Wärmerückgewinnung (WRG) ist der Sammelbegriff für Verfahren, die die thermische Energie eines den Prozess verlassenden Massenstroms wieder nutzbar machen. Ziel ist die Senkung des Primärenergiebedarfs: Statt Wärme an die Umgebung abzugeben, wird sie auf einen anderen Stoffstrom übertragen und dort erneut eingesetzt. Die Abwärme liefert dabei die Energie, die zurückgeholt wird.
Drei Systemklassen
- Rekuperative Systeme (Rekuperator): Die Stoffströme bleiben durch eine wärmedurchlässige Wand getrennt. Typischer Vertreter ist der Plattenwärmetauscher.
- Regenerative Systeme (Regenerator): Eine Speichermasse wird abwechselnd vom warmen und vom kalten Medium durchströmt und gibt die Wärme zeitversetzt ab. Typischer Vertreter ist das Wärmerad, auch Rotationswärmetauscher genannt.
- Wärmepumpen: Sie heben das Temperaturniveau der Abwärme an und erschließen damit auch Quellen, die für eine direkte Nutzung zu kalt sind — zum Beispiel die Rückluft luftgekühlter Rechenzentren.
Ergänzend gibt es Wärmerohre, die Wärme ohne Pumpe über Verdampfung und Kondensation transportieren, sowie Bypass-Schaltungen, die den Wärmetauscher bei mildem Wetter umgehen.
Stromführung und Kennzahl
Die Wirksamkeit hängt von der Führung der Stoffströme ab: Beim Gegenstrom strömen warmes und kaltes Medium entgegengesetzt aneinander vorbei, im Idealfall tauschen sie ihre Temperaturen. Gleichstrom und Kreuzstrom erreichen weniger. Gemessen wird die Güte mit der Rückwärmzahl, dem Verhältnis der übertragenen Temperaturdifferenz zur Differenz der Eintrittstemperaturen:
Rückwärmzahl = (Zulufttemperatur - Außenlufttemperatur) / (Ablufttemperatur - Außenlufttemperatur)Ein Beispiel: Bei 0 °C Außenluft, 24 °C Abluft und 19 °C Zuluft ergibt sich (19 - 0) / (24 - 0) = 0,8, also eine Rückwärmzahl von 80 Prozent. In der Praxis erreichen Plattenwärmetauscher 50 bis 80 Prozent und sind bei Luftströmen von etwa 1.000 bis 25.000 Kubikmetern pro Stunde meist die wirtschaftlichste Lösung; Rotationswärmetauscher kommen etwas höher. Wichtig ist, dass die Stoffströme nicht vermischt werden — sonst wandern Feuchte und Verunreinigungen von der Abluft in die Zuluft.
Wärmerückgewinnung im Rechenzentrum
Im Rechenzentrum hängt die nutzbare Temperatur vom Kühlkonzept ab. Klassische Luftkühlung liefert Rückluft von 25 bis 35 °C: zu kalt für eine direkte Einspeisung, gut genug für eine Wärmepumpe oder für die Vorwärmung. Flüssigkeitsgekühlte Systeme mit Heißwasser-Direktkühlung arbeiten dagegen bei 45 bis 60 °C am Bauteil und liefern damit ein Niveau, das sich ohne weitere Anhebung in ein Wärmenetz einspeisen lässt. Die Kühlkette bleibt davon unberührt: Kühlung, Kühlturm und Kühlgrenztemperatur beschreiben weiterhin, wie die Wärme im Haus abgeführt und an die Außenluft abgegeben wird.
Dichte Bauformen wie Rack-Server stellen die höchsten Anforderungen an die Kühlung und liefern zugleich die höchste Abwärmedichte — für die Rückgewinnung ein Vorteil, weil die Quelle konzentriert und kontinuierlich anfällt. Weil der Strombedarf von Anlagen, die ausschließlich der Aufwertung der Abwärme dienen, bei der Energieverbrauchseffektivität nicht mitgerechnet wird, verschiebt eine Wärmepumpe zur Rückgewinnung die Bilanz nicht.
Nutzen und Grenzen
- Weniger Heizenergie: Zurückgewonnene Wärme ersetzt Brennstoff oder Strom für Heizung und Warmwasser.
- Kleinere Anlagen: Heizkessel, Kältemaschinen und Rückkühlwerke können kleiner ausfallen.
- Grenze Temperaturniveau: Ohne Wärmepumpe lässt sich nur bis zur Temperatur der Quelle nutzen; Verluste in Rohrleitungen und Speichern mindern den Ertrag.
- Grenze Gleichzeitigkeit: Fällt Wärmebedarf außerhalb der Betriebszeit an, braucht es einen Pufferspeicher — oder eine saisonale Speicherung der Wärme im Erdreich über Erdwärmesonden.
Abgrenzung
Die Wärmerückgewinnung ist das Verfahren. Die Abwärme ist die Quelle, das Fernwärmenetz der Transportweg zum externen Verbraucher. Die Kennzahl Carbon Usage Effectiveness bewertet die Klimawirkung des Standorts, die Power Usage Effectiveness den Energieaufwand der Infrastruktur.
Verwandte Grundlagen: Kühlung, Rechenzentrum, Abwärme.