Autor: Technische Abteilung Mycond
Moderne gebäudetechnische Systeme erfordern maximale Energieeffizienz, insbesondere vor dem Hintergrund steigender Energiekosten. Ein vielversprechender Ansatz ist die Nutzung der abgeführten Wärme von kältetechnischen Entfeuchtern und deren Integration in Heizsysteme. Dieser Ansatz senkt nicht nur die Luftfeuchte, sondern nutzt zugleich jene Wärme sinnvoll, die sonst ungenutzt an die Umgebung abgegeben würde.
Wärmebilanz eines kältetechnischen Entfeuchters als Quelle nutzbarer Abwärme
Ein kältetechnischer Entfeuchter arbeitet nach dem Prinzip der Abkühlung der Luft unter den Taupunkt, wodurch Wasserdampf kondensiert. Der thermodynamische Kreisprozess umfasst die Abkühlung der Luft am Verdampfer, die Kondensation der Feuchte und die anschließende Erwärmung der Luft am Kondensator.
Die Energiebilanz des Entfeuchters hat eine klare mathematische Struktur. Die am Kondensator freiwerdende Wärme entspricht der Summe aus drei Komponenten:
1. Latente Kondensationswärme des Wasserdampfs – die Energie, die bei der Umwandlung von Wasserdampf in Flüssigkeit frei wird. Sie berechnet sich als Produkt aus Entfeuchtungsleistung (kg/h) und Verdampfungsenthalpie, die von der Kondensationstemperatur abhängt (2300–2500 kJ/kg). Wichtig ist, dass die Verdampfungsenthalpie keine Konstante ist, sondern für die jeweilige Kondensationstemperatur tabellarisch (Dampftafel) bestimmt wird.
2. Kompressorarbeit – die elektrische Leistungsaufnahme des Kompressors. Dieser Wert entstammt den technischen Daten des Entfeuchters oder ergibt sich aus den Parametern des Kältekreises.
3. Sensible Wärme der Luft – zusätzliche Erwärmung der Luft beim Durchströmen des Entfeuchters. Ihre Größe hängt von der Konstruktion und dem Betriebsmodus der Anlage ab.
Im h-x-Diagramm stellt sich der Entfeuchtungsprozess als Abfolge von Zustandsänderungen dar: Zunächst wird die Luft am Verdampfer unter den Taupunkt abgekühlt (dabei sinkt der Feuchtegehalt), anschließend am Kondensator wieder erwärmt (bei konstantem Feuchtegehalt).
Ein konkretes Beispiel: Entfernt der Entfeuchter 20 kg/h Feuchte bei einer Kondensationstemperatur von 28 °C, beträgt die latente Kondensationswärme etwa 20 kg/h × 2435 kJ/kg = 48.700 kJ/h = 13,5 kW. Addiert man die Kompressorarbeit (ca. 6 kW laut Datenblatt), ergibt sich eine gesamte Kondensatorwärmeleistung von rund 19,5 kW.
Theoretische Grundlagen der Wärmerückgewinnung: Potenzial des Kondensators und Temperaturniveaus
Die Effizienz der Wärmenutzung eines Entfeuchters hängt vom Verständnis der Differenz zwischen der Kondensationstemperatur des Kältemittels und der Temperatur des Wärmeträgers ab. Die Kondensation des Kältemittels erfolgt bei einer Temperatur, die über der Temperatur des Kühlmediums (Luft oder Wasser) um die Temperaturdifferenz des Wärmetauschers liegt.
Bei einem luftgekühlten Kondensator in einem Raum mit 25 °C kann die Kondensationstemperatur 35–45 °C betragen. Bei einem wasserseitigen Kondensator mit 30 °C Wasser sind 40–50 °C möglich. Diese Werte sind keine Konstanten, sondern werden für die jeweiligen Betriebsbedingungen berechnet.
Der Leistungskoeffizient (COP) eines Entfeuchters hat zwei gebräuchliche Definitionen:
1. Thermischer COP = Kondensatorwärme / Kompressorarbeit. Dies ist das Verhältnis von Wärmeabgabe zu Stromaufnahme.
2. Kälteleistungs-COP = Verdampferwärme / Kompressorarbeit. Dies ist das Verhältnis von Kälteleistung zu Stromaufnahme.
Zu beachten ist, dass in Entfeuchter-Katalogen häufig der SMER (Specific Moisture Extraction Rate) in l/kWh oder kg/kWh angegeben wird. Er unterscheidet sich vom COP und beschreibt die Effizienz der Feuchteentfernung.
Im Vergleich zu einer Wärmepumpe hat der Entfeuchter den Vorteil, seine Energie dem Innenraum (20–25 °C) zu entziehen, während die Wärmepumpe Außenluft nutzt, die im Winter zwischen −10 °C und +10 °C liegen kann. Das sorgt für stabilere Verdampferbedingungen beim Entfeuchter.
Bei passender Auslegung des Wärmetauschers und abgestimmten Temperaturniveaus lässt sich der überwiegende Teil der Kondensatorwärme einer sinnvollen Nutzung zuführen. Die konkrete nutzbare Wärmemenge hängt von den Systemparametern und der Qualität der Planung ab.
Integrationsschemata: drei Grundansätze
Es gibt drei grundlegende Integrationsschemata für Entfeuchter in Heizsysteme:
1. Separater Wasserwärmetauscher. Einsatz eines Platten- oder Rohrbündelwärmetauschers auf der Kondensatorseite. Heiße Seite – Kältemittel oder Luft nach dem Kondensator (je nach Entfeuchterbauart), kalte Seite – Wasser des Heiz- oder Warmwassersystems. Hydraulischer Anschluss an den Heizungsrücklauf oder den Warmwasserkreislauf über Umwälzpumpe, Ausdehnungsgefäß und Strangregulierventile. Vorteile: Einfachheit, Nachrüstbarkeit. Nachteile: zusätzlicher hydraulischer Widerstand, separater Pumpenbedarf.
2. Kaskadenschaltung mit Wärmepumpe. In diesem Schema erwärmt der Entfeuchter das Wasser von T1 auf T2 (z. B. 20 °C auf 40 °C), die Wärmepumpe erhöht anschließend von T2 auf T3 (z. B. 40 °C auf 60 °C) für die Warmwasserbereitung. Dazwischen befindet sich ein Pufferspeicher zur Entkopplung der Betriebszustände. Vorteile: Entlastung der Wärmepumpe, höherer Gesamt-COP, da die WP mit vorgewärmter Quelle arbeitet. Nachteile: komplexere Regelung, Abstimmung der Betriebsmodi beider Geräte erforderlich.
3. Direkte Niedertemperaturverbraucher. Die Kondensatorwärme wird direkt für Fußbodenheizung (Vorlauftemperatur 30–40 °C), Vorerwärmung der Zuluft in der Lüftung (20–30 °C) oder Beheizung eines Schwimmbads (26–30 °C) genutzt. Vorteile: gut abgestimmte Temperaturniveaus, maximale Nutzung ohne zusätzliche Geräte. Nachteile: solche Niedertemperaturverbraucher müssen am Objekt vorhanden sein.
Die Wahl des konkreten Schemas hängt von vorhandenen Verbrauchern, deren Temperaturniveau und dem jährlichen Betriebsprofil ab.
Die Kompatibilität verschiedener Wärmeverbraucher mit dem Entfeuchter lässt sich wie folgt darstellen:
- Fußbodenheizung: Temperaturniveau 30–40 °C, gute Kompatibilität, direkte Anbindung möglich
- Warmwasserbereitung: Temperaturniveau 55–60 °C, eingeschränkte Kompatibilität, Kaskade oder Nachheizung erforderlich
- Radiatoren: Temperaturniveau 50–70 °C, eingeschränkt, nur in Kaskade mit Wärmepumpe sinnvoll
- Schwimmbad: Temperaturniveau 26–30 °C, ausgezeichnete Kompatibilität, idealer Verbraucher ganzjährig
Berechnung der rückgewonnenen Wärme: detailliertes Beispiel
Betrachten wir ein konkretes Berechnungsbeispiel für ein Schwimmbad.
Eingangsdaten:
- Entfeuchtungsleistung (G): 20 kg/h (aus der Feuchtefreisetzung des Beckens)
- Raumlufttemperatur: 28 °C
- Relative Raumluftfeuchte: 60 %
- Elektrische Leistungsaufnahme des Entfeuchters (N): 6 kW (laut technischen Daten)
Schritt 1: Berechnung der latenten Kondensationswärme.
Verdampfungsenthalpie bei 28 °C (r): ca. 2435 kJ/kg (aus Dampftabellen)
Latente Wärme (Q(latent)) = G × r = 20 kg/h × 2435 kJ/kg = 48.700 kJ/h = 13,5 kW
Schritt 2: Wärmebilanz des Kondensators.
Kondensatorwärme (Q(Kondensator)) = Q(latent) + N(Kompressor) = 13,5 kW + 6 kW = 19,5 kW
Schritt 3: Genutzte Leistung über den Wasserwärmetauscher.
Wir setzen einen Wärmetauscher-Wirkungsgrad von 80 % an (realistisch für einen Plattenwärmetauscher bei korrekter Auslegung)
Genutzte Wärme (Q(genutzt)) = Q(Kondensator) × 0,80 = 19,5 kW × 0,80 = 15,6 kW
Schritt 4: Erwärmung des Beckenwassers.
Wassermassenstrom durch den Wärmetauscher (m): 0,5 kg/s (gewählt nach Temperaturdifferenz und Hydraulik)
Spezifische Wärmekapazität von Wasser (c): 4,19 kJ/(kg·K)
Temperaturerhöhung (ΔT) = Q(genutzt) / (c × m) = 15,6 kW / (4,19 kJ/(kg·K) × 0,5 kg/s) = 7,4 K
Liegt die Eintrittstemperatur des Wassers bei 26 °C, beträgt die Austrittstemperatur 33,4 °C – passend zur Beheizung des Beckens.
Schritt 5: Wirtschaftlicher Effekt für die Beckenheizung.
Ohne Wärmerückgewinnung würde die gesamte Beckenheizung über einen Gaskessel oder Elektroheizer erfolgen. Mit 15,6 kW rückgewonnener Wärme sinkt die Last des Hauptwärmeerzeugers entsprechend, was Energie einspart.
Saisonale Nutzung: Winter, Übergangszeit, Sommer
Die Effizienz der Wärmenutzung eines Entfeuchters variiert über das Jahr. Es sind drei Betriebsmodi zu betrachten:
Winterbetrieb: Die Kondensatorwärme wird vollständig für Heizung oder Beckenbeheizung genutzt. Der Entfeuchter arbeitet feuchtegeführt, die Wärme wird vollständig genutzt, ohne in den Raum abgegeben zu werden. Bei Niedertemperaturheizung (Fußbodenheizung) kann das System autonom laufen, ohne zusätzliche Wärmequelle. Für die Warmwasserbereitung (60 °C) liefert der Entfeuchter eine Grundvorwärmung auf 45–50 °C, die Restanhebung übernimmt Kessel oder Wärmepumpe.
Übergangszeit (Frühling–Herbst): Ein Teil der Wärme kann genutzt werden, solange Heizbedarf besteht; sobald die Heizung abgeschaltet ist, kann Wärme überschüssig sein, während der Entfeuchter weiterläuft. Für eine effiziente Regelung ist eine Umschaltung erforderlich – ein automatisches 3‑Wege‑Ventil, das die Wärme entweder in die Heizung, auf eine Abwärmeabfuhr (falls keine Heizung benötigt wird) oder in einen Pufferspeicher leitet.
Sommerbetrieb: Gibt es einen ganzjährigen Verbraucher (Schwimmbad, Prozesswärme), wird die Wärme dorthin geleitet. Andernfalls ist eine Abwärmeabfuhr erforderlich – Trockenkühler (Dry Cooler), Kühlturm, oder die wasserführende Strecke wird deaktiviert. Im letzten Fall wird die Wärme in den Raum abgegeben, was die Kühllast erhöht.
Eine konkrete Automationslösung kann ein 3‑Wege‑Ventil in Kombination mit einem Trockenkühler sein, mit folgender Logik: WENN die Außentemperatur > 20 °C ODER die Raumtemperatur > 26 °C ODER kein Heizanforderungssignal vom Thermostat vorliegt, DANN wird die Wärme zum Trockenkühler oder in den Raum geleitet, SONST in den Heizkreis.
Hierfür werden Temperatursensoren in Vor- und Rücklauf jedes Kreises benötigt sowie eine Ventilsteuerung nach Algorithmus (programmierbare Steuerung oder DDC-System).
Auswirkungen der Integration auf Entfeuchtungsleistung und Effizienz
Bei der Integration des Entfeuchters in ein Heizsystem ist zu verstehen, wie sich dies auf die Entfeuchtungsleistung auswirkt. Eine höhere Temperatur des Kühlwassers am Kondensator erhöht die Kondensationstemperatur des Kältemittels, was wiederum den Kondensationsdruck steigen lässt. Das führt zu einem geringeren Kältemittelmassenstrom durch den Kompressor, zu reduzierter Kälteleistung des Verdampfers und damit zu einer niedrigeren Entfeuchtungsleistung.
Die Stärke dieses Effekts hängt von Kompressortyp, Kältemittel und Ausgangsbedingungen ab. Bei typischen Scroll-Kompressoren mit R410A kann eine Erhöhung der Kondensationstemperatur um 10 K die Massenförderung des Kompressors merklich reduzieren, was proportional die Entfeuchtungsleistung senkt. Konkrete Werte sind den Diagrammen in den Herstellerunterlagen des jeweiligen Kompressors zu entnehmen.
Eine Kompromisslösung ist die Begrenzung der maximalen Wärmeträgertemperatur am Austritt. Benötigt man z. B. 55 °C für die Warmwasserbereitung, der Entfeuchter kann jedoch ohne kritischen Leistungsabfall nur bis 45 °C betrieben werden, empfiehlt sich eine Kaskade: Der Entfeuchter erwärmt von 20 °C auf 45 °C, die Wärmepumpe erhöht von 45 °C auf 55 °C.
Invertergeregelte Systeme können den Leistungsabfall teilweise durch Erhöhung der Drehzahl kompensieren, dies erhöht jedoch den Stromverbrauch. Daher ist ein optimaler Kompromiss zwischen Leistung und Energieverbrauch anzustreben.
Wann die Integration technisch sinnvoll ist: Anwendungskriterien
Die Integration eines Entfeuchters in ein Heizsystem ist sinnvoll, wenn folgende Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind:
1. Vorhandensein stabiler Feuchtequellen: Der Entfeuchter sollte nicht nur sporadisch, sondern mindestens 10–15 Stunden täglich über 6 oder mehr Monate pro Jahr laufen. Typische Objekte: Schwimmbäder, Wäschereien, Trockenzonen, Gemüselager, pharmazeutische Produktion.
2. Dauerhafter Niedertemperatur-Wärmeabnehmer (bis 50 °C): Fußbodenheizung, Beckenbeheizung, Zuluftvorwärmung, Niedertemperatur-Radiatoren, Prozesswärme.
3. Lösung für den Sommerbetrieb: ganzjähriger Verbraucher (Schwimmbad) oder Abwärmeabfuhr (Trockenkühler, Kühlturm) oder abgestimmte Betriebsweise (Entfeuchter läuft nachts, wenn die Wärme das Tagesklima nicht stört).
4. Angemessenes Leistungsverhältnis: Die Wärmeleistung des Entfeuchters sollte mindestens 20–30 % der Grundheizlast des Objekts betragen; andernfalls rechtfertigt die Komplexität die Investition kaum.
Nicht sinnvoll ist die Integration in folgenden Fällen:
- Der Entfeuchter läuft nur sporadisch (1–2 Stunden pro Tag) oder ausschließlich im Sommer.
- Es fehlen Niedertemperaturverbraucher; es gibt nur Hochtemperaturheizung (>70 °C) oder Warmwasser ohne Kaskadenmöglichkeit.
- Wirtschaftlich nicht vorteilhaft: Die Integrationskosten (Wärmetauscher, Rohrleitungen, Automatik, Montage) übersteigen die Einsparungen von 8–10 Jahren zu aktuellen Tarifen.
Ebenso sind Grenzbedingungen zu beachten, unter denen die genannten Ansätze nicht funktionieren oder angepasst werden müssen:
- Raumtemperatur unter 15 °C: Entfeuchtungsleistung sinkt deutlich aufgrund niedriger Verdampfungstemperatur.
- Kondensationstemperatur über 60 °C: Die meisten Haushalts- und Gewerbekompressoren sind dafür nicht ausgelegt.
- Regionen mit sehr kurzer Heizperiode (unter 3 Monaten): Geringe Betriebsstunden verschlechtern die Amortisation.
Typische Planungsfehler und Empfehlungen
Bei der Planung der Integration von Entfeuchtern in Heizsysteme treten häufig folgende Fehler auf:
1. Ignorieren der Wärmeabgabe des Entfeuchters bei der Kühllastberechnung. Folge: Im Sommer ist die Kälteanlage unterdimensioniert, die Raumtemperatur liegt über dem Soll, es entsteht Unbehagen. Beispiel: Schwimmbad mit einem Entfeuchter von 25 kW Wärmeeintrag, in der Kühlberechnung wurden jedoch nur Personen- und solare Lasten berücksichtigt, nicht die Entfeuchterwärme.
2. Keine Möglichkeit zur Wärmeabfuhr im Sommer. Folge: Der Entfeuchter kann nicht betrieben werden (Sicherheitsabschaltung wegen zu hohem Kondensationsdruck) oder überhitzt den Raum. Lösung: Trockenkühler oder sommerlichen Verbraucher (Schwimmbad, Prozesswärme) vorsehen.
3. Falsche Wahl der Wärmeträgertemperatur ohne Analyse der Entfeuchtungswirkung. Beispiel: Der Auftraggeber verlangt 60 °C Warmwasser, der Planer bindet den Entfeuchter direkt ohne Kaskade ein. Ergebnis: Kondensationstemperatur steigt auf kritische 55–60 °C, Entfeuchtungsleistung fällt, die Sollfeuchte wird nicht gehalten.
4. Kein Pufferspeicher bei variierendem Wärmeverbrauch. Folge: Der Entfeuchter wird feuchtegeführt (Ein/Aus über Hygrostat), der Wärmeverbraucher temperaturgeführt (Thermostat). Das führt zu Betriebsentkopplung, häufigen Starts/Stopps und höherem Kompressorsverschleiß.
5. Große Entfernungen zwischen Entfeuchter und Verbraucher ohne Verlustberechnung. Beispiel: Entfeuchter im Keller, Verbraucher am Dach (50 m Leitung), mit dünner Dämmung (20 mm statt 50 mm). Ergebnis: hohe Leitungsverluste.
6. Überzogene Erwartungen: Entfeuchter als vollwertiger Ersatz für Wärmepumpe oder Kessel. Realität: Ein Entfeuchter liefert nur so viel Wärme, wie Feuchte entzogen wird. Sind die Feuchtequellen klein oder saisonal, ist auch die Wärme gering. Im Winter bei niedriger Innenluftfeuchte arbeitet der Entfeuchter kaum – genau dann fehlt die Wärme am meisten.
7. Vernachlässigung der Wartung des Wasserkreises. Bei hartem, unbehandeltem Wasser bildet sich Kesselstein auf den Wärmetauscherflächen, was die Wärmeübertragung deutlich verschlechtert.
Häufig gestellte Fragen (FAQ)
1. Welche Temperaturgrenzen gelten für den Wärmeträger bei der Nutzung der Kondensatorwärme eines Entfeuchters?
Die Mindesttemperatur wird durch die notwendige Temperaturdifferenz für den Wärmeübergang begrenzt (meist 5–7 K), d. h. praktisch nicht unter 15–20 °C, was in Heizanlagen in der Regel keine Einschränkung ist, da die Rücklauftemperaturen höher liegen. Die Maximaltemperatur wird durch den zulässigen Kondensationsdruck des Kompressors begrenzt. Bei den meisten R410A-Entfeuchtern sollte die Austrittstemperatur des Wärmeträgers 50–55 °C nicht überschreiten. Industriemodelle mit Hochdruckkompressoren können bis 60–65 °C liefern, darüber drohen Abschaltungen oder Schäden am Kompressor.
2. Kann ein Entfeuchter ein Heizsystem vollständig ersetzen?
Bei Objekten mit stabilen Feuchtequellen (Schwimmbäder, Wäschereien, Trockenzonen, Gemüselager) und Niedertemperaturverbrauchern (Fußbodenheizung 30–40 °C, Beckenbeheizung 28 °C) kann der Entfeuchter in der Übergangszeit (Frühling–Herbst) und teilweise im Winter als primäre Wärmequelle dienen – vorausgesetzt, es gibt eine Reservequelle für Kälteperioden. In üblichen Wohn-, Büro- oder Verkaufsräumen ohne nennenswerte dauerhafte Feuchtequellen ist das nicht möglich, da die verfügbare Wärme durch die Entfeuchtungsleistung begrenzt ist.
3. Was tun mit der Wärme im Sommer, wenn keine Heizung benötigt wird?
Drei Optionen: 1) Wärme an einen ganzjährigen Verbraucher führen (Schwimmbad, Prozesswärme); 2) Trockenkühler oder Kühlturm zur Abwärmeabfuhr nutzen; 3) den Wasserkreislauf deaktivieren – dann wird die Wärme in den Raum abgegeben und erhöht die Kühllast.
4. Wie wirkt sich die Integration auf die Entfeuchtungsleistung aus?
Höhere Kühlwassertemperaturen am Kondensator erhöhen die Kondensationstemperatur und den -druck, senken den Kältemittelmassenstrom und damit die Kälteleistung des Verdampfers – folglich sinkt die Entfeuchtungsleistung. Das Ausmaß hängt von Kompressortyp, Kältemittel und Betriebszustand ab. Ein Kompromiss ist die Begrenzung der maximalen Wärmeträgertemperatur am Kondensator-Wärmetauscher (typisch ≤45–50 °C) oder die Nutzung einer Kaskade.
5. Wie lässt sich der wirtschaftliche Effekt der Integration bewerten?
Vorgehen: 1) Bestimmung der rückgewonnenen Wärme über die Heizperiode; 2) Ermittlung der ersetzten Energiemenge; 3) Berechnung der jährlichen Einsparung (ersetzte Energie in kWh × Differenz der spezifischen Energiekosten); 4) Ermittlung der Amortisationszeit (Investitionskosten der Integration / jährliche Einsparung). Konkrete Werte hängen von Betriebsstunden des Entfeuchters, Energiepreisen sowie Ausrüstung und Montagekosten ab.
Fazit
Die Integration eines Entfeuchters in ein Heizsystem oder eine Wärmepumpe durch Nutzung der Kondensatorwärme ist eine effektive ingenieurtechnische Lösung für Objekte mit stabilen Feuchtequellen und Niedertemperaturverbrauchern. Sie ist kein Allheilmittel, sondern ein Werkzeug für spezifische Anwendungsfälle.
Erfolgskriterien sind: korrekte Wärmebilanzierung, klare Energiebilanz des Kondensators, abgestimmte Temperaturniveaus, Begrenzung der maximalen Wärmeträgertemperatur entsprechend den Kompressormöglichkeiten, Lösungen für den Sommerbetrieb (Trockenkühler, ganzjähriger Verbraucher oder abgestimmter Betriebsmodus) sowie realistische Erwartungen an das System.
Empfehlungen für Planungsingenieure: die Möglichkeit der Wärmenutzung stets bereits in der Entwurfsphase prüfen, Einbauräume und Reserven vorsehen, detaillierte Berechnungen mit konkreten Eingangsdaten durchführen und Optionen für zukünftige Nachrüstungen berücksichtigen.
Kriterien der Zweckmäßigkeit: stabile Feuchtequellen über mindestens 6 Monate, vorhandener Niedertemperaturverbraucher (bis 50 °C), Lösung für den Sommerbetrieb. Ist mindestens eine Bedingung nicht erfüllt, ist eine zusätzliche technisch-wirtschaftliche Bewertung erforderlich.
Die Nutzung von Entfeuchterwärme ist kein universeller Ansatz, sondern ein ingenieurtechnisches Werkzeug für spezifische Rahmenbedingungen. Der Erfolg hängt von der Planungsqualität, einer detaillierten Wärmebilanz und einer realistischen Wirtschaftlichkeitsrechnung für das konkrete Objekt ab.
