte Rückgewinnung, KI 12/2003

[10] EEWärmeG: Das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz: 2008-6

[11] Kaup, Hochleistungs-Wärmerückgewinnung auf Basis des KV-Systems, ISH Jahrbuch, 1997

[12] Kaup, Vergleich von Hochleistungswärmerückgewinnungssystemen auf Basis des KV-Systems, HLH 02/2004

[13] Kaup, Integrierter Kontaktbefeuchter im Wärmeübertrager, TAB, 02/1997

[14] Roth, Goeke, Messungen an einem KV-System, Prüfbericht Bayer AG, 12/2008