Dieser Beitrag untersucht, wo der Ansatz der Wärmerückgewinnung mit integrierter Wärmepumpe (HPHR) sinnvoll wird, welche Probleme auf der Baustelle zu erwarten sind und nach welcher technischen Logik Klima- und Anordnungsentscheidungen getroffen werden sollten. In den meisten Anwendungen ist das Hauptziel von HPHR nicht, „den Komfort zu erhöhen“, sondern die Energie der Fortluft konsequenter zu nutzen und so die lüftungsbedingten Heiz- und Kühllasten zu senken. Deshalb darf die Bewertung nicht nur auf Katalogwirkungsgraden beruhen, sondern auf Betriebsrealitäten: Abtauverhalten bei niedrigen Außentemperaturen, Stabilität der Zulufttemperatur und Bedarf an Zusatzheizung.
Außerdem zeigen wir, dass in warmen Klimaszenarien die Anordnung von Verdampfer, Verflüssiger und Wärmeübertrager (Rotor/Platte) entscheidend ist, um die Soll-Zulufttemperatur zu halten. In manchen Architekturen kann eine falsche Anordnung den Beitrag des Rotors senken und den Großteil der Last dem Wärmepumpenkreis überlassen. Der letzte Abschnitt fasst die Auswahllogik von Kreuzstrom-, Gegenstrom- und Rotationswärmeübertragern mit ihren Auswirkungen auf Vereisung, Leckage und Druckverlust (ΔP) zusammen und zeigt, wie die HPHR-Entscheidung auf Systemebene abgeschlossen wird.
Was ist ein Wärmerückgewinnungsgerät mit integrierter Wärmepumpe?
Wärmerückgewinnung mit integrierter Wärmepumpe (HPHR) ist eine integrierte Lösung, die der Fortluft über einen Kältekreis (Wärmepumpe) wirksamer Energie entzieht und sie auf die Außenluftseite überträgt. In der Praxis arbeitet sie meist in Reihe mit einem passiven Wärmeübertrager (Rotor oder Platte): Zuerst gewinnt der passive Übertrager zurück, danach nutzt der Wärmepumpenkreis das „verbleibende Potenzial“. Hersteller begründen diesen Ansatz mit der Integration von „Heizen, Lüften und (falls sinnvoll) Kühlen in einem Gerät“ und mit weniger Montage- und Rohrleitungsaufwand auf der Baustelle [3], [4], [7].
Hauptziel: maximale Wärmerückgewinnung, nicht Komfort
In den meisten Anwendungen ist das Hauptziel von HPHR die maximale Wärmerückgewinnung: die Heizlast der Lüftung senken und die Zuluft bei Bedarf mit weniger Zusatzenergie auf die Solltemperatur bringen. Deshalb greift es in den meisten Projekten zu kurz, HPHR nur als Kühlung zu lesen, etwa als „DX-Kühlung im Lüftungsgerät“. Im realen Betrieb sieht das Hauptszenario meist so aus [1], [7]:
- Hohe Rückgewinnung mit dem passiven Wärmeübertrager (Rotor/Platte),
- „Nachheizen“ oder „Nachkühlen“ mit der Wärmepumpe, wo die passive Rückgewinnung nicht reicht,
- Sicherer Betrieb mit Zusatzheizung, falls unter Extrembedingungen (etwa sehr niedrigen Außentemperaturen) nötig.
Räume und Prozessanforderungen
HPHR-Lösungen werden unter folgenden Bedingungen sinnvoller:
- Anlagen mit hohem Außenluftanteil (100 % Außenluft oder sehr hoher Anteil): Schulen, Büros, Versammlungsräume, Sportstätten, einige Industrieräume und Prozesslüftungen gehören in diese Klasse.
- Gebäude mit dominierender Lüftungslast: Selbst bei geringen internen Lasten sind große Außenluftvolumenströme ein wesentlicher Energieposten, vor allem in der Heizperiode.
- Projekte mit dem Ziel einer Rückgewinnung in Reihe: Im Rahmen von Ökodesign/Eurovent liefert der passive Übertrager die Grundrückgewinnung, der Wärmepumpenkreis zielt auf eine weitergehende Rückgewinnung [1], [2].
- Projekte mit Montage- oder Platzbeschränkungen: Die integrierte Wärmepumpe reduziert Außengeräte und bauseitige Rohrleitungen und kann daher bei Sanierungen und bei wertvoller Dachfläche bevorzugt werden [3], [4], [7].
Anwendungsmotivation (Fokus Wärmerückgewinnung)
- Hohe Zulufttemperatur in der Heizperiode erreichen: Die Reihenfolge passiver Übertrager + Wärmepumpe bringt die Zuluft auf den Sollwert und senkt den Bedarf an Zusatzheizregistern; dieser Punkt wird besonders betont [7].
- Abtaueinfluss in kalten Klimazonen reduzieren: Ist die Vereisungs- und Abtaustrategie richtig ausgelegt, lassen sich abtaubedingte Energie- und Komfortabweichungen begrenzen [6], [7].
- „Kälterückgewinnung“ und integrierte Kühlung im Sommer: Bei manchen Herstellerkonzepten ermöglicht die Anordnung der Wärmepumpenregister die Rückgewinnung von Wärme- und Kälteenergie [7].
Abtauung und Szenarien bei niedrigen Temperaturen
Die Abtauung ist bei wärmepumpenbasierten Lösungen ein kritischer Betriebszustand, sowohl für den Energieverbrauch als auch für die Stabilität der Zulufttemperatur. Der Swegon-Funktionsleitfaden RX/HC definiert mehrere Abtauverfahren gegen Vereisung am Register auf der Abluft-/Fortluftseite: Umkehr des Kältekreises, Unterstützung durch einen Elektro-Lufterhitzer und Unterstützung durch Umluft [6]. Die GOLD-RX/HC-Dokumentation hält außerdem fest, dass das Abtauverfahren nach der Auslegungs-Außentemperatur zu wählen ist; die Abtauung mit Umluftunterstützung ist etwa bis zu tieferen Außentemperaturen einsetzbar [7].
Ähnlich behandeln manche Hersteller das „Abtaumanagement“ nicht nur als Regelfunktion, sondern als Ziel von Anordnung und Produktarchitektur: den Abtaubedarf senken oder vermeiden. IV Produkt gibt an, dass bei der Lösung ThermoCooler HP das Wärmepumpenregister auf der wärmeren Seite des Rotors sitzt, um das Vereisungsrisiko am Register zu senken und den Abtaubedarf unter bestimmten Bedingungen zu minimieren. Für sehr niedrige Auslegungs-Außentemperaturen gilt eine Zusatzheizung (Trim-Heater) als Teil der Auslegung für einen sicheren Betrieb [4], [5].
Bei Systemair ist die Variante Geniox HP DF als Produkt positioniert, das bei niedrigen Außentemperaturen ohne Abtauzyklus arbeitet. Bei der Standardvariante Geniox HP wird die Betriebsgrenze bei tieferen Temperaturen durch ergänzende Maßnahmen wie Zusatzheizung oder Boost-Heater abgesichert [3].
Praktische Auslegungshinweise:
- Die Abtaustrategie ist keine reine „funktioniert / funktioniert nicht“-Frage; Abtaudauer, Abtauhäufigkeit und die Abweichung der Zulufttemperatur während der Abtauung sind Auslegungskriterien [6], [7].
- In kalten Klimazonen beeinflussen die Registeranordnung und die Temperaturniveaus entlang des Luftwegs das Vereisungsrisiko deutlich; manche Hersteller setzen das Register in eine „wärmere Zone“, um unnötige Abtauungen zu vermeiden [5].
Komponentenanordnung und Klimazonen
„Anordnung“ bezeichnet hier die Reihenfolge von Wärmeübertrager (Rotor, Kreuzstrom und ähnliche) und den zwei Wärmepumpenregistern (fortluftseitiges und zuluftseitiges Register) entlang der Luftwege. Selbst bei gleichem Verdichter und gleichem Übertragertyp verändert die Seite des Rotors, auf der die Register sitzen, folgende Größen deutlich [1], [7]:
- Gesamte Rückgewinnungsrate,
- Temperaturhub, gegen den der Verdichter arbeitet,
- Abtauhäufigkeit,
- Potenzial der „Kälterückgewinnung“ im Sommer.
Im Folgenden betrachten wir zwei Klimabedingungen, warm und kalt. Tabelle 1 nennt die Referenztemperaturen der beiden Klimaklassen; die Liste darunter ist ein kurzer Überblick über europäische und türkische Klimazonen.
| Zone | Sommer | Winter |
|---|---|---|
| Warmes Klima | >30 °C | >−5 °C |
| Kaltes Klima | <30 °C | <−5 °C |
Tabelle 1 — Klimazonen, Referenztemperaturen: Sommer- und Winterschwellen der warmen und kalten Klimaklasse.
- Nordwesteuropa – maritim / mild-feucht (häufige, aber relativ leichte Abtauung): Niederlande (Randstad), Belgien (Raum Brüssel), Nordfrankreich (Achse Lille), Westdeutschland (NRW).
- Mitteleuropa – kontinental / mild-kalt (Abtauung wird in Auslegungsstunden kritisch): Süd- und Mitteldeutschland (Bayern), Ostösterreich (Wien), Inner-/Ostfrankreich (Achse Straßburg–Lyon), Norditalien (Mailand).
- Alpenklima – strenger Winter (Abtauung + Vorheizung/Umluft als Teil der Auslegung): Tirol, deutsche, französische und italienische Alpen.
- Mittelmeerküste – warm und oft feucht (starke Motivation für Kälterückgewinnung): Ägäis- und Mittelmeerküste der Türkei, Süditalien/Sizilien, französische Südküste.
- Binnenregionen – heiß-trocken / heiß-kontinental (hohe Trockenkugeltemperatur, relativ geringe latente Last): Zentral- und Südosttürkei (Ankara–Konya; Gaziantep/Şanlıurfa) und vergleichbare Binnenzonen.
Anordnung für kalte Klimazonen
Auslegungsziel: In kalten Klimazonen geht es darum, die höchstmögliche Netto-Rückgewinnung (einschließlich Abtauung und Zusatzheizung) mit dem geringstmöglichen Abtauverlust zu halten.
Das Vereisungsverhalten hängt vom Übertragertyp ab: Eurovent betont, dass bei niedrigen Außentemperaturen ein Kondensations- und Vereisungsrisiko entstehen kann, vor allem bei Plattenwärmeübertragern ohne Feuchteübertragung (nur sensibel). Lösungen mit Feuchteübertragung (Enthalpie/Sorption) senken das Vereisungsrisiko. Dieser Rahmen zeigt, dass sich die Vereisungsgrenze von Rotations- und Sorptionsrotoren je nach Anwendung zu tieferen Temperaturen verschieben kann [1].
Die Lufttemperatur, die das Register „sieht“, ist ein Auslegungsparameter: Die Anordnung der integrierten Wärmepumpenregister bestimmt Temperatur und Feuchtegehalt am Verdampfereintritt und beeinflusst daher direkt den Abtaubedarf. IV Produkt gibt an, dass ein abluftseitiges Wärmepumpenregister auf der wärmeren Seite des Rotors das Vereisungsrisiko unter 0 °C senken kann, mit dem Ziel, unnötige Abtauungen zu vermeiden [5].
Drei Faktoren bestimmen den Nettonutzen:
- Wirkungsgrad des Rotors (Temperatur- und Feuchteübertragung),
- Eintrittszustand am Verdampfer (vor allem T und ω),
- Abtaustrategie (Kreislaufumkehr, elektrische Vorheizung, Umluft und ähnliche).
Wird dieses Trio falsch ausgelegt, kommt das Versprechen „hohe Wärmerückgewinnung“ von der Baustelle als geringe Leistung und hoher Energieverbrauch zurück.
Die Schwäche dieses Anordnungstyps zeigt sich im Kühlbetrieb. Läuft der Verdichter, wird die Austrittsluft des Verflüssigers zur Eintrittsluft des Rotors, daher liegt die Eintrittstemperatur am Rotor auf der Fortluftseite über der auf der Außenluftseite. Deshalb sollte im Kühlbetrieb nur eines von beiden genutzt werden, der Rotor oder das WP-Modul.
Anordnung für warme Klimazonen
In warmen Klimazonen wird HPHR meist mit zwei Motiven begründet:
- Kälterückgewinnung (Cooling Recovery): „Kälteenergie“ aus der Fortluft zurückgewinnen, um die Eintrittsenthalpie der Außenluft zu senken und die Verdichterlast zu reduzieren.
- Integration: Die Komplexität von Außengeräten, Rohrleitungen und Kältekreisen auf der Baustelle senken (vor allem bei begrenzter Dach- und Fassadenfläche) und das Inbetriebnahmerisiko durch eine Kompaktlösung verringern.
Anders als die Anordnung für kaltes Klima darf diese Anordnung nicht unter der Annahme „abtaufrei“ betrachtet werden. Das Register im Fortluftweg nach dem Rotor (im Heizbetrieb meist der Verdampfer) kann Luft unter 0 °C erhalten, und das Vereisungsrisiko steigt. Swegon gibt in der RX/HC-Dokumentation an, dass sich im Heizbetrieb am fortluftseitigen Register Reif bilden kann, und legt die Abtauung nach Außentemperaturbändern fest [7]:
- Bis etwa −5 °C: Die Abtauung durch Kreislaufumkehr allein kann ausreichen.
- Um −10 °C: Ein elektrischer Vorerhitzer vor dem Rotor kommt ins Spiel.
- Bei tieferen Auslegungstemperaturen: Die umluftunterstützte Abtauung wird beschrieben.
Herstellerbeispiele und Temperaturbereiche: „welcher Ansatz für welches Klima?“
Die folgende Übersicht ist ein Interpretationsrahmen, der zeigt, wie Herstellerdokumente ihre Anordnungs- und Betriebslogik begründen. Die realen Projektbedingungen (Volumenstrom, Raumbedingungen, Filterverschmutzung, Regelsequenz, Bypass-/Umluftausstattung des Geräts) beeinflussen das Ergebnis direkt.
| Hersteller / Serie | Anordnungskonzept |
|---|---|
| Swegon – GOLD RX/HC | Rotor + integrierte reversible Wärmepumpe; Zu- und Fortluftregister sitzen in den beiden Luftströmen des Rotors. Im Vergleich zu „module solutions“ argumentiert Swegon, dass diese Anordnung im Heiz- und Kühlbetrieb eine wirksamere Rückgewinnung bietet [7]. |
| IV Produkt – ThermoCooler HP | Integriertes reversibles Wärmepumpenmodul im RLT-Gerät; das Register sitzt auf der „thermal wheel warm side“, um das Vereisungsrisiko zu senken [5]. |
| Systemair – Geniox HP DF / Geniox HP | Rotationswärmeübertrager + integrierte reversible Wärmepumpe; die DF-Variante ist auf „Defrost Free“ und „hohe Wärmerückgewinnung“ ausgerichtet [3]. |
Tabelle 2a — Herstellerbeispiele: Anordnungskonzept.
| Hersteller / Serie | Angegebene Betriebs- / Auslegungstemperaturen |
|---|---|
| Swegon – GOLD RX/HC | Abtauverfahren nach Auslegungs-Außentemperatur: nur Kreislaufumkehr bis −5 °C Auslegungstemperatur; zwischen −5 und −10 °C wird ein Elektro-Lufterhitzer vor dem Rotor empfohlen; Umluftabtauung bis −25 °C Auslegungstemperatur [7]. |
| IV Produkt – ThermoCooler HP | Beispielbetrieb: bei −12 °C Außenluft und 22 °C Abluft kann die Außenluft mit dem Verdichter bei ~60 % auf 20 °C erwärmt werden; angegeben ist ein trockener Temperaturwirkungsgrad von ~88 % [5]. |
| Systemair – Geniox HP DF / Geniox HP | Geniox HP DF: „Heating mode down to −20 °C without preheater“ und „No defrosting cycle required“. Geniox HP: „Heating mode down to −12 °C without preheater“, ein Nachheizregister wird als nötig vermerkt. Bei Auslegungstemperaturen unter −17 °C ist der Boost-Heater laut Angabe serienmäßig [3]. |
Tabelle 2b — Herstellerbeispiele: angegebene Betriebs- und Auslegungstemperaturen.
| Hersteller / Serie | Abtauansatz |
|---|---|
| Swegon – GOLD RX/HC | Im Heizbetrieb kann sich am Abluftregister Reif bilden; die Feuchterückgewinnung des Sorptionsrotors macht die Luft am Register trockener, was als vereisungsmindernder Faktor genannt wird [7]. |
| IV Produkt – ThermoCooler HP | Die Anordnung auf der „warm side“ soll die Vereisung am Register unter 0 °C senken und unnötige Abtauungen vermeiden. Die Herstellerdokumentation nennt zudem „No defrost cycle required“ (unter Projektbedingungen zu prüfen) [5]. |
| Systemair – Geniox HP DF / Geniox HP | Für die DF-Variante wird „kein Abtauzyklus erforderlich“ hervorgehoben. Diese Aussage hängt von der internen Regelsequenz und den Register-/Luftbedingungen ab; sie ist mit der Auslegungssoftware und der Betriebssequenz des Projekts zu prüfen [3]. |
Tabelle 2c — Herstellerbeispiele: Abtauansatz.
Wärmeübertragertypen und Auswahllogik
Der Ökodesign-Rahmen und die Eurovent-Bewertungen machen deutlich, dass die Wahl des Übertragertyps nicht nur eine Frage des Wirkungsgrads ist: Vereisung, Leckage, Druckverlust und Hygiene sind gemeinsam zu betrachten [1], [2].
Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager
Laut Eurovent sind Kreuzstrom-Plattenwärmeübertrager vor allem in größeren Geräten eine verbreitete Lösung; innerhalb derselben Klasse neigen sie jedoch zu einem geringeren Temperaturwirkungsgrad als Gegenstromgeräte. Der Wirkungsgrad lässt sich durch die Reihenschaltung zweier Kreuzstromübertrager steigern [1]. Der Hauptvorteil liegt in der Eignung für große Volumenströme und in der Flexibilität bei Fertigung und Konfiguration. Wird dagegen ein sehr hoher Wirkungsgrad angestrebt, wird die Optimierung von Übertragergröße und Druckverlust (ΔP) schwierig.
In der Familie der Plattenwärmeübertrager wächst zudem mit steigendem Wirkungsgradziel das Kondensations- und Vereisungsrisiko, vor allem bei niedrigen Außentemperaturen; Eurovent weist darauf hin, dass dieses Risiko früher auftreten kann als bei Rotationslösungen [1]. Kreuzstrom-Plattenlösungen sind daher sinnvoll, wenn der Wirkungsgrad auf einem „vernünftigen“ Niveau bleibt und für große Volumenströme eine kompakte, wirtschaftliche Lösung gesucht wird. In sehr kalten Klimazonen muss das Vereisungsmanagement (Bypass, Vorheizung, Regelsequenz) fester Bestandteil der Auslegung sein [1].
Gegenstrom-Plattenwärmeübertrager
Eurovent stellt fest, dass sich mit Gegenstrom-Plattenwärmeübertragern vor allem in kleinen RLT-Geräten sehr hohe Temperaturwirkungsgrade erreichen lassen, ein höheres Wirkungsgradziel aber auch das Vereisungsrisiko erhöhen kann [1]. Der klare Vorteil des Gegenstroms ist das Potenzial für einen hohen Temperaturwirkungsgrad bei richtiger Dimensionierung. Andererseits wird bei hohen Übertragungsgraden die Kondensations- und Vereisungsdynamik im Übertrager kritischer. Das Vereisungsmanagement (Bypass-Strategie, Vorheizbedarf, Betriebs- und Regelkonzept) wird damit zu einem zentralen Auslegungsfaktor [1].
Gegenstrom-Plattenlösungen sind eine starke Option, wenn der Wirkungsgrad das „Hauptziel“ ist und das Gerät klein bleiben soll. Um den Betrieb bei niedrigen Außentemperaturen durchgehend zu sichern, sollte die Vereisungs- und Abtaustrategie jedoch nach Möglichkeit mit den für die Auswahl genutzten Herstellerdaten geprüft werden [1].
Rotationswärmeübertrager
Laut Eurovent bieten Rotationswärmeübertrager einen hohen Temperaturwirkungsgrad, Kompaktheit und (mit geeignetem Rotor) Feuchterückgewinnung; zudem beginnen sie erst bei tieferen Temperaturen zu vereisen als andere Typen, was ein Vorteil sein kann. Eine falsche Ventilatoranordnung oder eine unzureichende Inbetriebnahme kann jedoch die Übertragungs- und Leckagerisiken nach EATR/OACF (Umluftanteil) erhöhen; deshalb werden sie für Anwendungen mit sehr hohen Hygieneanforderungen nicht empfohlen [1].
Fazit (Empfehlung)
Im richtigen Szenario können Lösungen zur Wärmerückgewinnung mit Wärmepumpe die lüftungsbedingten Heiz- und Kühllasten deutlich senken. Der „Erfolg“ hängt jedoch meist weniger von einzelnen Katalogwirkungsgraden ab als von der über das ganze Jahr erreichten Netto-Betriebsleistung.
Die zentralen Parameter für die Nettoleistung sind [3], [5], [6], [7]:
- Die klimatischen Auslegungsbedingungen des Projekts,
- Die Anordnung von Verdampfer, Verflüssiger und Wärmerückgewinnungselement (Rotor/Platte),
- Die Wahl der Abtaustrategie (Kreislaufumkehr, Vorheizung, Umluft und ähnliche),
- Das Management des Zusatzheizungsanteils, der bei sehr niedrigen Außentemperaturen nötig sein kann.
Quellen
- Eurovent AISBL/IVZW/INPA, Eurovent 6/18 – Quality criteria for Air Handling Units (First edition), 2022, https://www.eurovent.eu/wp-content/uploads/eurovent-rec-6-18-quality-criteria-for-air-handling-units-2022-en-2.pdf
- Europäische Kommission, Verordnung (EU) Nr. 1253/2014 – Anforderungen an die umweltgerechte Gestaltung von Lüftungsanlagen, 2014, https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/HTML/?uri=CELEX:32014R1253
- Systemair, Geniox HP – Integrated reversible heat pump and rotary heat exchanger (Produktbroschüre), 2024, https://a.storyblok.com/f/108972/x/aa7e39befa/systemair-geniox-hp-brochure_20240508_.pdf
- IV Produkt, ThermoCooler HP – Integrated reversible heat pump (Produktseite), o. J., https://www.ivprodukt.com/products/integrated-reversible-heat-pump/thermocooler-hp
- IV Produkt, ThermoCooler HP – Integrated reversible DX heat pump for the Envistar range (Broschüre), 2024, https://www.enawent.pl/files/39/2024_1_ThermoCooler_HP_en.pdf
- Swegon, Guide to the GOLD version F/G functions – Reversible heat pump, RX/HC (Funktionsleitfaden), o. J., https://www.swegon.com/globalassets/digizuite/9295-en-funkrxhc_functionguide_en.pdf
- Swegon, GOLD RX/HC – Packaged ventilation, heating and cooling (Broschüre), o. J., https://www.swegon.com/globalassets/digizuite/8450-en-goldrxhc_brochure_en.pdf
- Systemair, Geniox HP (Produktseite), o. J., https://www.systemair.com/en-gb/products/air-handling-units/geniox/geniox-hp
- IV Produkt, Envistar – A flexible range of air handling units with integrated control equipment (Broschüre), o. J., https://www.byggematerialer.dk/envistar-serien-1227674/fil-files/Brochure_Envistar_191017_02_EN.pdf