Heat Transfer Waermetauscher

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Effizienz von Wohnungslüftungsgeräten Teil 1: Wohnungslüftungsgeräte mit Kunststoff-Wärmetauscher … … und trotzdem höchste Effizienz – wie geht das? Dipl.-Ing. Eberhard Paul, Paul Wärmerückgewinnung GmbH, Vettermannstr. 1-5, 08132 Mülsen Tel. 037601/3900, Fax: 037601/25845, Mail: [email protected], Internet: www.paul-lueftung.net 1. Wohnungslüftungsgeräte – historische Entwicklung

Wohnungslüftungsgeräte werden seit ca. 25 Jahren am Markt angeboten. In den vergangenen 13 Jahren wurde diese Gerätetechnik rasant weiterentwickelt. Heute werden solche Komfortlüftungsgeräte mehr und mehr in mo-dernen Wohngebäuden (Ein- und Mehrfamilienhäusern und anderen Gebäuden) eingebaut.

Bild 1: Haus mit Lüftungsanlage du Wärmerückgewinnungsgerät Das Lüftungssystem besteht aus Luftkanälen, über die das Haus mit Frischluft versorgt wird. In Küche, WC und Bad wird verbrauchte Luft (20 °C) abgesaugt – Gerüche und Feuchtigkeit verschwinden. Die Wärme der Abluft wird im Wärmerückgewinner genutzt um damit die Außenluft zu erwärmen – von 0 °C auf 18 °C. Im Erdwärme-Rohr wird selbst bei -15 °C Außentemperatur die Frischluft bis über 0 °C vorgewärmt. Im Sommerbetrieb bringt der Erdwärmetauscher kühle Luft ins Haus. Durch die konstante Versorgung mit Frischluft wird ein wesentlich besseres Raumklima (sauerstoffreiche Luft, Abfuhr verbrauchter Luft und Feuchte, keine Schimmelpilzgefahr usw.) erreicht als bei der Fensterlüftung. Durch die ständig steigenden Energiepreise wird das Augenmerk vermehrt auf eine Energieeinsparung durch den Wärmerückgewinnungseffekt gelenkt. Das Herzstück solcher Geräte ist der Wärmetauscher – mit seiner Bauform steht und fällt die Effizienz bei der Abwärmenutzung. Hier wird die Wärme der warmen Abluft an die kalte Außenluft übertragen.


Bild 2: Wärmetauschprinzip In der Vergangenheit wurde der Wärmetauscher in seiner Bauform ständig weiterentwickelt: Zunächst baute man einfache Geräte mit einem Kreuzstrom-Wärmetauscher, bei dem die beiden Luftströme (Abluft und Außenluft) in den Platten-Zwischenräumen geführt werden – ihre Richtungen „kreuzen“ sich – daher: Kreuzstrom-Wärmetauscher. Die Strömungslänge ist recht kurz und damit auch die Kontaktzeit, die für die Wär-meübertragung von der Abluft an die Außenluft zur Verfügung steht.

Bild 3: Kreuzstrom-Plattenwärmetauscher Bild 4: Wärmerückgewinnungsgerät mit Kreuzstrom-Plattenwärmetauscher

Eine Verbesserung der Wärmeübertragung erreicht man durch den Kreuz-Gegenstromwärmetauscher. Hierbei werden die beiden Luftströme in den Plattenspalten teilweise im Gegenstrom aneinander vorbeigeführt: die Strömung erfolgt über einen längeren Weg – die Kontaktzeit für den Wärmeübertragungsprozess vergrößert sich.

Bild 5: Kreuzgegenstrom-Plattenwärmetauscher Bild 6: Wärmerückgewinungsge-rät mit Kreuzgegenstrom-Plattenwärmetauscher

Eine weitere deutliche Verbesserung bezüglich der übertragenen Wärme wurde durch eine Veränderung des Strömungsprofils erreicht: statt in Plattenspalten (Plattenwärmetauscher) werden die beiden Luftströme in quad-ratischen Kanälen geführt – daher: Kanal-Wärmetauscher. Die Struktur ist so ausgebildet, dass beide Luftströme hermetisch voneinander getrennt sind. Damit verdoppelt sich die Wärmetauschfläche gegenüber den Platten-tauschern. Üblicherweise wird dieser Wärmetauscher in einer mehr längs gestreckten Form gebaut. Bei diesem Typ vergrößert sich die Strömungslänge, wodurch auch die Wärmeübertragungszeit erhöht wird – der Gegens-


trombereich überwiegt, woraus sich die Bezeichnung „Gegenstromwärmetauscher“ ableitet. Dieser Wärmetau-schertyp wird seit 13 Jahren gebaut.

Bild 7: Gegenstrom-Kanalwärme-tauscher

Bild 8: atmos 175 DC (links) und thermos-Schnittmodell (rechts) mit Gegenstrom-Kanalwärmetauscher

2. Bauform und Effizienz von Wärmetauschern Die Bauform des Wärmetauschers ist entscheidend für die Effizienz bei der Wärmerückgewinnung: je mehr Wärme aus der Abluft an die Außenluft übertragen wird, umso höher ist der Wärmerückgewinnungsgrad. Dieser Wirkungsgrad wird außerdem noch von der Fläche, die die beiden Luftströme im Wärmetauscher trennen, be-einflusst.

Prinzipskizze

Kreuzstrom

Gegenstrom

l = Länge des Gegens-

trombereiches im Wärmetauscher

b = Breite des Wärme- tauschers

Kreuzstrom-WT

Kreuz-Gegenstrom-WT

Gegenstrom- WT

Wärmetauscher- Fläche [m²] 4 – 10 6 – 14 17 – 60

Strömungsprofil

Wärmerückge- winnung effektiv [%]

50 – 70 70 – 80 85 – 99 (92)

Bild 9: Wärmetauscher-Typen a) Wärmetauscher-Geometrie: Kreuz-/Gegenstrombereich

Die äußeren Bauformen unterscheiden sich hinsichtlich der Länge des Gegenstrom-Bereiches l (siehe Bild 9). Beim Kreuz-Gegenstrom-Wärmetauscher (WT) sind – wie es die Bezeichnung schon ausdrückt – beide Durch-strömformen geometrisch nahezu gleichberechtigt vertreten:


Kreuzstrom → an den Spitzen Gegenstrom → im Mittelteil

Beim reinen Gegenströmer hingegen dominiert der Gegenstromanteil, wenn 2bl≥ ist. Mit einer solchen Bau-

form in Verbindung mit einem Kanalwärmetauscher werden die höchsten Wirkungsgrade erreicht.

b) Strömungsprofil

Üblicherweise werden Plattenwärmetauscher verwendet (Bild 10). Hierbei erfolgt der Wärmefluss in 2 Richtun-gen. Bei dem neuartigen Kanalwärmetauscher (Patent Fa. Paul) strömt die Luft in quadratischen Kanälen durch den Wärmetauscher, dessen Querschnitt einem Schachbrett ähnelt. Dieses Kanalstrom-Prinzip ermöglicht einen Wärmetausch nach vier – statt bisher zwei Seiten, was das Gerät weitaus effektiver arbeiten lässt als herkömm-liche Plattenwärmetauscher (Bild 10). Damit wird die Wärmetauschfläche pro Raum verdoppelt.

Bild 10: Wärmetauscher-Strömungsprofile c) Wärmetausch-Dichte Die Wärmetauschdichte f gibt an, wie viel Wärmetauschfläche F in einem bestimmten Wärmetauscher-Rauminhalt V untergebracht ist. Je dichter die Wärmetauscher-Struktur ist (siehe Bild10), umso mehr Fläche lässt sich unterbringen. Hieraus resultiert wiederum ein höherer Wärmerückgewinnungsgrad.

Wärmetausch-Dichte VF

f =

F – Wärmetauschfläche

V – Rauminhalt des Wärmetauschers (Korpus)

3. Materialarten in Wärmetauschern In Standardgeräten sind häufig Metall-WT eingesetzt: Aluminium, Stahl. Dies hat den Hintergrund, dass die Wärmeleitzahl λ bei Metallen (z. B. Aluminium) deutlich höher liegt als z. B. bei Kunstoffen. Wärmeleitzahlen λ verschiedener Wärmetauscher-Materialien: λ = 221 W/mK Aluminium (Al)

λ = 0,17 W/mK Polystyrol (PS)

λ = 0,17 W/mK PVC

λ = 0,22 W/mK Polypropylen (PP) Entscheidend für den Luft-Luft-Wärmetransport ist aber die Wärmeübergangszahl α auf der warmen und kalten Luftseite. Beide Kennzahlen (λ, α) sind in der Wärmedurchgangszahl k zusammengefasst, wodurch sich das Phänomen erklärt, dass bei Luft-Luft-Wärmeübertragern die Materialart nur eine untergeordnete Rolle spielt! Bei zwei bauartgleichen Plattenwärmetauschern aus Kunststoff (PP) und Aluminium (Al) ergeben sich nur geringfü-gige Unterschiede hinsichtlich der Wärmedurchgangszahl k (s. u.: Tabelle 2). Aus der Gleichung für die Berechnung der übertragenen Wärme Q& soll dieses Phänomen hergeleitet werden:

mΔtFkQ ⋅⋅=&


ai α1

λd

α1

1k

++= Berechnet bei einem Kanal-WT: k = 14,9

m²KW

bei Kunststoff (PP)

k = 15,1 m²KW

bei Aluminium

Q& [W] = übertragene Wärme im Wärmetauscher

k [W/m²K] = Wärmedurchgangszahl

Δ tm [K] = mittlere Temperaturdifferenz zwischen warmer Luft und kalter Luft – siehe Bild 11 und Tab. 3

αi [W/m²K] = Wärmeübergangszahl innen (warme Seite)

αa [W/m²K] = Wärmeübergangszahl außen (kalte Seite)

λ [W/mK] = Wärmeleitzahl des Wärmetauscher-Materials

d [m] = Materialdicke der Wärmetauscher-Platine

Bild 11: Wärmeübergang Auswirkung Al- oder PP-Material (PVC ähnlich) auf die Wärmedurchgangszahl k am Beispiel eines Kanalwärme-tauschers

301

(PP) 0,220,00025

301

1k

++=

(Al) 221...180

m²KW

14,90,067

10,033(PP) 0,0010,033

1k ==

++=

m²KW

15,10,066

10,033(Al) 0,00000110,033

1k ==

++=

Wärmetauscher aus …

Metall oder Kunststoff

? Wärmerückgewinnung gut gut (bei hoher Fläche) Gewicht Reinigungsmöglichkeit

hoch ↓ ja

gering ↓

leicht Korrosion

möglich ↓

unmöglich ↓


kann Schmutz anhaften ja kaum möglich Primärenergie-Aufwand für die Herstellung

hoch (Aluminium-Elektrolyse)

gering

Tabelle 1: Materialvergleich hinsichtlich verschiedener Eigenschaften Will man bei Luft-Luft-Wärmeübertragern die Leistung steigern, muss nicht die Materialart optimiert, sondern die Wärmetauschfläche vergrößert werden. Dies kann durch den o. g. Kanalwärmetauscher erreicht werden: Ver-dopplung der Wärmetauschfläche gegenüber Plattenwärmetauschern bei sonst gleichen Geometrien (Bild 10).

Bild 12: Strömungsprofile Bei Veränderung der Strömungsform ändern sich gleichzeitig 3 Kennzahlen: 1) der gleichwertige Durchmesser dgl

U4A

dgl =

A [mm²] – Strömungsquerschnittsfläche von einem Strömungsprofil U [mm] – Umfang jeweils vom Strömungsprofil

Platten-WT → dgl ∼ 2 ⋅ a z. B.: a = 3,5 mm dgl = 7,0 mm

Kanal-WT → dgl = a z. B.: dgl = 3,5 mm

a [mm] – Höhe des Plattenspaltes im Platten-Wärmetauscher, oder: Kantenlänge des Quadrat-Profiles beim Kanal-Wärmetauscher

dgl [mm] – gleichwertiger Durchmesser

2) die α-Zahl: gldNuλ

α⋅

=

α [W/m²K] – Wärmeübergangszahl

λ [W/mK] – Wärmeleitzahl

Nu [-] – Nußeltzahl und damit

3) die k-Zahl

Wärmetauschertyp Platten-WT Aluminium

Platten-WT Kunststoff

Kanal-WT Kunststoff

Wärmedurchgangszahl k [W/m²K] 10,4 10,1 14 nur geringfügiger Unter-

schied zwischen Kunst- stoff und Aluminium

deutliche Verbesse- rung vom Platten-WT zum Kanal-WT

Tabelle 2: Vergleich der Wärmedurchgangszahl k bei verschiedenen WT-Typen und Materialarten

Hieraus kann man ableiten, dass bei einem intelligenten Strömungsprofil (z. B. der quadratische Kanal beim PAUL-Wärmetauscher) die Wärmedurchgangszahl k und die WT-Übertragungsfläche F vergrößert werden. Folg-lich wird die Effizienz (Wärmerückgewinnungsgrad) merklich erhöht.


Plattenwärmetauscher Kreuzgegenstrom

Kanalwärmetauscher Gegenstrom

baugleicher Typ von vielerlei Anbietern

Patent: Fa. PAUL Typ „thermos 200 DC“

Korpusgröße V des WT markt-üblicher Geräte 15,1 l 107 l

realistische Wärmetauschflä-che F marktüblicher Geräte 7 m² 60 m²

Wärmedurchgangszahl k 10,1 W/m²K 14 W/m²K theoretisch berechneter Wär-metausch

615W8,7710,1QΔ

ΔtFkQΔ m

≈⋅⋅=

⋅⋅=&

& )1

QΔ & = zurückgewonnene Wärme

Δtm = mittlere Temperaturdifferenz 1)

991W1,186014QΔ

ΔtFkQΔ m

≈⋅⋅=

⋅⋅=&

& )1

Wärmebereitstellungsgrad (Temperaturwirkungsgrad) η = 59 % η = 94 %

Tabelle 3: Vergleichende Gegenüberstellung wärmetechnisch relevanter Größen 1) Δtm = Mittelwert aus Δt1 und Δt2, mittlere Temperaturdifferenz, siehe Bild 11 und 13

Bild 13: Temperaturen am Wärmetauscher siehe auch Bild 11

Δt1 = tZu - tAb

Δt2 = tFo - tAu

tZu – Zulufttemperatur

tAb – Ablufttemperatur

tFo – Fortlufttemperatur

tAu – Außenlufttemperatur


Effizienz von Wohnungslüftungsgeräten Teil 2: 4. Korpusgröße von Wärmetauschern und Lüftungsgeräten

Wenn die Wärmetauschfläche in Luft-Luft-Wärmetauschern so enorme Bedeutung hat, liegt der Gedanke nahe, neben der Wärmetausch-Dichte f (s. o. Pkt. 2c)) auch den Wärmetauscher als Korpus geometrisch zu vergrö-ßern. Damit steigt die Wärmetauschfläche F, aber auch (meist) die gesamte freie Strömungsquerschnittsfläche A/2. Hierbei sinkt die Strömungsgeschwindigkeit w, der Druckverlust Δp wird geringer und die elektrische Leis-tungsaufnahme Pel am Ventilator sinkt!

3600A/2V

w⋅

=&

w [m/s] – Strömungsgeschwindigkeit der Luft im Wärmetauscher

V& [m³/h] – Luftvolumenstrom eines Mediums

A/2 [m²] – freie Strömungsquerschnittsfläche eines Mediums

Bild 14: Effizienz im Bezug zur Korpusgroße


V& = 100 – 300 m³/h

V& = 85 – 295 m³/h

Bild 15: Zwei Wärmetauscher für den gleichen Einsatzzweck (Luftvolumenstrom) Bei einer Recherche von marktgängigen Wärmerückgewinnungsgeräten für jeweils vergleichbare Einsatzberei-che (Volumenstrombereiche) bestätigt sich dieser Zusammenhang nicht nur hinsichtlich der Korpusgröße des Wärmetauschers (WT) sondern auch des gesamten Geräte-Volumens:

WT-Korpusgröße bzw. WT-Fläche

gesamtes Geräte-Volumen

Wärmerückge-winnungsgrad ηeff

StromverbrauchVentilatoren Pel

Geräte-Geräusche

Geräte- typen verschie-dener Hersteller

Volumen-strom-

Einsatz-bereich

WT-Volumen

WT-Fläche

gesamtes Geräte-volumen

effektiver Wärmerück-gewinnungs-

grad2) ηeff

Leistungs-aufnahme

Pel3)

Geräuschschall-druckpegel3) in 1 m Entfernung

[m³/h] [l] [m²] [l] [%] [W] [dB(A)] 11) 50 – 300 107 60 390 92 4) 44 25,7 2 50 – 260 37 44 252 784)5) 59 34,8 3 90 – 230 15,1 7 166 57,74) 58 40,46) 4 80 – 285 268 734) 50 39 5 50 – 295 12 134 ∼744) 86 44

6 63 – 280 33,4 11 134 744) ∼82 43

7 90 – 300 10 181 764) 58,2 43 Tabelle 4: Auswirkungen von WT-Fläche und Gerätevolumen auf Wärmerückgewinnungsgrad, Leis-

tungsaufnahme und Gerätegeräusch


Bemerkungen zu Tabelle 4: 1) Gegenstrom-Kanal-WT Gerätetyp atmos – Fa. Paul Wärmerückgewinnung GmbH – alle anderen Typen (2 bis

7) sind marktgängige Geräte verschiedener Hersteller mit Kreuzgegenstrom-Platten-WT 2) ηeff → abluftseitig ermittelter effektiver Wirkungsgrad

AuAb

elAuAb

eff ttcm

Ptt

η−

⋅+−

=&

t [°C] – Temperatur

Pel [W] – elektrische Leistungsaufnahme

ηeff → gemäß Passivhaus-Institut Darmstadt (Dr. Feist), auch anerkannt durch schweizer Energieetikette und im FIA-Forschungsbericht der Hochschule Bremen (Prof. R.-P. Strauß)

AuAb

AuZu

H*HHH

η−

−=

H [W] – Enthalpie

HAb* [W] – Abluftenthalpie bei Außenluftfeuchte 3) bei 150 m³/h und 100 Pa ext. Pressung 4) für feuchte Abluft 5) ηeff = η - 12 % → ist gängige Regel zur Umrechnung des zuluftseitigen Wirkungsgrades η in ηeff. Allerdings

liegt der tatsächliche Unterschied zwischen η und ηeff bei ca. 24 % gemäß Untersuchung durch ein zugelas-senes Prüflabor an einem Gerät nach beiden Methoden (zuluftseitig → η, abluftseitig → ηeff)

6) in 1,5 m Entfernung

5. Wärmetauschfläche und Wärmebereitstellungsgrad

Aus der bekannten Gleichung zur Errechnung der übertragenden Wärmeleistung:

mΔtFkQΔ ⋅⋅=&

k ⎥⎦⎤

⎢⎣⎡m²KW

– Wärmedurchgangszahl

F [m²] – Wärmetauschfläche

Δtm [K] – mittlere Temperaturdifferenz lässt sich ableiten, dass die vergrößerte Fläche F eine höhere Wärmeübertragungsleistung QΔ & nach sich zieht, selbst wenn sich Δtm (mittlere Temperaturdifferenz zwischen kaltem und warmem Luftstrom) etwas verkleinert. Daraus resultiert dann auch der erhöhte effektive Wärmebereitstellungsgrad ηeff bei größerer Wärmetauschflä-che F! Bild 16 zeigt, wie bei 7 marktgängigen Wärmerückgewinnungsgeräten bei größer werdender Wärme-tauschfläche der effektive Wärmebereitstellungsgrad ηeff steigt.


1

2

35

67

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 10 20 30 40 50 60 70

WT-Fläche [m²]

ηef

f - e

ffek

tiver

W

ärm

eber

eits

tellu

ngsg

rad

[%]

Bild 16: Abhängigkeit des Wärmebereitstellungsgrades von der WT-Fläche

6. Stromverbrauch und Gerätevolumen

Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, sind die 7 Gerätetypen nahezu für den gleichen Einsatzbereich (Volumenstrom 50 bis 300 m³/h) bestimmt. Wenn sich der gleiche Volumenstrom durch einen kleineren Wärmetauscher (WT-Volumen niedrig) bzw. durch ein kleines Gerätevolumen hindurchzwängt, entsteht eine höhere Luftgeschwindig-keit w, was wiederum zu einem ansteigenden Druckverlust und Stromverbrauch (elektrische Leistungsaufnahme Pel) führt → siehe Bild 17 und 18.

61)

3 2

1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120

WT-Volumen [l]

Pel

- el

ektr

. Lei

stun

gsau

fnah

me

[W]

1) gesamtes Gerätevolumen (siehe Bild 18) ist von 6 deutlich kleiner (134 l) als von 2 (252 l) – deshalb liegt Pel bei 6 höher als bei 2

Bild 17: Abhängigkeit der Leistungsaufnahme vom WT-Volumen


6

7

5

43 2

1

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 100 200 300 400 500

Gerätevolumen [l]

Pel

- el

ektr

. Lei

stun

gsau

fnah

me

[W]

Bild 18: Abhängigkeit der Leistungsaufnahme vom Geräte-Volumen

7. Schalldruckpegel und Gerätevolumen Das kleinere Geräte- bzw. Wärmetauscher(WT)-Volumen führt, wie oben erwähnt, zu einer größeren Luftge-schwindigkeit und damit auch zu erhöhter Turbulenzbildung, welche eine höhere Geräuschentwicklung nach sich zieht → siehe Bild 19 und 20!

61)

1

3

2

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 20 40 60 80 100 120

WT-Volumen [l]

Scha

lldru

ckpe

gel i

n 1

m E

ntfe

rnun

g [d

B(A

)]

1) gesamtes Gerätevolumen (siehe Bild 20) ist von 6 deutlich kleiner (134 l) als von 2 (252 l) – deshalb liegt der

Schalldruckpegel bei 6 höher als bei 2 Bild 19: Abhängigkeit des Schalldruckpegels vom WT-Volumen


1

2

3 47

6

5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

0 100 200 300 400 500

Geräte-Volumen [l]

Scha

lldru

ckpe

gel i

n 1

m E

ntfe

rnun

g [d

B(A

)]

Bild 20: Abhängigkeit des Schalldruckpegels vom Gerätevolumen

Zusammenfassung Wärmerückgewinnungsgeräte für Wohnungslüftung weisen deutliche Unterschiede hinsichtlich ihres Wärmerückge-winnungsgrades auf. Dies hängt so gut wie überhaupt nicht von der Materialart und der Wärmeleitzahl λ des Wärme-tausch-Materials (Aluminium oder Kunststoff) ab – viel mehr hat der luftseitige Wärmeübergang α den gewichtigen Einfluss auf den Wärmedurchgang k. Da aber der luftseitige Wärmeübergang über die „Stellschraube: Luftgeschwin-digkeit“ kaum erhöht werden kann (weil mit der Strömungsgeschwindigkeit der Ventilator-Stromverbrauch und die Geräte-Geräusche steigen), ist die wesentliche Größe die Wärmetauschfläche, die die Wärmerückgewinnungseffi-zienz deutlich beeinflusst. Die Untersuchung an 7 marktgängigen Gerätetypen zeigt, dass eine vergrößerte Wärmetauscher-Fläche deutlich den Wirkungsgrad ηeff verbessert. Aber auch das größere WT-Volumen (Korpusgröße) und das größere (gesamte) Gerä-tevolumen wirken sich positiv auf den Stromverbrauch (Ventilatoren) und das Gerätegeräusch aus – beide Werte sinken bei größeren Wärmetauschern bzw. größeren Geräten. Stand: 15.06.2007

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