Wärmetauscher für die Heizung: Funktion, welche Arten es gibt und Kosten

Ein Wärmetauscher ist eine entscheidende Komponente in Heizungssystemen. Er dient dazu, Wärme beispielsweise aus dem Heizkessel auf Wasser zu übertragen. Das ermöglicht es, die Wärme über Heizkörper, Fußbodenheizung und Warmwasser im Gebäude zu verteilen. Welche Arten es gibt, Kosten und Hersteller. 

Was ist ein Wärmetauscher?

Ein Wärmetauscher übertragt die Wärme vom Heizkessel auf ein Transportmedium, meist Wasser. Über den Heizkreis gelangt die Wärme dann dorthin, wo sie gerade benötigt wird, beispielsweise in Form von Warmwasser oder Raumwärme.

Wie funktioniert ein Wärmetauscher?

Die Funktion lässt sich in folgenden Schritten beschreiben:

1. Erhitzung des Heizungsmediums: Ein Heizsystem erhitzt Wasser oder eine andere Transportflüssigkeit in einer Gastherme, Ölheizung oder auch Wärmepumpe. Dadurch wird das Heizungsmedium auf eine hohe Temperatur gebracht.
2. Wärmeübertragung: Der Wärmetauscher ist so konstruiert, dass er in Kontakt mit dem erhitzten Heizungsmedium steht. Dies geschieht oft durch Metallplatten oder Rohre. Die Wärme vom Heizungsmedium überträgt sich auf den Wärmetauscher.
3. Übertragung auf das Zielmedium: Parallel dazu befindet sich das Zielmedium (in der Regel Raumluft oder Warmwasser) in Kontakt mit dem Wärmetauscher. Die Wärme, die der Wärmetauscher aufgenommen hat, überträgt sich auf das Zielmedium.
4. Erwärmtes Zielmedium wird genutzt: Das erwärmte Zielmedium, sei es warme Luft, die in Räume geblasen wird, oder warmes Wasser, das zu Heizkörpern oder Fußbodenheizungen fließt, wird dann genutzt, um Gebäude zu heizen oder Warmwasser bereitzustellen.

Welche Arten es gibt

Ja nachdem, um welche Heizungsanlage es sich handelt, kommen verschiedene Arten von Wärmetauschern zum Einsatz.

Bei einer Luft-Wasser-Wärmepumpe beispielsweise überträgt der Wärmetauscher die Wärme aus der Luft auf das Transportmedium Wasser. Hier gelten andere Anforderung als beispielsweise bei einer Gasheizung, bei der die Wärme vom Heizkessel auf das Transportmedium übertragen wird:

Plattenwärmetauscher

Dieser findet Anwendung in der Heizungs- und Klimatisierungstechnik, um Wärme zwischen dem Heizungsmedium und dem Zielmedium zu übertragen.

Rohrwärmetauscher

Ein Rohrwärmetauscher befindet sich oft in industriellen Heizungsanlagen, um Wärme zwischen verschiedenen Flüssigkeiten auszutauschen. Ein spezielle Form des Rohrwärmetauschers nutzen Fußbodenheizungen.

Luft-Wasser-Wärmetauscher

Dieser findet Verwendung in Wärmepumpen und Klimaanlagen, um Wärme zwischen Luft und Wasser zu übertragen und die Heiz- oder Kühlleistung zu steigern.

Luft-Luft-Wärmetauscher

Ein Luft-Luft-Wärmetauscher findet Verwendung in Klimaanlagen, Lüftungssystemen, Lufwärmepumpen und Wärmerückgewinnungsanlagen. Er überträgt Wärme zwischen zwei Luftströmen, ohne Flüssigkeiten zu verwenden.

Wasser-Wasser-Wärmetauscher

Dieser wird in Systemen für die Geothermie eingesetzt, um Wärme zwischen zwei Wasserströmen zu übertragen, wie z. B. in Erdwärmepumpen oder Wasserkreisläufen. Auch um Wärme aus dem Abwasser zu gewinnen, kommt er zum Einsatz.

Platten-Finnen-Wärmetauscher

Er findet Anwendung in Klimaanlagen und Wärmepumpensystemen zur Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen Luftströmen.

Kosten

Nahezu alle großen Heizungshersteller wie Brötje, Vaillant oder Wolf führen auch Wärmetauscher in ihrem Sortiment. Daneben gibt es einige spezialisierte Anbieter wie SWEP oder Funke. Letztere beispielsweise produzieren ihre Lösungen hauptsächlich für die Industrie. 

Für eine Heizung in einem durchschnittlichen Einfamilienhaus liegen die beginnen die Kosten für einen Wärmetauscher bei 280 Euro. Generell kann aber ein Spektrum zwischen 300 bis 800 Euro in Betracht gezogen werden. Hierbei sind die Montagekosten noch nicht enthalten. 

Arten der Wärmeübertragung

Wärmetauscher werden auch danach unterschieden, wie sie die Wärme übertragen:

Direkte Wärmeübertragung – Trennbare Stoffströme werden mittels kombinierter Stoff- und Wärmeübertragung unterhalten wie bei einem Nasskühlturm.

Indirekte Wärmeübertragung – Stoffströme werden hierbei durch eine wärmedurchlässige Wand gekennzeichnet, wie es bei einem Heizkörper realisiert wird. Diese Klasse wird auch Rekuperatoren genannt.

• Plattenwärmeübertrager
• Spiralwärmeübertrager
• Rohrwärmetauscher bzw. Rohrbündelwärmeübertrager
• U-Rohr-Wärmetauscher
• Wärmerohre
• Mantelrohrwärmeübertrager
• Heizregister bzw. Kühlregister
• Gegenstrom-Schichtwärmeübertrager

Halbindirekte Wärmeübertragung – zeitversetzt werden beide Stoffe mit dem Wärmespeicher in Kontakt gebracht. Im Wechsel erwärmt das heißere Medium den Speicher, während das kalte Medium die Energie aufzunehmen vermag. Zu diesen Regeneratoren gehört das Wärmerad.

• Rotationswärmeübertrager (Luftvorwärmer)
• Schirlingmotor

Dabei hängt das Maß der Wärmeübertragung von der Führung beider Stoffe ab. So ergeben sich auch hier für unterschiedliche bauliche Rahmenbedingungen fünf Formen:

• Gegenstrom – Entgegenkommend strömen beide Stoffe aneinander vorbei. Im Idealfall sollten die Temperaturen der Ströme ausgetauscht werden. Dies ist in der Praxis schwer möglich. Die Wärmerückgewinnung der Heizungsanlage ist ein frequentiertes Anwendungsgebiet.
• Gleichstrom – In gleicher Richtung fließen beide Stoffe nebeneinander, sodass beide Temperaturen angeglichen werden. Eine sichere Kühlung ist hierbei der große Vorteil, während die Materialbelastung durch die Unterschiede der Temperaturen höher liegt.
• Kreuzstrom – Kreuzende Richtungen der Stoffströme ermöglichen akzeptable Ergebnisse des Wärmeaustausches zwischen Gegen- und Gleichstrom. Anwendung findet dieses Modell, um einen der Stoffströme zu einer festgelegten Temperatur zu führen.
• Wirbelstrom – Zwischen zwei verschieden heißen Stoffströmen bewirkt eine Verwirbelung oft rasche Wunder bezüglich der Temperaturangleichung. Nur mit Hilfe einer Trennmöglichkeit der beiden Stoffe – etwa ein Wirbelrohr zur Trennung von kalten und heißen Gasen – ist dies durchführbar.
• Kreuzgegenstrom – Der teilweise parallel und quer verlaufende Charakter des Wärmeaustausches begünstigt einen optimalen Tausch der beiden Ausgangstemperaturen. Diese Modelle sind generell einfacher, strömungsgünstiger und kompakter.

Wärmetauscher weisen, bezüglich der Langlebigkeit und aufgrund der Belastung des Temperaturgefälles, meist Metall als Material auf. Auf dem Absatzmarkt stehen folgende Materialien für Wärmetauscher zur Verfügung:

• Metalle
• Emaille
• Kunststoff
• Glas
• Siliziumkarbid

Oft wird Emaille für industrielle Anwendungen wie die Chemiewerke angewandt. Die Ansprüche hinsichtlich Belastbarkeit, Robustheit und Beständigkeit gegenüber diversen Einflüssen – mechanischer, chemischer und thermischer Art – werden in industriellen Einrichtungen ebenfalls gern mittels Exemplaren aus Stahl gerechtfertigt. Des Weiteren setzten sich für den Klimabereich Aluminium und Kupfer aufgrund von hygienischen Standards und Leichtbauweisen durch. Dagegen fordert die Aggressivität mancher chemischen Bestandteile die Verwendung von Modellen aus veredeltem Kunststoff oder Glas. Insbesondere Wärmetauscher aus Siliziumkarbid sind gegenüber Temperaturen oberhalb von 2200 Grad Celsius noch wirksam, während viele Metalle in ihrer Funktionalität einbrechen.

Wie funktioniert der Austauschprozess

Der Austausch der Temperaturen erfolgt in der Heizungstechnik anstatt unter direktem Kontakt mit Hilfe eines Mediums – einer Flüssigkeit oder einem Gas. Speziell an Heizkörpern funktioniert dies durch eine wärmedurchlässige Wand (Heizkörpermaterial), sodass die Temperatur des erwärmten Heizwassers zum größten Teil an die Raumluft abgegeben werden kann. Das Medium wird nach Abgabe und damit verbundener Abkühlung durch die Rückführung an den Kessel samt Gasflamme (bei einer Gasheizung) oder die Sonden in der Erde (bei einer Erdwärmepumpe) im Strom eines Kreislaufes erneut erwärmt – das Procedere beginnt von neuem. Somit wird beim Wärmetauscher ein einfaches Gesetz der Entropie genutzt: Die Natur möchte stets im Gleichgewicht existieren. Im Fall der Heizungsanlage betrifft dies den Ausgleich des Wärmegefälles. Der Austausch kann dabei über folgende Medien geschehen:

• Wasser
• Gase
• Öle
• Dampf
• alle gängigen Flüssigkeiten und Gase

Vorteile

Bei der Verwendung eines Wärmetauschers kann sich der Nutzer über einige vorteilhafte Aspekte freuen:

• Nutzung der Abwärme
• Minimierung des Energieaufwands
• Senkung der Heizkosten
• Wartungsfreundlichkeit
• Gesteigerte Effizienz
• Kostenfreie Energie aus der Umwelt
• Hoher Wohnkomfort
• Ressourcenschonung
• Kühlung des Ausgangsmediums
• Mehr Wirtschaftlichkeit im Gesamtprozess

Nachteile

Bei einer Entscheidung für einen Wärmetauscher sollten ebenso die Nachteile bekannt sein – im Gegensatz zu den Vorteilen eine kurze Liste:

• Höhere Anschaffungskosten
• Komplizierte Bedienung
• Wirkungslose Anlage bei Öffnung eines Fensters

Hinweis: Zudem bestehen Abhängigkeiten der Effektivität hinsichtlich der Wärmekapazität des Speichermoduls und des Massenstroms.

Welche Einsatzgebiete eignen sich für einen Wärmetauscher?

Einsatzgebiete für Wärmetauscher gibt es einige. Dabei werden hohe Temperaturen entweder abgekühlt beziehungsweise Wärme an kühlere Bauteile weitergeleitet. Zur Schonung von Belastungsgrenzen aufgrund von Überhitzung sowie zur möglichst verlustfreien Weitergabe von Erdwärme an die Umgebung, wie ein Wohngebäude, stellen sich durchaus zahlreiche Anwendungen zur Verfügung. Diese sind nach dem Einsatz der beteiligten Medien unterteilt:

Ein flüssiges und ein gasförmiges Medium

• Raumlufterwärmung per Heizkörper als Konvektor
• Regenerative Wärmerückgewinnung
• Wärmeübertragung zur Warmwassergewinnung in Gasthermen
• Lufterhitzung beziehungsweise -kühlung
• Zuluft in Klimaanlagen
• Speisewasservorwärmung von Dampfkesseln
• Luft-Wasser-Wärmetauscher zur Schaltschrankkühlung
• Ladeluftkühler für Verbrennungsmotoren bei indirekter Ladeluftkühlung

Ein gasförmiges Medium und eines im Phasenübergang (gasförmig / flüssig)

• Wärmeübertragung von Luft im Verdampfer von Wärmepumpen
• Wärmerohr (Heatpipe)
• Verdampfung und Kondensation des Kältemittels bei Klimaanlagen
• Verdampfung in Dampfkesseln von Kohlekraftwerken
• Kondensation bei Dampfturbinen
• Dampferzeugern in Kernkraftwerken
• Wärmeabgabe über Kühlschlange an der Kühlschrankrückseite
• Wärmeübertragung in Kondensationswäschetrocknern

Hinweis: Zudem bestehen Abhängigkeiten der Effektivität hinsichtlich der Wärmekapazität des Speichermoduls und des Massenstroms.

Ein flüssiges Medium und eines im Phasenübergang (gasförmig / flüssig)

• Verflüssiger von Wärmepumpen

Zwei flüssige Medien

• Grundwasserwärmeübertragung für Wärmepumpen
• Wärmeübertragung in Speicherkesseln von Solarthermie
• Wärmeübertragung in Fernwärmenetzen
• Wärmeübertragung in ozeanothermischen Gradientkraftwerken
• Wärmeübertragung in einer Frischwasserstation
• Wärmeübertragung zwischen See- und Kühlwasser von Schiffsdieselmotoren

Info: Die Adern der Pinguinfüße verlaufen wie bei einem Gegenstromwärmetauscher, um den Wärmeverlust bei der Berührung mit dem teilweise eisigen Boden zu minimieren.

Des Weiteren verstehen sich einige Anwendungen für die optimierte Nutzung der thermischen Energie:

• Bleche / Rippen von Hochtemperatur-Heizkörpern
• Abgaswärmenutzung zum Vorwärmen angesaugter Verbrennungsluft

Anklang findet der Wärmetauscher deshalb auch in folgenden Bereichen:

• Heizungstechnik
• Blockheizkraftwerke
• Fernwärmeübergabestationen
• Lüftungsanlagen
• Abwassernutzung
• Getränke- und Lebensmittelindustrie
• Schwimmbadtechnik
• Trinkwassererwärmung
• Industrie und Chemie (Kondensator, Verdampfer, Unterkühler, Überhitzer)

Welcher Wärmetauscher passt zu welcher Heizungsleistung?

Was muss ich beim Kauf beachten?

Beim Kauf eines Wärmetauschers sollte auf einige Aspekte Wert gelegt werden. Dann kann der Einbau in das Heizungssystem unkompliziert und effektiv erfolgen:

• Leistungskennzahlen – Vor allem der Wert der kW/h sollte auf die jeweilige Heizleistung angepasst werden
• Einsatzgebiet – Dieser Punkt beeinflusst das Medium und die Materialauswahl der Wärmetauscher
• Material – Verschiedene Metalle, Edelstahl oder Kunststoffe sind mitunter für ein spezielles Sondereinsatzgebiet konzipiert
• Medium – Strömungsgeschwindigkeit und Viskosität sollten an das Einsatzgebiet angepasst werden
• Fläche – es kommt auf die Aktivfläche des Tauschers an
• Plattentiefe – Sie entscheidet sich nach dem benutzten Medium. Eine mehrschichtige Reihung schafft eine höhere Effizienz
• Verarbeitung – Entscheidung hinsichtlich gelöteter, geschweißter oder geschraubter Platten
• Erweiterbarkeit – Herrscht eine konstante oder wechselnde Heizleistung vor, können sich die Rahmenbedingungen ändern (Vergrößerung / Verkleinerung)
• Garantie – Abseits der handelsüblichen Angebote können Erweiterungen, bis zu 5 Jahren, ausgehandelt werden

Info: Eine hohe Fließgeschwindigkeit sowie eine besonders große benetzte Oberfläche beanspruchen ebenso mehr Energieaufwand.

Tipp: Obacht sollte auch auf einen angemessenen Druckverlust gelegt werden. Bei raschem Druckabfall steigt der Energiebedarf und es kommt zu höheren Betriebskosten.

Welche Fördermöglichkeiten gibt es für Wärmetauscher

Im Sinne der Förderung umweltfreundlichen und regenerativen Energieverbrauchs, bewilligen BAFA und KfW verschiedene Kredite zur Integration moderner Heizungstechnik. Dies schließt die Installation der Brennwerttechnik mit ein. Außerdem werden den Anträgen auf Förderung einer Solarthermieanlage sowie einer Wärmepumpe lohnenswerte Fördermaßnahmen zur Seite gestellt. Somit ist auch die Nachrüstung mittels Wärmetauschers zur Senkung der CO2-Emission und des Energieverbrauchs subventioniert.

Was muss beim Einbau beachtet werden?

Die Integration eines Wärmetauschers in einen bestehenden Heizungskreislauf ist kompliziert. Deshalb sollte dieses Modul bereits bei der Erstmontage der Energieversorgung eingeplant werden. Um jedem Ärger aus dem Weg zu gehen und die erwartete Effizienzsteigerung später auch genießen zu können, sollte auf einen Fachmann zurückgegriffen werden. Speziell bei der Nachrüstung im Altbau muss mit einigen Komplikationen und Mehrkosten gerechnet werden. Bei der Montage des Wärmetauschers sollten zudem folgende Aspekte beachtet werden:

• Gelötete Wärmetauscher nur stehend montieren
• Ausgewiesene maximale Anschlusskräfte einhalten
• Isolierungen gegen Kälte oder Wärmeverlust berücksichtigen
• Filter für Kleinpartikel einbeziehen
• Diffusionsdichte Isolierungen bei Kältetechnik

Tipp: Der störungsfreie Betrieb ist unter Berücksichtigung der Vorgaben des Herstellers gesichert.

Die Nähe zum Heizkessel oder der anderen Energiequelle ist elementar, weil es die Wege verkürzt. Daher sollte im Kellerraum oder in der Nähe der Erdsonde Platz für den Wärmetauscher eingeplant werden – der Platzbedarf ist nicht sonderlich groß.

Nutzen in der Brennwerttechnik

Für die Brennwerttechnik ist der Wärmetauscher unerlässlich. Erfolgt durch ihn die Option einer etwa 30-prozentigen Energieeinsparung durch Nutzung der Abgaswärme nach der Verbrennung. Die aufgefangene Wärme wird hierbei meist in einem Speicher bewahrt. Da das Rücklaufrohr der Heizungsanlage durch dieses Wärmesilo führt, erfolgt eine Vorerwärmung und deshalb eine Senkung der letztendlich aufgewandten Energie.

Wärmetauscher defekt? – Folgende Symptome deuten darauf hin

Von außen ist lässt sich ein defekter Wärmetauscher nur schwer erkennen. Folgende Symptome geben jedoch einen Hinweis:

• Verminderte Heizleistung: Eine der offensichtlichsten Anzeichen für einen defekten Wärmetauscher ist eine verringerte Heizleistung. 
• Unregelmäßige oder ungleichmäßige Heizung: Ein beschädigter Wärmetauscher kann dazu führen, dass einige Heizkörper oder Bereiche im Haus besser funktionieren als andere. 
• Wasserlecks: Wenn der Wärmetauscher undicht ist, kann dies zu Wasserlecks führen. Sie könnten Wasser um den Wärmetauscher herum bemerken oder Anzeichen von Feuchtigkeit oder Wasserschäden in der Nähe des Heizsystems erkennen.
• Verfärbung oder Korrosion: Sichtbare Anzeichen von Korrosion oder Verfärbung können auf ein Problem hinweisen. 
• Geräusche: Ein Defekt kann zu ungewöhnlichen Geräuschen im Heizsystem führen, wie beispielsweise Klopfen, Rasseln oder Zischen.