HEIZUNG/LÜFTUNG/ELEKTRIZITÄT Energietechnik im Gebäude     BAU & ENERGIE

5.4 Komponenten

Kapitel: 05 Lüftung
5.1 Luftbedarf
5.2 Lüftungssysteme
5.3 Luftführung im Raum
5.4 Komponenten
5.5 Wohnungslüftung

Die Komponenten der Luftaufbereitung (wie Filter, Wärmerückgewinnung, Ventilatoren, Luft­erhitzer) sind meistens in einer zentralen Baueinheit zusammengefasst. Bei grossen Anlagen wird diese als Monobloc, bei Kleinlüftungen als Kompaktlüftungsgerät bezeichnet. Nachfolgend werden die wichtigsten Kom­po­nen­ten einer Lüftungsanlage beschrieben (Bild 5.10).

Komponenten einer Lüftungs- und Klimaanlage
Bild 5.10 Komponenten einer Lüftungs- und Klimaanlage

 

5.4.1 Aussenlufteintritt und Fortluftaustritt

5.4.1 Aussenlufteintritt und Fortluftaustritt – 5.4.2 Klappen – 5.4.3 Filter – 5.4.4 Lufterhitzer – 5.4.5 Luftkühler – 5.4.6 Luftbefeuchter – 5.4.7 Ventilatoren – 5.4.8 Schalldämpfer – 5.4.9 Luftkanäle – 5.4.10 Luftdurchlässe – 5.4.11 Wärmerückgewinnung – 5.4.12 Luft-Erdregister – 5.4.13 Lüftungszentralen und -schächte

Die Aussenluft wird meistens über Wetterschutzgitter oder Ansaugbögen angesaugt. Die Aussenluftfassungen haben die Auf­ga­be, Wasser, Tiere und Fremdkörper abzuweisen. Sie sind so zu platzieren, dass keine übermässig erwärmte oder belastete Luft angesaugt wird. Aussenluftfassungen auf allgemein zugänglichem Grund sollten mindestens 3 m über Boden angeordnet werden. Als Fort­luf­taus­tritt werden ebenfalls Wetterschutzgitter, Ausblasbögen oder Re­gen­hü­te verwendet (Bild 5.11).

Fortluftaustritt (Regenhut)
Bild 5.11 Fortluftaustritt (Regenhut)

 

5.4.2 Klappen

5.4.1 Aussenlufteintritt und Fortluftaustritt – 5.4.2 Klappen – 5.4.3 Filter – 5.4.4 Lufterhitzer – 5.4.5 Luftkühler – 5.4.6 Luftbefeuchter – 5.4.7 Ventilatoren – 5.4.8 Schalldämpfer – 5.4.9 Luftkanäle – 5.4.10 Luftdurchlässe – 5.4.11 Wärmerückgewinnung – 5.4.12 Luft-Erdregister – 5.4.13 Lüftungszentralen und -schächte

Die Aufgabe der Luftklappen ist es, den Luft­vo­lu­men­strom zu steuern oder den Luftweg (Luftein- und -aus­tritt) abzuschliessen. Man unterscheidet:

  • Klappen mit gegenläufigen Lamellen (Steu­e­rung, Bild 5.10)
  • Klappen mit gleichlaufenden Lamellen (Abschluss)
  • Jalousieklappen (Kleinanlagen, z.B. WC-Abluft)
  • Einstellklappen (Einregulierung der Luftmenge)
  • Brandschutzklappen für den Abschluss des Luft­we­ges je Brandabschnitt bei einem Bran­daus­bruch. Die Auslösung erfolgt über Ther­mo­ele­men­te oder über die zentrale Brandmeldeanlage. Mit einer geeigneten Leitungsführung lassen sich Brandschutzklappen oft vermeiden (Kosten, Wartung).

 

5.4.3 Filter

5.4.1 Aussenlufteintritt und Fortluftaustritt – 5.4.2 Klappen – 5.4.3 Filter – 5.4.4 Lufterhitzer – 5.4.5 Luftkühler – 5.4.6 Luftbefeuchter – 5.4.7 Ventilatoren – 5.4.8 Schalldämpfer – 5.4.9 Luftkanäle – 5.4.10 Luftdurchlässe – 5.4.11 Wärmerückgewinnung – 5.4.12 Luft-Erdregister – 5.4.13 Lüftungszentralen und -schächte

Luftfilter haben die Aufgabe, Teilchen und gasförmige Verunreinigungen aus der Luft auszuscheiden. Je nach Anwendungszweck werden verschiedenste Fil­ter­ma­te­ria­li­en und Bauarten gebraucht, z.B. Fa­ser­fil­ter, Elek­tro­fil­ter und Aktivkohlefilter. Am häufigsten werden Faserfilter eingesetzt. Man unter­scheidet bei den Faserfiltern 17 Klassen geordnet nach zunehmender Feinheit:

  • Grobstaubfilter G1 bis G4, für Partikel grösser als etwa 10 μm, verwendet bei sehr geringen Anforderungen
  • Mediumfilter M5 bis M6, verwendet als Aussenluftfilter für geringe Anforderungen (Garagen, Werkhallen) oder als Abluftfilter
  • Feinstaubfilter F7 bis F9, verwendet als Aussenluftfilter in Büro- und Wohngebäuden, Läden, Restaurants und Schulen (Bild 5.12)
  • Schwebstofffilter E10 bis E12, H13 bis H14 und U15 bis U17, verwendet für Reinräume und Spezialräume
Feinstaubfilter
Bild 5.12 Feinstaubfilter

Die für die allgemeine Lufttechnik wichtigen Filter M und F werden mit einem genormten Prüfstaub getestet, welcher eine Partikelgrösse von 0,4 μm aufweist [EN 779]. Die Klasseneinteilung 5 bis 9 erfolgt anhand des mittleren Wirkungsgrads während einer Prüfung vom Neuzustand bis zur definierten Endbeladung. Beispielsweise scheidet ein F7-Filter im Mittel 80 bis 90 % des Prüfstaubs aus (dabei darf der Mindestwirkungsgrad während der Prüfdauer 35 % nicht unterschreiten). Der atmosphärische Staub enthält sehr verschiedene Partikelgrössen, sodass solche Tests für das Verhalten im Betrieb nur bedingt aussagefähig sind, aber sie verbessern immerhin die Vergleichbarkeit verschiedener Produkte. Als übliche Anforderung an Aussenluftfilter gilt die Filterklasse F7. Bei verschmutzter Aussenluft wird diesem Filter noch ein Vorfilter M5 vorgeschaltet. Unter schwierigeren Bedingungen werden mehrere Filter hintereinander geschaltet. Vor der Wärmerückgewinnung muss immer ein Filter eingebaut werden. Bei mehreren Filterstufen sind die weiteren nach der Luftaufbereitung anzuordnen.

Für spezielle Zwecke werden weitere Filterarten verwendet:

  • Fettfilter in Dunstabzugshauben aus Vlies oder Streckmetall
  • Aktivkohlefilter eignen sich wegen der extrem gros­sen Oberfläche (1 g Aktivkohle hat eine Oberfläche von 1000 m2) für die Adsorption von Geruchsstoffen so­wie schädlichen oder unerwünschten Gasen. Gase wie N2, O2, CO2 werden nicht adsorbiert. Im grosstechnischen Massstab kann die Aktivkohle nach Ge­brauch wie­der­auf­be­rei­tet wer­den. Dem Ak­tivkohlefilter ist immer ein Fa­ser­fil­ter vor­ge­schal­tet.

Je feiner der Filter, desto grösser ist sein Druckverlust. Je grösser die Standzeit des Filters, desto mehr steigt sein Druckverlust an. Die Filter sollten mit einer Druckdifferenzmessung ausgerüstet werden, damit der Filterersatz zum richtigen Zeit­punkt erfolgen kann. Die Zertifizierungsstelle Eurovent ermöglicht Vergleiche verschiedener Produkte hinsichtlich Druckverlust unter Standardbedingungen und ermittelt entsprechende Energieeffizienzklassen A-G [Eur].

 

5.4.4 Lufterhitzer

5.4.1 Aussenlufteintritt und Fortluftaustritt – 5.4.2 Klappen – 5.4.3 Filter – 5.4.4 Lufterhitzer – 5.4.5 Luftkühler – 5.4.6 Luftbefeuchter – 5.4.7 Ventilatoren – 5.4.8 Schalldämpfer – 5.4.9 Luftkanäle – 5.4.10 Luftdurchlässe – 5.4.11 Wärmerückgewinnung – 5.4.12 Luft-Erdregister – 5.4.13 Lüftungszentralen und -schächte

Zum Erwärmen der Luft dienen die folgenden Geräte:

  • Wasser-Lufterhitzer
  • Wärmerückgewinnungseinrichtungen
  • Abwärmenutzung von Kältemaschinen
  • Spezialgeräte (Elektro- und Gaslufterhitzer)

Beim Wasser-Lufterhitzer werden praktisch nur Lamellenrohr-Wär­me­übertrager verwendet. Je nach der zu erbringenden Lei­stung werden mehrere Rohrreihen hintereinander geschaltet. Der Vorgang der Lufterwärmung kann im h,x-Diagramm (Erläuterungen Anhang 11.6) dargestellt werden (Bild 5.13).

Luftzustandsänderungen im h,x-Dia­gramm für Lufterhitzer, Luftkühler und Luftbefeuchter
Bild 5.13 Luftzustandsänderungen im h,x-Dia­gramm für Lufterhitzer, Luftkühler und Luftbefeuchter

Die Wärmeleistung des Lufterhitzers ist:

Φ   Wärmeleistung in W
qv   Volumenstrom in m3/s
ρ   Dichte Luft: etwa 1,15 kg/m3
cp   spezifische Wärmekapazität Luft: etwa 1000 J/kgK
Δh   Enthalpieänderung der Luft in J/kg
Δθ   Temperaturdifferenz Aus-Ein in K

 

5.4.5 Luftkühler

5.4.1 Aussenlufteintritt und Fortluftaustritt – 5.4.2 Klappen – 5.4.3 Filter – 5.4.4 Lufterhitzer – 5.4.5 Luftkühler – 5.4.6 Luftbefeuchter – 5.4.7 Ventilatoren – 5.4.8 Schalldämpfer – 5.4.9 Luftkanäle – 5.4.10 Luftdurchlässe – 5.4.11 Wärmerückgewinnung – 5.4.12 Luft-Erdregister – 5.4.13 Lüftungszentralen und -schächte

Ein Luftkühler entzieht der Luft Wärme. Man un­ter­schei­det zwischen

  • Wasser-Luftkühler (Kalt­was­ser­kreis der Käl­te­ma­schi­ne oder Grund­was­ser) und
  • Direkt-Verdampfer (Käl­te­mit­tel ver­dampft di­rekt im Luftkühler).

Der Wasser-Luftkühler entspricht in der Bauart dem Wasser-Lufterhitzer. Der Tem­pe­ra­tur­un­ter­schied zwischen Wasser und Luft ist jedoch geringer, sodass die Übertragungsflächen grösser werden (mehr Rohrreihen). Häufig wird beim Kühlvorgang Wasser aus­ge­schie­den, da die Oberflächentemperatur des Kühlers un­ter­halb des Taupunktes der Luft liegt. Beim Di­rekt­ver­damp­fer wird die Luft unter Umständen zu stark ent­feuch­tet, wozu unnötig viel Energie auf­ge­wen­det wer­den muss (Kon­den­sa­ti­ons­wär­me des Wassers). Der Abkühlvorgang wird im h,x-Diagramm dargestellt. Die Kühlleistung lässt sich in je­dem Fall berechnen mit:

Wenn im Luftkühler – wie im Bild dargestellt – Wasser kondensiert, spricht man von latenter Last. In diesem Fall lässt sich die Enthalpiedifferenz nicht (wie in 5.4.4) durch die Temperaturdifferenz ausdrücken.

 

5.4.6 Luftbefeuchter

5.4.1 Aussenlufteintritt und Fortluftaustritt – 5.4.2 Klappen – 5.4.3 Filter – 5.4.4 Lufterhitzer – 5.4.5 Luftkühler – 5.4.6 Luftbefeuchter – 5.4.7 Ventilatoren – 5.4.8 Schalldämpfer – 5.4.9 Luftkanäle – 5.4.10 Luftdurchlässe – 5.4.11 Wärmerückgewinnung – 5.4.12 Luft-Erdregister – 5.4.13 Lüftungszentralen und -schächte

Grundsätzlich sollte soweit als möglich auf zentrale Befeuchtungseinrichtungen verzichtet werden. Im Normalfall sind Luft­be­feuch­tungsein­rich­tun­gen nur im Winter in Betrieb. Es werden Luftwäscher und Dampf­be­feuch­ter eingesetzt.

Bei den Dampfbefeuchtern unterscheidet man solche mit grossen und kleinen Befeuchtungsleistungen. Bei grossen Leistungen wird der Dampf zentral in einem Dampfkessel erzeugt und dem de­zen­tra­len Dampf­ver­teil­rohr im Luftstrom zugeführt. Bei kleinen Lei­stun­gen wird der Dampf de­zen­tral elek­trisch erzeugt. Die Dampfzufuhr wird meist be­darfs­ab­hän­gig nach der Raumluftfeuchtigkeit eines Pi­lot­rau­mes geregelt.

Im Luftwäscher wird die Luft durch Zerstäuben von Wasser mit speziellen Düsen befeuchtet. Durch das Verdunsten des Wassers wird die Luft abgekühlt und muss häufig nachgewärmt werden. Luftwäscher be­din­gen eine sorgfältige Wartung, da sonst hy­gie­ni­sche Probleme (Krank­heits­keim­bil­dung, Ver­schlam­mung) auftreten können.

 

5.4.7 Ventilatoren

5.4.1 Aussenlufteintritt und Fortluftaustritt – 5.4.2 Klappen – 5.4.3 Filter – 5.4.4 Lufterhitzer – 5.4.5 Luftkühler – 5.4.6 Luftbefeuchter – 5.4.7 Ventilatoren – 5.4.8 Schalldämpfer – 5.4.9 Luftkanäle – 5.4.10 Luftdurchlässe – 5.4.11 Wärmerückgewinnung – 5.4.12 Luft-Erdregister – 5.4.13 Lüftungszentralen und -schächte

Bauarten

Ventilatoren sind Strömungsmaschinen zur För­de­rung von Luft. Man unterscheidet verschiedene Ven­ti­la­t­or­ty­pen (Bild 5.14):

  • Radialventilatoren mit rückwärts gekrümmten Schau­feln für hohe Gesamtdrücke (Wir­kungs­grad 0,6 bis 0,85)
  • Radialventilatoren mit vorwärts gekrümmten Schau­feln für geringe Gesamtdrücke (Wir­kungs­grad 0,4 bis 0,7)
  • Axialventilatoren für grosse Volumenströme und ge­rin­ge Gesamtdrücke (Wirkungsgrad 0,5 bis 0,85)
  • Querstromgebläse für Einzel- und Kleingeräte (Wirkungsgrad 0,1 bis 0,3)
Bauarten von Ventilatoren
Bild 5.14 Bauarten von Ventilatoren
Leistungs- und Energiebedarf

Ventilatoren und Luftkanalnetze folgen den gleichen Gesetzen wie Pumpen und hydraulische Netze (Kap. 3.1). So lassen sich die Leistungs- bzw. Energiedaten von Ventilatoren wie folgt ermitteln:

Wellenleistung Ventilator

Pv   Wellenleistung Ventilator in W
qv   Volumenstrom in m3/s
Δp   Gesamtdruckdifferenz Ventilator in Pa
ηV   Ventilatorwirkungsgrad (siehe oben)
 
Elektrischer Leistungsbedarf

Pel   elektrische Leistung in W
ηTr   Wirkungsgrad Transmission (Flachriemen 0,9–0,98; Keilriemen 0,8–0,95)
ηM   Wirkungsgrad Elektromotor (0,6–0,95)
ηFU   Wirkungsgrad Frequenzumrichter (0,8–0,97)
η   Gesamtwirkungsgrad (ηV · ηTr · ηM · ηFU)
 
Elektrischer Energiebedarf («Transportenergie»)

Eel   elektrischer Energiebedarf in Wh
t   Laufzeit Ventilator in h
 

Das Merkblatt [Top4] vermittelt Einzelheiten zu den Wirkungsgraden. Da die Wirkungsgrade bei Teilleistung generell sinken, sollte ein Volumenstrom unter 30 % des maximalen nicht in Betracht gezogen werden.

Asynchronmotoren gibt es für Nenndrehzahlen von 3000 min-1 (2 Pole), 1500 min-1 (4 Pole), 1000 min-1 (6 Pole) und 750 min-1 (8 Pole). Mit einem Frequenzumrichter kann ausgenutzt werden, dass die Leistungsaufnahme des Ventilators mit der dritten Potenz der Drehzahl abnimmt.

Die Übertragung der Motorleistung auf den Ventilator erfolgt durch:

  • Keilriemen: verlustreich und wartungsintensiv; wegen des Abriebs ist oft eine zweite Filterstufe nach dem Zuluft-Ventilator nötig.
  • Flachriemen: besser; weniger, aber anspruchsvollere Wartung.
  • Direktantrieb: verlust- und wartungsfrei; Motor und Ventilator auf derselben Welle; da kein Abrieb entsteht, ist meistens eine zweite Filterstufe nach dem Ventilator entbehrlich.
Ventilator und Netz

Auch bei Luftkanalnetzen ist der Rei­bungs­druck­ver­lust proportional zum Volumenstrom im Quadrat (Netz- oder Anlagekennlinie, Kap. 3.1.1). Ven­ti­la­to­ren folgen den gleichen Ähnlichkeitsgesetzen wie Pum­pen (Kap. 3.1.3).

Bild 5.15 zeigt nebst verschiedenen Ventilator-För­der­kenn­li­ni­en auch zwei Netzkennlinien. Es wird nun Ven­ti­la­tor a betrachtet. Bei sauberem Filter wird der Netz­druck­ver­lust durch die untere Netzkennlinie dargestellt (Betriebspunkt A1). Bei verschmutztem Filter gilt die obere Netzkennlinie (Be­triebs­punkt A2). Bei un­ver­än­der­ter Drehzahl hat also der Volumenstrom stark ab­ge­nom­men.

Beispiele von Ventilatorkennlinien
Bild 5.15 Beispiele von Ventilatorkennlinien
Was bedeutet «Gesamtdruckdifferenz»?

Bei üblichen Druckmessungen wird die Leitung seit­lich angebohrt und dort das Messgerät an­ge­schlos­sen. Dieses zeigt den statischen Druck pstat an.

In der Leitung strömt das Medium mit der Geschwin­digkeit v, entsprechend dem dynamischen Druck

Der Gesamtdruck ist nun

ρ   Dichte, etwa 1,15 kg/m3
v   Luftgeschwindigkeit in m/s
pdyn   dynamischer Druck in Pa
pstat   statischer Druck in Pa
pges   Gesamtdruck in Pa
 

In Luftsy­ste­men sind die dynamischen Drücke ver­gleichs­wei­se bedeutend. Grundsätzlich sind für alle strö­mung­stech­ni­schen Probleme (Druck­ver­lust, För­der­kenn­li­ni­en) immer Differenzen von Ge­samt­drüc­ken massgebend.

 

5.4.8 Schalldämpfer

5.4.1 Aussenlufteintritt und Fortluftaustritt – 5.4.2 Klappen – 5.4.3 Filter – 5.4.4 Lufterhitzer – 5.4.5 Luftkühler – 5.4.6 Luftbefeuchter – 5.4.7 Ventilatoren – 5.4.8 Schalldämpfer – 5.4.9 Luftkanäle – 5.4.10 Luftdurchlässe – 5.4.11 Wärmerückgewinnung – 5.4.12 Luft-Erdregister – 5.4.13 Lüftungszentralen und -schächte

Ein Luft-Schalldämpfer hat die Aufgabe, Strö­mungs­rau­schen und Motorengeräusche im Luftstrom zu dämp­fen. Er besteht beispielsweise aus einem Gehäuse mit längs angeordneten, schallabsorbierenden Einbauten, so­ge­nann­ten Kulissen. Zuweilen sind auch Schalldämpfer nicht nur gegen innen, sondern auch gegen aussen nötig.

Grundsätzlich soll­ten die Ge­räu­sche zuerst an der Quelle vermindert werden:

  • geräuscharme Ventilatoren und Motoren
  • mässige Luftgeschwindigkeiten
  • elastische Montage
  • dichte Kanäle

Telefonieschalldämpfer verhindern die Geräuschübertragung zwischen benachbarten Räumen über das Luftverteilnetz. Sie werden in die Lüftungskanäle eingebaut, welche vom Zentralgerät oder einer Verteilleitung zu den Durchlässen verschiedener Räume führen.

 

5.4.9 Luftkanäle

5.4.1 Aussenlufteintritt und Fortluftaustritt – 5.4.2 Klappen – 5.4.3 Filter – 5.4.4 Lufterhitzer – 5.4.5 Luftkühler – 5.4.6 Luftbefeuchter – 5.4.7 Ventilatoren – 5.4.8 Schalldämpfer – 5.4.9 Luftkanäle – 5.4.10 Luftdurchlässe – 5.4.11 Wärmerückgewinnung – 5.4.12 Luft-Erdregister – 5.4.13 Lüftungszentralen und -schächte

Luftkanäle haben die Aufgabe, die im Monobloc auf­be­rei­te­te Luft mit möglichst geringem Druck- und Tem­pe­ra­tur­ver­lust dem gewünschten Raum zu­zu­füh­ren bzw. abzuführen.

Mit einem sinnvollen Druckverlust von R ≈ 0,4 Pa/m ergeben sich, je nach Volumenstrom, folgende Richtwerte für die Luftgeschwindigkeiten:

  • bis 40 m3/h 2,5 m/s
  • bis 1'000 m3/h 3 m/s
  • bis 2'000 m3/h 4 m/s
  • bis 4'000 m3/h 5 m/s
  • bis 10'000 m3/h 6 m/s
  • über 10'000 m3/h 7 m/s

Mit angenommenen Geschwindigkeiten lassen sich die benötigten Kanalquerschnitte abschätzen. Runde Querschnitte sind strömungstechnisch optimal. Rechteckige Kanäle mit stark unterschiedlicher Breite und Höhe weisen höhere Druckverluste auf und verursachen öfter Schallprobleme.

Die Kanäle werden vorwiegend aus verzinktem Stahlblech hergestellt. Für Spezialanwendungen wer­den auch Kunststoff oder Aluminium eingesetzt. Zu­dem sind die Brandschutzvorschriften der Ge­bäu­de­ver­si­che­rung betreffend Isolation zu beachten. Ein weiteres Problem stellen Undichtigkeiten von Ka­nal­ver­bin­dun­gen dar (Energieverlust, Geräusche).

 

5.4.10 Luftdurchlässe

5.4.1 Aussenlufteintritt und Fortluftaustritt – 5.4.2 Klappen – 5.4.3 Filter – 5.4.4 Lufterhitzer – 5.4.5 Luftkühler – 5.4.6 Luftbefeuchter – 5.4.7 Ventilatoren – 5.4.8 Schalldämpfer – 5.4.9 Luftkanäle – 5.4.10 Luftdurchlässe – 5.4.11 Wärmerückgewinnung – 5.4.12 Luft-Erdregister – 5.4.13 Lüftungszentralen und -schächte

Die Luftdurchlässe der Zuluft gehören zu den wich­tig­sten Bestandteilen einer Lüftungsanlage. Ihre Auf­ga­be ist es, die Luft zugfrei in den Raum zu bringen. Es gibt sehr viele Typen von Durchlässen. Sie unterscheiden sich in technischer und optischer Hinsicht (Bild 5.16):

  • Diffusionsgitter: einfacher Durchlass für Zuluft und Abluft, die Zuluft bildet einen Freistrahl oder einen Wandstrahl
  • Dralldurchlass: universeller Durchlass auch in Bodenausführung, der Strahl legt sich sofort an die Montageebene an, rasch abnehmende Geschwindigkeit infolge starker Induktion
  • Schlitzdurchlass: Zuluftdurchlass für Grossraumbüros usw., verschiedene Ausblasrichtungen möglich
  • Quellluftdurchlass: keine Strahlbildung, gute Lüftungseffizienz, d.h. relativ wenig Durchmischung, wenn ordnungsgemäss eingesetzt (Kapitel 5.3)
  • Weitwurfdüse: für grosse, hohe Hallen, Wurfweiten bis über 20 m, Freistrahl deutlich oberhalb des Aufenthaltsbereichs (Bild 5.7)
  • Kugelschiene: für Büros usw., Zuluftdurchlass mit vielen kleinen, individuell einstellbaren Düsen, Freistrahlen, die sich eventuell aneinander legen
Beispiele von Luftdurchlässen (Trox)
Bild 5.16 Beispiele von Luftdurchlässen (Trox)

 

5.4.11 Wärmerückgewinnung

5.4.1 Aussenlufteintritt und Fortluftaustritt – 5.4.2 Klappen – 5.4.3 Filter – 5.4.4 Lufterhitzer – 5.4.5 Luftkühler – 5.4.6 Luftbefeuchter – 5.4.7 Ventilatoren – 5.4.8 Schalldämpfer – 5.4.9 Luftkanäle – 5.4.10 Luftdurchlässe – 5.4.11 Wärmerückgewinnung – 5.4.12 Luft-Erdregister – 5.4.13 Lüftungszentralen und -schächte

Die Wärmerückgewinnung (WRG) hat den Zweck, Energie und somit Betriebskosten einzusparen. Zudem sollten die Investitionskosten für die Wärme- und Kälteerzeugung reduziert werden können. In der Schweiz ist der Einbau von Wär­me­rück­ge­win­nungs­an­la­gen in Lüf­tungs­an­la­gen gesetzlich vorgeschrieben.

Die Wärmeübertragung kann direkt (Rekuperator) oder durch Zwischenspeicherung (Regenerator) erfolgen. Die für Lüf­tungs­an­la­gen typischen Bau­for­men sind in Bild 5.17 zu­sam­men­ge­stellt.

Typische Wärmerückgewinnungs-Bauarten für Lüftungsanlagen
Bild 5.17 Typische Wärmerückgewinnungs-Bauarten für Lüftungsanlagen
Rekuperatoren

Die in Lüftungsanlagen eingesetzten Rekuperatoren sind Platten- und Röhrenwärmetauscher. Die Fortluft und die Aussenluft werden, durch feste Platten oder Rohre aus Metall oder Glas getrennt, aneinander vor­bei­ge­führt. Dabei wird Wärme übertragen. Die Strömungsführung in Rekuperatoren erfolgt aus konstruktiven Gründen oft, wie in Bild 5.17, im Kreuzstrom. Optimal wäre hingegen die Gegenstromführung mit den Eintritten auf entgegengesetzten Seiten des Wärmeübertragers. Mit der Koppelung von Kreuzströmern zu einem globalen Gegenstromsystem kann das Optimum bezüglich Wärmeübertragung annähernd erreicht werden (Kreuz­gegenstrom). Rekuperatoren haben keine beweglichen Teile und nur eine kleine Leckluftrate. Nach­teilig ist die Notwendigkeit, die Luftströme örtlich zusammenzuführen.

Kreislaufverbund (Regenerator)

Das Kreislaufverbundsystem oder Wasser-Glykol-Sy­stem besteht aus Wärmeübertragern in der Fort- und Zuluft. Der Fortluft wird die Wärme entzogen und dem Zwischenkreislaufsystem (Wasser-Glykol-Gemisch) zugeführt. Die Wärme wird dann über einen zweiten Wärmeübertrager der Zuluft zugeführt.

Die Vorteile die­ses Systems liegen bei der ortsu­n­ab­hän­gi­gen Ein­bau­mög­lich­keit, da die Zu- und Ab­luftanlage nicht bei­ein­an­der liegen müssen. Zudem ist die Leckluftrate gleich null. Als Nachteil ist der Mehr­auf­wand für das Kreislaufsystem anzusehen.

Das Heat-Pipe-System (Wärmerohr) ist auch ein Kreis­lauf­ver­bund­sy­stem, da ein Kältemittel in den Roh­ren als Zwischenkreislaufmedium dient. Das Pro­blem liegt bei diesem System bei der schwie­ri­gen Re­gel­bar­keit (Beipass oder Kippvorrichtung) und dem oft geringen Wirkungsgrad.

Rotierender Wärmeübertrager (Regenerator)

Ein langsam sich drehendes Rad (10 bis 15 min-1) aus wabenförmiger Speichermasse wird halbseitig in der einen Richtung von der Fortluft und halbseitig in der andern Richtung von Aussenluft durchströmt. Je nach Art der Spei­cher­mas­se wird nur Wärme oder auch Feuchtigkeit zurückgewonnen. Zur Verhinderung einer direkten Luftmischung dient eine Spülzone. Die Vorteile die­ses Systems liegen beim hohen Wirkungsgrad und der Möglichkeit der Feuchterückgewinnung. Als Nach­tei­le sind die relativ grosse Leckluftrate und das Zu­sam­men­füh­ren der Luft­strö­me anzusehen.

Temperaturänderungsgrad (Rückwärmzahl)

Der Wirkungsgrad eines WRG-Systems gibt das Ver­hält­nis der rückgewonnenen Wärmeleistung zur maximal rück­ge­winn­ba­ren Wärmeleistung an. Wenn die beiden Massenströme gleich sind und fortluftseitig keine Kondensation eintritt, kann dieser Wirkungsgrad als Temperaturänderungsgrad geschrieben werden:

θ11   Temperatur der Abluft vor der WRG
θ21   Temperatur der Aussenluft vor der WRG
θ22   Temperatur der Aussenluft nach der WRG
 

Typische Tem­pe­ra­turänderungsgrade bei troc­ke­ner Fortluft und glei­chen Mas­senströ­men auf bei­den Seiten:

  • Rekuperatoren Kreuzstrom 0,5 bis 0,6
    Gegenstrom 0,6 bis 0,85
  • Kreislaufverbund 0,5 bis 0,75
  • Wärmerohr 0,3 bis 0,6
  • Rotierender Wärmeübertrager 0,5 bis 0,8
Vorsicht:

Durchflussabhängigkeit: Die Rückwärmzahl hängt bei einem bestimmten Wärmeübertrager vom Durchfluss ab. Wenn bei einer Wirkungsgradangabe der zugehörige Durchfluss fehlt, so ist diese wertlos.

Verschiedene Definitionen: Neben obiger Definition gibt es weitere. So wird im Zähler anstatt der Änderung im Aussenluftstrom diejenige im Abluftstrom eingesetzt. Das gibt andere Resultate bei der Wirkungsgradmessung wegen der internen Leckagen zwischen Abluft und Zuluft [Dek].

Lufterwärmung durch Ventilator: Bei Lüftungskompaktgeräten wird diese Lufterwärmung mitberücksichtigt. Dies ergibt eine höhere Rückwärmzahl.

Feuchteänderungsgrad (Rückfeuchtzahl)

In analoger Weise und unter denselben Voraussetzungen wird der Feuchteänderungsgrad eines WRG-Systems definiert:

x11   Wasserdampfgehalt der Abluft vor der WRG
x21   Wasserdampfgehalt der Aussenluft vor der WRG
x22   Wasserdampfgehalt der Aussenluft nach der WRG
 

Typische Feuchteänderungsgrade sind:

  • Rekuperatoren (wasserdampfdurchlässige Folie)
    0,4 bis 0,75
  • Rotierender Wärmeübertrager ohne Sorption
    etwa 0,1
  • Rotierender Wärmeübertrager mit Sorption
    0,5 bis 0,7
Elektrischthermische Verstärkung

Die WRG macht sonst wertlose Abwärme wieder nutzbar. Andererseits erhöht die WRG den Druckverlust und somit den Elektrizitätsverbrauch für die Luftförderung. Wie bei Wärmepumpen kann nun eine Leistungszahl bzw. eine Arbeitszahl definiert werden:

ΦRG   rückgewonnene Wärmeleistung
QRG   jährlich rückgewonnene Wärmeenergie
ΔPel   elektrische Mehrleistung wegen Zusatzdruckverlusts
ΔEel   jährlicher elektrischer Mehrenergieverbrauch wegen Zusatzdruckverlusts
 

In der Regel sind Leistungs- bzw. Arbeitszahlen zwischen 7 und 12 erreichbar (günstiger als Wärmepumpen!).

 

5.4.12 Luft-Erdregister

5.4.1 Aussenlufteintritt und Fortluftaustritt – 5.4.2 Klappen – 5.4.3 Filter – 5.4.4 Lufterhitzer – 5.4.5 Luftkühler – 5.4.6 Luftbefeuchter – 5.4.7 Ventilatoren – 5.4.8 Schalldämpfer – 5.4.9 Luftkanäle – 5.4.10 Luftdurchlässe – 5.4.11 Wärmerückgewinnung – 5.4.12 Luft-Erdregister – 5.4.13 Lüftungszentralen und -schächte

Beim Ansaugen von Aussenluft durch Kanäle im Erdreich wird diese im Winter erwärmt und im Sommer gekühlt. Bei der Anlage gemäss Bild 5.18 wird während der Übergangszeiten die Aussenluft direkt angesaugt. Beipässe um die Wärmerückgewinnung herum vermindern den Elektrizitätsbedarf im Sommer. Erdregister, welche sowohl zum Heizen als auch zum Kühlen genutzt werden, weisen ein gutes Kosten-Nutzen-Verhältnis auf, besonders wenn sie eine Kältemaschine entbehrlich machen. Im Winter ist der energetische Nutzen des Erdregisters um so geringer, je besser die Wärmerückgewinnung ist. Ein kurzes Erdregister bzw. ein verlängerter Luftansaugkanal kann immerhin das fortluftseitige Vereisen der Wärmerückgewinnung im Winter verhindern und die Hitzespitze im Sommer ein wenig mildern. Die Kanäle des Erdregisters müssen einfach zu reinigen, wasser- und gasdicht sein (Radongefahr). Es kann Kondensat entstehen, dessen Entsorgung insbesondere bei unter der Fundamentplatte liegenden Registern zu bedenken ist. Die Wärmeleistung des Erdregisters hängt von den geologischen Verhältnissen sowie der Ausgestaltung und Platzierung des Registers ab. Erdregister können sowohl im trockenen Untergrund (Beispiele Bild 5.19 und [Ste]) als auch im Grundwasser (Beispiel [Bau2] [Zim]) angeordnet werden.

Einbindung des Erdregisters in die Lüftungsanlage
Bild 5.18 Einbindung des Erdregisters in die Lüftungsanlage
Grosses Erdregister unter der Fundamentplatte der ETH Hönggerberg, vorn und hinten begehbare Verteilkanäle
Bild 5.19 Grosses Erdregister unter der Fundamentplatte der ETH Hönggerberg, vorn und hinten begehbare Verteilkanäle, 40 HDPE-Rohre DN 500 mm, Länge 38 m, 100'000 m3/h

Für kleinere Objekte ist eine Ausführung aus Kunststoffrohr mit 15 bis 20 cm Innendurchmesser und einer Gesamtlänge bis etwa 25 m für je 100 m3/h zweckmässig. Wenn der Druckverlust etwa 10 Pa übersteigt, sollte die Gesamtlänge auf mehrere Rohre etwa im Abstand von 80 cm aufgeteilt werden. Aus Bild 5.20 geht die maximal erreichbare Erwärmung der Aussenluft hervor. Die Abkühlung an Hitzetagen ist ähnlich gross.

Aussenluft-Erwärmung in Luft-Erdregister im Mittelland
Bild 5.20 Aussenluft-Erwärmung in Luft-Erdregister im Mittelland, Aussentemperatur -10 °C, Rohre DN 150 mm in 1,5 m Tiefe, freiliegend oder neben einem Gebäude, in trockenem Erdreich, Lüftungsanlage im Dauerbetrieb [ECH] [SIA D0179]

 

5.4.13 Lüftungszentralen und -schächte

5.4.1 Aussenlufteintritt und Fortluftaustritt – 5.4.2 Klappen – 5.4.3 Filter – 5.4.4 Lufterhitzer – 5.4.5 Luftkühler – 5.4.6 Luftbefeuchter – 5.4.7 Ventilatoren – 5.4.8 Schalldämpfer – 5.4.9 Luftkanäle – 5.4.10 Luftdurchlässe – 5.4.11 Wärmerückgewinnung – 5.4.12 Luft-Erdregister – 5.4.13 Lüftungszentralen und -schächte

Die Grösse der Zentrale sollte eine zweckmässige Installation und Wartung der Zu- und Abluftanlagen sowie der Wärmerückgewinnungsanlagen ermöglichen (Bild 5.21). Die Installationsschächte müssen auf jedem Geschoss zugänglich sein. Um den Druckverlust tief zu halten, sind die Kanäle mit möglichst wenigen und strömungsgünstigen Krümmern auszuführen. Einzelwiderstände haben in Luftnetzen ohnehin einen hohen Anteil am gesamten Druckverlust. Die Geschwindigkeiten in Luftaufbereitungsgeräten sollten, bezogen auf den Querschnitt des leeren Monoblocs, 1,5 m/s nicht überschreiten. Im Vergleich zu Anlagen mit höheren Geschwindigkeiten ergeben sich praktisch dieselben Jahreskosten, da die etwas höheren Investitionskosten durch niedrigere Betriebskosten aufgewogen werden.

Raumbedarf von Lüftungszentralen und von Installationsschächten pro Luftkanal

Bild 5.21 Raumbedarf von Lüftungszentralen und von Installationsschächten pro Luftkanal [EN 13779] [SIA 382/1]