Wärme- und Kälteenergie für Zentrallüftungsgeräte

Standen noch vor rund zehn Jahren in erster Linie die Investitionskosten der Technischen Gebäudeausstattung (TGA) im Vordergrund, haben sich die Betriebskosten zu Recht ihren Platz in der Entscheidungskette erkämpft. Denn die Betriebskosten der TGA übersteigen die Erstausgaben in der Anschaffung in der Regel um ein Vielfaches. Dass parallel dazu die gesetzlichen Bestimmungen eine immer höhere Effizienz fordern, ist ein weiteres Argument dafür, sich schon in der Planung Gedanken darüber zu machen, wie sich fixierte Aufgabenstrukturen angehen lassen. Dabei lassen DIN und VDI wenig Spielraum bei der Einbringung entsprechender Frischluftmengen in geschlossene Räume.

Das heißt: Die Alternativen, weitere Effizienz zu heben, können nicht alleine aufseiten der Zentrallüftungsgeräte liegen. Vielmehr ist es erforderlich, sich die Geräteperipherie genau anzusehen, die zum bestimmungsgemäßen Betrieb einer Zentrallüftungsanlage notwendig ist. Hier fallen vor allen Dingen die Wärme- und Kälteversorgung ins Gewicht. In puncto Kälteversorgung stehen unbestritten Kaltwassererzeuger auf Platz Nummer eins der favorisierten Gerätetechnik. Doch neben klaren Vorteilen fallen mittlerweile angesichts der Konkurrenz gerade aus dem Gebiet der Direktverdampfungstechnik die Nachteile von Kaltwassererzeugern immer stärker ins Gewicht.

Nach- und Aufrüstung von Kaltwassererzeugern problematisch

Hier sind es in erster Linie die Baustatik und das benötigte Platzangebot – inklusive der oft notwendigen Pufferspeicher. „Dies betrifft vor allen Dingen auch den Baubestand, in dem bestehende Anlagen aus den unterschiedlichsten Gründen um- oder nachgerüstet werden müssen“, erläutert dazu Dror Peled, General Manager Marketing bei Mitsubishi Electric, Living Environment Systems. „Gerade in der energetischen Sanierung von Lüftungszentralen treffen wir dabei auf die Herausforderung, dass die thermischen Lasten im Gebäude spürbar gestiegen sind. Mehr Computertechnik, Beleuchtung und Menschen sowie eine bessere Gebäudedämmung – all das führt zu deutlich höheren internen Wärmelasten. Zwangsläufig muss dann im Austausch auch ein größerer und somit leistungsfähigerer Kaltwassererzeuger eingesetzt werden. Das ist aber in den ohnehin oft schon sehr beengten Platzverhältnissen von Technikräumen nicht möglich – oder es stehen gewichtige Gründe in puncto Baustatik dagegen.“

Platz sparen

Doch auch im Neubau ist umbauter Raum teuer – gerade in den Technikzentralen, die letztendlich keine direkten Mietzahlungen einbringen. In diesem Dilemma wird oft darauf zurückgegriffen, den Kaltwassererzeuger sowohl im Neubau als auch bei der energetischen Sanierung im Baubestand auf einem Betonsockel neben dem Gebäude im Freien zu platzieren. Dass hierbei zwangsläufig Energie durch die Leitungsführung verloren geht und die wasserführenden Leitungen mit Glykol gegen Frost geschützt werden müssen, ist einleuchtend. Dies reduziert die Effizienz und den Wärmeübergang weiter.

In den letzten Jahren entwickelt sich jedoch die Technik der Direktverdampfungssysteme als gleichzeitige Kälte- und Wärmeversorgung von Zentrallüftungsanlagen. Auch die Gründe dafür liegen auf der Hand. Direktverdampfer lassen sich hinsichtlich ihrer Leistungen äußerst genau auf die benötigten Daten planen. Dabei sind vor allen Dingen Kaskaden eine gängige Lösung – bieten sie doch eine besonders große Modulations-Bandbreite. Generell kann in der Regelung zwischen Leistungs- und Temperatursteuerung unterschieden werden. Beides hat seine Vor- und Nachteile. Weitestgehend durchgesetzt hat sich derzeit die Leistungssteuerung. Hierbei gibt die Regelung der RLT-Anlage den Direktverdampfungsgeräten eine Leistung vor. Die wichtigste Voraussetzung dafür liegt auf der Hand: Die Direktverdampfer müssen ihre Leistung modulierend abgeben. Dies wird durch Inverter-Kompressoren ermöglicht. Sie gewährleisten, dass ein Kompressor nicht ausschließlich im Ein-/Aus-Betrieb gefahren wird, sondern immer mit der genau angeforderten Leistung betrieben wird. Inverter passen sich an die individuellen Bedürfnisse des Gebäudes und die jeweilige Außentemperatur an.

Sanierung in wenigen Schritten

Wie wird die Sanierung und ggf. Leistungserweiterung eines Zentralgerätes mit der angeschlossenen Peripherie durchgeführt? Nach der Demontage des Kaltwassererzeugers gegen Klimatechnik mit den beschriebenen Merkmalen wird zunächst das Zentralregister des Lüftungsgerätes ausgetauscht und erweitert. Zusätzlich wird das vorhandene Wasser-Wasser-Register entfernt und ein Register für den Direktverdampferbetrieb installiert, an das die Außengeräte der Klimatechnik angeschlossen werden. So kann das komplette System aus Zentralgerät mit allen angeschlossenen Endgeräten in den Räumen weiter betrieben werden.

Basis- und Spitzenlast über Direktverdampfer liefern

Üblicherweise liefert die Zentrallüftung jedoch lediglich eine Basislast in puncto Wärme- und Kälteversorgung. Ziel ist in erster Linie die Frischluftversorgung mit vorkonditionierter Zuluft, die sich an den Vorgaben hinsichtlich der benötigten Temperaturen in den Innenräumen orientiert. Darüber hinaus sorgen dann in Hotelzimmern, Büros oder Ladengeschäften im konventionellen Fall weitestgehend frei einstellbare Klimageräte für die dort gewünschte Raumtemperatur.

Doch auch die reine Kalt- sowie auch Wärme- und Warmwasserversorgung eines Gebäudes – beispielsweise eines Hotels – kann darüber hinaus durch Direktverdampfungsanlagen und über zusätzliche Wassermodule abgedeckt werden. Hierzu bieten die Hersteller aufeinander abgestimmte Systeme zur Warm- und Kaltwasserbereitung von 5 bis 45 °C sowie zur Brauchwasserbereitung bis zu 70 °C an. Diese Perspektive führt dann zusammen mit dem zentralen Lüftungsgerät zu einem Komplettsystem der Wärme- und Kälteversorgung in einem Gebäude auf Basis direktverdampfender Systeme.

Eine zentrale Regelung

Von fundamentaler Bedeutung für das effiziente Zusammenspiel und die komfortablen Umgebungsbedingungen von Zentrallüftung und direktverdampfenden Anlagen ist dabei die Kommunikation zwischen den beiden Einheiten. Worauf sollte dann sowohl hierbei als auch bei der Auswahl der Anlagentechnologie der Direktverdampfungssysteme geachtet werden?

Idealerweise wird die Kommunikation über eine einfache zentrale Schnittstelle statt mehrerer Regelbausteine abgedeckt, die in der Lage ist, auch angeschlossene Kaskaden in ihrer breiten Funktionalität einzubinden. Das Maß der Dinge wird dabei sowohl in puncto Effizienz als auch Komfort mit dem einfachen Begriff der Leistungssteuerung abgedeckt. Über die Möglichkeit der Leistungsregelung können die Sensoren und Regelung der Zentrallüftung wie gewohnt die notwendige und gewünschte Zulufttemperatur ermitteln. Daraufhin lässt sich die Leistung der direktverdampfenden Systeme zielgerichtet anpassen und kurz vor dem Erreichen der Wunschtemperatur schrittweise reduzieren.

Hohe Modulation in Kaskaden

Die besondere Intelligenz der Schnittstelle liegt dann in der Regelung der Einsatzzeiten und -bedingungen einer Kaskade. Mitsubishi Electric löst diese Thematik beispielsweise über sein Anschlusskit PAC-IF013 auf, mit dem sich eine Kaskadenregelung für bis zu sechs Außengeräte der Mr.-Slim-Serie umsetzen lässt. Dadurch kann eine Gesamtleistung bis zu 168 kW Kälte- und 189 kW Heizleistung erreicht werden, die bedingt durch die Kaskade über eine äußerst attraktive Modulations-Bandbreite verfügen kann. Reichen diese Leistungen nicht aus, kann auf die VRF-Technologie gesetzt werden, die vergleichbare Funktionalitäten anbietet.

Die Kaskadenregelung erfolgt dabei über ein flexibles Leistungseingangssignal – die 0–10-V-, bzw. 4–20-mA-Schnittstelle oder den ModBus. Die Leistungsabgabe kann dann sehr genau auf die Anforderungen der Zentrallüftungsanlage abgestimmt werden. In zehn Stufen plus „Aus“ erfolgt die Leistungsanpassung und sorgt dabei im Falle einer Kaskade für eine Abstufung im Bereich 20 bis 100 %. Durch die ModBus-Schnittstelle ist darüber hinaus auch ein Zugriff von extern direkt auf das Anschlusskit und seine Daten möglich. Dabei können bei Bedarf die Parameter verändert werden.

Selbstverständlich sollte bei derartigen Regelungen sein, dass u. a. auch ein automatischer Laufzeitausgleich der angeschlossenen Außengeräte erfolgt. Dadurch wird sichergestellt, dass alle Außengeräte gleiche Betriebszeiten haben. Gleichzeitig kann der bestmögliche SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) bzw. SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) durch eine intelligente Steuerung der Anlagen erreicht werden. Hierdurch arbeitet der Gesamtverbund im bestmöglichen Wirkungsgrad. Dies garantiert höchste Effizienz. Details wie ein SD-Kartenslot können zusätzlich interessante Perspektiven im einfachen Betriebs-Monitoring der Gesamt-anlage bieten. So stehen jederzeit beispielsweise bei der Wartung der Anlage oder im Störfall die gesamten Betriebsdaten einfach zur Verfügung.

Die Geräte schützen

Darüber hinaus sollte bei der Auswahl des Anschlusskits darauf geachtet werden, dass Schutzfunktionen für die Außengeräte integriert sind. Dies betrifft insbesondere das Verlassen der individuell vorgegebenen Einsatzbereiche der Gesamtanlage inklusive Zentrallüftungsgerät. Dies können z. B. die Luftmenge oder die Temperatur sein. „Dies ist gerade für den jeweils verwendeten Wärmetauscher im Zentrallüftungsgerät von entscheidender Bedeutung“, erläutert dazu Michael Lechte, Manager Product Marketing Mitsubishi Electric, Living Environment Systems. „Werden die vorgegebenen Spezifikationen doch einmal verlassen, wird mithilfe eines Selbstschutz-Systems die Anlage abgeschaltet oder in einen sicheren Betrieb geführt, um das Gesamtsystem vor Beschädigung zu schützen.“

Wird das Direktverdampfungssystem auch zur Wärmeversorgung eingesetzt, lohnt sich zusätzlich ein Blick auf die Heizleistungen unter den verschiedensten Bedingungen. Denn oft wird hier ab einer vergleichsweise hohen Außentemperatur bereits ein elektrischer Heizstab eingesetzt, um den Wärmebedarf auch decken zu können. „Der Gedanke eines hoch effizienten Komplettsystems auf der Basis erneuerbarer Energieträger wird damit konterkariert“, sagt Michael Lechte dazu. „Denn letztendlich wird ein elektrischer Heizstab immer nur einen maximalen COP von 1 haben. Bis zu einer Außentemperatur von – 15 °C liefern wir dagegen über die Zubadan-Technologie 100 % Heizleistung – ohne Überdimensionierung des Kompressors und ohne elektrischen Heizstab.“

Vereisung gering halten

Ein weiteres Kriterium ist die Abtauzeit der eingesetzten Systeme. Gefragt sind natürlich eine kurze Abtauzeit und eine schnelle Rückkehr in den Normalbetrieb. Bei einer üblicherweise eingesetzten Kaskade sollte die Abtauung geräteweise gesteuert werden, damit eine möglichst große Leistung auch während der Abtauphasen zur Verfügung steht.

Abschließend bleibt festzustellen, dass Zentrallüftungsgeräte in der Verbindung mit Direktverdampfungsanlagen zu einer Alternative in der Versorgung eines Gebäudes mit Wärme, Kälte und Warmwasser auf der Basis erneuerbarer Energien geworden sind. Zahlreiche Beispiele belegen die wirtschaftliche Überlegenheit hinsichtlich der Betriebskosten und Effizienz des Systems.

SCOP und SEER

Sowohl EER als auch COP zeigen das Verhältnis von nutzbarer Wärme- bzw. Kälteleistung in Bezug zur eingesetzten elektrischen Leistung an. Der COP wird üblicherweise für die Heiz-, der EER für die Kälteleistung verwendet. Der gravierende Unterschied bei SCOP und SEER: Die Leistungsmessung findet nicht nur bei einer einzigen Temperatur statt, sondern bei vier unterschiedlichen Werten. Für den Kühlbetrieb liegen diese Messpunkte dann bei 20, 25, 30 und 35 °C Außentemperatur.

Direktverdampfer

In einem direkten Kältesysteme ist der Wärmetauscher, in dem das Kältemittel verdampft (Direktverdampfer), in direktem Kontakt mit dem zu kühlenden Medium. Dadurch bieten sich folgende Vorteile:

• bedarfsgerechte Kälteleistung
• Wegfall der Kälteverteilung und auch der -speicherung
• Vermeidung von Verteil- bzw. Stillstandverlusten
• kein Vorerhitzer bzw. keine Glykolmischung im Außenluftstrom erforderlich
• geringer Platzbedarf
• Möglichkeit der Nutzung der Kälteanlage zur Wärmerückgewinnung im Winter
• Kondensationswärme wird zum Nachheizen der Zuluft verwendet.

Aufgrund dieser Merkmale eignet sich das direkte Kältesystem besonders für die Integration in RLT- Zentralgeräte.