Langzeituntersuchung: Luft-Luft-Wärmetauscher von hdt: Was ist die Abluft wert?
Wie viel Energie spart eine Anlage zum Reinigen der Abluft, wenn parallel ein Tauscher die in der Luft enthaltene Wärme zurückgewinnt? Eine Untersuchung der Universität Bonn liefert interessante Ergebnisse.
von
Hauke F. Deeken, Alexandra Lengling, Manuel S. Krommweh, Wolfgang Büscher
Immer öfter wird von Schweinehaltern der Einbau einer Anlage zur Abluftreinigung gefordert. Gleichzeitig wächst der Kostendruck durch steigende Preise für Strom und Heizenergie. Einen Ausweg aus der Kostenspirale verspricht die Nutzung der in der Abluft enthaltenen Wärme, z. B. mit einem Luft-Luft-Wärmetauscher. Doch rechtfertigt die Energieeinsparung die höheren Anschaffungskosten? An der Universität Bonn ging man mit einer Langzeituntersuchung dieser Frage nach.
Die Untersuchung war Teil des Forschungsprojektes EnergARA der Uni Bonn, welches vom Land NRW gefördert wurde. Das Projekt des Instituts für Landtechnik umfasste drei Langzeitmessungen mit drei verschiedenen Partnern aus der Industrie.
Das Prinzip der Wärmerückgewinnung
Anlagen zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft von Ställen ermöglichen die Übertragung thermischer Energie auf ein kühleres Medium, z. B. auf den einströmenden Zuluftstrom. Die rückgewonnene Energie kann so erneut genutzt werden.
Das Prinzip eines solchen Wärmetauschers ist schnell erklärt: Im Inneren der Tauscher werden die Zu- und Abluft in dicht aneinander gereihten Röhren im Wirbelstromverfahren gegenläufig vorbeigeführt, so dass die thermische Energie von der warmen Abluft auf die kühlere Frischluft übertragen werden kann. Durch die schraubenförmigen Oberflächen der Kunststoffmodule in den Wärmetauschern wird die Übertragungsfläche vergrößert; das verbessert durch die turbulente Strömung den Wärmeübergang.
Die Firma hdt Anlagenbau hat sich auf den Bau rekuperativer Luft-Luft-Wärmetauscher spezialisiert. Falls eine Reduzierung von Ammoniak in der Abluft verlangt wird, kooperiert das Unternehmen aus Diepholz mit Herstellern zertifizierter Biowäscher, in diesem Fall mit Devrie Technical Solutions aus den Niederlanden.
Welche Effekte diese Kombination hervorbringt, wurde über zwei Jahre auf dem Ferkelerzeugerbetrieb der Familie Förthmann in Bahrenborstel, Niedersachsen, untersucht. Die Messungen fanden von Dezember 2019 bis Dezember 2020 statt. Der Stall verfügt über 4 140 Ferkelaufzuchtplätze, 128 Plätze für die Aufzucht der Jungsauen sowie 110 Plätze im Deckzentrum.
Im Betrieb gelangt die Abluft über eine Unterflurabsaugung aus den Abteilen in einen großen, zentralen Sammelkanal über dem Zentralgang. Von hier aus wird die Abluft zwei Wärmetauschern zugeführt.
Abweichend davon wird bei hohen Luftraten im Sommer die Abluft unmittelbar an den Wärmetauschern vorbei geleitet. Ob nun mit oder ohne Wärmetauscher: In beiden Fällen strömt die Abluft...
Immer öfter wird von Schweinehaltern der Einbau einer Anlage zur Abluftreinigung gefordert. Gleichzeitig wächst der Kostendruck durch steigende Preise für Strom und Heizenergie. Einen Ausweg aus der Kostenspirale verspricht die Nutzung der in der Abluft enthaltenen Wärme, z. B. mit einem Luft-Luft-Wärmetauscher. Doch rechtfertigt die Energieeinsparung die höheren Anschaffungskosten? An der Universität Bonn ging man mit einer Langzeituntersuchung dieser Frage nach.
Die Untersuchung war Teil des Forschungsprojektes EnergARA der Uni Bonn, welches vom Land NRW gefördert wurde. Das Projekt des Instituts für Landtechnik umfasste drei Langzeitmessungen mit drei verschiedenen Partnern aus der Industrie.
Das Prinzip der Wärmerückgewinnung
Anlagen zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft von Ställen ermöglichen die Übertragung thermischer Energie auf ein kühleres Medium, z. B. auf den einströmenden Zuluftstrom. Die rückgewonnene Energie kann so erneut genutzt werden.
Das Prinzip eines solchen Wärmetauschers ist schnell erklärt: Im Inneren der Tauscher werden die Zu- und Abluft in dicht aneinander gereihten Röhren im Wirbelstromverfahren gegenläufig vorbeigeführt, so dass die thermische Energie von der warmen Abluft auf die kühlere Frischluft übertragen werden kann. Durch die schraubenförmigen Oberflächen der Kunststoffmodule in den Wärmetauschern wird die Übertragungsfläche vergrößert; das verbessert durch die turbulente Strömung den Wärmeübergang.
Die Firma hdt Anlagenbau hat sich auf den Bau rekuperativer Luft-Luft-Wärmetauscher spezialisiert. Falls eine Reduzierung von Ammoniak in der Abluft verlangt wird, kooperiert das Unternehmen aus Diepholz mit Herstellern zertifizierter Biowäscher, in diesem Fall mit Devrie Technical Solutions aus den Niederlanden.
Welche Effekte diese Kombination hervorbringt, wurde über zwei Jahre auf dem Ferkelerzeugerbetrieb der Familie Förthmann in Bahrenborstel, Niedersachsen, untersucht. Die Messungen fanden von Dezember 2019 bis Dezember 2020 statt. Der Stall verfügt über 4 140 Ferkelaufzuchtplätze, 128 Plätze für die Aufzucht der Jungsauen sowie 110 Plätze im Deckzentrum.
Im Betrieb gelangt die Abluft über eine Unterflurabsaugung aus den Abteilen in einen großen, zentralen Sammelkanal über dem Zentralgang. Von hier aus wird die Abluft zwei Wärmetauschern zugeführt.
Abweichend davon wird bei hohen Luftraten im Sommer die Abluft unmittelbar an den Wärmetauschern vorbei geleitet. Ob nun mit oder ohne Wärmetauscher: In beiden Fällen strömt die Abluft durch die nachgeschaltete Abluftreinigungsanlage. Bedingt durch den höheren Strömungswiderstand im Wärmetauscher steigt der Leistungsbedarf der Abluftventilatoren. Dieser Mehraufwand wurde bei den Ergebnissen berücksichtigt.
Je höher der Temperaturunterschied zwischen Frischluft und Abluft ausfällt, desto höher ist die thermische Transferleistung der Wärmetauscher. Diesem Grundsatz entsprechend konnten die höchsten Wärmeübertragungen und Energieeinsparungen in der kalten Jahreszeit bzw. in den Wintermonaten erreicht werden.
Die größten Temperaturänderungen im Wärmetauscher konnten bei Frischlufttemperaturen von – 11 °C gemessen werden. Die dabei ermittelte Zulufttemperatur betrug 2,9 °C — damit lag sie fast 14 °C über der Außentemperatur.
Bezogen auf den gemessenen Volumenstrom der Frischluft entspricht der Temperaturunterschied einer Heizleistung von 114 kW. Gemittelt über das Jahr ergaben die Berechnungen eine Heizleistung von
40 kW. Laut Messprotokoll war sogar in den Sommermonaten eine Heizleistung feststellbar. So konnte selbst in den heißen Monaten von Juni bis August Auslastungen der Wärmetauscher bis zu 50 % verzeichnet werden. Hintergrund ist, dass der untersuchte Wärmetauscher unterhalb einer Außentemperatur von 22 bis 25 °C konsequent im Einsatz war. Das ermöglicht, dass die Zuluft auch in kühlen Sommernächten angewärmt in den Stall kam.
Der Temperaturänderungsgrad lag im Mittel bei rund 0,44. Der Änderungsgrad, auch Rückwärmzahl genannt, gibt das Verhältnis der tatsächlichen zur möglichen Temperaturänderung im Wärmetauscher an. Der Wert errechnet sich aus der gemessenen Temperaturerhöhung nach dem Wärmetauscher und der Temperaturdifferenz von warmer Abluft und kalter Frischluft.
Auffällig ist der Nutzen des Tauschers in den Übergangsjahreszeiten — also dann, wenn die Tage warm, die Nächte aber noch bzw. schon wieder sehr kalt sind. Während ohne Wärmetauscher die Differenz zwischen Tageshöchst- und -tiefsttemperatur — auch Temperaturamplitude genannt — hier normalerweise groß ist, war mit Wärmetauscher das Stallklima selbst bei kühlen Außentemperaturen konstant. Durch die Erwärmung der Frischluft konnten die extremen Schwankungen der Tag-Nacht-Temperaturen im Verlauf um bis zu 34 % gedämpft werden.
Der Effekt: Gleichmäßigere Zulufttemperaturen wirken sich in der Regel positiv auf die Gesundheit und das Leistungsvermögen der Tiere aus. Nebenbei sind durch die Erwärmung der Zuluft vor allem im Winter höhere Luftraten möglich, so dass für Mensch und Tier die Schadstoffbelastung der Raumluft gesenkt werden kann.
Die Leistungszahl des Wärmetauschers betrug im Jahresmittel 1 : 7. Mit jeder Kilowattstunde elektrischer Energie, die zusätzlich für die Abluftventilatoren erforderlich war, konnten somit 7 kWh Wärme rückgewonnen werden. Insgesamt sparten so die Wärmetauscher im Versuchsjahr 292 000 kWh thermische Energie ein. Im Vergleich dazu betrug der Mehraufwand an elektrischer Energie 42 000 kWh.
Umgerechnet konnten damit rund 40 000 l Flüssiggas (Energieinhalt: 7,3 kWh/l) und 51 t CO2 eingespart bzw. vermieden werden. Entsprechend des eingesetzten Mehraufwands an Stromkosten (der Kalkulation liegen 25 ct/kWh zugrunde) und bemessen am Wert der rückgewonnenen thermischen Energie ergaben sich für die Wärmerückgewinnung spezifische Heizkosten von 4,75 ct/kWh im Versuchsjahr.
Die Heizkosten der Wärmetauscher lagen in 79 % der Betriebszeit unterhalb der Flüssiggaskosten, die im Versuchsjahr bei durchschnittlich 5,6 ct/kWh lagen. Verrechnet man die Einsparungen beim Gas mit den Mehraufwendungen für Strom, sparte die Technik im Versuchsjahr Energiekosten in Höhe von 5 820 Euro ein. Macht pro Ferkelplatz eine Summe von 1,41 Euro.
Die nachgeschaltete Anlage zur Abluftreinigung reduziert zusätzlich die Freisetzung von Ammoniak, Staub und Gerüchen in die Umwelt. Die eingesparten Heizkosten können die erhöhten Betriebskosten kompensieren, die von der Abluftreinigungsanlage verusacht werden.
Die Auswertungen zeigen, dass unterhalb einer Außentemperatur von 8 °C die Kombination aus Lüftung, Wärmerückgewinnung und Abluftreinigung hinsichtlich ihrer Energiekosten kostenneutral betrieben werden kann. Bei Temperaturen unterhalb dieses Wertes gab es rechnerisch sogar einen Gewinn durch die Wärmerückgewinnung. Letzteres war im Versuchszeitraum in 35 % der Jahresstunden der Fall.
Betrachtet man die aktuell stark gestiegenen Energiepreise, so ergeben sich bei den beschriebenen Energiemengen jährliche Einsparungen an Energiekosten von bis zu 37 000 Euro (Preisszenario April 2022: 17,4 ct/kWh Heizkosten, 32,3 ct/KWh Stromkosten). Das wären 8,96 Euro pro Ferkelplatz im Jahr. 2022 waren die möglichen Kosteneinsparungen somit deutlich größer gegenüber dem Versuchsjahr.
Die Installation der Wärmerückgewinnungsanlage ist mit zusätzlichen Anschaffungs- und Montagekosten verbunden. Gleichzeitig sind Einsparungen möglich, da die Heizungsanlage in der Regel kleiner dimensioniert werden kann.
In einer vereinfachten Beispielrechnung wurden für die Heiz- und Wärmerückgewinnungsanlage Anschaffungskosten von 120 000 Euro angenommen, was bei einer 15-jährigen Abschreibung jährlichen Fixkosten von 8 500 Euro entspricht. Die Fixkosten einer vergleichbaren Stallanlage ohne Wärmetauscher würden aufgrund einer leistungsstärkeren Heizungsanlage bei 7 740 Euro/Jahr liegen (Anschaffungskosten: rund 111 700 Euro).
Die variablen Kosten, also Ausgaben für Strom und Gas sowie Reinigung, Wartung und Reparatur der beiden Anlagen belaufen sich mit Wärmerückgewinnungsanlage auf 33 050 Euro pro Jahr. Ohne Wärmetauscher würden die variablen Kosten bei 38 900 Euro liegen.
Trotz höherer Anschaffungs- und Betriebskosten sparte der Wärmetauscher in einem Jahr rund 5 100 Euro ein. Bei einem von hdt genannten Mehrpreis von 8 300 Euro für die Neuanlage amortisierte sich im Testbetrieb die Investition nach nur 1,6 Jahren.
Wie der Praxistest in einem Betrieb mit Ferkelerzeugung zeigt, spart ein System zur Wärmerückgewinnung aus der Abluft nicht nur in den Wintermonaten Heizenergie ein. So konnte im Testbetrieb der Verbrauch an thermischer Energie deutlich gesenkt werden.
Gleichzeitig ging durch die Substitution fossiler Brennstoffe die CO2-Emission zurück. Durch eine Reduzierung der Temperaturschwankungen, insbesondere in den Übergangsmonaten, wird eine gleichmäßigere Stalllüftung und damit ein konstanteres Raumklima erreicht. Mögliche gesundheitliche Effekte waren nicht Gegenstand der Untersuchungen. Die höheren Anschaffungs- und Unterhaltskosten amortisieren sich schnell, insbesondere wenn die Energiepreise sehr hoch sind.
Die Kombination aus einer Abluft-Wärmerückgewinnung und einer Abluftreinigungsanlage ist sinnvoll, da umwelt- und klimarelevante Emissionen reduziert und das Wohlbefinden der Tiere gesteigert werden können.
Das Forschungsprojekt EnergARA wurde gefördert vom Ministerium für Umwelt, Landwirtschaft, Natur- und Verbraucherschutz des Landes Nordrhein-Westfalen (Kennziffer 41.2019.01).
