Energieeffizienz: Wärmerückgewinnung aus der Luft

Luft als Energiequelle

Ohne Luft wäre Leben auf der Erde undenkbar. Aber das unsichtbare Medium, das uns tagtäglich umgibt, kann mehr als Sauersoff und andere Inhalte zu transportieren. Denn Luft ist auch ein Wärmespeicher. Neben der kostenfreien Sonnen-Energie nimmt sie dabei zum Beispiel Wärme auf, die wir mit Heizungsanlagen erzeugen oder jeden Tag in Haushalten freisetzen.

Durch regelmäßiges Fensteröffnen oder Lüftungsanlagen ohne Wärmerückgewinnung geht diese Wärme aber ungenutzt verloren. Denn durch den Luftaustausch, der notwendig ist um hohe Anforderungen an die Qualität der Raumluft gewährleisten zu können, wird die verbrauchte aber warme Raumluft ungeregelt durch frische aber kalte Außenluft ersetzt. Und diese muss durch die Heizungsanlage erneut auf Temperatur gebracht werden.

Sowohl Außen- als auch Raumluft können genutzt werden, um Wärme effizient zu gewinnen. Folgende technische Möglichkeiten stehen dabei zur Verfügung:

• Luft/ Wasser-Wärmepumpen zur Gewinnung von Heizwärme aus der Außenluft
• Abluft-Wärmepumpen zur Gewinnung von Heizwärme aus verbrauchter Raumluft
• Dezentrale Abluftanlagen mit Wärmerückgewinnung zum effizienten Vorwärmen frischer Außenluft
• Zentrale Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung zum Vorwärmen frischer Außenluft mit besonders hoher Effizienz
• Luft/ Luft-Wärmepumpen zur Gewinnung von Energie aus der Außenluft

Luft/ Wasser-Wärmepumpen – Heizwärme aus der Umwelt

Luft/ Wasser-Wärmepumpen nutzen die in der Umgebungsluft gespeicherte Energie zur Beheizung von Gebäuden. Da die aber im Winter nur mit sehr niedrigen Temperaturen gewonnen werden kann, muss das Niveau der Umweltwärme durch einen Wärmepumpenprozess erhöht und für die Heizung nutzbar gemacht werden.

In diesem Prozess zirkuliert ein Kältemittel zwischen zwei Wärmeübertragern. Der erste, Verdampfer genannte Wärmeübertrager, übergibt die Umweltenergie an das Kältemittel, das aufgrund spezieller physikalischer Eigenschaften bereits bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft. In einem meist elektrisch betriebenen Verdichter wird der Druck des nun dampfförmigen Kältemittels erhöht und die Temperatur steigt an. Das heiße Kältemittelgas gibt seine Wärme über den zweiten, Verflüssiger genannten Wärmeübertrager an das Heizsystem ab und wird mit sinkender Temperatur wieder flüssig. In einem Entspanner, einem Druckreduzierventil, erreicht das Kältemittel seine Ausgangstemperatur, verflüssigt vollständig und der Kreislauf kann von vorn beginnen. Die folgende Skizze verdeutlicht die Funktion noch einmal grafisch.

Eine genaue Erklärung des Wärmepumpenprozesses finden Sie im Beitrag: Wärmepumpen – wie sie funktionieren

Die Effizienz einer Wärmepumpe ist besonders hoch, wenn der Temperaturunterschied zwischen Umweltenergiequelle und Heizsystem besonders niedrig ist. Das optimale Einsatzgebiet einer Luft/ Wasser-Wärmepumpe sind dabei energieeffizient sanierte Gebäude mit einem Niedrigtemperatursystem, wie zum Beispiel einer Fußbodenheizung.

Werden Luft/ Wasser-Wärmepumpen in unsanierten Gebäuden mit Heizkörper-Heizung installiert, können die Stromkosten schnell ansteigen. Denn dann muss in der Regel ein besonders hoher Temperaturhub zwischen Quell- und Heiz-Temperatur erreicht werden.

Weiter Informationen zu Luft/ Wasser-Wärmepumpen finden Sie im Beitrag: Luftwärmepumpen und ihre Besonderheiten

Abluft-Wärmepumpen – Heizwärme aus verbrauchter Raumluft

Abluft-Wärmepumpen arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie die im vorherigen Abschnitt vorgestellten Luft/ Wasser-Wärmepumpen. Der einzige Unterschied: sie beziehen Energie nicht von der Außenluft, sondern aus der Abluft eines Gebäudes. Diese wird zum Beispiel aus Bädern, Küchen und Toiletten der einzelnen Wohnräume abgezogen und hat ganzjährig eine konstante Temperatur von etwa 20°C. Der Temperaturhub, der notwendig ist um die zurückgewonnene Energie in der Heizung oder der Warmwasserbereitung einsetzen zu können, ist somit geringer und die Wärmepumpen können effizienter betrieben werden.

Wie eine Wärmepumpe genau funktioniert, erklären wir im Beitrag: Wärmepumpen – wie sie funktionieren

Da Abluftanlagen vor allem in kleinen Gebäuden nur geringe Luftströme fördern, erreichen Abluft-Wärmepumpen oft keine hohe Heizleistung. Sie eignen sich hauptsächlich für den Einsatz in mehrgeschossigen Wohngebäuden mit zentralen Abluftanlagen, die kontinuierlich hohe Volumenströme gewährleisten. Eine Alternative ist die Warmwasser-Wärmepumpe, die ausschließlich der Warmwasserbereitung dient. 

Zentrale Lüftungsanlagen – Energieverluste minimieren

Zentrale Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung machen es möglich die in der Raumluft gespeicherte Energie bestmöglich zu nutzen. Denn sie organisieren den Luftaustausch im gesamten Gebäude und machen die Fensterlüftung aus hygienischen Gründen überflüssig.

Die verbrauchte Raumluft wird dabei kontinuierlich abgesaugt und über ein verzweigtes Kanalnetz zur zentralen Lüftungsanlage transportiert. Hier strömt die noch warme Abluft über einen Wärmeübertrager und gibt ihre Energie an frische Außenluft ab. Je nach Effizienz der Anlage kann die Außenluft dabei sogar im tiefsten Winter und ohne zusätzliche Wärmeenergie auf Temperaturen von bis zu 14°C vorgewärmt werden.  Die Folgende Abbildung zeigt den Aufbau einer zentralen Lüftungsanlage mit Wärmerückgewinnung.

Weitere Informationen zu zentralen Lüftungsanlagen finden Sie im Beitrag: Wärmerückgewinnung bei zentralen Lüftungsanlagen

Zentrale Lüftungsanlagen können theoretisch in allen Gebäude-Typen eingesetzt werden. Allerdings stellen die weitverzweigten Lüftungskanäle oft besondere Herausforderungen an Sanierungs-Projekte. In mehrgeschossigen Wohngebäuden sind zusätzlich auch die hohen Brand- und Schallschutz-Anforderungen eingehalten werden.

Dezentrale Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung – Vorhandene Energiequellen nutzen

Dezentrale Lüftungsanlagen organisieren den Luftaustausch in einzelnen Wohneinheiten unabhängig voneinander. Sie bestehen in der Regel aus einer Kombination von Einzelgeräten, die jeweils in der Außenwand installiert sind.

Besonders effizient sind dezentrale Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung. Denn diese nutzen die Wärme der verbrauchten Abluft, um die frische Außenluft vorzuwärmen. In dezentralen Anlagen arbeiten häufig zwei Einzel-Lüftungsgeräte paarweise zusammen, die in regelmäßigen Abständen ihre Strömungsrichtung umschalten. Das heißt, sie fördern abwechselnd frische Außenluft in und verbrauchte Abluft aus dem Raum. Über einen Wärmespeicher im Gerät wird die Energie der warmen Abluft aufgenommen und an die kalte Außenluft übertragen, die dann zum Beispiel im Winter mit +12°C anstatt -12°C in die Wohnung strömt.

Dezentrale Lüftungsanlagen mit Wärmerückgewinnung eignen sich vor allem in Sanierungs-Vorhaben, da sie im Vergleich zu zentralen Anlagen unkompliziert in das vorhandene Bauwerk integriert werden. In mehrgeschossigen Wohnungsbauten sind die dezentralen Anlagen vor allem aus schall- und brandschutztechnischer Sicht günstig. Denn sie bilden keine Verbindungen unterschiedlicher Wohnungseinheiten.

              Weitere Informationen zu dezentralen Lüftungsanlagen finden Sie im Beitrag: Dezentrale Lüftung mit Wärmerückgewinnung nach der Sanierung

Luft/ Luft-Wärmepumpen zur Gewinnung von Energie aus der Außenluft

Luft-Luftwärmepumpen werden in zentralen Lüftungsanlagen eingesetzt, um die Effizienz der herkömmlichen Wärmeübertrager zu steigern. Dazu entziehen sie Energie aus der bereits abgekühlten Abluft und machen sie über einen Wärmepumpen-Prozess nutzbar um die vorgewärmte Zuluft weiter zu erhitzen.

              Wie ein Wärmepumpen-Prozess genau funktioniert, erklären wir im Beitrag: Wärmepumpen – wie sie funktionieren

Die folgende Abbildung zeigt die Funktion einer Luft/ Luft-Wärmepumpe bildhaft.

Eingesetzt werden Luft/ Luft-Wärmepumpen in Luft-Heizsystemen für effiziente Passiv- oder Niedrigenergiehäuser. Anstatt über Heizkörper, wie in wasserführenden Heiz-Systemen üblich, wird die Heizwärme dabei über die Lüftung in die Räume gebracht.