Energieeffiziente Lösungen: Nutzung der Kondensatorabwärme von Luftentfeuchtern für Heizsysteme

Autor: Technische Abteilung von Mycond

Die Integration von Luftentfeuchtern in Heizsysteme und Wärmepumpen durch Nutzung der anfallenden Abwärme gewinnt angesichts steigender Energiepreise in Europa zunehmend an Bedeutung. Für Ingenieure und Planer ist es wichtig, die thermodynamischen Grundlagen dieses Prozesses zu verstehen, um eine solche Integration effektiv anzuwenden und typische Fehler zu vermeiden.

Wärmebilanz eines Kältemittel-Entfeuchters: Quelle der Abwärme

Ein Kälte-Entfeuchter arbeitet nach dem Prinzip, die Luft am Verdampfer unter den Taupunkt abzukühlen. Dabei kondensiert der Wasserdampf an der kalten Oberfläche und die entfeuchtete Luft wird anschließend über den Kondensator geführt, wo sie erwärmt wird. Dieser Prozess erzeugt eine beträchtliche Wärmeenergiequelle, die effizient genutzt werden kann.

Die energetische Wärmebilanz am Kondensator besteht aus drei Komponenten:

• Latente Kondensationswärme der Feuchte – die Energie, die bei der Kondensation von Wasserdampf am Verdampfer freigesetzt wird. Sie wird als Entfeuchtungsleistung (kg/h) multipliziert mit der Verdampfungsenthalpie (kJ/kg) berechnet, die von der Kondensationstemperatur abhängt und etwa 2300–2500 kJ/kg beträgt.
• Arbeit des Kompressors – die elektrische Leistung, die vom Kompressor aufgenommen und in Wärme umgewandelt wird. Dieser Wert wird den technischen Daten des Entfeuchters entnommen oder im Rahmen der Analyse des Kältekreises berechnet.
• Fühlbare Wärme der Luft – zusätzliche Erwärmung der Luft, die den Entfeuchter durchströmt; abhängig von Konstruktion und Betriebsweise.

Im h-d-Diagramm lässt sich der psychrometrische Entfeuchtungsprozess als sequentielle Luftabkühlung bis zum Taupunkt, Entfeuchtung durch Kondensation am Verdampfer und Erwärmung der entfeuchteten Luft am Kondensator beschreiben. Der Temperaturanstieg der Abluft wird durch das Verhältnis der Wärmekapazität des Kondensators zum Massenstrom der Luft bestimmt.

Theoretische Grundlagen der Abwärmenutzung: Potenzial des Kondensators und Temperaturniveaus

Es ist wichtig, den Unterschied zwischen der Kondensationstemperatur des Kältemittels und der Temperatur des Wärmeträgers zu verstehen. Die Kondensation des Kältemittels erfolgt bei einer Temperatur, die von der Temperatur des Kühlmediums (Luft oder Wasser am Kondensator) plus der Temperaturdifferenz des Wärmetauschers abhängt. Bei einem luftgekühlten Kondensator in einem Raum mit 25°C kann die Kondensationstemperatur 35–45°C betragen. Bei einem wasserseitigen Kondensator mit 30°C Wassertemperatur kann die Kondensationstemperatur 40–50°C betragen.

Der COP (Coefficient of Performance) eines Entfeuchters hat zwei Definitionen:

• Thermischer COP = Wärme am Kondensator / Kompressorarbeit – Verhältnis der Wärmeabgabe zum Stromverbrauch.
• Kälteleistungs-COP = Wärme am Verdampfer / Kompressorarbeit – Verhältnis der Kälteleistung zum Stromverbrauch.

Für Entfeuchter wird in Katalogen häufig der SMER (Specific Moisture Extraction Rate) in Litern pro Kilowattstunde oder Kilogramm pro Kilowattstunde angegeben, was ein anderer Kennwert als der COP ist.

Im Vergleich zu einer Luft-Wasser-Wärmepumpe hat der Entfeuchter einen Vorteil: Er entzieht Wärme aus der Innenluft (20–25°C), während die Wärmepumpe mit Außenluft arbeitet, deren Temperatur im Winter zwischen –10°C und +10°C liegen kann. Dies verschafft dem Entfeuchter stabilere Betriebsbedingungen am Verdampfer.

Bei korrekter Auslegung des Wärmetauschers und Abstimmung der Temperaturniveaus kann ein Großteil der Kondensatorwärme in eine sinnvolle Last überführt werden. Allerdings verringert eine Erhöhung der Kondensationstemperatur bei steigender Kühlwassertemperatur die Effizienz des Kältekreises.

Integrationsschemata: drei grundlegende Ansätze

Es gibt drei grundlegende Schemata zur Integration von Entfeuchtern in Heizsysteme:

1. Separater wasserführender Wärmetauscher

Dies ist ein Platten- oder Rohrbündelwärmetauscher auf der Kondensatorseite. Die heiße Seite – Kältemittel oder Luft nach dem Kondensator (je nach Entfeuchterkonstruktion). Die kalte Seite – Wasser des Heizsystems oder der Brauchwarmwasserbereitung. Hydraulisch wird das System an die Rücklaufleitung der Heizung oder an den BWW-Kreis mit Umwälzpumpe, Ausdehnungsgefäß und Abgleichventilen angeschlossen.

Vorteile: Einfachheit, Möglichkeit der Nachrüstung bestehender Anlagen.

Nachteile: zusätzlicher hydraulischer Widerstand, separate Umwälzpumpe erforderlich.

2. Kaskadenschaltung mit Wärmepumpe

Der Entfeuchter erwärmt das Wasser von T1 auf T2 (z. B. von 20°C auf 40°C), und die Wärmepumpe erhitzt weiter von T2 auf T3 (z. B. von 40°C auf 60°C) für die Brauchwarmwasserbereitung. Dazwischen wird ein Pufferspeicher installiert, um die Betriebsweisen zu glätten.

Vorteile: Entlastung der Wärmepumpe, Erhöhung des Gesamt-COP des Systems, da die Wärmepumpe mit vorgewärmter Quelle arbeitet.

Nachteile: komplexere Automatisierung, notwendige Abstimmung der Betriebsarten beider Geräte.

3. Direkte Niedertemperatur-Verbraucher

Die Kondensatorwärme wird direkt für Niedertemperaturverbraucher genutzt: Fußbodenheizung (30–40°C), Vorerwärmung der Zuluft in der Lüftung (20–30°C) oder Beheizung eines Schwimmbads (26–30°C).

Vorteile: gut abgestimmte Temperaturniveaus, maximale Nutzung ohne zusätzliche Ausrüstung.

Nachteile: Vorhandensein von Niedertemperaturverbrauchern am Objekt erforderlich.

Die Wahl des Schemas hängt von den vorhandenen Verbrauchern, deren Temperaturniveau und dem jahreszeitlichen Betriebsprofil ab.

Kompatibilität verschiedener Wärmeverbraucher mit dem Entfeuchter:

• Fußbodenheizung (30–40°C) – gute Kompatibilität, direkte Anbindung möglich
• Brauchwarmwasser (55–60°C) – eingeschränkte Kompatibilität, Kaskade oder Nacherwärmung erforderlich
• Radiatoren (50–70°C) – eingeschränkte Kompatibilität, nur in Kaskade mit Wärmepumpe sinnvoll
• Schwimmbad (26–30°C) – hervorragende Kompatibilität, idealer Verbraucher ganzjährig

Berechnung der genutzten Wärme: ein detailliertes Beispiel

Betrachten wir ein konkretes Beispiel für ein Schwimmbad:

Eingangsdaten:

• Entfeuchtungsleistung G = 20 kg/h (aus der Berechnung der Feuchteabgabe des Schwimmbads)
• Raumlufttemperatur = 28°C
• Relative Luftfeuchte im Raum = 60%
• Elektrische Leistung des Entfeuchters (aus den technischen Daten) N = 6 kW

Schritt 1: Berechnung der latenten Kondensationswärme

Verdampfungsenthalpie bei 28°C r ≈ 2435 kJ/kg (aus Wasserdampftabellen)

Latente Wärme Q(latent) = G × r = 20 kg/h × 2435 kJ/kg = 48700 kJ/h = 13,5 kW

Schritt 2: Wärmebilanz des Kondensators

Wärme am Kondensator Q(Kondensator) = Q(latent) + N(Kompressor) = 13,5 kW + 6 kW = 19,5 kW

Dies ist die gesamte Wärmeleistung, die am Kondensator abgegeben wird.

Schritt 3: Genutzte Leistung über den wasserführenden Wärmetauscher

Wir nehmen einen Wirkungsgrad des Wärmetauschers von 80% an (realistischer Wert 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 Wassers für das Schwimmbad

Wasserstrom durch den Wärmetauscher m = 0,5 kg/s (ausgewählt nach Temperaturdifferenz und Hydraulik des Kreises)

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

Ist die Eintrittstemperatur des Wassers 26°C, beträgt die Austrittstemperatur 33,4°C – geeignet zur Beckenbeheizung.

Schritt 5: Wirtschaftlicher Effekt für die Schwimmbadheizung

Ohne Abwärmenutzung würde die gesamte Beckenheizung durch einen Gaskessel oder Elektroheizer erfolgen.

Mit der Nutzung von 15,6 kW „kostenloser“ Wärme wird die Last des Hauptwärmeerzeugers reduziert.

Die jährliche Einsparung hängt von den Betriebsstunden des Entfeuchters, den Energiepreisen für Gas oder Strom und dem Vorhandensein alternativer Wärmequellen ab.

Saisonale Nutzung: Winter, Übergangszeit, Sommer

Die Effizienz der Integration des Entfeuchters in das Heizsystem variiert im Jahresverlauf:

Winterbetrieb: Die Kondensatorwärme wird vollständig für Heizung oder Schwimmbadbeheizung genutzt. Der Entfeuchter arbeitet nach Feuchte-Sollwerten, und die Wärme wird vollständig genutzt, ohne in den Raum abgegeben zu werden. Handelt es sich um eine Niedertemperaturheizung (Fußbodenheizung), kann das System autonom arbeiten. Wird eine höhere Temperatur benötigt (BWW), liefert der Entfeuchter eine Grundtemperierung bis 45–50°C, die Nachheizung erfolgt durch Kessel oder Wärmepumpe.

Übergangszeit (Frühling–Herbst): Ein Teil der Wärme wird genutzt, solange Heizbedarf besteht; ein anderer Teil kann überschüssig sein, wenn die Heizung bereits abgeschaltet ist, die Entfeuchtung aber weiterläuft. Erforderlich ist ein Umschaltsystem – ein automatisches 3-Wege-Ventil, das die Wärme entweder in die Heizung, auf Abfuhr (wenn keine Heizung benötigt wird) oder in den Pufferspeicher leitet.

Sommerbetrieb: Gibt es einen ganzjährigen Verbraucher (Schwimmbad, Prozesswärme), wird die Wärme dorthin geleitet. Fehlt ein Verbraucher, ist ein System zur Wärmeabfuhr erforderlich (Dry Cooler, Kühlturm) oder die Abschaltung des Wasserkreises; dann gibt der Entfeuchter die Wärme in den Raum ab, was die Last der Klimaanlage erhöht.

Für die Automatisierung werden Temperaturfühler am Vor- und Rücklauf jedes Kreises eingesetzt; die Ventilsteuerung erfolgt nach einem vorgegebenen Algorithmus über einen programmierbaren Regler oder ein DDC-System.

Einfluss der Integration auf die Entfeuchtungseffizienz: Kondensationstemperatur und Leistung

Eine Erhöhung der Kühlwassertemperatur am Kondensator führt zu einer höheren Kondensationstemperatur des Kältemittels und damit zu einem Anstieg des Kondensationsdrucks. Dies verringert wiederum den Massenstrom des Kältemittels durch den Kompressor, senkt die Kälteleistung des Verdampfers und folglich die Entfeuchtungsleistung.

Das Ausmaß der Leistungsreduktion hängt vom Kompressortyp, Kältemittel und den Ausgangsbedingungen ab. Bei typischen Scroll-Kompressoren mit R410A kann eine Erhöhung der Kondensationstemperatur um 10 K zu einer Verringerung der Massenförderung des Kompressors führen, was die Entfeuchtungsleistung proportional reduziert. Exakte Werte sind den Kompressordiagrammen des jeweiligen Modells zu entnehmen.

Ein Kompromiss ist die Begrenzung der maximalen Wärmeträgertemperatur am Austritt. Wenn z. B. für BWW 55°C benötigt werden, der Entfeuchter aber nur bis 45°C effizient arbeiten kann, ohne dass die Leistung kritisch abfällt, ist eine Kaskadenschaltung sinnvoll: Der Entfeuchter erwärmt von 20°C auf 45°C, Wärmepumpe oder Kessel heizen von 45°C auf 55–60°C nach.

Systeme mit Inverterregelung des Kompressors können den Leistungsabfall teilweise durch höhere Drehzahl kompensieren, erhöhen dabei jedoch den Stromverbrauch. Es gilt, ein Gleichgewicht zwischen Leistung und Energieverbrauch zu finden.

Wann die Integration ingenieurtechnisch sinnvoll ist: Anwendungskriterien

Die Integration eines Entfeuchters in ein Heizsystem ist sinnvoll, wenn ALLE folgenden Bedingungen erfüllt sind:

1. Stabile Feuchteabgabe: Der Entfeuchter läuft nicht nur sporadisch, sondern mindestens 10–15 Stunden pro Tag über 6 oder mehr Monate im Jahr (Schwimmbäder, Wäschereien, Trockenzonen, Gemüselager, pharmazeutische Produktion).
2. Vorhandensein eines kontinuierlichen Niedertemperatur-Wärmeverbrauchers (bis 50°C): Fußbodenheizung, Schwimmbadbeheizung, Zuluftvorwärmung, Niedertemperatur-Radiatoren, Prozesswärme.
3. Lösung für den Sommerbetrieb: ganzjähriger Verbraucher (Schwimmbad), System zur Wärmeabfuhr (Dry Cooler, Kühlturm) oder abgestimmter Betriebsmodus (Entfeuchter läuft nachts, wenn die Wärme die Tagesklimatisierung nicht stört).
4. Günstiges Leistungs Verhältnis: Die Wärmeleistung des Entfeuchters beträgt mindestens 20–30% der Grundwärmelast des Objekts.

Die Integration ist NICHT sinnvoll, wenn:

• Der Entfeuchter nur sporadisch läuft (1–2 Stunden pro Tag) oder ausschließlich im Sommer.
• Keine Niedertemperaturverbraucher vorhanden sind, sondern nur Hochtemperaturheizung (>70°C) oder BWW ohne Möglichkeit einer Kaskade.
• Die Projektökonomie unzureichend ist: Die Integrationskosten (Wärmetauscher, Rohrleitungen, Automatisierung, Montage) übersteigen die Energieeinsparungen von 8–10 Jahren.

Grenzbereiche, in denen die beschriebenen Ansätze nicht funktionieren oder angepasst werden müssen:

• Raumtemperatur unter 15°C (die Entfeuchtungseffizienz sinkt stark).
• Kondensationstemperatur über 60°C (die meisten Haushalts- und Gewerbekompressoren sind für diesen Druck nicht ausgelegt).
• Regionen mit sehr kurzer Heizperiode (unter 3 Monaten).

Typische Planungsfehler: fünf konkrete Fälle

Fehler 1: Ignorieren der Wärmeabgabe des Entfeuchters bei der Berechnung der Kühllast. Folge: Im Sommer kommt die Klimaanlage nicht nach, die Raumtemperatur überschreitet die Vorgaben. Beispiel: Schwimmbad mit einem Entfeuchter und 25 kW Wärmeleistung, aber in der Kühlplanung wurden nur Personenfeuchte und solare Lasten berücksichtigt. Ergebnis: Kälteleistungsdefizit und Überhitzung des Raums.

Fehler 2: Keine Möglichkeit zur Wärmeabfuhr im Sommer. Folge: Der Entfeuchter kann im Sommer entweder nicht arbeiten (Sicherheitsabschaltung wegen hohem Kondensationsdruck) oder überhitzt den Raum. Lösung: Dry Cooler oder sommerlichen Verbraucher (Schwimmbad, Prozesswärme) vorsehen.

Fehler 3: Falsche Auswahl der Wärmeträgertemperatur ohne Analyse der Auswirkungen auf die Entfeuchtung. Beispiel: Der Auftraggeber wünscht 60°C für BWW, der Planer bindet den Entfeuchter direkt ohne Kaskade an. Ergebnis: Die Kondensationstemperatur steigt auf kritische 55–60°C, die Entfeuchtungsleistung sinkt deutlich. Lösung: Kaskadenschema oder Begrenzung der maximalen Wärmeträgertemperatur.

Fehler 4: Fehlender Pufferspeicher in einem System mit variabler Wärmenachfrage. Folge: Betriebsarten sind nicht synchron (Entfeuchter feuchtegeführt, Heizverbraucher temperaturgeführt), häufige Kompressorstarts/-stopps. Lösung: Pufferspeicher 300–500 Liter zur Glättung kurzfristiger Abweichungen.

Fehler 5: Große Entfernungen zwischen Entfeuchter und Verbraucher ohne Berechnung der Wärmeverluste. Beispiel: Entfeuchter im Keller, Verbraucher auf dem Dach, 50 m Leitungslänge, unzureichende Dämmung. Ergebnis: erhebliche Wärmeverluste in den Rohrleitungen. Lösung: Entfeuchter näher am Verbraucher platzieren oder hochwertige Rohrdämmung vorsehen.

Häufige Fragen (FAQ)

Welche Temperaturgrenzen gelten für den Wärmeträger bei der Abwärmenutzung eines Entfeuchter-Kondensators?

Die Mindesttemperatur ist durch die nötige Temperaturdifferenz für den Wärmeübergang (typisch 5–7 K) begrenzt, d. h. nicht unter 15–20°C. Die Maximaltemperatur wird durch den zulässigen Kondensationsdruck des Kompressors bestimmt – für die meisten Entfeuchter mit R410A sollte die Austrittstemperatur des Wärmeträgers 50–55°C nicht überschreiten. Für Brauchwarmwasser (60°C) ist eine Kaskade erforderlich: Der Entfeuchter erwärmt bis 45–50°C, Kessel oder Wärmepumpe heizen die letzten 10–15°C nach.

Kann der Entfeuchter die Heizung vollständig ersetzen?

Für Objekte mit stabiler Feuchteabgabe und Niedertemperaturverbrauchern (Fußbodenheizung 30–40°C, Schwimmbadheizung 28°C) – möglicherweise als Hauptwärmequelle in der Übergangszeit (Frühling–Herbst) und teilweise im Winter. Ein Spitzenlast-Reserveerzeuger ist jedoch stets notwendig. Für gewöhnliche Wohn- oder Büroräume ohne signifikante Feuchteabgabe – nein, da die verfügbare Wärme durch die Entfeuchtungsleistung begrenzt ist: Ist die Feuchteabgabe gering, läuft der Entfeuchter kaum, folglich fehlt gerade dann Wärme, wenn sie am meisten benötigt wird.

Was tun mit der Wärme im Sommer, wenn keine Heizung benötigt wird?

Es gibt drei Optionen:

1. Ganzjährigen Wärmeverbraucher nutzen (Schwimmbad, Prozesswärme)
2. Dry Cooler oder Kühlturm installieren, um Wärme an die Atmosphäre abzuführen
3. Wasserkreis im Sommer abschalten und die Wärme in den Raum abgeben lassen (erfordert höhere Leistung der Klimaanlage)

Wie wird der wirtschaftliche Nutzen der Integration bewertet?

Die Berechnung umfasst mehrere Schritte:

1. Ermittlung der genutzten Wärme über die Heizperiode: Entfeuchtungsleistung × Betriebsstunden × spezifische Kondensationswärme × Nutzungsgrad
2. Bestimmung der ersetzten Energie: Wie viel Energie des Hauptwärmeerzeugers (Gaskessel, Elektrokessel, Wärmepumpe) durch die Entfeuchterwärme substituiert wird
3. Berechnung der jährlichen Einsparung: ersetzte Energie × Differenz der spezifischen Energiekosten
4. Ermittlung der Amortisationszeit: Kapitalkosten des Integrationssystems / jährliche Einsparung

Fazit

Die Integration eines Entfeuchters in ein Heizsystem durch Nutzung der Kondensatorwärme ist eine wirkungsvolle ingenieurtechnische Lösung für Objekte mit stabiler Feuchteabgabe und Niedertemperaturverbrauchern. Es ist keine Universallösung, sondern ein Werkzeug für spezifische Rahmenbedingungen.

Schlüsselvoraussetzungen für den Erfolg:

• Korrekte Wärmebilanz und klare energetische Bilanz des Kondensators
• Abstimmung der Temperaturniveaus (maximale Wärmeträgertemperatur im Einklang mit den Möglichkeiten des Kompressors)
• Lösung für den Sommerbetrieb (Dry Cooler, ganzjähriger Verbraucher oder abgestimmter Betriebsmodus)
• Realistische Erwartungen (Verständnis, dass die Wärmemenge durch die Feuchteabgabe begrenzt ist, nicht durch die Wärmeverluste)

Empfehlungen für Planungsingenieure: Möglichkeit der Abwärmenutzung bereits in der Entwurfsphase prüfen, Option für zukünftige Nachrüstung vorsehen, detaillierte Berechnungen mit konkreten Eingangsdaten durchführen.

Kriterien für die Zweckmäßigkeit der Integration: stabile Feuchteabgabe über 6+ Monate, vorhandener Niedertemperaturverbraucher bis 50°C, Lösung für den Sommer. Wenn mindestens eine Bedingung nicht erfüllt ist, ist eine zusätzliche techno-ökonomische Bewertung erforderlich.

Die Abwärmenutzung des Entfeuchters ist ein ingenieurtechnisches Werkzeug für spezifische Bedingungen, dessen Erfolg von der Planungsqualität, einer detaillierten Wärmebilanz und einer realistischen Wirtschaftlichkeitsrechnung für das konkrete Objekt abhängt.