Lehmann, Jürgen

Loeffler, Michael

Mertins, Max

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Dezentrale Wärmerückgewinnung aus der Abluftmittels ortsfester RegeneratorenJürgen Lehmann, Prof. Dr.-Ing., Michael Löffler, Dr.-Ing., Max MertinsUniversität Karlsruhe (TH) Fakultät für Architektur/TA, Englerstr.7,D-76128 Karlsruhe, Tel: +49 721 608 2890; Fax: 49 721 608 6157e-mail: michael@fbta.uni-karlsruhe.deZusammenfassungLüftungsanlagen mit regenerativer Wärmerückgewinnung können nach Ansicht derAutoren zu einer weiten Verbreitung kommen, da die Einzelgeräte kostengünstig her-gestellt werden können und die Möglichkeiten zur Wärmerückgewinnung ausgezeich-net sind [1].Die Dimensionierung einer regenerativen Wärmerückgewinnung ist sehr komplex,aufgrund der Vielzahl der Parameter (Taktzeit, Masse, Volumen und Baugröße desRegenerators, Wärmeübergang und Druckabfall am Regenerator, Feuchte und Tempe-ratur der Außen- und Raumluft). Aus diesem Grund gestaltet es sich z.B. sehr schwie-rig, Aussagen über Wirkungsgrad oder Niederschlag von Kondensat im Regenerator zutreffen.Um Aussagen zu erhalten über den Einfluß der genannten Parameter auf Rückwärm-zahl, Druckabfall und Niederschlag von Kondensat wurde ein geeignetes Simulations-werkzeug entworfen. In dem Artikel wird der Aufbau des Programmes und die Model-lierung des Feuchte - Wärme - und Lufttransportes gezeigt. Außerdem werden ersteErgebnisse gezeigt über Bedingungen, bei welchen im Regenerator mit bleibendemKondensat gerechnet werden muß. Die Ergebnisse entscheiden über die möglichenAnwendungsgebiete für Regeneratoren (z.B. Wohnräume, Schlafräume oder Feucht-räume).1 ÜberblickDie geltende Wärmeschutzverordnung von 1995 (WSV 95) und die geplante Energie-sparverordnung 2000 (ESV 2000) zielen auf eine Reduzierung des Energiebedarfs vonGebäuden. In den Verordnungen wird die Wärmerückgewinnung aus der Abluft durcheine kontrollierte Wohnungslüftung einbezogen und als wichtige Maßnahme zur Ver-ringerung des Energieverbrauchs vorgeschlagen. Die Forderungen der WSV 95 konn-ten meist noch durch Verbesserung von Gebäudeaußenhautkomponenten wie Fensterund Außenwände erfüllt werden. Die Forderungen der ESV 2000 jedoch erfordern denEinsatz von Wärmerückgewinnungsmaßnahmen. Die Rückgewinnung von Wärme ausder Abluft war bisher, insbesondere beim Gebäudebestand, sehr kostenintensiv undaufwendig. Zentrale Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung erfordern einen ho-hen Investitionsaufwand und erhöhen die Baukosten. Daher stellt die freie Lüftungüber Fenster, Türen und sonstige Öffnungen in der Gebäudehülle heutzutage die amSeite 2weitesten verbreitete Art der Lüftung dar. Der Umfang der freien Lüftung wurde expe-rimentell [2] und anhand von Simulationswerkzeugen [3] untersucht, wobei der Luft-wechsel stark abhängt vom Nutzerverhalten und Windverhältnissen außerdem müssenSimulationsverfahren um so hochwertiger sein, je niedriger der angestrebte Heizwär-mebedarf ist.Der von der WSV angesetzte Luftwechsel wird in der Praxis jedoch weit unter- oderüberschritten, was zu Feuchteschäden oder zu unnötigen Energieverlusten führen kann.Die energetischen Vorteile von Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung sind all-gemein bekannt. Wegen hoher Investitions- und Betriebskosten werden solche Anlagennoch nicht häufig, vor allem nicht im Wohnungsbau eingesetzt. Wie Untersuchungenzeigen, konnte eine wesentliche Annäherung von Ökonomie und Ökologie dabei bishernicht gelingen [4].Ziel eines unserer Forschungsprojekte ist die Ausarbeitung von Vorschlägen zur Ver-wendung und Auslegung von dezentralen Lüftungsgeräten mit Regenerator, die beihoher Effektivität und geringem Stromverbrauch nur unerhebliche Baukostenerhöhun-gen verursachen.Dezentrale Anlagen mit Regenerator können kostengünstig hergestellt und mit gerin-gen baulichen Veränderungen eingebaut werden.Der Bedarf an Fremdenergie ist im Vergleich zu zentralen Anlagen sehr gering. DieHandhabung bedarfsgerecht betriebener dezentraler Anlagen wurde bisher noch nichtgründlich untersucht. Aus diesem Grund herrscht in der Baubranche Unsicherheit überdie Verwendung dieser Anlagen.Es ist erforderlich, die Rahmenbedingungen für den Einsatz der regenerativen Lüf-tungstechnik zu untersuchen und allgemein bekannt zu machen.Die Nutzung solcher Geräte zur geregelten Raumluftentfeuchtung mit Wärmerückge-winnung, welche bei der Altbausanierung sinnvoll eingesetzt werden können ist mög-lich. Feuchteschäden bei Altbauten, welche häufig durch den Austausch der alten un-dichten Fenster entstehen, könnten durch diese Geräte vermieden werden.In der Juli-Ausgabe 1997 der Zeitschrift Heizung Lüftung/Klima Haustechnik (HLH)[5] wurde von einem kostengünstigen regenerativen Lüftungsgerät zur Einzelraumlüf-tung berichtet (siehe Abbildung 1). In einem Gehäuse befindet sich der wärmespei-chernde Regenerator, z.B. Metallspäne. Ein Ventilator läßt in wechselnden Zeitinter-vallen die Abluft aus dem Raum und die Frischluft am Regenerator entlangstreichen.Zwei gegenläufig geschaltete Ventilatoren in zwei Gehäusen oder zwei Gehäuseteilensind erforderlich, um den Druckausgleich im Gebäude zu gewährleisten.Mit diesem Gerät kann man sehr hohe Energieeinsparungen bei Neu- und Altbautenerreichen die über den Ergebnissen üblicher rekuperativer Plattenwärmetauscher lie-gen.Bisher bestehen keine Simulationswerkzeuge, welche speziell für den Regenerator dieWärme- und Feuchteverhältnisse bei der Verwendung im Wohnungsbau aufzeigen.Nachfolgend werden die physikalischen Grundlagen der Wärme- und Feuchteübertra-gung und das verwendete mathematische Simulationsverfahren dargestellt. Anschlie-ßend werden erste Simulationsergebnisse dargestellt. Bemerkenswert ist, daß es beiSeite 3Lüftungsgeräten mit Regenerator nur bei extrem hohen Luftfeuchtigkeiten zu einembleibenden Niederschlag im Regenerator kommt.Abbildung 1: Lüftungsgerät mit Regeneratoren2 Physikalische GrundlagenDas Problem des Lüfters mit Aluminium oder jeder anderen metallischen Füllung alsRegenerator ist die Kopplung von Wärme- und Stoffübertragung. Entsprechende Pro-gramme für gekoppelte Wärme- und Feuchteübertragung können das Problem des Re-generators lösen [6]. Dennoch wurde ein eigenes Programm geschrieben, um den Ei-genheiten der Regeneratorberechnung gerecht zu werden.Gerade die Kondensation und die Möglichkeit der Kumulation von Wasser im Regene-rator, welche bei den Berechnungen explizit dargestellt wird, hat Auswirkungen aufdie hygienischen Verhältnisse im Bereich des Regererators und bestimmt dadurch dasEinsatzfeld von Regeneratoren im Wohnungsbau.Bisher wurde die Bildung von Eis im Regenerator noch nicht implementiert. Die damiteinhergehenden Verschiebungen in der Wärmebilanz sollen noch integriert werden.2.1 FormelzeichenDie Variablen der Wärme- und Stoffströme im Regenerator sind in der folgendenAbbildung 2 dargestellt.11223344117565 89(1) Kunststoffkanal(2) Regenerator (Metallspäne)(3) Regelbarer Ventilator(4) Dämmwolle(5) Luftfilter außen(6) Luftfilter innen(7) Außenblende(8) Innenblende mit Lamellen(9) Oberer Außenstutzen(10) Unterer Außenstutzen(11) Gebäudewand10Seite 4L∆xInnenraumTir.F.iAußenraumTar.F.aRegenerator:Masse: msspez. Kap.: csOberfläche: APh&mAbbildung 2: Regenerator - physikalische GrößenIn den weiteren Berechnungen werde die folgenden Variablen verwendet:hv0 J/gK spez. Verdampfungsenthalpie von Wasserλ       W/mK spez. Wärmeleitfähigkeitν m²/s dynamische ViskositätAPh m² innere Oberfläche des RegeratorsX g/m² Beladung des RegeneratorsY  - Beladung der Luft (absolute Feuchte)α W/m²K Wärmeübergangskoeffizient am Regeneratorβ m/s StoffübertragungskoeffizientIndizes:g = gasl = liquids = solidPh = Phasengrenze flüssig-gasförmig2.2 Diskretisierung2.2.1 Räumliche DiskretisierungDas Volumen V des Regenerators wird in n Abschnitte unterteilt. In jedem Abschnittwerden später die Wärme und die Feuchte der Luft und die Wärme des Regeneratorsund des evtl. kondensierenden Wassers bilanziert.∆V V n= / Gleichung 1Je feiner die Unterteilung des Regenerators ist, um so geringer ist der Fehler durch dieräumliche Diskretisierung. Bei beliebig kleinen Abschnitten (n→∞) wird jedoch dieerforderliche Rechenzeit zur Bilanzierung beliebig groß.2.2.2 Zeitliche DiskretisierungDie Luft- ,Wasser- und Regeneratortemperaturen in einem Regeneratorabschnitt ∆Vgleichen sich aneinander an. Die Zeit ∆t, die hierfür zur Verfügung steht (Verweilzeit)Seite 5läßt sich aus dem Volumen des Abschnittes und aus dem Luftvolumenstrom durch denRegenerator bestimmen. Die räumliche und zeitliche Diskretisierung ist über den Vo-lumenstrom gekoppelt:∆ ∆t VVt= /∂∂Gleichung 22.3 Bilanzierung2.3.1 StoffbilanzIn den Bilanzräumen werden die Luftmengen und die Wassermengen bilanziert. Dabeiwerden die Stoffströme in den Bilanzraum und aus dem Bilanzraum hinaus aufsum-miert. Die Massenerhaltung des Wassers innerhalb des Regeneratorabschnittes ∆V istdurch die folgende Gleichung 3 bestimmt:∆ ∆AdXdtmdYdtPh g= − Gleichung 3Mit der folgenden Gleichung 4 wird die zwischen der flüssigen und gasförmigen Was-serphase übertragene Wassermenge quantifiziert. Dabei ist β der Stoffübergangs-koeffizient, dessen Berechnung später gezeigt wird. Das treibende Gefälle für dieStoffübertragung ist dabei die Differenz zwischen Feuchtebeladung Y der Gasphaseund der Feuchtebeladung YPh an der Regeneratoroberfläche:( )∆A dXdtA Y Y TPh g Ph Ph l= − −ρ β∆ ( )Gleichung 42.3.2 EnergiebilanzInnerhalb der Regeneratorabschnitte und innerhalb der Verweildauer in dem jeweiligenAbschnitt werden die sensiblen und die Verdampfungs- oder Kondensationswärmendes Wassers bilanziert und der Temperaturausgleich zwischen Luft, Regenerator undevtl. Wasser berechnet. Dabei spielt der Wärmeübergang α zwischen der Luft und demRegenerator eine Rolle.Die Energiebilanz des Regenerators in einem Abschnitt wird in der folgendenGleichung 5 dargestellt. Die Temperatur der flüssigen Phase des Wassers Tl wird spä-ter mit der Temperatur des Regenerators Ts im jeweiligen Abschnitt gleichgesetzt, dadie Wärmeleitfähigkeit von Wasser und Regenerator für einen sofortigen Temperatur-ausgleich sorgen, vor allem wenn Metallspäne als Regenerator verwendet werden (dieBiot-Zahl Bi des Regenerators ist entsprechend klein).∆ ∆ ∆ ∆Ad T XdtC m cdTdtA hdXdtA T TPhll s ssPh v Ph g s( )( )+ = + −0 α∆ Gleichung 5Die Energibilanz in der Luft innerhalb eines Abschnittes ∆V wird durch die folgendeGleichung 6 beschrieben:d T Ydtm cdTdtm c A T Tgg p vgg p Ph s g( )( ), ,g∆ ∆+ = −α∆Gleichung 6Seite 62.3.3 Berechnung von α und βEntsprechend der Ähnlichkeitstheorie [7] gelten die folgenden Abhängigkeiten:Reynolds-Zahl: Re =udν;  Biot-Zahl: Bidi=αλDer Wärmeübergangskoeffizien α wird über die folgende Formel  berechnet.αλ=Nud , mit Nu = 0 664 0 25, Re Pr ,  und Pr=0,7 (Luft) Gleichung 7Mit dem Gesetz von Lewis [8], welches für das System Wasser/Luft recht gut erfülltist, kann aus dem Wärmeübergangskoeffizienten α der Stoffübergangskoeffizient βberechnet werden:αβρ= g p gc ,Gleichung 8Mit den Molmassen der Gasphase ergibt sich die Feuchtebeladung der Luft:YMMpp pPhvgvv=−~~Gleichung 9Der Wasserdampfpartialdruck kann aus der Wasserbeladung, zum Beispiel nach derFormel von Glück, bestimmt werden.p evT T T Tl l l l= ⋅ − ⋅ + ⋅ − ⋅ + ⋅ − ⋅− − − − −611 1 9237510 7 258 10 2 58163110 6 311955 10 1 92 104 2 4 2 7 3 9 4( . . . . . ) Gleichung 10Damit sind die physikalischen Gesetzmäßigkeiten der Wärme- und Stoffübertragungvollständig beschrieben. Nachfolgend wird die Implementierung der Theorie im Re-chenprogramm dargestellt.2.4 LösungsansatzDas System aus drei nichtlinearen Differentialgleichungen 1. Ordnung wird durch einlineares homogenes System angenähert, in dem die Variablen mit geringem Einflußvon T über den Zeitschritt ∆t gemittelt wurden. Die gemittelten Variablen werdendurch einen Strich über dem Buchstaben gekennzeichnet. Es sind die Größen:X Y T Tg s, , , .2.4.1 GleichungssystemDas folgende Gleichungssystem zeigt die Bilanzgleichungen, welche den Energie- undStoffstrom im Regenerator beschreiben. Zunächst die Gleichung für die Stoff-(=Wasser-) übertragung:∆ ∆ ∆mdYdtA Y A Yg g Ph g Ph Ph+ − =ρ β ρ β 0Gleichung 11Dabei ist die Sättigungsfeuchte an der Phasengrenze YPh von der durchschnittlichenTemperatur des Wassers auf dem Regenerator Ts  während eines Berechnungsinterval-Seite 7les ∆t abhängig (siehe Gleichung 9 und Gleichung 10).Die folgende Gleichung zeigt die Energiebilanzierung im Regenerator:( )∆ ∆ ∆ ∆ ∆ ∆A C X m c dTdtA A cdXdtT A T A hdXdtPh l s ssPh Ph p l s Ph g Ph v+ + + − + =α∆ α,0 0Gleichung 12Die folgende Gleichung zeigt die Energiebilanzierung in der Luft:( )∆ ∆ ∆m c Y m c dTdtmdYdtm c T A Tg p v g p ggg g p v g Ph s, , ,+ + + − =α∆ α∆ 0Gleichung 132.4.2 DifferentialgleichungenDie Temperaturen von Regenerator und Luft und Wasser innerhalb eines Abschnittesund innerhalb der Verweilzeit gleichen sich an. Die Angleichung wurde als ein expo-nentieller Temperaturausgleich modelliert.Die Differentialgleichungen werden dafür auf die Formdfdtaf b+ + = 0 Gleichung 14gebracht, wobei f die Funktion der Temperatur von Regenerator oder Luft oder dieWasserbeladung der Luft angibt. Die Lösung ergibt sich zuf t t f tbaebaa t( ) ( )= = = +−−∆ ∆0Gleichung 15Die Mittelwerte über den Zeitschritt ∆t der Temperaturfunktionen und der Feuchte-funktion f  lassen sich nach der folgenden Gleichung berechnen:( )f t ta tf tbaebaa t( , ) ( )= = = +− −−010 1∆∆∆ Gleichung 16Schließlich wird die Ableitung der Temperaturfunktionen in der Simulationsrechnungals Differenzenquotient dargestellt.dfdtf t t ft== −( ) ( )∆∆0 Gleichung 17Die Gleichung 14 bis Gleichung 17 wurden in dem Simulationsprogramm für Regene-ratoren als Kern der Massen- und Energiebilanzierung als Iterationsalgorithmus im-plementiert. Dabei wird die Iteration in einem Abschnitt nach einem vorgegebenenKonvergenzkriterium beendet.3 Ergebnisse von SimulationsrechnungenIn der folgenden Abbildung 3 und Abbildung 4 auf Seite 9 werden Ergebnisse aus Si-mulationsrechnungen dargestellt. Die Achsen decken den gesamten Feuchtebereich derSeite 8Innenraum- und Umgebungsfeuchte ab. Die Innenraumtemperatur ist bei beiden Ab-bildungen 20°C und die Außentemperatur 0°C.Die Rückwärmzahlen des Lüftungsgerätes sind in Abbildung 3 dargestellt. Die Rück-wärmzahlen liegen bei etwa 80%.Abbildung 4 zeigt den Anteil an übertragener Feuchte. Die homogene Farbe im unterenBereich des Feuchtefeldes zeigt den Bereich trockener Wärmeübertragung. Die homo-gene Farbe im rechten oberen Bereich des Feuchtefeldes zeigt den Bereich einer Ku-mulation von Wasser auf dem Regenerator. In diesen Feuchtebereichen darf das Lüf-tungsgerät mit Regenerator nicht dauerhaft für Raumlüftungszwecke betrieben werden.Die Bereiche, in denen Wasser kumuliert liegen außerhalb des Bereiches der üblichenFeuchte in Wohnräumen. Lüftungsgeräte mit Regenerator können dort eingesetzt wer-den. Aber auch in Sanitärraumen, in denen kurzzeitig hohe Feuchte auftritt, ist der Ein-satz von Regeneratoren möglich.Weitere Simulationsrechnungen werden bei geringeren Außentemperaturen durchge-führt, um weitergehende Aussagen über den Verwendungsbereich von Regeneratorenzu treffen.4 ErgebnisseEs wurde ein handliches und umfangreiches Werkzeug zur Berechnung des Einsatzfel-des von Regeneratoren zur Raumlüftung konzipiert. Die Ergebnisse der Simulations-gänge zeigen, daß Lüftungsgeräte mit Regeneratoren in dem betrachteten Temperatur-bereich zur Lüftung von Wohngebäuden eingesetzt werden können, ohne daß Wasserim Regenerator akkumuliert. Die Wirkungsgrade liegen bei etwa 80%. Zweck des Si-mulationsprogrammes ist eine Wirkungsgradoptimierung des Regenerators (Masse,Geometrie, Material, Taktzeit).Ein weiteres Ziel ist die Berücksichtigung der Eisbildung im Regenerator, um das Ver-halten des Regenerators bei Frost untersuchen zu können.Seite 9Abbildung 3: Rückwärmzahl bei 10s TaktzeitAbbildung 4: Rückbefeuchtung bei 10s Taktzeit0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 100.10.20.30.40.50.60.70.80.91rel. Aussenfeuchterel. InnenfeuchteRückwärmzahl0.89-0.90.88-0.890.87-0.880.86-0.870.85-0.860.84-0.850.83-0.840.82-0.830.81-0.820.8-0.810.79-0.80.78-0.790 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 100.10.20.30.40.50.60.70.80.91rel. Aussenfeuchterel. InnenfeuchteRückbefeuchtung[g/Takt]1.1-1.21-1.10.9-10.8-0.90.7-0.80.6-0.70.5-0.60.4-0.50.3-0.40.2-0.30.1-0.20-0.1Seite 105 Literaturangaben[1] Jürgen Lehmann, Michael Löffler: Dezentrale bedarfsorientierte Wärmerückgewin-nung aus der Abluft mittels ortsfester Regeneratoren. in: Festschrift zum 60. Ge-burtstag von Karl Gertis. IRB Verlag Stuttgart. 1998. S. 143-155.[2] A. Maas, D. Schmidt, G. Hauser: Experimentelle Quantifizierung zum Luftaus-tausch bei Querlüftung, wksb 42/98. Download: http://www.bpy.uni-kassel.de.[3] Wulf Groth: Betriebsdatenauswertung der Verbrauchswerte eines Niedrigenergie-hauses unter besonderer Beachtung des Nutzereinflusses und der Lüftungswärme-verluste, Diplomarbeit an der TU Braunschweig, Inst. f. Wärme-und Brennstoff-technik, 1998.[4] J. Reiß. H. Erhorn: Niedrigenergiehäuser Heidenheim, Abschlußbericht, BMBFForschungsprojekt 0329058 A, Stuttgart, Juli 1994.[5] Michael Löffler: Raumlüftung mit regenerativer Wärmerückgewinnung, in: HLHBd.48 (1997), Nr.7, Juli 1997, S.38-40.[6] Häupl, Peter: Wärme-, Luft- und Feuchtetransport in gedämmten Umfassungskon-struktionen. In: Dresdner Bauklimatische Hefte, Heft 1, Dresden 1996, S. 29ff.[7] VDI-Wärmeatlas, 6. Auflage, Düsseldorf 1991, S.N1ff, S. O5ff, und: Holger Mar-tin: Wärmeübertrager, Stuttgart, 1988.[8] Ernst-Ulrich Schlünder: Einführung in die Stoffübertragung, Vieweg, Braun-schweig 1996, S.20.

Dezentrale Wärmerückgewinnung aus der Abluft mittels ortsfester Regeneratoren

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