Kühlen und Heizen mit einem System

Traditionell wird das Heizen, Klimatisieren und Lüften in Bauwerken getrennt geplant. Es zählt zum Standard-Repertoire der technischen Gebäudeausrüstung. Sowohl die technischen als auch die normativen Bedingungen haben sich in den vergangenen Jahren deutlich verändert. Heute sind Lösungen gefragt, die Architekten neue Möglichkeiten bieten und gleichzeitig hohe energetische Anforderungen erfüllen. Wie das gelingen kann, zeigt der Beitrag.

Gebäude müssen aufgrund der klimatischen Bedingungen in Mitteleuropa mit einer Heizanlage ausgestattet sein. Hierfür werden eine Heizzentrale, eine Wärmeverteilung und wärmeabgebende Flächen benötigt. Besteht dann auch die Notwendigkeit der mechanischen Lüftung und der Klimatisierung, sind weitere Systeme einzubringen, die zentrale und dezentrale Geräte sowie ein Verteilsystem bedeuten. Das engt Handlungsspielräume ein. Neue Optionen eröffnen sich, wenn alle Aufgaben in einer Technologie konzentriert sind. Fachplaner haben deshalb in den letzten Jahren vermehrt Konzepte mit VRF-Technologie realisiert, auch variabler Kältemittelmassenstrom genannt.

Simultan im Betrieb

Bei VRF-Anlagen handelt es sich – je nach Auslegung – prinzipiell um Wärmepumpensysteme. Sie decken ihre Energie zum größten Teil aus erneuerbaren Quellen. Jede handelsübliche Klimaanlage entzieht dem Gebäude während dem Kühlen Wärme. Sofern eine Wärmerückgewinnung (WRG) vorhanden ist, sind VRF-Anlagen in der Lage, im Simultanbetrieb zu heizen und zu kühlen. Dabei wird die überschüssige Wärme aus einem Raum einem anderen zugeführt. Die daraus resultierende Energiebilanz ist eine der Grundlagen für die Wirtschaftlichkeit des Gesamtsystems.

Der Komfort einer Anlage für Heizen und Klimatisieren sowie gegebenenfalls der Warmwasserbereitung lässt sich durch eine entsprechende Planung gewährleisten. Für die Ausgestaltung gibt es verschiedene Varianten, wie Zwischendecken-, Decken-, Wand- oder Standgeräte. Soll für das Beheizen ein Flächensystem verwendet werden, lässt sich zwischen VRF-Anlage und Heizung über Module auch eine Übergabe der Wärmeenergie umsetzen. In puncto Geräuschemissionen haben VRF-Geräte herstellerabhängig, zum Beispiel gegenüber Kaltwassererzeugern, Vorteile, was die Planung und Gestaltung einfacher und vielfältiger macht.

Die erforderlichen Außengeräte können ohne Wetterschutz auf dem Dach oder neben dem Gebäude platziert werden. Für gewöhnlich benötigen VRF-Anlagen drei Rohrleitungen, in denen die Wärme- und Kälteenergie über den Energieträger Kältemittel geführt wird. Bei einem von Mitsubishi Electric weltweit patentierten System lässt sich das Ganze mit zwei Rohrleitungen realisieren: Der Transport von flüssigem oder gasförmigem Kältemittel erfolgt in einer gemeinsamen Leitung. Getrennt werden diese zwei Phasen in einem Kältemittelverteiler, der das Transportmedium bedarfsgerecht als Heißgas oder Flüssigkeit zur Verfügung stellt.

Hohe Energieeffizienz

Die Grundlage für die Wirtschaftlichkeit bildet die WRG: Während in einem Teil des Gebäudes Wärme reduziert werden muss, wird in einem anderen Bereich Wärme benötigt. Diese lässt sich über das Leitungsnetz verschieben und dadurch sinnvoll einsetzen. Die zum Heizen benötigte Wärmeenergie wird dabei teilweise den Räumen durch Innengeräte entzogen, die im Kühlbetrieb arbeiten. Die weitere, erforderliche Wärmeenergie wird im Wärmepumpenbetrieb aus der Außenluft gewonnen.

Somit besteht einer der Vorteile der VRF-Technologie darin, dass dieselbe Anlage effizient zum Heizen und/oder Kühlen eingesetzt werden kann. Im Vergleich zu einem konventionellen 4-Leiter-Kaltwasser System ist ein geringerer Aufwand bei Planung und Anlagenaufbau sowie bei der Regelungstechnik notwendig. In Kombination mit einer WRG ermöglicht es Energieeinsparungen von bis zu 50 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen, getrennt arbeitenden Systemen.

Das Kältemittel ist wesentlicher Bestandteil von VRF-Klimasystemen und elementar für den Wärmeübertrag in einer Kälteanlage. Es soll umweltfreundlich, wirtschaftlich und energieeffizient sein. Darüber hinaus gilt es, weitere Eigenschaften wie eine hohe volumetrische Kälteleistung und ein geringes CO!SUB(2)SUB!-Potential, zu erfüllen. EU-Vorschriften führen dazu, dass etablierte Kältemittel mit hohem Global Warming Potential (GWP) nach und nach aus dem Markt gedrängt werden. Das Kältemittel R32 (Difluormethan, GWP 675) der Sicherheitsgruppe A2L kann deshalb eine Alternative für Anwendungen darstellen, in denen bislang das Kältemittel R410A (Gemisch aus R32 und R125, Pentafluorethan, mit einem GWP von 2.088) zum Einsatz kam. R32 weist ein geringeres GWP, eine rund 20 Prozent höhere volumetrische Kälteleistung gegenüber 410A sowie eine höhere Effizienz auf.

Reduzierte Kältemittelmenge

Bei der Planung einer neuen Anlage macht es Sinn, die Vorteile von VRF-Systemen mit dem Einsatz klimafreundlicher Kältemittel und reduzierter Kältemittelfüllmengen zu verbinden. Produktlösungen, die dies erfüllen, sind hybride Systeme – beispielsweise das „Hybrid City Multi-System“ (HVRF) von Mitsubishi Electric. Es kombiniert die Vorzüge eines direkt verdampfenden mit denen eines wassergeführten Systems und bietet eine hohe Betriebssicherheit, Komfort und die Energieeffizienz eines 2-Leiter-Systems. Das HVRF kann innerhalb eines Gebäudes weitestgehend ohne Kältemittel arbeiten und mit Low-GWP Kältemitteln betrieben werden.

Der „Hybrid BC-Controller“ (HBC) übernimmt den Wärmeaustausch zwischen kältemittelgeführtem Außenkreislauf und wasserbasiertem Innenkreislauf. Das Kältemittel fließt ausschließlich zwischen dem Außengerät und dem HBC-Controller im Gebäude, zum Beispiel im Technikraum. Von hier aus erfolgt das Verteilen der Energie über das Medium Wasser, wofür der Hersteller die hydraulischen Komponenten des Systems aufeinander abgestimmt hat. Das HVRF eignet sich somit auch für Projekte, bei denen keine Kältemittelleitungen in den Räumlichkeiten gewünscht sind.

Durch den Wärmeträger Wasser kommt die DIN EN 378 zu Kälteanlagen und Wärmepumpen in Einzelräumen nicht zum Tragen. Auch die kältetechnische Dichtheitsprüfung gemäß der F-Gase-Verordnung entfällt an den Innengeräten. Das HVRF-System lässt eine individuelle Wahl der Betriebsart zu – unabhängig von der Jahres-/Tageszeit oder der Außentemperatur. Durch den Wasserkreislauf bietet es stabile, als angenehm empfundene Ausblastemperaturen.

Fazit

Für das Heizen und Kühlen gibt es gemeinsame Systeme auf Basis erneuerbarer Energieträger. Investoren und Nutzer liefern positive Resümees zu diesen VRF-Anlagen, die teils mit mehreren Megawatt Leistung in gewerblichen Gebäuden zum Einsatz kommen. Sie bringen mehr Gestaltungsfreiheit, geringere Investitions- und Betriebskosten gegenüber konventionellen, getrennten Anlagen mit sich. Stand der Technik sind 2-Rohr-Systeme zum gleichzeitigen Heizen und Kühlen mit WRG sowie Hybrid-VRF-Anlagen. Vor allem mit Blick auf die gesetzlichen Anforderungen zum Verringern der Kältemittelmengen und an die Dichtheit eines Rohrnetzes bieten sie Perspektiven.

Michael Lechte Manager Product Marketing Mitsubishi Electric, Living Environment Systems 40882 Ratingen