So funktioniert ein Wärmetauscher: Einfach erklärt

Die Funktion eines Wärmetauschers: Das Prinzip der Wärmeübertragung

Bei einem Wärmetauscher handelt es sich, vereinfacht ausgedrückt, um einen Apparat zur Übertragung von Wärmeenergie. In der Regel von einem gasförmigen oder flüssigen Medium auf ein anderes Medium. Wärmetauschern kommt in Heiz- und Warmwassersystemen sowie Lüftungsanlagen eine zentrale Bedeutung zu. Denn sie haben einen wesentlichen Einfluss auf die Effizienz des Systems.

Wärmetauscher werden häufig auch als Wärmeübertrager bezeichnet, da sie thermische Energie von einem Stoffstrom auf einen anderen Stoffstrom übergehen lassen. Die Wärme wird dabei stets vom Medium mit dem höheren Temperaturniveau auf das Medium mit dem geringeren Temperaturniveau übertragen.

In der Gebäudetechnik kommen Wärmetauscher in verschiedenen Bereichen zum Einsatz. Das Anwendungsspektrum reicht von Brennwertkesseln über Systeme zur kontrollierten Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung bis zu herkömmlichen Heizkörpern.

Durch einen Wärmetauscher gelingt es beispielsweise, die im Abgas gespeicherte Wärme zur Erwärmung des Heizungsrücklaufs zu nutzen, statt sie ungenutzt an die Umwelt abzugeben. Oder die Wärme der Abluft zur Vorwärmung der kalten Frischluft zu nutzen. Dadurch lässt sich der Energiebedarf für die Heizung und Belüftung mit vertretbarem Aufwand signifikant senken.

Die verschiedenen Wärmetauscher-Arten

Auch wenn es viele verschiedene Ausführungen von Wärmetauschern gibt, ist die Funktion grundsätzlich immer gleich: Thermische Energie wird von einem Stoffstrom auf einen anderen übertragen. Je nach baulicher Ausführung wird unterschieden zwischen der

• direkten Wärmeübertragung,
• indirekten Wärmeübertragung und
• halbindirekten Wärmeübertragung.

Die direkte Wärmeübertragung

Bei der direkten Wärmeübertragung kommen die beiden Stoffströme direkt miteinander in Kontakt. Prominenter Vertreter der direkten Wärmeübertragung ist der Nasskühlturm. Er entzieht dem zu kühlenden Wasser Energie in Form von Verdunstungswärme, indem er es in die Luft versprüht. In der Heizungstechnik ist die direkte Wärmeübertragung nicht weit verbreitet, das Einsatzgebiet beschränkt sich überwiegend auf industrielle und kraftwerkstechnische Anwendungen.

Die indirekte Wärmeübertragung

Die indirekte Wärmeübertragung basiert auf dem Prinzip, dass die beiden Stoffströme räumlich voneinander getrennt sind. Indirekte Wärmetauscher werden auch als Rekuperatoren bezeichnet und sind in der Heizungstechnik sehr häufig zu finden.

Bei einem gewöhnlichen Heizkörper handelt es sich beispielsweise um einen Rekuperator: Die im Wasserkreislauf gespeicherte Wärmeenergie wird über ein wärmeleitendes Material an die Raumluft übertragen und erwärmt diese. Auch Brennwertkessel machen sich die Vorteile von indirekten Wärmetauschern zunutze, indem die im Abgas gespeicherte Kondensationswärme auf den Rücklauf des Heizungswassers übertragen wird.

Die halbindirekte Wärmeübertragung

Wenn beide Stoffströme nicht direkt, aber zeitversetzt mit dem Wärmespeicher in Kontakt kommen, ist von einer halbindirekten Wärmeübertragung die Rede. Der Stoffstrom mit der höheren Temperatur gibt seine thermische Energie zunächst an den Speicher ab, der die Energie dann im Anschluss an den zweiten Stoffstrom überträgt. Diese als Regeneratoren bezeichneten Wärmetauscher spielen beispielsweise in der kontrollierten Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung eine Rolle.

Einsatzgebiete des Wärmetauschers in der Heizungstechnik

Die Einsatzgebiete von Wärmetauschern in der Heizungstechnik sowie bei der Erzeugung von Warmwasser sind vielfältig. Im Folgenden gehen wir auf die wichtigsten Anwendungsfälle und die jeweilige Funktion des Wärmetauschers ein.

Die Funktion des Wärmetauschers im Brennwertkessel

Brennwertkessel nutzen die im Abgas befindliche Kondensationswärme. So erhöhen sie die Effizienz des gesamten Heizsystems. Gas- und Ölkessel ohne diese Brennwerttechnik gelten heute als veraltet. Sie sollten sie daher durch effiziente Brennwertgeräte oder erneuerbare Energien wie einer Wärmepumpe ersetzen.

In Brennwertkesseln werden zwei Wärmetauscher mit unterschiedlichen Funktionen eingesetzt. Der erste Wärmetauscher war auch bei alten Kesseln ohne Brennwerttechnik vorhanden und ist für die Wärmeübertragung vom Brenner auf das Heizungswasser verantwortlich:

• Heizungswasser fließt durch den Wärmetauscher und nimmt die bei der Verbrennung fossiler Energieträger freigesetzte Wärmeenergie auf.
• Das Heizungswasser wird dann im Anschluss von der Umwälzpumpe durch den Heizungskreislauf gefördert. Es gibt seine Wärme mithilfe von Heizkörpern an die Wohnräume ab.

Der zweite Wärmetauscher übernimmt im Brennwertkessel die Funktion, den Rücklaufstrom des Heizungskreislaufs vorzuheizen. Er nutzt dazu die Wärmeenergie des bei der Verbrennung entstehenden Abgases. Bei älteren Nieder- oder Konstanttemperaturkesseln wurde dieses Abgas auf einem hohen Temperaturniveau ungenutzt in die Umgebung geleitet – wertvolle Wärmeenergie ging dadurch verloren.

In Brennwertkesseln wird das Abgas hingegen über einen rohrförmigen Wärmetauscher geführt. Dabei kondensiert Wasser im Abgas und gibt die freiwerdende Kondensationswärme an das im Wärmetauscher zirkulierende Heizungswasser ab.

Der Vorteil: Der Rücklauf des Heizkreislaufs wird vorgewärmt – dadurch fällt der Energiebedarf für die erneute Erwärmung des Heizungswassers im ersten Wärmetauscher geringer aus. Die Energieeinsparung liegt bei Erdgasheizungen mit Brennwerttechnik bei rund 11%.

Der Plattenwärmetauscher: Vielseitiger und effizienter Wärmeübertrager

Der Plattenwärmetauscher besteht, wie der Name bereits vermuten lässt, aus mehreren Platten, die parallel zueinander angeordnet sind und von flüssigen oder gasförmigen Stoffströmen durchflossen werden. Das wellenförmige Profil der wärmeleitenden Platten sorgt für eine turbulente Durchströmung und eine effiziente Wärmeübertragung.

Plattenwärmeübertrager gibt es in gelöteter, geschraubter und lasergeschweißter Bauweise. Sie werden sowohl in der privaten Gebäudetechnik als auch bei vielen industriellen Prozessen eingesetzt. Zu den Vorteilen der Wärmeübertrager gehören eine sichere Systemtrennung und eine hohe Effizienz.

Das Einsatzspektrum in der Haustechnik ist vielfältig: Es reicht von

• Fußbodenheizungen mit diffusionsoffenen Rohren
• über den Anschluss von Solarthermieanlagen an Speichersysteme
• bis zur Warmwassererwärmung in Frischwasserstationen.

Der Plattenwärmetauscher schützt bei der Warmwasserbereitung beispielsweise vor einer Durchmischung von Heizungs- und Trinkwasser. In Frischwasserstationen hat er die Aufgabe, eine getrennte Hydraulik in der Haus- und Wohnungsverteilung sicherzustellen.

Die Wohnraumlüftung mit Wärmerückgewinnung

Immer mehr Gebäude werden mit einer kontrollierten Wohnraumlüftung (KWL) ausgestattet. Das ist ganz im Sinne einer möglichst energieeffizienten und umweltfreundlichen Energieversorgung. Vor allem moderne Neubauten mit hohen Dämmstandards werden häufig mechanisch be- und entlüftet, wodurch sich nicht nur ein angenehmes Raumklima ergibt, sondern auch die Energiekosten sinken.

Dem Wärmetauscher kommt in einem System zur kontrollierten Wohnraumlüftung eine zentrale Rolle zu. Er ist dafür verantwortlich, die Wärmeenergie in der Abluft auf den Zuluftstrom zu übertragen. Durch diese Vorgehensweise gelingt es im Winter beispielsweise, die einströmende kalte Luft vorzuheizen, um den Energieaufwand für die Heizung so gering wie möglich zu halten. Je nach Systemauslegung lässt sich so ein Großteil der Wärme zurückgewinnen.

In der kontrollierten Wohnraumlüftung werden häufig sogenannte Rotationswärmeübertrager eingesetzt. Dabei handelt es sich um eine rotierende Speichermasse, die auf der einen Seite die thermische Energie der Abluft aufnimmt und diese auf der anderen Seite an die kalte Zuluft überträgt.

Der Rotationswärmetauscher kann aber nicht nur Wärme, sondern auch Feuchte übertragen. Bei diesem Prozess kondensiert das Wasser in der Abluft zunächst an der kühleren Speichermasse. Diese Feuchtigkeit wird dann von der einströmenden Zuluft aufgenommen. So kann im Winter beispielsweise die trockene Außenluft befeuchtet werden, um für eine gesunde Luftfeuchtigkeit in den Räumen zu sorgen.

Alternativ werden in der Wärmerückgewinnung einer KWL auch Gegenstromwärmeübertrager eingesetzt, die Wirkungsgrade von mehr als 90% erzielen. Die Wärmeübertragung erfolgt dabei durch einen Plattenwärmetauscher, der von den Zu- und Abluftströmen durchflossen wird. Eine Übertragung der Feuchte ist bei diesem Prinzip nicht möglich, weshalb das entstehende Kondensat über eine Schmutzwasserleitung abgeführt werden muss.

Das Material ist entscheidend für die Funktion des Wärmetauschers

Die Effizienz der Wärmeübertragung in einem Wärmetauscher hängt in hohem Maße von dem verwendeten Wärmeleiter ab. Neben der Wärmeleitfähigkeit des Materials ist dabei vor allem die Oberfläche des Wärmeübertragers von Bedeutung.

In den meisten Fällen bestehen Wärmetauscher aus Metall. Im Klimabereich überwiegen aufgrund der guten Wärmeleitfähigkeit Kupfer und Aluminium, während Heizkörper häufig aus Stahlblech bestehen. In der Heizungstechnik ist darauf zu achten, dass bei der Verwendung von Aluminium der pH-Wert des Heizwassers im basischen Bereich liegt, um Korrosion vorzubeugen. Bei industriellen Anlagen mit speziellen Anforderungen an die Beständigkeit oder Hygiene werden auch Werkstoffe wie Edelstahl eingesetzt.

Die Vor- und Nachteile des Wärmetauschers

Grundsätzlich bringen Wärmetauscher in der Heizung und Lüftung weitreichende Vorteile mit sich. Bei einem Brennwertkessel ist der Wärmetauscher zur Nutzung der Abgaswärme heutzutage Stand der Technik. Die Installation eines Kessels ohne Brennwerttechnik ist kaum noch erlaubt und definitiv nicht empfehlenswert.

Der Wärmetauscher im Brennwertkessel senkt den Heizenergiebedarf signifikant. Auf der anderen Seite wird die Anlagentechnik durch den Wärmetauscher aber auch geringfügig komplizierter und die Kosten steigen. Im Folgenden haben wir die Vor- und Nachteile am Beispiel des Brennwertkessel-Wärmetauschers gegenübergestellt:

Die Kosten für einen Wärmetauscher

Wärmetauscher werden auf dem Markt für Heizungstechnik in vielen verschiedenen Ausführungen, Größen und Leistungen angeboten. Das gewählte Material, die Übertragungsart der Stoffströme, der Hersteller und weitere Faktoren erschweren die Angabe der Kosten für einen Wärmetauscher. Während beispielsweise Wärmetauscher aus Kupfer nach dem Kühlrippenprinzip vergleichsweise günstig sind, sind Rohrwärmetauscher aus Edelstahl teurer.

Fachleute können den für Ihren Einsatzzweck am besten geeigneten Wärmetauscher auslegen und die Kosten für den Wärmeübertrager und den Einbau präzise bestimmen. In vielen Fällen amortisieren sich die Investitionskosten dank der Effizienzsteigerung bereits innerhalb kurzer Zeit.

Tipp: Um die Kosten für die Wartung und Instandhaltung des Heizsystems oder Lüftungssystems so gering wie möglich zu halten, ist es empfehlenswert, den Wärmetauscher jederzeit frei zugänglich zu halten, sodass der Heizungsbauer ihn leicht erreichen und warten kann.

Fragen zur Wärmetauscher-Funktion? Auf zum Heizungsbauer

Der Einbau eines Wärmetauschers ist in vielen Fällen eine sinnvolle Investition, die mit vertretbarem Aufwand verbunden ist. Aufgrund des breiten Einsatzspektrums empfiehlt es sich dabei immer, sich an einen Fachbetrieb zu wenden. Dieser kann fundiert beurteilen, ob ein Wärmetauscher für Sie sinnvoll ist, welche Art und Dimensionierung optimal passt und die Kosten für den Einbau präzise kalkulieren.