Wohnungslüftung mit Wärmerückgewinnung und Abluftwärmepumpe

Auf der Suche nach Energieeinsparmöglichkeiten im Gebäudebereich geraten die Lüftungswärmeverluste verstärkt in den Fokus. Durch verschärfte Anforderungen im Neubau wurden bisher im Wesentlichen die Transmissionswärmeverluste reduziert, damit stieg trotz erhöhter Anforderungen an die Gebäudedichtheit der prozentuale Anteil der Lüftungswärmeverluste am Gesamtwärmeverlust stetig (Bild 1).

Eine weitere Senkung der Lüftungswärmeverluste bei freier Lüftung verstärkt die Gefahr einer Zunahme hygienischer und bauphysikalischer Probleme vor allem in modernisierten, aber auch in neu errichteten Gebäuden. Die ventilatorgestützte Lüftung bietet die Möglichkeit, die Lüftungswärmeverluste unter Einhaltung der Anforderungen an Raumlufthygiene und Bautenschutz weiter zu senken. Dafür gibt es drei Möglichkeiten (Bild 2):

1. Rückgewinnung der in der Abluft enthaltenen (und bislang an die Umwelt abgegebenen) Energie mittels Wärmeübertrager und/oder Wärmepumpe,
2. Vorerwärmung der zugeführten Außenluft mittels erneuerbarer Energien (z. B. Erdreich-Luft-Wärmeübertrager oder Solar-Luftkollektor),
3. Verringerung des Außenluftwechsels (Bedarfs- oder Zonenlüftung).

Darüber hinaus haben Gebäudedichtheit und Lüftungsverhalten der Bewohnerinnen und Bewohner einen wesentlichen Einfluss auf die Lüftungswärmeverluste von Gebäuden.

Erst die Optimierung des Gesamtsystems „Lüftungsanlage + Heizungstechnik + Gebäude“ in Verbindung mit einem angepasstem Lüftungsverhalten der Nutzenden ermöglicht die Erschließung wesentlicher Einsparpotenzialen durch den Einsatz von ventilatorgestützten Lüftungssystemen.

2 - Möglichkeiten zur Wärmerückgewinnung und zur Nutzung regenerativer Energie in der Wohnungslüftung Bild: ITG Dresden

Baupraktische Aspekte der Abwärmenutzung mit Lüftungssystemen

Die Einsatzmöglichkeiten verschiedener Lüftungssysteme sind maßgeblich von baupraktischen Überlegungen abhängig. Die Wahl einer geeigneten Lüftungslösung wird im Regelfall durch

• Platzbedarf
• Eingriffe in die Gebäudefassade
• Schallschutz
• Brandschutz
• sowie thermischen Komfort (Zugluftrisiko)

beeinflusst.

Damit spielen auch Gebäudetyp (Einfamilienhaus vs. Mehrfamilienhaus) und Gebäudezustand (Neubau vs. Sanierung) bei der Entscheidung

• Abluftsystem vs. Zu-/Abluftsystem und
• dezentral vs. zentral

eine wichtige Rolle. Bild 3 zeigt die in Deutschland üblichen ventilatorgestützten Wohnungslüftungssysteme unter Zuordnung der Möglichkeiten zur Abwärmenutzung (Zuluftsysteme kommen kaum zum Einsatz).

Es lässt sich feststellen, dass Abwärmenutzung

• mit Wärmeübertragern nur in Verbindung mit zentralen oder dezentralen Zu-/Abluftsystemen und
• mit Abluftwärmepumpen nur in Verbindung mit zentralen Zu-/Abluft- oder Abluftsystemen

möglich ist.

3 - Systematisierung der Wohnungslüftung und Zuordnung der Abwärmenutzung Bild: ITG Dresden

Energetische Aspekte der Abwärmenutzung mit Lüftungssystemen

Für die energetische Bilanzierung im Rahmen des Gebäudeenergiegesetzes GEG bzw. des Gebäudemodernisierungsgesetzes GModG wird DIN V 18599-6: 2018 bzw. zukünftig für das GModG DIN/TS 18599-6: 2025 genutzt.

Für die Wärmerückgewinnung mit Abluft-Zuluft-Wärmeübertragern werden die Zulufttemperatur nach dem Wärmeübertrager und der mittlere, zuluftseitige Anlagenluftwechsel (als monatliche Mittelwerte) berechnet. Kombinationen aus Wärmeübertrager und anderen Systemen (z. B. Luftheizungsanlage oder Abluft-Wärmepumpe) werden in der Berechnung getrennt: Der Wärmeübertrager der Kombination wird wie ein einzelner Wärmeübertrager behandelt.

Die Effizienz des Wärmeübertragers wird durch einen Gesamtnutzungsgrad beschrieben. Neben dem geprüften Temperaturänderungsgrad nach DIN EN 308 bzw. DIN EN 13141-7/-8 können die spezifischen Einbaubedingungen berücksichtigt werden – durch Zuschläge (z. B. für Erdreich-Zuluft-Wärmeübertrager – EWÜT) und Abschläge (z. B. für Abtaubetrieb, Aufstellung im unbeheizten Bereich oder Geräteleckagen). Bild 4 zeigt die nach DIN V 18599-6 ermittelten Zulufttemperaturen für wichtige Varianten. Hier wird das energetische Einsparpotenzial und die Verbesserung der thermischen Behaglichkeit einer effizienten Wärmerückgewinnung mit Wärmeübertragern insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen im Vergleich mit Fensterlüftung erkennbar.

4 - Zulufttemperaturen bei Einsatz von marktüblichen Lüftungssystemen mit Wärmerückgewinnung Bild: ITG Dresden

Abluft-Wärmepumpensind nach DIN V 18599-6 bzw. DIN/TS 18599-6 Einrichtungen, die den Wärmeinhalt der Abluft von Wohnungslüftungsanlagen nutzen. Sie werden auf Basis von Leistungszahlen COP und der elektrischen Leistungsaufnahme als Abluft-Zuluft-Wärmepumpe (Bild 5 und 6) oder als Abluft-Wasser-Wärmepumpe (Bild 7) mit der Erzeugerwärmeabgabe und der Wärmeaufnahme durch Wärmerückgewinnung aus der Abluft bilanziert.

5 - Abluft-Zuluft-Wärmepumpe zur Zuluftheizung ohne vorgeschalteten Wärmeübertrager Bild: ITG Dresden

6 - Abluft-Zuluft-Wärmepumpe zur Zuluftheizung mit vorgeschaltetem Wärmeübertrager Bild: ITG Dresden

7 - Abluft-Wasser-Wärmepumpe zur Trinkwassererwärmung und/oder Heizung Bild: ITG Dresden

Bei Kombination einer Abluft-Wärmepumpe mit einem Abluft-Zuluft-Wärmeübertrager wird der Wärmeübertrager wie oben beschrieben bilanziert (Bild 6). Dabei ist bei der Bewertung der Abluft-Wärmepumpe die durch die vorgelagerten Wärmerückgewinnung verringerte Wärmequellentemperatur zu beachten.

In DIN V 18599-6 bzw. DIN/TS 18599-6 werden folgende Lösungen behandelt:

• Abluft-Zuluft-Wärmepumpen (Quelle: Abluft, Senke: Zuluft)
• Abluft-Wasser-Wärmepumpen (Quelle: Abluft, Senke: Wasser)
• Abluft-Zuluft/Wasser-Wärmepumpen (Quelle: Abluft, Senke: Zuluft, Wasser)

Bei der Wärmesenke Wasser ist die Nutzung für Heizung und/oder Trinkwassererwärmung möglich. Bei kombinierter Nutzung kann frei gewählt werden, ob die Abwärme für das Erwärmen der Zuluft, des Trinkwassers oder als Unterstützung für die Heizung eingesetzt wird (keine vorgegebene Vorrangschaltung). Die zunehmend marktüblichen Wärmepumpen mit drehzahlgeregelten Verdichtern können detailliert und mit variablen Leistungszahlen abhängig von der Leistungsregelung bilanziert werden.

Vergleichbarkeit von Wärmeübertragern und Wärmepumpen

Bei der energetischen Bewertung der Wärmerückgewinnung mit Lüftungssystemen untereinander, aber auch mit den üblichen Heizwärmepumpen bereitet die Vielzahl der genutzten Kennwerte und ihre schlechte Vergleichbarkeit sowohl Laien als auch Fachleuten Schwierigkeiten beim Vergleich der Systeme.

So werden für die Wärmerückgewinnung mit Wärmeübertragern u. a. Temperaturänderungsgrade, Wärmebereitstellungsgrade und Rückwärmzahlen angegeben. Gemeinsam ist diesen Kennwerten, dass sie die thermische Effizienz im Sinne eines Wirkungs- bzw. Nutzungsgrades beschreiben, also z. B.

Temperaturänderungsgrad η_t (nach DIN EN 308):

#censhare:///service/assets/asset/id/3480532

Wärmebereitstellungsgrad (nach DIBt):

#censhare:///service/assets/asset/id/3480537

#censhare:///service/assets/asset/id/3480534

Typisch sind für heute marktgängige Wohnungslüftungssysteme Temperaturänderungsgrade bzw. Wärmebereitstellungsgrade in einem Bereich von 80 bis 95 %. Nach DIN/TS 18599-6: 2025 ist für neue Lüftungsanlagen als Prüfwert ein Standardwert (η′_exch = η_WRG = 87 %) definiert, der ggf. noch um Effekte des objektspezifischen Einbaubedingungen (z. B. Aufstellung im unbeheizten Bereich) zu korrigieren ist. Statt dieses Standardwertes können Herstellerangaben, d. h. so genannte Produktwerte, eingesetzt werden.

Für Systeme der Wohnungslüftung ist eine Übersicht über Produktwerte im TZWL-eBulletin zu finden /1/. Im Aufbau befindet sich die europäische EPREL-Datenbank, die im Kontext der Ecodesign-Anforderungen auch produktspezifische Energiekennwerte für Wohnungslüftungsgeräte enthält /2/.

Für die Bewertung von Wärmepumpen werden meist Leistungszahlen oder Jahresarbeitszahlen verwendet, die das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand darstellen, also z. B.

Leistungszahl COP (nach DIN EN 14511):

#censhare:///service/assets/asset/id/3480536

Typisch sind für heute marktgängige Heizwärmepumpen in Abhängigkeit von der Wärmequelle Leistungszahlen in einem Bereich von 3 bis 6. Aus 1 kW Antriebsleistung der Wärmepumpe werden unter Nutzung von Umwelt- oder Abwärme also 3 bis 6 kW Wärmeleistung erzeugt.

Der Vergleich dieser Kennzahlen und damit der technischen Systeme Wärmeübertrager und Wärmepumpe ist auf dieser Basis offensichtlich ohne weiteres nicht möglich.

Abhilfe kann hier für Wärmeübertrager der Rückgriff auf das elektrische Wirkverhältnis schaffen, das bereits in der Wärmeschutzverordnung 1995 bei der ersten Bonifizierung der Wärmerückgewinnung mit Wohnungslüftungssystemen eingeführt worden war. Dabei handelt es sich um ein Verhältnis von Nutzen zu Aufwand und damit um eine äquivalente Leistungszahl, die unmittelbar mit dem Kennwert von Wärmepumpen verglichen werden kann. Daraus sind die nachfolgenden Definitionen ableitbar.

Äquivalente Leistungszahl COP_äq für Wohnungslüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung mit Wärmeübertragern:

#censhare:///service/assets/asset/id/3480533

Äquivalente Jahresarbeitszahl SCOP_äq für Wohnungslüftungssysteme mit Wärmerückgewinnung mit Wärmeübertragern:

#censhare:///service/assets/asset/id/3480535

Für typische Verhältnisse in der Heizperiode (Außentemperatur –10 °C bis +10 °C) und die heute marktübliche Anlagentechnik (Wärmerückgewinnung 85 % und elektrische Leistungsaufnahme der Ventilatoren 0,25 W/(m³/h) ergeben sich nach Bild 8 äquivalente Leistungszahlen in einem Bereich von ca. 11 bis 25. Die Leistungszahlen von Wärmepumpen liegen typischerweise in einem Bereich von ca. 3 bis 6.

8 - Vergleich von äquivalenten Leistungszahlen COPäq der Wärmerückgewinnung mit Leistungszahlen COP von Wärmepumpen Bild: ITG Dresden

Nach DIN V 18599 ergibt sich daraus für mittlere klimatische Verhältnisse (TRY 04, Potsdam) eine äquivalente Jahresarbeitszahl für die Wärmerückgewinnung von ca. 17,5 und eine Jahresarbeitszahl für Wärmepumpen von ca. 5.

Zusätzlich fällt auf, dass die höchsten äquivalenten Leistungszahlen der Lüftung mit Wärmerückgewinnung bei niedrigen Außentemperaturen erreicht werden. Das macht sie zu einem natürlichen Komplementärsystem von Wärmepumpen. Eine solche Kombination entlastet das Wärmepumpen-Heizsystem vor allem bei niedrigen Außentemperaturen und entlastet das Stromnetz insbesondere in der so genannten Dunkelflaute, also in der kalten, windarmen Winterzeit. Auch wenn das Potenzial der Wärmerückgewinnung mit Wärmeübertragern durch den Umstand begrenzt ist, dass die Zulufttemperatur nicht höher als die Raumlufttemperatur werden kann, darf ein solch hocheffizientes System im Kanon der Energieeinsparmaßnahmen nicht vernachlässigt werden.

Empfehlungen für energieeffiziente Wohnungslüftungssysteme

Unabhängig von den Standardwerten nach DIN V 18599-6 bzw. DIN/TS 18599-6 können für den geplanten Einsatz von Wohnungslüftungssystemen mit Wärmerückgewinnung bzw. mit Abluft-Wärmepumpen in energieeffizienten Neubauten oder bei energetischen Gebäudesanierungen folgende Empfehlungen gegeben werden.

Lüftungsgerät mit WRG

• Temperaturänderungsgrad > 85 % bzw. äquivalente Leistungszahl > 20 (bei Außentemperatur +2 °C)
• spezifische Leistungsaufnahme Ventilatoren < 0,30 W/(m³/h)
• Regelung: Bedarfsführung

Lüftungsgerät mit Wärmepumpe

• Leistungszahl > 3,5 (ohne vorgeschaltete Wärmerückgewinnung, bei Außentemperatur +2 °C)
• spezifische Leistungsaufnahme Ventilatoren < 0,40 W/(m³/h)

Gebäude

• Gebäudedichtheit: n₅₀ < 1 h^-1
• Wärmeschutz: Luftheizung für Effizienzhaus 40/55 oder besser

Fazit

Die Abwärmenutzung mit Wärmeübertrager oder mit Wärmepumpe ist jeweils an bestimmte Wohnungslüftungssysteme (zentral vs. dezentral, Abluft vs. Zu-/Abluft) gekoppelt. Die Einsatzmöglichkeiten hängen damit auch von baupraktischen Aspekten ab.

Im Rahmen des Gebäudeenergiegesetzes bzw. des Gebäudemodernisierungsgesetzes ist die energetische Bilanzierung aller marktüblichen Wohnungslüftungssysteme unter Berücksichtigung der Anlagenparametern, sowie der Gebäudedichtheit und des Lüftungsverhaltens der Nutzenden möglich.

Im Vergleich zwischen Abwärmenutzung durch Wärmeübertrager und durch Wärmepumpe unterscheiden sich Energieeffizienz (WÜT > WP) und Wärmeleistung (WÜT < WP) wesentlich. Die Systemauswahl sollte objektspezifisch mit planerischem Sachverstand unter Beachtung baupraktischer, energetischer und wirtschaftlicher Aspekte erfolgen.

Literaturhinweise

• /1/ www.tzwl.de

• /2/ https://eprel.ec.europa.eu/screen/product/residentialventilationunits

• DIN EN 308: „Wärmeübertrager – Prüfverfahren zur Bestimmung der Leistungskriterien von Luft/Luft- Wärmerückgewinnungskomponenten“, DIN Media GmbH, Berlin, 2023

• DIN EN 13141-7: „Lüftung von Gebäuden – Leistungsprüfungen von Bauteilen/Produkten für die Lüftung von Wohnungen – Teil 7: Leistungsprüfung von mechanischen Zuluft- und Ablufteinheiten mit Luft-führung (einschließlich Wärmerückgewinnung)“, DIN Media GmbH, Berlin, 2022

• DIN EN 13141-8: „Lüftung von Gebäuden – Leistungsprüfungen von Bauteilen/Produkten für die Lüftung von Wohnungen – Teil 8: Leistungsprüfung von mechanischen Zuluft- und Ablufteinheiten ohne Luftführung (einschließlich Wärmerückgewinnung)“, DIN Media GmbH, Berlin, 2023

• DIN V 18599-6: „Energetische Bewertung von Gebäuden – Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung – Teil 6: Endenergiebedarf von Lüftungsanlagen, Luftheizungsanlagen und Kühlsystemen für den Wohnungsbau“, DIN Media GmbH, Berlin, 2018

• DIN/TS 18599-6: „Energetische Bewertung von Gebäuden – Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung – Teil 6: Endenergiebedarf von Lüftungsanlagen, Luftheizungsanlagen und Kühlsystemen für den Wohnungsbau“, DIN Media GmbH, Berlin, 2025