Über die bauphysiologischen und auf Wohlfühlkomfort geprägten Herausforderungen der Bautechnik des 21. Jahrhunderts – im Konsens mit den ökologisch ertragbaren Veränderungen und der Umsetzung restriktiver Regularien – wurde bereits anhand zahlreicher Beiträge in der Fachpresse be-richtet. Auch die Notwendigkeit maschinell gestützter Lüftungssysteme in hochgedämmten und dichten Gebäudehüllen, zur Erfüllung des erforderlichen Luftwechsels nach den bekannten Normen, wird in der Fachwelt kohärent diskutiert.
Noch einvernehmlicher sind die Ansichten über Auswirkungen von zu trockener Raumluft. Diese stört nicht nur das Wohlbefinden und die Funktionen der Sinnes- und speziell der Atemorgane der Bewohner, sondern beeinflusst auch maßgeblich allgemeine Behaglichkeitskriterien negativ, wie Luftstaubgehalt, allergierelevantes Mikroorganismenwachstum und elektrostatische Aufladung. Nicht zuletzt kann zu trockene Raumluft zu Schäden an luftfeuchteabhängigem Inventar und Baumaterialien führen.
Um diesen negativen Einflussfaktoren auf den Raumluftzustand entgegenzuwirken, bietet bereits der etablierte Stand der Technik ein breites Spektrum an Handlungsspielraum. Neben den Möglichkeiten der Raumluftbefeuchter und den Funktionsprinzipien der aktiven Zuluftbefeuchtung, deren unbestrittener Vorteil im Konditionierungsvermögen für eine auf Sollwert regelbare Raumluftfeuchte liegt, stellt die Feuchterückgewinnung mit Membran-Wärmeübertragern eine geradezu geniale Offerte dar.
Prinzip der Feuchteübertragung rekuperativer Plattenwärmeübertrager
Da die Abläufe der thermodynamischen Prozesse eines rekuperativen Plattenwärmeübertragers mit Feuchteübertragung, ob bewusst oder unbewusst, oft einer falschen Interpretation unterliegen, wird im Folgenden näher darauf eingegangen.
Die selektive Permeabilität der Polymer-Membran ohne physische Öffnungen ermöglicht die Diffusion der Wassermoleküle durch die einzelnen Segmente innerhalb dieser Membran. Damit wird auch latente (Verdampfungs-)Wärme zurückgewonnen (Bild 1).
Markant für den Feuchtetransfer ist der Umstand, dass Wasser oberhalb des Sublimationspunktes im dampfförmigen Zustand die Membran durchdringt. Die Annahme, Wasserdampf kondensiere an der Membranoberfläche, diffundiere dann im flüssigen Aggregatzustand hindurch und werde auf der anderen Membranseite wieder in den gasförmigen Zustand, also Wasserdampf, verwandelt, wäre ein thermodynamisches Paradoxon. Ein in diesem Sinne doppelter Phasenübergang ist ausgeschlossen. Der Diffusionsprozess der Wassermoleküle vollzieht sich ohne Phasenübergang im gasförmigen Zustand. Daher muss der Behauptung, dass im Vergleich zu Rotoren systembedingt ein Mehraufwand wegen vermehrtem Kondensatanfall notwendig wäre, entschieden widersprochen werden. Den Beweis dafür liefern die seit Jahren sich unter Praxisbedingungen bewährten, ausschließlich mit Enthalpieübertragern ausgestatteten Lüftungsgeräte ohne Kondensatablauf.
Entscheidend für die Intensität der Feuchteübertragung und kennzeichnend als Triebkraft für den Wasserdampftransport ist der Unterschied des Luftzustands (genauer des Partialdruckes des Wasserdampfes) beidseits der Membran an einem definierten Punkt im Enthalpieübertrager. Aufgrund der Reversibilität des Diffusionsprozesses des Wasserdampfes durch die Membran gemäß der nahezu gleichwertigen Feuchteänderungsgrade, erbringt diese Technologie nicht nur Wärme- und Feuchterückgewinnung, sondern auch in feuchtwarmen Klimazonen eine willkommene Entfeuchtungsleistung.
Performance und technologischer Nutzengewinn
Im Gegensatz zu feuchteübertragenden Rotations-Wärmeübertragern, die wie die statischen Enthalpieübertrager zu den passiven Feuchterückgewinnungssystemen zählen und ihr Übertragungspotenzial aus dem vorhandenen Feuchteaufkommen schöpfen, kommt das Funktionsprinzip der Feuchteübertragung mittels wasserdampfdurchlässiger Polymer-Membran ohne bewegliche Teile aus, die ihrerseits einen Energie verbrauchenden und verschleißbedingten Mehraufwand hervorrufen. An dieser Stelle sei vorab dementiert, dass vermeintlich empirische Untersuchungen einen Verschleiß der Membran hinsichtlich Rückgewinnungsgraden belegen. Das mag eingeschränkt für Enthalpieübertrager mit Zellulose-Membran zutreffend sein, da die zur Unterstützung des Feuchtetransportes mit Salzionen dotierte Membran anfällig gegen Kondensationserscheinung ist, in deren Folge es zum Dekrementieren des Salz-Ionengehaltes kommen kann.
Die Enthalpieübertrager mit Polymer-Membran hingegen zeichnen sich diesbezüglich durch permanente Übertragungskennwerte aus, die dank der Wartungsfreundlichkeit (einfache Entnahme aus dem Lüftungsgerät und Reinigung mit Wasser) auch gegenüber dem Aufwand einer Rotorreinigung bei Rotationswärmeübertragern besticht (Bild 2).
Der Plattenwärmeübertrager mit Feuchterückgewinnung unterliegt keinen verschleißbedingten Folgekosten. Vergleichsweise sind Kosten bei Rotationswärmeübertragern für den Verschleiß der Rotorabdichtungen und des Rotorantriebes eher prioritär.
Hinsichtlich der Performance sollten hygienische Aspekte bei den Verfahren zur Feuchterückgewinnung nicht außer Betracht stehen, denn schließlich sprechen wir vom Lebensmittel Luft, von dem ein Mensch täglich ca. 18 kg als Raumluft konsumiert“. Die feuchteübertragenden Wärmeübertrager von Paul Wärmerückgewinnung wurden nach den hygienerelevanten Anforderungen der VDI 6022, Blatt 1, zertifiziert und tragen das Prüfsiegel des Hygieneinstitutes des Ruhrgebiets (Bild 3).
Energieeffizienz und Einsparpotenzial
Einen energetischen Vergleich mit Rotorsystemen braucht der statische Enthalpieübertrager nicht zu scheuen. Beide Technologien leben“ vom Luftstrom mit dem höheren Wasserdampfpotenzial, wonach Rückfeuchtezahlen von bis zu ca. 85 Prozent erreicht werden können.
Der Enthalpieübertrager friert im Normalbetrieb unter den Bedingungen des im europäischen Raum meist verbreiteten kühl-gemäßigten Klimas nicht ein, da ein Großteil der Feuchtigkeit im Winter auf die Zuluft übertragen wird (Bild 4). Die Applikation des Enthalpieübertragers in Lüftungsgeräten ermöglicht zudem für externe Frostschutzmaßnahmen Einsparungen hinsichtlich der Investitions- und Betriebskosten. Die Begründung liegt in der Absenkung der Frostschutzgrenze und eine daraus resultierende Erhöhung der nutzbaren Temperaturspanne für den Wärmerückgewinnungsprozess. Die Aktivierung des Frostschutzmodus erfolgt je nach gerätetypischer Steuerungskonfiguration bei Außenlufttemperaturen zwischen 5 °C und 10 °C. Eine allgemeingültige, quantitative Aussage zur Betriebskostenersparnis lässt sich schwer validieren. Je nach Art der Frostschutzmaßnahme (Sole-Erdwärmeübertrager oder Elektro-Defroster), den klimatischen Verhältnissen und den anlagenbedingten Betriebsparametern kann die aufzuwendende Hilfsenergie differieren. Damit ist die Behauptung, dass ein zusätzliches Heizregister als Vereisungsschutz systembedingt erforderlich wäre, als Halbwahrheit zu relativieren.
Bewertungskriterien im Blick auf die Ecodesign-Richtlinie
Dieser Aspekt findet in der seit 1. Januar 2016 gültigen EU-Verordnung Nr. 1253/2014 hinsichtlich der Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Lüftungsanlagen keine Berücksichtigung in der Bewertung des spezifischen Energieverbrauchs (SEV). Anlagen mit rekuperativem Wärmeübertrager, dazu zählen laut Nomenklatur auch Enthalpie-Plattenwärmeübertrager, werden in der Berechnungsformel mit einem Malus für eine pauschale Defrosterleistung beaufschlagt. Jener Parameter wird für regenerative Wärmeübertrager gleich 0 gesetzt. Diesem ungleichen Ansatz der SEV-Kalkulation folgend, ist die auf dem Energielabel ausgewiesene Energieeffizienzklasse entsprechend zu interpretieren. Leider sind diese Hintergründe selbst Fachkundigen kaum bekannt, sodass nur ein entsprechender Korrekturbedarf im Bewertungsverfahren eine realistische Differenzierbarkeit zulässt.
Abschließend sei angemerkt, dass die kombinierte Wärme- und Feuchterückgewinnung des statischen Enthalpieübertragers höchste energieeffiziente und hygienische Systemanforderungen einer maschinell gestützten Lüftung zur Sicherstellung optimaler Raumluftbedingungen erfüllt. Aus diesem Grunde statten namhafte Hersteller ihre Lüftungsgeräte zur Wärme- und Feuchterückgewinnung vermehrt mit Enthalpieübertragern auf Basis feuchteübertragender Polymer-Membran aus.
Michael Schmidt,
Produktmanager Paul Wärmerückgewinnung GmbH, Reinsdorf
