Die Basis für ein wirtschaftliches VRF-Klimasystem ist die Planung. Dies gilt in zunehmendem Maße bei steigender Anlagengröße. Hierzu zählen die Entscheidungen über Kühl- und Heizfunktion, die Wahl des passenden Systems, bestehend aus VRF-Außengerät(en) und Inneneinheiten sowie die konkrete Dimensionierung.
Am Anfang steht die Berechnung der Kühllasten für jeden Raum nach VDI 2078/1. Wird das VRF-System auch zum Heizen eingesetzt, ist die Heizlast nach DIN EN 12831/2 zu ermitteln. Auf Basis dieser Daten erfolgt die Auswahl der Inneneinheiten für die Räume, die sich auch an der Innenraumgestaltung und den Designwünschen orientieren. Hierzu steht eine Auswahl an Innengeräten in unterschiedlichen Ausführungen sowie verschiedenen Leistungsstufen als Wand-, Stand- und Truhen-, Deckenunterbau-, Kassetten- sowie Kanaleinbaugerät zur Verfügung. Die Luftverteilung innerhalb des zu klimatisierenden Raumes spielt eine wesentliche Rolle bei der Auswahl der Innengeräte. Hier muss darauf geachtet werden, dass die Luftverteilung und auch die Luftgeschwindigkeit den späteren Anforderungen an den Raum genügen. Halten sich dauerhaft Menschen in diesen Räumen auf, so sollte der Luftstrom während des Kühlbetriebes unterhalb der Decke ausgeblasen werden, im Heizbetrieb dagegen über den Boden.
Die Außeneinheit ist derart zu dimensionieren, dass ihre thermische Leistung so bemessen ist, dass jederzeit ausreichend Leistung abrufbar ist und über die Innengeräte den Räumen zur Verfügung gestellt werden kann. Sicherlich können Gleichzeitigkeitsfaktoren angenommen werden, die sich aus dem Nutzungsverhalten der einzelnen Räume ergeben. Hier sind z. B. Besprechungsräume zu betrachten, die nicht dauerhaft klimatisiert werden. Die Hersteller halten hierfür Planungsunterstützung zur Verfügung. Bei Mitsubishi Electric unterstützt beispielsweise ein Team von Planerberatern die Auslegung und Zusammenstellung objektspezifischer VRF-Technologie.
Ein Thema beim monovalenten Betrieb von Luft/Luft-Wärmepumpen ist die Frage nach dem Abtauverhalten. Damit auch während der Abtauung genügend Heizleistung zur Verfügung steht, sollte ein in zwei Segmente eingeteilter Wärmetauscher im Außengerät zur Verfügung stehen, der wechselseitig abgetaut wird. Diese „Comfort Heating-Lösung“ ist z. B. in Mitsubishi Electric VRF-Anlagen der City-Multi-Serie integriert. Sie gewährleistet, dass jederzeit bis zu 50 % Heizleistung zur Verfügung steht. VRF-Anlagen mit der Zubadan Technologie ermöglichen darüber hinaus einen monovalenten Heizbetrieb auch während sehr niedriger Außentemperaturen von bis zu minus 25 °C.
Eine wichtige Rolle spielen auch die Regelungskomponenten. Dazu zählen die Regelung per Fernbedienung, Temperaturfernfühler bzw. optional I-See-Sensoren an den Innengeräten, eine automatische Nachtabsenkung sowie eine Einzelkostenabrechnung. Die Jahresarbeitszahl (JAZ) gemäß des EEWämeG kann mithilfe einer Zentralsteuerung ermittelt werden.
Wird ein 4-Leiter-System benötigt?
Generell lautet die Regel für die konventionelle Wärmeversorgung: eine Vor- und eine Rücklaufleitung. Das gilt auch für die Kälteversorgung. In der kombinierten Wärme- und Kälteversorgung mit VRF-Technik kann auf eine Leitung verzichtet werden – es wird in der Regel ein 3-Leiter-System verwendet. Alternativen sind 2-Leiter-Systeme, die zum gleichzeitigen Heizen und Kühlen keine dritte Rohrleitung benötigen. In diesem 2-Leiter-System kann simultan gekühlt und geheizt werden. Möglich wird dies durch einen BC-Controller (Kältemittelverteiler), der in der Lage ist, je nach Anforderung dem Innengerät Heißgas zur Verfügung zu stellen, wenn dies Heizleistung benötigt, oder aber flüssiges Kältemittel für den Kühlbetrieb.
Der Unterschied zu 3-Leiter-Systemen besteht zum einen natürlich in der dritten Kältemittel-Rohrleitung. Zum anderen benötigen diese Systeme für jede Klimazone Umschalteinheiten, die vor jedem einzelnen Innengerät oder zentral montiert werden müssen. Es müssen also drei Rohrleitungen und eine Umschalteinheit pro Innengerät geplant werden. Darüber hinaus ist es bei einer Umschaltung zwischen Heiz- und Kühlbetrieb erforderlich die Anlage herunterzufahren, um mit einer zeitlichen Verzögerung die angeforderte Wärme- oder Kälteenergie bereitstellen zu können.
„Es liegt auf der Hand, dass ein 2-Leitersystem mit einem zentralen Kältemittelverteiler sowohl den Installations- als auch Wartungsaufwand vereinfacht“, beschreibt Michael Lechte, Leiter Produktmarketing Mitsubishi Electric, Living Environment Systems. „Über bis zu drei BC-Controller können maximal 50 Innengeräte mit einem gemeinsamen Außengerät über zwei Rohrleitungen verbunden werden.“
Bereits im Vergleich eines Systems mit vier Inneneinheiten und einem Außengerät zeigen sich die Vorzüge des 2-Leitersystems. Während beim 2-Leitersystem mit dem zentral eingesetzten BC-Controller 20 kältetechnische Verbindungspunkte erforderlich sind, benötigen konventionelle 3-Leitersysteme mit den notwendigen vier Umschaltboxen 58 Verbindungspunkte. Die Montage wird dadurch schneller, kostengünstiger und, aufgrund des reduzierten Leckagepotenzials, auch sicherer.
Wartung bei laufendem Betrieb ist wichtig
Dabei ist die Länge der Verbindungsleitungen vom Hersteller begrenzt – bietet aber im Alltagseinsatz nicht wirklich ein Limit: 950 m Gesamtleitungslänge werden abgedeckt. Die Gesamtleistungen derartiger VRF-Anlagen sind neben Hotels, Shops, Büros auch für Großprojekte geeignet: Im Business Park Varna Bulgarien werden z. B. 4,9 MW Kälteleistung und im Torre Agbar Bürotower in Barcelona rund 2,5 MW Kälteleistung mit dieser Technik erreicht.
Größere Anlagen lassen sich auch mit übergeordneten Master-BC-Controllern und ihnen folgenden Slave-BC-Controllern in Form von Erweiterungsbausteinen aufbauen. Dies unterstützt eine objektspezifische Planung der Anlagen-Verschaltung und -Versorgung. Der BC-Controller bietet auch die Möglichkeit, an zentraler Stelle in einem Technikraum platziert zu werden. Das vereinfacht die Wartungsarbeit und erlaubt eine Wartung bei laufendem Betrieb. Auch das ist ein Argument für den Betreiber. Zwingend erforderlich ist ein Technikraum jedoch nicht – auch Zwischendecken werden oft für die Installation verwendet.
„Dazu kommt das energetisch hohe Potenzial durch unser R2-System, bei dem mit nur zwei Rohrleitungen Wärme und Kälte innerhalb eines Gebäudes ausgetauscht, sprich verschoben werden können“, sagt Lechte. „Wärme muss nicht mehr abgeführt, sondern kann für die Warmwasserbereitung oder die Beheizung in anderen Gebäudeteilen verwendet werden. Diese Technik wurde speziell für die Ansprüche moderner Gebäudearchitektur und maximaler Effizienz im Umgang mit zur Verfügung stehender Kälte- und Wärmeenergie entwickelt. Unser Ziel ist es zu verdeutlichen, wie sich mit unseren Produkten ganzheitliche, effiziente Lösungen auf der Basis erneuerbarer Energieträger für die vollständige Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden aufbauen lassen.“
Ist Kältemittel im Gebäude unbedingt erforderlich?
Nein – mittlerweile steht hier auch ein System zur Verfügung, das die Vorzüge einer kältemittel- und einer wassergeführten Technologie verbindet, ohne dabei auf Betriebssicherheit, Komfort sowie die Energieeffizienz des R2-Systems zu verzichten. Das Hybrid-VRF-System bedient sich der R2-Technologie zum simultanen Kühlen und Heizen mit Wärmerückgewinnung. Die höhere Energieeffizienz durch Wärmerückgewinnung ermöglicht Energieeinsparungen von bis zu 40 % im Vergleich zu einem Kaltwassererzeuger.
Im HVRF-System zirkuliert das Kältemittel vom Außengerät bis zu einem Verteiler, dem sogenannten Hybrid-BC-Controller, der in einem Technik- oder Lagerraum untergebracht werden kann. Dort wird die Energie über speziell ausgelegte Platten-Wärmetauscher vom Kältemittel auf Wasser übertragen.
Im Hybrid-BC-Controller werden invertergeregelte Pumpen eingesetzt, die den angeschlossenen Endgeräten die benötigte Energiemenge zur Verfügung stellen. Im Unterschied zum klassischen R2-Wärmepumpensystem fließt das Kältemittel beim Hybrid-R2-Sytem nur zwischen dem Außengerät und dem H-BC-Controller. Ab dem H-BC-Controller wird konditioniertes Wasser zu den Innengeräten geführt, sodass im Gebäude – in den Fluren und Räumen – kein Kältemittel mehr im Rohrnetz und in den Klimageräten als Transportmedium erforderlich ist. Die Rohrleitungen selbst haben kleine Rohrdurchmesser, wie man es von herkömmlichen VRF-Systemen her kennt. Diese können, da Wasser als Transportmedium verwendet wird, aus Werkstoffen wie beispielsweise Kunststoff bestehen. Das senkt die Materialkosten und lässt eine schnellere Montage zu.
Trennung von Kältemittel und Wasserkreislauf
Der Vorteil der Trennung von Kältemittel und Wasserkreislauf durch den Wärmetauscher im H-BC-Controller besteht darin, dass flexibel auf Änderungen bezüglich kommender Kältemittel reagiert werden kann. Lediglich die kältemittelführenden Komponenten werden angepasst. Die Infrastruktur im Gebäude wird davon nicht berührt. „Damit bietet dieses System beim Einsatz von Kältemitteln Planungssicherheit sowie Komfort sowohl in der Beheizung als auch der Kühlung von Gebäuden“, erläutert Lechte die Bedeutung dieser technologischen Neuentwicklung.
Die Planung und Ausführung des HVRF-Systems gestaltet sich einfach, da der Hersteller Mitsubishi Electric bereits alle hydraulischen Komponenten aufeinander abgestimmt hat. So sind beim Hybrid-City-Multi-System beispielsweise keine zusätzlichen Pumpen, Tanks oder Umschaltventile erforderlich. Der invertergeregelte Kompressor im Außengerät verfügt über eine nahezu stufenlose Leistungsregelung und stellt nur die tatsächlich im Gebäude benötigte Leistung zur Verfügung. Das gleiche gilt für die Pumpen im H-BC-Controller, die die umlaufende Wassermenge je nach Leistungsbedarf anpassen und einen Betrieb ohne zusätzliches Vorhaltespeichersystem ermöglichen. Der Gesamtwirkungsgrad des R2-Systems ist durch den Anteil der Wärmerückgewinnung höher als bei konventionellen Systemen und lässt sich durch die Realisierung einer Komplettklimatisierung sowie über eine optimierte Anlagen- und Regelungstechnik noch steigern.
Waren früher noch spezielle Außengeräte für diese Systeme erforderlich, können inzwischen auch bei dem Hybrid-VRF-System Standard-R2-Außengeräte eingesetzt werden. Aktuell stehen Hybrid-BC-Controller für den Anschluss von acht bzw. 16 Innengeräten zur Verfügung. Diese können dann als Master/Slave-Lösung verschaltet werden, sodass bis zu 50 Innengeräte in einem System miteinander verbunden und an einem Außengerät angeschlossen werden können. Mit dieser Technologie lassen sich Komplettanlagen für die Beheizung und Kühlung auf Basis erneuerbarer Energieträger in einem System und bei Kälteleistungen von 22 bis 56 kW und Heizleistungen zwischen 25 und 63 kW abbilden. Jedes einzelne Innengerät kann unabhängig im Heiz- und Kühlbetrieb arbeiten. Wärme, die den zu kühlenden Räumen entzogen wird, wird nicht an die Außenluft abgegeben, sondern zum Beheizen der Räume mit Wärmebedarf verwendet.
Fazit
Die VRF-Technologie hat sich in den vergangenen Jahren gerade auch im Hinblick auf die benötigte, immer höhere Energieeffizienz in der technischen Gebäudeausrüstung zu einem Wachstumsmarkt in der monovalenten Versorgung für die Wärme-, Kälte- und Warmwasserversorgung entwickelt. Mit der VRF-R2- und der HVRF-Technologie existieren zudem Möglichkeiten, mit denen sich effizientere und individuellere Anlagen planen und erstellen lassen.
Info
Bedingungen unbedingt erfüllen
Auf den ersten Artikel zum Thema VRF-Systeme und den Marktchancen für das SHK-Handwerk hat die Redaktion der SBZ Post erhalten vom Bundesinnungsverband des deutschen Kälteanlagenbauerhandwerks (BIV). In seinem Schreiben stellt der Verband heraus, dass das Arbeiten an VRF-Anlagen ausgebildeten Kälteanlagenbauern vorbehalten ist. Weiter weist er darauf hin, dass neben der chemikalrechtlich notwendigen Zertifizierung der Volleintrag in die Handwerksrolle für das Kälteanlagenbauerhandwerk gegeben sein muss. Die Aussagen des BIV decken sich mit den in der SBZ 23/2016 aufgeführten Bedingungen. Ein in der Gebäudetechnik tätiges Handwerksunternehmen muss diese erfüllen, wenn es sich das Geschäftsfeld VRF-Systeme erschließen will.
Info
Den ersten Teil zum Thema VRF-Systeme finden Sie in der SBZ 23/2016 oder online unter
Autor
Dipl.-Kfm. Martin Schellhorn ist Fachjournalist und Inhaber der Fachpresseagentur Kommunikationsmanagement Schellhorn in 45721 Haltern am See. Telefon (0 23 64) 10 81 99 martin.schellhorn@die-agentur.sh www.die-agentur.sh
Die Basis für ein wirtschaftlich arbeitendes VRF-System ist die Planung. Das gilt in zunehmendem Maß bei steigender Anlagengröße.
Bei der Dimensionierung der Außeneinheit können Gleichzeitigkeitsfaktoren berücksichtigt werden, die sich aus dem Nutzungsverhalten der Räume ergeben.
Damit auch während der Abtauung genügend Heizleistung zur Verfügung steht, sollte ein in zwei Segmente eingeteilter Wärmetauscher im Außengerät wechselseitig abgetaut werden.
Bereits im Vergleich eines einfachen Systems mit nur vier Innen- und einem Außengerät zeigen sich die Vorzüge eines 2-Leiter-Systems.
Beim VRF-R2-System muss Wärme in der Klimatisierung nicht abgeführt werden, sondern kann für die Warmwasserbereitung oder Beheizung in anderen Gebäudeteilen genutzt werden.
Im HVRF-System zirkuliert das Kältemittel nur zwischen Außengerät und H-BC-Controller. Von dort aus wird im gesamten Gebäude und allen Innengeräten konditioniertes Wasser als Energieträger eingesetzt.
