Energierückgewinnung in Rotationswärmetauschern verstehen

Wichtige technische Elemente, die die Energieeffizienz beeinflussen

Energierückgewinnung in Rotationswärmetauschern verstehen – Wichtige technische Elemente, die die Energieeffizienz beeinflussen

Wärmerückgewinnungssysteme lassen sich anhand ihrer thermischen Parameter in zwei Kategorien einteilen: Systeme zur Energierückgewinnung und -umwandlung aus Abwärme mit hohen thermischen Parametern (über 70 °C).^oC) und Systeme zur Energierückgewinnung und -umwandlung aus Abwärme mit niedrigen thermischen Parametern (unter 70^oC).

Wärmerückgewinnungs- und Energieumwandlungssysteme über 70^oC-Abwärme wird in technologischen Prozessen der Energie-, Lebensmittel-, Chemie- und anderer prozessorientierter Industrien eingesetzt, in denen große Mengen an Abwärme entstehen. Diese Abwärme mit hohen thermischen Parametern kann zur Verbesserung der Energie- und Wirtschaftlichkeit von Unternehmen genutzt werden, indem sie direkt zur Lufterwärmung in Lüftungsanlagen oder zur Unterstützung technologischer Prozesse mit höherem Temperaturbedarf dient (z. B. als Wärmequelle für Wärmepumpen zur Pasteurisierung in der Lebensmittelindustrie oder zur Stromerzeugung in organischen Rankine- oder Kalina-Kreislaufsystemen). Abwärme mit solch hohen thermischen Parametern kann auch für Kälte- und Klimatisierungsprozesse genutzt werden (z. B. zur Umwandlung von Wärmeenergie in Kaltwasser mittels Absorptions- oder Adsorptionskältemaschinen).

Wärmerückgewinnungs- und Energieumwandlungssysteme unter 70^oC-Systeme werden am häufigsten zu Heizzwecken in Wohngebäuden (z. B. Fußbodenheizung mit Wärmepumpen) oder Gewerbegebäuden (z. B. in Lüftungsanlagen zur Erwärmung von Frischluft durch Wärmerückgewinnung aus Abluft) eingesetzt. Dieser Artikel konzentriert sich auf Anwendungen in Gewerbegebäuden.

Wärmerückgewinnungssysteme in Lüftungsanlagen basieren auf zwei Systemen, die – je nach gewählter Lösung – Strom verbrauchen (aktive Systeme) oder nicht (passive Systeme). Aktive Wärmerückgewinnungssysteme umfassen beispielsweise Systeme mit Rotationswärmetauschern oder reversiblen Wärmepumpen. Passive Wärmerückgewinnungssysteme beinhalten Kreuz- und Sechskantwärmetauscher. Charakteristisch für die Wärmerückgewinnung in Lüftungsanlagen ist, dass die Wärme bei geringen Temperaturdifferenzen zwischen dem wärmeren und dem kälteren Luftstrom zurückgewonnen wird, wobei die Temperaturdifferenz der wärmeren Luft selten 30 °C überschreitet.^oC (In Gewerbegebäuden findet die Wärmerückgewinnung auch bei niedrigeren Lufttemperaturen statt.)

Die Wärmerückgewinnung in Lüftungs- und Klimaanlagen erfolgt meist mittels Rotations- oder Kreuzstrom- (Hexagonal-)Wärmetauschern, seltener mit Wärmepumpen. Rotationswärmetauscher kommen in Lüftungsanlagen zum Einsatz, in denen ein Stoffaustausch zwischen Zu- und Abluft zulässig ist (typischerweise in öffentlichen Gebäuden). Kreuzstrom- und Hexagonal-Wärmetauscher werden in Lüftungsanlagen verwendet, in denen kein Stoffaustausch zwischen Frisch- und Abluft möglich ist (z. B. in Krankenhäusern). Reversible Wärmepumpen werden eingesetzt, wenn für Heizzwecke Zuluft mit hoher Temperatur benötigt wird.

Massen- und Energiebilanz in Wärmetauschern, die in Klimaanlagen verwendet werden

Bei der Berechnung der Leistung von Rotationswärmetauschern zur Wärmerückgewinnung in Lüftungsanlagen ist neben der Energiebilanz auch eine geeignete Massenbilanz erforderlich. Im Folgenden werden die Energie- und Massenbilanzgleichungen für stationäre Strömungsbedingungen unter der Annahme dargestellt, dass periodische Parameteränderungen aufgrund der Rotationsbewegung des Wärmetauschers in der Gesamtenergie- und Feuchtebilanz gemittelt werden. Das heißt, periodische lokale Änderungen von Temperatur und Feuchtigkeit an der Oberfläche des rotierenden Rades sind vernachlässigbar und werden daher in den Berechnungen nicht berücksichtigt.

a) Massen-, Konzentrations- und Energiebilanz für Rotationswärmetauscher: