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 modernen 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 ErdwärmeRohr 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. C:\tmp\Originaltext mit Tabellen.doc 1 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 Wärmeübertragung 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: Wärmerückgewinungsgerät mit KreuzgegenstromPlattenwärmetauscher Eine weitere deutliche Verbesserung bezüglich der übertragenen Wärme wurde durch eine Veränderung des Strömungsprofils erreicht: statt in Plattenspalten (Plattenwärmetauscher) werden die beiden Luftströme in quadratischen Kanälen geführt – daher: Kanal-Wärmetauscher. Die Struktur ist so ausgebildet, dass beide Luftströme hermetisch voneinander getrennt sind. Damit verdoppelt sich die Wärmetauschfläche gegenüber den Plattentauschern. 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- C:\tmp\Originaltext mit Tabellen.doc 2 trombereich überwiegt, woraus sich die Bezeichnung „Gegenstromwärmetauscher“ ableitet. Dieser Wärmetauschertyp wird seit 13 Jahren gebaut. Bild 7: Gegenstrom-Kanalwärmetauscher 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, beeinflusst. Kreuzstrom Gegenstrom Prinzipskizze l = Länge des Gegenstrombereiches im Wärmetauscher b = Breite des Wärmetauschers KreuzstromWT WärmetauscherFläche [m²] Strömungsprofil Wärmerückgewinnung effektiv [%] 4 – 10 KreuzGegenstrom-WT 6 – 14 GegenstromWT 17 – 60 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 Durchströmformen geometrisch nahezu gleichberechtigt vertreten: C:\tmp\Originaltext mit Tabellen.doc 3 Kreuzstrom → an den Spitzen Gegenstrom → im Mittelteil Beim reinen Gegenströmer hingegen dominiert der Gegenstromanteil, wenn ≥ 2 ist. Mit einer solchen Baub form in Verbindung mit einem Kanalwärmetauscher werden die höchsten Wirkungsgrade erreicht. l b) Strömungsprofil Üblicherweise werden Plattenwärmetauscher verwendet (Bild 10). Hierbei erfolgt der Wärmefluss in 2 Richtungen. 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 herkömmliche 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 WärmetauscherRauminhalt 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 f = F – Wärmetauschfläche V – Rauminhalt des Wärmetauschers (Korpus) F V 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 λ = 0,17 W/mK λ = 0,17 W/mK λ = 0,22 W/mK Aluminium (Al) Polystyrol (PS) PVC 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 geringfügige Unterschiede hinsichtlich der Wärmedurchgangszahl k (s. u.: Tabelle 2). & Aus der Gleichung für die Berechnung der übertragenen Wärme Q soll dieses Phänomen hergeleitet werden: & Q = k ⋅ F ⋅ Δt m C:\tmp\Originaltext mit Tabellen.doc 4 k= 1 αi + 1 d λ + 1 αa Berechnet bei einem Kanal-WT: k = 14,9 W m²K W m²K bei Kunststoff (PP) k = 15,1 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 Kanalwärmetauschers k= 1 0,00025 0,22 (PP) 1 30 + + 1 30 221...180 (Al) k= 1 0,033 + 0,001(PP) + 0,033 1 0,033 + 0,0000011(Al) + 0,033 = 1 0,067 = = 14,9 1 0,066 W m²K W m²K k= = 15,1 Wärmetauscher aus … Metall oder ? Kunststoff Wärmerückgewinnung Gewicht Reinigungsmöglichkeit Korrosion gut hoch ↓ ja möglich ↓ gut (bei hoher Fläche) gering ↓ leicht unmöglich ↓ C:\tmp\Originaltext mit Tabellen.doc 5 kann Schmutz anhaften Primärenergie-Aufwand für die Herstellung ja hoch (Aluminium-Elektrolyse) kaum möglich 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: Verdopplung 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 4A d gl = U A [mm²] – Strömungsquerschnittsfläche von einem Strömungsprofil U [mm] – Umfang jeweils vom Strömungsprofil Platten-WT Kanal-WT → dgl ∼ 2 ⋅ a → dgl = a z. B.: z. B.: a = 3,5 mm dgl = 7,0 mm 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: α = λ ⋅ Nu d gl α [W/m²K] – Wärmeübergangszahl λ [W/mK] – Wärmeleitzahl Nu [-] und damit 3) die k-Zahl Wärmetauschertyp Wärmedurchgangszahl k [W/m²K] Platten-WT Aluminium 10,4 Platten-WT Kunststoff 10,1 Kanal-WT Kunststoff 14 – Nußeltzahl nur geringfügiger Unterschied zwischen Kunststoff und Aluminium deutliche Verbesserung 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. Folglich wird die Effizienz (Wärmerückgewinnungsgrad) merklich erhöht. C:\tmp\Originaltext mit Tabellen.doc 6 Plattenwärmetauscher Kreuzgegenstrom Kanalwärmetauscher Gegenstrom baugleicher Typ von vielerlei Anbietern Korpusgröße V des WT marktüblicher Geräte realistische Wärmetauschfläche F marktüblicher Geräte Wärmedurchgangszahl k theoretisch berechneter Wärmetausch 15,1 l 7 m² 10,1 W/m²K & ΔQ = k ⋅ F ⋅ Δt m1) & ΔQ = 10,1⋅ 7 ⋅ 8,7 ≈ 615W & ΔQ = zurückgewonnene Wärme Patent: Fa. PAUL Typ „thermos 200 DC“ 107 l 60 m² 14 W/m²K & ΔQ = k ⋅ F ⋅ Δt m1) & ΔQ = 14 ⋅ 60 ⋅ 1,18 ≈ 991W Δtm = mittlere Temperaturdifferenz 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 Δt1 = tZu - tAb Δt2 = tFo - tAu tZu – Zulufttemperatur tAb – Ablufttemperatur tFo – Fortlufttemperatur tAu – Außenlufttemperatur Bild 13: Temperaturen am Wärmetauscher siehe auch Bild 11 C:\tmp\Originaltext mit Tabellen.doc 7 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 vergrößern. 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 Leistungsaufnahme Pel am Ventilator sinkt! w= & V A/2 ⋅ 3600 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 C:\tmp\Originaltext mit Tabellen.doc 8 & V = 85 – 295 m³/h & V = 100 – 300 m³/h Bild 15: Zwei Wärmetauscher für den gleichen Einsatzzweck (Luftvolumenstrom) Bei einer Recherche von marktgängigen Wärmerückgewinnungsgeräten für jeweils vergleichbare Einsatzbereiche (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 Wärmerückgewinnungsgrad ηeff Stromverbrauch Ventilatoren Pel GeräteGeräusche Gerätetypen verschiedener Hersteller 11) 2 3 4 5 6 7 VolumenstromEinsatzbereich [m³/h] 50 – 300 50 – 260 90 – 230 80 – 285 50 – 295 63 – 280 90 – 300 WTVolumen WTFläche gesamtes Gerätevolumen [l] 390 252 166 268 134 134 181 effektiver Wärmerückgewinnungsgrad2) ηeff [%] 92 4) 78 73 74 4)5) 4) Leistungsaufnahme Pel3) [W] 44 59 58 50 86 ∼82 Geräuschschalldruckpegel3) in 1 m Entfernung [dB(A)] 25,7 34,8 40,46) 39 44 43 43 [l] 107 37 15,1 [m²] 60 44 7 12 57,7 4) 4) ∼74 33,4 11 10 4) 4) 76 58,2 Tabelle 4: Auswirkungen von WT-Fläche und Gerätevolumen auf Wärmerückgewinnungsgrad, Leistungsaufnahme und Gerätegeräusch C:\tmp\Originaltext mit Tabellen.doc 9 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 ηeff → abluftseitig ermittelter effektiver Wirkungsgrad P t Ab − t Au + el & m⋅c η eff = t Ab − t Au 2) 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) η= H Zu − H Au H Ab * −H Au – Enthalpie H [W] 3) 4) 5) HAb* [W] – Abluftenthalpie bei Außenluftfeuchte bei 150 m³/h und 100 Pa ext. Pressung für feuchte Abluft 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 zugelassenes 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: & ΔQ = k ⋅ F ⋅ Δt m ⎡ W ⎤ – Wärmedurchgangszahl k ⎢ ⎣ m²K ⎥ ⎦ F [m²] – Wärmetauschfläche – mittlere Temperaturdifferenz Δtm [K] & lässt sich ableiten, dass die vergrößerte Fläche F eine höhere Wärmeübertragungsleistung ΔQ 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 Wärmetauschfläche F! Bild 16 zeigt, wie bei 7 marktgängigen Wärmerückgewinnungsgeräten bei größer werdender Wärmetauschfläche der effektive Wärmebereitstellungsgrad ηeff steigt. C:\tmp\Originaltext mit Tabellen.doc 10 100 90 η eff - effektiver Wärmebereitstellungsgrad [%] 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 10 20 30 40 50 3 7 6 5 2 1 60 70 W T-Fläche [m²] 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 (WTVolumen niedrig) bzw. durch ein kleines Gerätevolumen hindurchzwängt, entsteht eine höhere Luftgeschwindigkeit w, was wiederum zu einem ansteigenden Druckverlust und Stromverbrauch (elektrische Leistungsaufnahme Pel) führt → siehe Bild 17 und 18. 100 P el - elektr. Leistungsaufnahme [W] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 20 40 60 W T-Volumen [l] 1) 6 1) 3 2 1 80 100 120 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 C:\tmp\Originaltext mit Tabellen.doc 11 100 P el - elektr. Leistungsaufnahme [W] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0 100 200 300 400 500 Gerätevolumen [l] 3 7 5 6 2 4 1 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 Luftgeschwindigkeit und damit auch zu erhöhter Turbulenzbildung, welche eine höhere Geräuschentwicklung nach sich zieht → siehe Bild 19 und 20! 50 Schalldruckpegel in 1 m Entfernung [dB(A)] 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 20 40 60 W T-Volumen [l] 1) 3 6 1) 2 1 80 100 120 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 C:\tmp\Originaltext mit Tabellen.doc 12 50 Schalldruckpegel in 1 m Entfernung [dB(A)] 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 0 100 200 300 400 500 Geräte-Volumen [l] 1 5 6 3 7 4 2 Bild 20: Abhängigkeit des Schalldruckpegels vom Gerätevolumen Zusammenfassung Wärmerückgewinnungsgeräte für Wohnungslüftung weisen deutliche Unterschiede hinsichtlich ihres Wärmerückgewinnungsgrades auf. Dies hängt so gut wie überhaupt nicht von der Materialart und der Wärmeleitzahl λ des Wärmetausch-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: Luftgeschwindigkeit“ kaum erhöht werden kann (weil mit der Strömungsgeschwindigkeit der Ventilator-Stromverbrauch und die Geräte-Geräusche steigen), ist die wesentliche Größe die Wärmetauschfläche, die die Wärmerückgewinnungseffizienz 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) Gerätevolumen wirken sich positiv auf den Stromverbrauch (Ventilatoren) und das Gerätegeräusch aus – beide Werte sinken bei größeren Wärmetauschern bzw. größeren Geräten. Stand: 15.06.2007 C:\tmp\Originaltext mit Tabellen.doc 13