Zu- und Abluft mit Wärmerückgewinnung: Funktionsprinzip, Übersicht über Vor- und Nachteile

Die Zufuhr von Frischluft in der kalten Jahreszeit führt dazu, dass diese erwärmt werden muss, um das richtige Mikroklima im Raum zu gewährleisten.Um die Energiekosten zu minimieren, kann eine Zu- und Abluft mit Wärmerückgewinnung eingesetzt werden.

Wenn Sie die Funktionsprinzipien verstehen, können Sie den Wärmeverlust am effektivsten reduzieren und gleichzeitig ein ausreichendes Volumen an ausgetauschter Luft aufrechterhalten. Versuchen wir, dieses Problem zu verstehen.

Energieeinsparung in Lüftungsanlagen

Im Herbst-Frühling-Zeitraum stellt bei der Belüftung von Räumen der große Temperaturunterschied zwischen der einströmenden Luft und der Innenluft ein ernstes Problem dar. Der kalte Strom strömt nach unten und erzeugt ein ungünstiges Mikroklima in Wohngebäuden, Büros und Fabriken oder einen unzulässigen vertikalen Temperaturgradienten in einer Lagerhalle.

Eine gängige Lösung des Problems ist die Integration in die Versorgungslüftung Heizlüfter, mit deren Hilfe die Strömung erwärmt wird. Ein solches System erfordert einen Energieverbrauch, während eine erhebliche Menge an warmer Luft, die nach außen entweicht, zu erheblichen Wärmeverlusten führt.

Der Austritt von Luft mit starkem Dampf nach außen dient als Indikator für einen erheblichen Wärmeverlust, der zur Erwärmung des Zustroms genutzt werden kann

Wenn sich die Lufteinlass- und -auslasskanäle in der Nähe befinden, ist es möglich, die Wärme des austretenden Stroms teilweise auf den einströmenden zu übertragen.Dadurch wird der Energieverbrauch der Heizung reduziert oder gänzlich beseitigt. Eine Vorrichtung zur Gewährleistung des Wärmeaustauschs zwischen Gasströmen unterschiedlicher Temperatur wird als Rekuperator bezeichnet.

In der warmen Jahreszeit, wenn die Außenlufttemperatur deutlich über der Raumtemperatur liegt, kann ein Rekuperator zur Kühlung des Zustroms eingesetzt werden.

Aufbau einer Einheit mit Rekuperator

Interner Aufbau von Zu- und Abluftsystemen mit integrierter Rekuperator Sie sind recht einfach aufgebaut, sodass sie Element für Element unabhängig voneinander erworben und installiert werden können. Wenn die Montage oder Selbstinstallation schwierig ist, können Sie vorgefertigte Lösungen in Form von Standard-Monoblock- oder einzelnen vorgefertigten Konstruktionen auf Bestellung erwerben.

Ein typisches Design eines Zu- und Abluftsystems mit einem Rekuperator in einem einzigen Gehäuse kann nach Ermessen des Benutzers durch andere Komponenten ergänzt werden

Hauptelemente und ihre Parameter

Der Körper mit Wärme- und Schalldämmung besteht üblicherweise aus Stahlblech. Bei der Wandmontage muss es dem Druck standhalten, der beim Ausschäumen der Risse rund um das Gerät entsteht, und außerdem Vibrationen durch den Betrieb der Ventilatoren verhindern.

Bei verteilter Luftansaugung und -strömung in verschiedenen Räumen den Anschluss an das Gehäuse vornehmen Luftkanalsystem. Es ist mit Ventilen und Dämpfern zur Verteilung der Strömungen ausgestattet.

Wenn keine Luftkanäle vorhanden sind, wird zur Verteilung des Luftstroms ein Gitter oder Diffusor an der Zuluftöffnung an der Raumseite angebracht. An der Einlassöffnung auf der Straßenseite ist ein externes Lufteinlassgitter installiert, um zu verhindern, dass Vögel, große Insekten und Schmutz in das Lüftungssystem gelangen.

Für die Luftbewegung sorgen zwei Ventilatoren mit Axial- oder Zentrifugalwirkung. Bei Vorhandensein eines Rekuperators ist eine natürliche Luftzirkulation in ausreichendem Volumen aufgrund des von diesem Gerät erzeugten aerodynamischen Widerstands nicht möglich.

Das Vorhandensein eines Rekuperators erfordert die Installation von Feinfiltern am Einlass beider Ströme. Dies ist notwendig, um die Intensität der Verstopfung dünner Wärmetauscherkanäle durch Staub- und Fettablagerungen zu verringern. Andernfalls ist es für die volle Funktionsfähigkeit des Systems erforderlich, die Häufigkeit der vorbeugenden Wartung zu erhöhen.

Feinfilter müssen regelmäßig gewechselt oder gereinigt werden. Andernfalls führt ein erhöhter Widerstand gegen den Luftstrom zum Ausfall des Lüfters.

Ein oder mehrere Rekuperatoren nehmen das Hauptvolumen der Zu- und Ablufteinrichtung ein. Sie werden in der Mitte der Struktur montiert.

Bei starken, ortstypischen Frösten und unzureichender Effizienz des Rekuperators zur Erwärmung der Außenluft können Sie zusätzlich eine Heizung installieren. Außerdem werden bei Bedarf ein Luftbefeuchter, ein Ionisator und andere Geräte installiert, um ein günstiges Mikroklima im Raum zu schaffen.

Moderne Modelle verfügen über eine elektronische Steuereinheit. Komplexe Modifikationen verfügen über Funktionen zur Programmierung von Betriebsmodi in Abhängigkeit von den physikalischen Parametern der Luftumgebung. Außenpaneele haben ein attraktives Aussehen, wodurch sie sich gut in jeden Innenraum einfügen.

Lösung des Kondensationsproblems

Durch die Abkühlung der aus dem Raum kommenden Luft werden die Voraussetzungen für die Abgabe von Feuchtigkeit und die Bildung von Kondenswasser geschaffen. Bei einem hohen Durchfluss hat der Großteil keine Zeit, sich im Rekuperator anzusammeln und gelangt nach draußen.Bei langsamer Luftbewegung verbleibt ein erheblicher Teil des Wassers im Gerät. Daher muss dafür gesorgt werden, dass Feuchtigkeit außerhalb des Gehäuses gesammelt und abgeführt wird. Zu- und Abluftsystem.

Eine elementare Vorrichtung zum Sammeln und Ableiten von Kondensat ist eine Wanne unter dem Wärmetauscher mit Gefälle zum Ablaufloch

Die Feuchtigkeit wird in einen geschlossenen Behälter abgeführt. Es wird nur in Innenräumen aufgestellt, um ein Einfrieren der Abflusskanäle bei Minustemperaturen zu vermeiden. Es gibt keinen Algorithmus zur zuverlässigen Berechnung der aufgenommenen Wassermenge bei Systemen mit Rekuperator, daher wird diese experimentell ermittelt.

Die Wiederverwendung von Kondensat zur Luftbefeuchtung ist unerwünscht, da Wasser viele Schadstoffe wie menschlichen Schweiß, Gerüche usw. aufnimmt.

Sie können die Kondensatmenge erheblich reduzieren und damit verbundene Probleme vermeiden, indem Sie eine separate Abluftanlage von Bad und Küche einrichten. In diesen Räumen weist die Luft die höchste Luftfeuchtigkeit auf. Bei mehreren Abluftanlagen muss der Luftaustausch zwischen Technik- und Wohnbereich durch den Einbau von Rückschlagventilen begrenzt werden.

Wird der Abluftstrom im Rekuperator auf Minustemperaturen abgekühlt, vereist sich das Kondensat, was zu einer Verringerung des offenen Strömungsquerschnitts und in der Folge zu einer Volumenverringerung oder einem völligen Entlüftungsstopp führt.

Zum periodischen oder einmaligen Abtauen des Rekuperators ist ein Bypass installiert – ein Bypasskanal für die Bewegung der Zuluft. Wenn ein Strom das Gerät umgeht, stoppt die Wärmeübertragung, der Wärmetauscher erwärmt sich und das Eis geht in einen flüssigen Zustand über. Das Wasser fließt in den Kondensatsammelbehälter oder verdunstet draußen.

Das Prinzip der Bypass-Einrichtung ist einfach, daher ist es bei Gefahr der Eisbildung ratsam, eine solche Lösung vorzusehen, da eine anderweitige Beheizung des Rekuperators aufwändig und zeitaufwändig ist

Beim Durchströmen des Bypasses erfolgt keine Erwärmung der Zuluft durch den Rekuperator. Wenn dieser Modus aktiviert ist, muss sich die Heizung daher automatisch einschalten.

Merkmale verschiedener Arten von Rekuperatoren

Es gibt mehrere konstruktiv unterschiedliche Möglichkeiten, den Wärmeaustausch zwischen kalten und erwärmten Luftströmen zu realisieren. Jeder von ihnen hat seine eigenen Besonderheiten, die den Hauptzweck jedes Rekuperatortyps bestimmen.

Platten-Querstromrekuperator

Die Konstruktion des Plattenrekuperators basiert auf dünnwandigen Platten, die abwechselnd so verbunden sind, dass abwechselnd Ströme unterschiedlicher Temperatur in einem Winkel von 90 Grad zwischen ihnen hindurchströmen. Eine der Modifikationen dieses Modells ist ein Gerät mit gerippten Kanälen für den Luftdurchgang. Es hat einen höheren Wärmeübergangskoeffizienten.

Der abwechselnde Durchgang von warmer und kalter Luft durch die Platten wird durch Biegen der Kanten der Platten und Versiegeln der Verbindungen mit Polyesterharz erreicht

Wärmetauscherplatten können aus verschiedenen Materialien bestehen:

• Kupfer-, Messing- und Aluminiumlegierungen haben eine gute Wärmeleitfähigkeit und sind nicht anfällig für Rost;
• Kunststoff aus einem hydrophoben Polymermaterial mit hohem Wärmeleitkoeffizienten und geringem Gewicht;
• Durch hygroskopische Zellulose kann Kondenswasser durch die Platte und zurück in den Raum eindringen.

Der Nachteil besteht in der Möglichkeit der Bildung von Kondenswasser bei niedrigen Temperaturen.Aufgrund des geringen Abstands zwischen den Platten erhöht Feuchtigkeit oder Eis den Luftwiderstand deutlich. Bei Frost ist es notwendig, den einströmenden Luftstrom zu blockieren, um die Platten zu erwärmen.

Die Vorteile von Plattenrekuperatoren sind wie folgt:

• niedrige Kosten;
• lange Lebensdauer;
• langer Zeitraum zwischen vorbeugender Wartung und einfacher Umsetzung;
• geringe Abmessungen und Gewicht.

Diese Art von Rekuperator wird am häufigsten für Wohn- und Büroräume verwendet. Es wird auch in einigen technologischen Prozessen eingesetzt, beispielsweise zur Optimierung der Brennstoffverbrennung beim Betrieb von Öfen.

Trommel- oder Rotationstyp

Das Funktionsprinzip eines Rotationsrekuperators basiert auf der Rotation eines Wärmetauschers, in dessen Inneren sich Schichten aus gewelltem Metall mit hoher Wärmekapazität befinden. Durch die Wechselwirkung mit der Abströmung wird der Trommelsektor erwärmt, der anschließend Wärme an die einströmende Luft abgibt.

Der feinmaschige Wärmetauscher eines Rotationsrekuperators ist anfällig für Verstopfungen, daher müssen Sie besonders auf die einwandfreie Funktion von Feinfiltern achten

Die Vorteile von Rotationsrekuperatoren sind wie folgt:

• recht hohe Effizienz im Vergleich zu Konkurrenztypen;
• Rückführung einer großen Menge Feuchtigkeit, die in Form von Kondenswasser auf der Trommel verbleibt und bei Kontakt mit einströmender trockener Luft verdunstet.

Dieser Rekuperatortyp wird seltener in Wohngebäuden zur Belüftung von Wohnungen oder Ferienhäusern eingesetzt. Es wird häufig in großen Kesselhäusern zur Wärmerückführung in Öfen oder in großen Industrie- oder Gewerbegebäuden eingesetzt.

Allerdings weist dieser Gerätetyp erhebliche Nachteile auf:

• ein relativ komplexes Design mit beweglichen Teilen, einschließlich Elektromotor, Trommel- und Riemenantrieb, das eine ständige Wartung erfordert;
• erhöhter Geräuschpegel.

Manchmal stößt man bei Geräten dieser Art auf die Bezeichnung „regenerativer Wärmetauscher“, was korrekter ist als „Rekuperator“. Tatsache ist, dass ein kleiner Teil der Abluft aufgrund des lockeren Sitzes der Trommel am Gebäudekörper zurückfließt.

Dies führt zu zusätzlichen Einschränkungen bei der Nutzung solcher Geräte. Beispielsweise kann verunreinigte Luft aus Heizöfen nicht als Kühlmittel verwendet werden.

Rohr- und Gehäusesystem

Ein Rohrrekuperator besteht aus einem System dünnwandiger Rohre mit kleinem Durchmesser, die sich in einem isolierten Gehäuse befinden und durch das Außenluft einströmt. Das Gehäuse entzieht dem Raum warme Luft, wodurch der einströmende Luftstrom erwärmt wird.

Warme Luft muss durch das Gehäuse abgeführt werden und nicht durch ein Rohrsystem, da dort kein Kondensat abgeführt werden kann

Die Hauptvorteile von Rohrrekuperatoren sind folgende:

• hoher Wirkungsgrad durch das Gegenstromprinzip der Bewegung des Kühlmittels und der einströmenden Luft;
• Das einfache Design und das Fehlen beweglicher Teile sorgen für einen niedrigen Geräuschpegel und erfordern selten Wartung.
• lange Lebensdauer;
• der kleinste Querschnitt unter allen Arten von Rückgewinnungsvorrichtungen.

Rohre für diesen Gerätetyp bestehen entweder aus Leichtmetall oder, seltener, aus Polymer. Diese Materialien sind nicht hygroskopisch, daher kann es bei erheblichen Unterschieden der Vorlauftemperaturen zu starker Kondensation im Gehäuse kommen, die eine konstruktive Lösung zu deren Entfernung erfordert.Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Metallfüllung trotz ihrer geringen Abmessungen ein erhebliches Gewicht hat.

Die Einfachheit des Designs eines Rohrrekuperators macht diesen Gerätetyp für die Eigenproduktion beliebt. Als Außenmantel werden üblicherweise Kunststoffrohre für Luftkanäle verwendet, die mit einer Polyurethanschaumschale isoliert sind.

Gerät mit Zwischenkühlmittel

Manchmal liegen Zu- und Abluftkanäle in einiger Entfernung voneinander. Diese Situation kann aufgrund der technischen Gegebenheiten des Gebäudes oder aufgrund hygienischer Anforderungen an eine zuverlässige Trennung der Luftströme entstehen.

In diesem Fall wird ein Zwischenkühlmittel verwendet, das durch eine isolierte Rohrleitung zwischen den Luftkanälen zirkuliert. Als Medium zur Übertragung thermischer Energie wird Wasser oder eine Wasser-Glykol-Lösung verwendet, deren Zirkulation durch den Betrieb sichergestellt wird Wärmepumpe.

Ein Rekuperator mit Zwischenkühlmittel ist ein voluminöses und teures Gerät, dessen Einsatz bei großflächigen Räumlichkeiten wirtschaftlich gerechtfertigt ist

Wenn es möglich ist, einen anderen Rekuperatortyp zu verwenden, ist es besser, kein System mit Zwischenkühlmittel zu verwenden, da es folgende wesentliche Nachteile hat:

• geringer Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Gerätetypen, daher werden solche Geräte nicht für kleine Räume mit geringem Luftstrom verwendet;
• erhebliches Volumen und Gewicht des gesamten Systems;
• die Notwendigkeit einer zusätzlichen elektrischen Pumpe zur Umwälzung der Flüssigkeit;
• Erhöhter Lärm von der Pumpe.

Eine Modifikation dieses Systems liegt vor, wenn anstelle der Zwangszirkulation der Wärmeaustauschflüssigkeit ein Medium mit niedrigem Siedepunkt, beispielsweise Freon, verwendet wird.In diesem Fall ist eine Bewegung entlang der Kontur natürlich möglich, jedoch nur, wenn der Zuluftkanal über dem Abluftkanal liegt.

Ein solches System erfordert keine zusätzlichen Energiekosten, sondern funktioniert nur zum Heizen, wenn ein erheblicher Temperaturunterschied besteht. Darüber hinaus ist eine Feinabstimmung des Änderungspunkts des Aggregatzustands der Wärmeaustauschflüssigkeit erforderlich, was durch die Erzeugung des erforderlichen Drucks oder einer bestimmten chemischen Zusammensetzung erreicht werden kann.

Haupttechnische Parameter

Wenn man die erforderliche Leistung des Lüftungssystems und die Wärmeaustauscheffizienz des Rekuperators kennt, ist es einfach, die Einsparungen bei der Luftheizung für einen Raum unter bestimmten klimatischen Bedingungen zu berechnen. Durch den Vergleich der potenziellen Vorteile mit den Kosten für die Anschaffung und Wartung des Systems können Sie sich sinnvollerweise für einen Rekuperator oder einen Standard-Lufterhitzer entscheiden.

Gerätehersteller bieten häufig eine Modellreihe an, bei der sich Lüftungsgeräte mit ähnlicher Funktionalität im Luftaustauschvolumen unterscheiden. Für Wohngebäude muss dieser Parameter gemäß Tabelle 9.1 berechnet werden. SP 54.13330.2016

Effizienz

Unter dem Wirkungsgrad eines Rekuperators versteht man den Wirkungsgrad der Wärmeübertragung, der nach folgender Formel berechnet wird:

K = (T_P - T_N) / (T_V - T_N)

Worin:

• T_P – Temperatur der in den Raum eintretenden Luft;
• T_N – Außenlufttemperatur;
• T_V – Raumtemperatur.

Maximaler Effizienzwert bei Standard Luftströmungsgeschwindigkeit und ein bestimmtes Temperaturregime sind in der technischen Dokumentation des Gerätes angegeben. Die tatsächliche Zahl wird etwas niedriger sein.

Bei der Eigenfertigung eines Platten- oder Rohrrekuperators müssen Sie zur Erzielung einer maximalen Wärmeübertragungseffizienz folgende Regeln beachten:

• Die beste Wärmeübertragung wird durch Gegenstromgeräte, dann durch Kreuzstromgeräte und die geringste durch unidirektionale Bewegung beider Ströme gewährleistet.
• Die Intensität der Wärmeübertragung hängt vom Material und der Dicke der die Strömungen trennenden Wände sowie von der Verweildauer der Luft im Gerät ab.

Wenn Sie den Wirkungsgrad des Rekuperators kennen, können Sie dessen Energieeffizienz bei unterschiedlichen Temperaturen der Außen- und Innenluft berechnen:

E (W) = 0,36 x P x K x (T_V - T_N)

wo P (m³/Stunde) – Luftstrom.

Die monetäre Berechnung der Effizienz des Rekuperators und der Vergleich mit den Anschaffungs- und Installationskosten für ein zweistöckiges Ferienhaus mit einer Gesamtfläche von 270 m2 zeigen die Machbarkeit der Installation eines solchen Systems

Die Kosten für Rekuperatoren mit hohem Wirkungsgrad sind recht hoch, sie haben ein komplexes Design und erhebliche Abmessungen. Manchmal können Sie diese Probleme umgehen, indem Sie mehrere einfachere Geräte installieren, sodass die einströmende Luft nacheinander durch sie strömt.

Leistung des Lüftungssystems

Das durchströmende Luftvolumen wird durch den statischen Druck bestimmt, der von der Leistung des Ventilators und den Hauptkomponenten abhängt, die den aerodynamischen Widerstand erzeugen. Eine genaue Berechnung ist aufgrund der Komplexität des mathematischen Modells in der Regel nicht möglich, daher werden experimentelle Untersuchungen für Standard-Monoblockstrukturen durchgeführt und Komponenten für einzelne Geräte ausgewählt.

Die Lüfterleistung muss unter Berücksichtigung des Durchsatzes installierter Wärmetauscher jeglicher Art ausgewählt werden, der in der technischen Dokumentation als empfohlener Durchfluss oder Luftvolumen angegeben wird, das pro Zeiteinheit durch das Gerät geleitet wird. Die zulässige Luftgeschwindigkeit im Geräteinneren darf in der Regel 2 m/s nicht überschreiten.

Andernfalls kommt es bei hohen Geschwindigkeiten zu einem starken Anstieg des Luftwiderstands in den engen Elementen des Rekuperators. Dies führt zu unnötigen Energiekosten, einer ineffektiven Erwärmung der Außenluft und einer verkürzten Lebensdauer des Ventilators.

Das Diagramm des Druckverlusts im Verhältnis zum Luftdurchsatz für mehrere Modelle von Hochleistungsrekuperatoren zeigt einen nichtlinearen Widerstandsanstieg. Daher müssen die in der technischen Dokumentation des Geräts angegebenen Anforderungen an das empfohlene Luftaustauschvolumen eingehalten werden

Eine Änderung der Luftströmungsrichtung erzeugt zusätzlichen Luftwiderstand. Daher ist es bei der Modellierung der Geometrie eines Innenluftkanals wünschenswert, die Anzahl der Rohrwindungen um 90 Grad zu minimieren. Luftverteiler erhöhen auch den Widerstand, daher ist es ratsam, keine Elemente mit komplexen Mustern zu verwenden.

Verschmutzte Filter und Gitter beeinträchtigen den Durchfluss erheblich und müssen daher regelmäßig gereinigt oder ausgetauscht werden. Eine wirksame Methode zur Beurteilung von Verstopfungen ist die Installation von Sensoren, die den Druckabfall in den Bereichen vor und nach dem Filter überwachen.

Schlussfolgerungen und nützliches Video zum Thema

Funktionsprinzip des Rotations- und Plattenrekuperators:

Messung der Effizienz eines Plattenrekuperators:

Wohn- und Industrielüftungssysteme mit integriertem Rekuperator haben ihre Energieeffizienz bei der Aufrechterhaltung der Wärme in Innenräumen unter Beweis gestellt. Mittlerweile gibt es viele Angebote für den Verkauf und Einbau solcher Geräte, sowohl in Form von fertigen und getesteten Modellen als auch auf Einzelbestellung. Sie können die erforderlichen Parameter berechnen und die Installation selbst durchführen.

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