Neue Tendenzen in der Gebäudelüftung
von Lufttechnik Schmeißer GmbH

Die Funktionsweise und die Vorteile von Be- und Entlüftungsgeräten mit Wärmerückgewinnung sind hinreichend bekannt. Man verringert die Lüftungswärmeverluste von Gebäuden dadurch, dass die kalte Außenluft in einem Gegenstromwärmetauscher bis fast auf Raumtemperatur erwärmt wird und damit vorgewärmt und zugfrei in die Wohnräume einströmt. Die zum Erwärmen notwendige Energie entzieht man der verbrauchten Abluft aus Küche, WC und Bad, indem sie abgekühlt wird. Und hier beginnt das Dilemma. Beim Abkühlen der feuchten Abluft entsteht oftmals Kondenswasser. Umso höher der Rückgewinnungsgrad des Wärmetauschers und umso niedriger die Außentemperaturen sind, umso mehr Kondensat entsteht. Bei Frost gefriert das Kondenswasser im Wärmetauscher, die winzigen Luftkanäle eisen zu und das Lüftungsgerät ist außer Gefecht gesetzt.

Hier werden Sie einwerfen, dass es Methoden gibt, die Vereisung zu verhindern beziehungsweise ein eingefrorenes Lüftungsgerät wieder aufzutauen.


Man unterscheidet 3 gängige Methoden:

Hier stellt sich die Frage: Ist der Energiegewinn wirklich so beachtlich das sich diese Investition rechnet? Ganz zu Schweigen von möglichen hygienischen Bedenken durch Verunreinigung der im Boden verlegten Rohre.

Betrachten Sie bitte folgende Darstellung:

Die Werte für den Erdwärmetauscher sind das Resultat aus dem Berechnungsprogramm für Erdwärmetauscher, das auf den Webseiten des Passivhausinstituts zum herunterladen angeboten wird.

Wie man sieht beträgt der Energiegewinn unter ungünstigsten Witterungsbedingungen im Auslegungsfall bei 120 m³/h, also für ein mittleres Einfamilienhaus ca. 600 W. Insgesamt für Energierohr und Lüftungsgerät beträgt die Energiebilanz 1320 W Einsparung. Die Zuluft strömt mit 18 °C ein, eine angenehme Temperatur. Aus dieser Sichtweise sieht es so aus, das sich die Investition Erdwärmetauscher bezahlt macht.

Betrachten wir aber im Vergleich dazu die Energiebilanz wenn man keinen Erdwärmetauscher zur Außenluftvorwärmung nutzen würde.

Die Ausgangswerte in Bezug auf Außenluft und Abluft sind die gleichen. Ohne Erdwärmetauscher ist die Zuluft um eineinhalb Grad kühler als mit vorgeschaltetem Energierohr. Den Energieanteil des Erdwärmetauschers hat dasselbe Lüftungsgerät nun zu 90% mit übernommen. Im Auslegungsfall ist der Gesamtenergiegewinn der Anlage ohne Energierohr nur 60 W geringer (≙ 1,5 Grad niedrigere Zulufttemperatur). Über die Heizperiode gesehen ist der Gewinn kaum messbar, da der Energiegewinn über das Energierohr meist viel geringer ist (bei höheren Außentemperaturen) und im ungünstigsten Fall sogar negativ sein kann (wenn die Lufttemperatur über der Bodentemperatur liegt). Welches Argument spricht also dafür überhaupt ein Energierohr vorzusehen?

Häufig kommt an dieser Stelle das Argument, dass der Erdwärmetauscher zur Verhinderung der Vereisung notwendig ist. Bisher konnte man dem zustimmen, doch bereits seit vielen Jahren vertreibt die Lufttechnik Schmeißer GmbH ihre Lüftungsgeräte mit hocheffektiven Gegenstromwärmetauschern mit einem neuartigen System, der Abtauautomatik fast ohne Hilfsenergie. Zunächst verbreitete unser Vorstoß in diese Richtung bei den entscheidenden Institutionen viel Verwirrung und Unverständnis. Aber nach gründlicher Darlegung der neuen Methode fand sie die Zustimmung der Entscheidungsträger. Vom DIBT wurde sogar eine neue Prüfrichtlinie für unsere Lüftungsgeräte erlassen und auch das Passivhausinstitut erkennt unsere Abtaustrategie an, wie aus der entsprechenden Zulassung hervorgeht.

Für die Abtaustrategie werden sowohl vom DIBT als auch vom Passivhausinstitut gefordert, dass in jeder Betriebssituation der Außenluftvolumenstrom gleich dem Fortluftvolumenstrom ist, also auch während des Abtauens. Aus diesem Grund ist auch die erwähnte Methode durch Abschalten des Zuluftventilators unzulässig.
Wir nahmen diese Forderung in dem Sinne wörtlich, das auch Null = Null ist. Das heißt, während des Abtauens sind der Außenluftvolumenstrom und der Fortluftvolumenstrom gleich Null, also abgeschaltet.

Hier liefern wir auch die Erklärung für den bisher nicht bezeichneten Luftauslass neben der Außenluftöffnung rechts unten an unserem Lüftungsgerät TSL-300-G/DC: es ist ein Umluftanschluss und Bestandteil unserer Abtauautomatik.

Hier die Erklärung, es ist ein Umluftanschluss und ist Bestandteil unserer Abtauautomatik.

Nun etwas zur Arbeitsweise dieses Lüftungsgerätes mit der neuartigen Abtauautomatik. Für eine Stunde arbeitet es wie auch andere Lüftungsgeräte mit Gegenstromwärmetauscher. Die Außenluft wird erwärmt und als Zuluft eingebracht, die Abluft abgekühlt und als Fortluft nach außen abgeleitet. Dabei wird eine beginnende Vereisung des Wärmetauschers bewusst hingenommen. Nach einer Stunde unterbricht die Mikroprozessorreglung den Lüftungsbetrieb, der Fortluftventilator wird abgeschaltet und eine geräteinterne Umschaltklappe unterbricht den Außenluftvolumenstrom. Während der Abtauphase wird Umluft über die Zuluftstrecke des Wärmetauschers geleitet, der sich dabei erwärmt und das Eis abschmelzen lässt. Um eine Eisbildung auf der noch frostigen Kondensatauffangschale zu unterbinden, wird diese während der Abtauzeit beheizt.

Der Abtaufortschritt wird über Sensoren überwacht und die Mikroprozessorreglung unterbricht den Abtauprozess wenn der Gegenstromwärmetauscher wieder frei ist. Bei -12°C Außentemperatur, dem Prüfkriterium des DIBT ist dies nach spätestens 6 Minuten der Fall. Die benötigte Hilfsenergie fällt mit ca. 0,027 kWh für unser Beispiel kaum ins Gewicht.

Unsere nun bereits mehrjährigen Erfahrungen, auch in Regionen mit Außentemperaturen bis zu -25°C, zeigen, das diese kurzzeitige Unterbrechung der Lüftung die Raumluftqualität nicht beeinflusst, zumal die Abtaupause ja durch anschließende intensivere Lüftung kompensiert werden kann. Ein weiterer Vorteil dieser Abtaustrategie ergibt sich für die Befürworter der Methode, ein Passivhaus ausschließlich über die Lüftungsanlage zu beheizen. Es gibt auch während des Abtauens keine Zuluft- und damit auch keine Heizungsunterbrechung. Auch der Nachteil bisheriger Systeme, dass bei niedrigen Außentemperaturen zwangsläufig mehr gelüftet werden muss um auch mehr heizen zu können wird durch unsere Abtaustrategie entschärft. Im automatischen Heizbetrieb werden, wenn die Luftqualität gut ist, neben der Abtauzeit zusätzliche Umluftphasen geschaltet um den erhöhten Zuluftbedarf zum Heizen bei niedrigsten Außenluftwechseln zu realisieren.

Wie bereits gesagt, ist in den Raumluft- oder Umluftperioden auch die Abluft abgeschaltet um die Gleichheit der Masseströme einzuhalten. Besteht aber genau in dieser Zeit Lüftungsbedarf, lässt sich die Umluftphase auch verschieben. Es braucht bloß eine Verbindung zwischen Lüftungsgerät und beispielsweise der Badbeleuchtung hergestellt werden. Für diese Art der Lüftung, wie auch in der im nachfolgenden Beispiel gezeigten Lüftungsmethode, reicht es nicht aus, wie bei den meisten Lüftungsgeräten üblich, zwischen 3 Lüftungsstufen zu wählen, sondern der Volumenstrom muss sich stufenlos regeln lassen.
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Im gezeigten Beispiel sind das 3 Wohnungen. Jeder Nutzer kann über einen Einstellknopf den Luftwechsel seiner Wohnung im Bereich 0,2facher bis 0,7facher Luftwechsel individuell stufenlos einstellen. Aus der Summe der Luftmengen aller Wohnungen ergibt sich die Luftleistung des Lüftungsgerätes. ömmliche Lüftungsgeräte mit automatischer Volumenstrombalance gestatten meist keine gleitende Veränderung des Luftwechsels sondern ermöglichen die Gleichheit von Außen- und Fortluftstrom nur in drei Lüftungsstufen.

Stufenlose Volumenstromänderungen gestatten üblicherweise nur Lüftermotore ohne automatische Konstanthaltung der Masseströme. Auch in unseren Lüftungsgeräten sind derartige stufenlos ansteuerbare Lüfter eingesetzt. Unser Know How für die Massenstrombalance realisiert der Mikroprozessor durch Reglung der Energieströme über den Gegenstromwärmetauscher. Es handelt sich hierbei nicht um einen Volumenstromvergleich sondern um einen Massestromvergleich, das heißt die unterschiedliche Dichte der Luft bei unterschiedlichen Temperaturen wird berücksichtigt. Bei dieser Methode wird ein Volumen-, beziehungsweise Massestrom vom Nutzer in beliebiger Höhe vorgegeben, in unserem Fall der Zuluftstrom. Über empfindliche Sensoren werden die physikalischen Werte des Außenluft-, des Zuluft-, des Abluft- und des Fortluftstroms gemessen und analysiert. Da das Rückgewinnungsmodul, der Gegenstromwärmetauscher nur so viel Energie an die ihn durchströmende Außenluft abgeben kann, wie er der Abluft entzieht, braucht man nur dafür zu sorgen, das die Enthalpiedifferenz zwischen Außenluft und Zuluft gleichgroß ist wie die Enthalpiedifferenz zwischen Abluft und Fortluft. Ist dies der Fall, so sind beide Volumenströme gleich groß.

Wie unsere Massestrombalance-Regelung in der Praxis arbeitet zeigt das Bild für die Massenstrombalance. Beginnen wir rechts unten bei Punkt 1, der Außenluft. Der Nutzer hat eine beliebige Luftmenge eingestellt, wir nehmen an, dies seien 100 m³/h. Die Luftfeuchtigkeit hat hier eine untergeordnete Rolle und ist nur aufgeführt um eine Berechnungsbasis zu erhalten. Auf die Reglung hat sie keinen Einfluss, da die Luft anschließend erwärmt wird. Die gemessene Außenlufttemperatur beträgt im Beispiel 0°C. Daraus lässt sich eine Masse von 127 kg Außenluft ermitteln, die einen Energiegehalt von 1213 kJ hat.

Links oben, bei Punkt 2 registriert der Temperatursensor exakt 18°C, das heißt, die Zuluft hat 18 kJ/ kg an Energie aufgenommen. Da unsere Geräte äußerst dicht sind und damit keine Luft im Wärmetauscher verloren geht, ergibt sich aus den 127 kg Luft und dem Zuwachs an Energie von 18 kJ / kg , das die Zuluft 2286 kJ (127 x 18) aufgenommen haben muss. Da der Wärmetauscher in einem gut gedämmten Gehäuse untergebracht ist und die Ventilatoren sich erst hinter den Messpunkten befinden, muss diese Energie ausschließlich der Abluft entzogen worden sein. Rechts oben haben wir die Abluft dargestellt. Hier werden die Temperatur von 20°C und die relative Luftfeuchte von 50% exakt gemessen.

„Bild Massenstrombalance“

Damit kennen wir den massebezogenen Energiegehalt von 38,7 kJ/kg und den Wassergehalt von 7,36 g/kg. Haben wir eine Massestrombalance, also 127 kg Abluft, so bedeutet dies einen Energiegehalt von 4915 kJ. Die Fortlufttemperatur links unten messen wir mit 6,0°C. Aus dem h-x-Diagramm erkennen wir sofort, dass Kondensat entstanden sein muss, da in der Abluft 1,49 g Wasser je Liter Luft mehr enthalten war als die Fortluft mit 6,0°C bei 100% Luftfeuchte aufnehmen kann (7,36 g – 5,87 g). Außerdem kennen wir den Enthalpiegehalt der Fortluft mit 20,7 kJ / kg. Es ergibt sich also eine Enthalpiedifferenz zwischen Abluft und Fortluft von 18 kJ / kg. Da bei Entstehen dieser Enthalpiedifferenz der Abluft 2285 kJ entzogen wurden, denn die sind ja an die Zuluft abgegeben worden, kann durch Division leicht die Masse der Ab- bzw. Fortluft ermittelt werden. Nun stellt sich die Frage, was würde herauskommen, wenn der Abluftvolumenstrom abweicht, also beispielsweise nur 85 % des Außenluftvolumenstroms betragen würde.

Da die der Abluft entzogene Energiemenge gleichgroß blieb, denn die Zuluft hat ja dem Wärmetauscher weiterhin 2286 kJ entzogen um auf 18°C erwärmt zu werden, stellt sich rein physikalisch bei einem zu niedrigen Massestrom eine niedrigere Fortlufttemperatur mit niedrigerem Enthalpiewert ein. Das wäre in diesem Fall also 4,4°C mit 17,5 kJ / kg. Die gemessene höhere Enthalpiedifferenz zwischen Abluft und Fortluft ist also ein Beleg dafür, das der Ab- bzw. Fortluftstrom zu niedrig ist. Die Mikroprozessorreglung unseres Lüftungsgerätes würde hier also eingreifen und die Ansteuerung des Fortluftventilators erhöhen. Da alle unsere Lüftungsgeräte von der TSL-150-G/DC über die TSL-300-G/DC einschließlich aller dazwischen liegenden Lüftungsgeräte bis hin zur GSL-5000-G/EMC über alle vorgestellten Regeleinrichtungen verfügen, und damit auch über die Sensorik verfügen, lassen sie sich auch automatisch betreiben. Die ohnehin gemessene Innenluftfeuchte allein reicht natürlich nicht aus, die Raumluftqualität zu beurteilen. Daher wird die Reglung meist durch einen zusätzlichen Luftgütesensor erweitert. Die so ausgestatteten Lüftungsgeräte sorgen für eine optimale Raumluftqualität bei niedrigsten Luftwechselraten und helfen so Elektroenergie und Heizenergie einzusparen. Die elektrische Antriebsleistung kann sich bei den Geräten für Einfamilienhäuser auf unter 10 W einpegeln.

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