Das englische Kürzel VRF steht für „Variable Refrigerant Flow“ und bedeutet ins Deutsche übersetzt „variabler Kältemittelmassenstrom“. Die Entwicklung der VRF-Technik begann bereits in den 1980er Jahren und hat seitdem deutliche technische Fortschritte gemacht. So hat sich beispielsweise seit einigen Jahren die DC-Inverter-Regelung zur Leistungsregelung der VRF-Systeme durchgesetzt. Sie ermöglicht eine modulierende Leistungsanpassung an den aktuellen Bedarf der Verbraucher (Innengeräte). Zudem werden durch das sanfte Anlaufen Stromspitzen beim Einschalten des Standard-Verdichters vermieden.
Effizienzsteigerung durch neues Kältemittel
Eine weitere Innovation ist die Einführung des Kältemittels R410A, das gegenüber dem früher für VRF-Systeme zumeist eingesetzten Kältemittel R407C erhebliche Vorteile aufweist. Während R407C eine Mischung aus drei Substanzen ist und auf ähnlichen Druckniveaus wie das früher häufig eingesetzte R22 arbeitet, ist R410A eine Zweistoffmischung mit höherem Druckniveau. Diese Eigenschaft bedingt höhere Anforderungen an die Geräte und ihre einzelnen Bauteile. Das Kältemittel R410A besitzt dafür zum Beispiel eine deutlich größere volumetrische Kälteleistung als R407C, sodass Komponenten wie die Innengeräte und die einzusetzenden Rohrleitungen kompakter ausfallen können. Gleichzeitig konnten dadurch die Länge und die Höhenunterschiede der Leitungswege zwischen Außen- und Innengeräten deutlich vergrößert werden. Durch den Einsatz dieses Kältemittels erreichen die Geräte Leistungszahlen, die über 4,0 liegen. Das bedeutet, pro kW Strom werden in der Klimaanlage 4,0 kW Kühlleistung und mehr erzeugt.
Was können VRF-Systeme?
VRF-Geräte gehören zur Gruppe der Direktverdampfer, die bei der Energieübertragung ohne zusätzliches Wärmetransportmedium auskommen. Das Kältemittel fließt direkt in Kupferrohren von den Außengeräten zu den angeschlossenen Innengeräten. Dabei geht weniger Energie verloren, als bei Wasser führenden Systemen. Eine zusätzliche Pumpe zum Antrieb des Wärmekreislaufs kann zudem entfallen.
Die VRF-Systeme können Raumluft im Umluftbetrieb kühlen, heizen und entfeuchten, sie bieten jedoch (noch) keine Möglichkeit zur Befeuchtung der Raumluft. Die meisten Innengeräte verfügen standardmäßig über einen Anschluss zur Frischluftzufuhr. Somit kann auch die Frischluftversorgung durch VRF-Systeme erfolgen. Alternativ stehen Frischluftgeräte mit Wärmerückgewinnung zur Verfügung, die steuerungstechnisch mit in die VRF-Systeme eingebunden werden können und mit diesen eine regelungstechnische Einheit bilden.
Moderne VRF-Systeme eignen sich durch die Wärmepumpenfunktion auch zur effizienten Beheizung von Gebäuden. Spezielle Systeme mit Wärmerückgewinnungsfunktion sind in der Lage, simultan zu heizen und zu kühlen. Dabei wird die überschüssige Wärme in einem Raum durch Kältemittelverdampfung im Innengerät entzogen und einem anderen Raum über Verflüssigung zugeführt. Im Gegensatz zu den branchenüblichen 3-Leitersystemen bietet Mitsubishi Electric ein 2-Leitersystem an, um eine effiziente Wärmeverteilung zu ermöglichen. Dadurch wird die Montage vereinfacht und der Kostenaufwand deutlich gesenkt. Zentrales Bauteil jeder R2-Anlage ist der BC-Controller, ein Kältemittelverteiler, der mit dem Außengerät eine kälte- und regelungstechnische Einheit bildet. Über den BC-Controller können bis zu 50 Innengeräte mit einem Außengerät verbunden werden. Diese Art der Wärmerückgewinnung erhöht den Wirkungsgrad der Anlage und ermöglicht so einen wirtschaftlicheren Betrieb als herkömmliche Systeme.
Der VRF-Systemaufbau
Der technische Aufbau einer VRF-Anlage ist relativ überschaubar. VRF-Systeme bestehen aus einer (oder mehreren) zentralen Außeneinheit(en) und einer oft großen Anzahl an Innengeräten, die mittels Kältemittel führenden Rohrleitungen angeschlossen werden. Hinzu kommen noch Bedienelemente zur Steuerung der einzelnen Innengeräte bzw. Klimazonen. Je nach Größe und Ausführung der Anlage können auch zentrale Fernbedienungen mit Web-Funktion zum Einsatz kommen. Diese ermöglichen dann beispielsweise den Zugriff über ein lokales Intranet oder über einen Telefonanschluss auch die Bedienung vom PC aus.
Das Außengerät ist eine Kompressions-Kältemaschine mit Wärmetauscher. Je nach Betriebszustand (Heizen oder Kühlen) arbeitet der Wärmetauscher als Verdampfer oder Verflüssiger. Moderne Außengeräte verfügen heutzutage oft über einen Verdichter mit regelbarer Drehzahl. Dadurch ist es möglich, den Kältemittelstrom an die jeweilige, von den Innengeräten angeforderte Kälte- oder Heizleistung anzupassen.
In den Innengeräten befinden sich als wesentliche Komponenten ein Wärmetauscher zur Abkühlung der Luft, ein Ventilator zur Luftförderung (Umluft), der Luftfilter sowie das elektronisch geregelte Expansionsventil zur Regelung der thermischen Leistung. Die Außeneinheiten sind für die Aufstellung im Freien geeignet.
Verbunden werden die Außen- und die Innengeräte mit Kältemittel führenden Kupferleitungen. Im Kühlbetrieb wird den Innengeräten flüssiges Kältemittel zugeführt. Dieses wird durch das Expansionsventil auf einen niedrigeren Druck entspannt, verdampft dadurch und nimmt Wärme auf. Dabei wird die Raumluft gekühlt und entfeuchtet. Abgegeben wird diese Wärme im Verflüssiger des Außengeräts – entweder an die Außenluft oder an einen Kühlwasserkreislauf. Darüber hinaus können neben Innengeräten als Umluftkühlgeräte auch Kühler in Luftkanälen zur Raum- und in Kaltwasserbereitern zur Prozesskühlung angeschlossen werden.
Zur Regelung des Kältemittelstroms findet über eine BUS-Kommunikationsleitung ein ständiger Datenaustausch zwischen den Innengeräten und dem Außengerät statt. Dabei werden Informationen über Betriebszustände von elektronischen Einspritzventilen, zur aktuellen Überhitzung und Unterkühlung, zu den Lüfterstufen in den Innengeräten, zu Ein- und Ausgangstemperaturen der Verdampfer und Verflüssiger sowie zu den jeweiligen Raumtemperaturen abgerufen und an das Außengerät übermittelt. Die Daten werden vom Außengerät ausgewertet und auf dieser Grundlage wird dann automatisch der optimale und energieeffizienteste Betriebspunkt der Anlage eingestellt.
Wie wird die Anlage ausgelegt?
Die Basis für ein wirtschaftliches VRF-Klimasystem ist die sorgfältige 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. Wie bei anderen technischen Anlagen auch, steht die wirtschaftliche Betriebsweise einer VRF-Anlage im Vordergrund. Deshalb steht am Anfang jeder Planung die Lastberechnung.
Grundlage bei der Auslegung eines Klimasystems ist die Berechnung der Kühllasten für jeden einzelnen Raum nach VDI 2078/1. Sofern das VRF-System auch zum Heizen eingesetzt werden soll, ist zusätzlich auch die Heizlast nach DIN EN 12831/2 zu ermitteln. Eine Auslegung ohne Berechnung, beispielsweise mit geschätzten Werten, verstößt gegen zahlreiche baurechtliche und Umweltschutzbestimmungen und ist deshalb nicht zulässig.
Bei zu großer Dimensionierung verschlechtert sich die Regelgüte des Systems und dessen energetische Effizienz verringert sich ebenfalls. Hinzu kommt, dass bei zu großer Auslegung die Investitionskosten unnötig ansteigen. Auf Basis der ermittelten Kühl- und Heizlasten erfolgt dann die Auswahl der Inneneinheiten der VRF-Anlage für die einzelnen Räume bzw. Zonen. Hierzu steht eine große Auswahl an Innengeräten in unterschiedlichen Ausführungen sowie verschiedenen Leistungsstufen als Wand-, Stand- und Truhengeräte sowie als Kanaleinbaugeräte zum Einbau in abgehängte Decken zur Verfügung.
Planungshilfen
Eine Auslegung der Außeneinheit als „Summe der maximalen Leistungen aller Inneneinheiten“ führt in der Regel zu unnötig großen und überdimensionierten Geräten. Empfehlenswert ist es, sinnvolle Gleichzeitigkeitsfaktoren anzunehmen, die aus dem erwarteten Nutzungsverhalten abgeleitet werden können. Ein üblicher Wert liegt bei 74 %. Große Anlagen können auch aus mehreren Außengerätemodulen zusammengesetzt werden. VRF-Systeme erreichen ihre höchsten Leistungszahlen im Teillastbetrieb bei rund 30 bis 70 % der Nennleistung.
Hilfen für die Planung und Konfiguration werden Planern und Fachhandwerkern in der Regel von den Herstellern oder Anbietern zur Verfügung gestellt. Eine Auslegungssoftware ermöglicht das Erstellen eines kompletten VRF-Systems inklusive des Rohrleitungsschemas sowie des Elektroverdrahtungsschemas. Bereits nach einer kurzen Einarbeitungszeit und mithilfe eines normalen PCs sollen darüber hinaus oft auch eine (automatische) Berechnung der Rohrleitungsdimensionen zwischen den einzelnen Komponenten wie Verteiler, Innen- und Außeneinheiten vorgenommen werden können. Dies ist ein nützliches Hilfsmittel, denn per Knopfdruck erhält man zum Schluss oft noch eine Materialliste zur Bestellung aller benötigten Bauteile.
Optimale Einsatzorte von VRF-Systemen
Die Einsatzgebiete von VRF-Anlagen sind äußerst vielfältig. Das spiegelt sich auch in der Vielzahl der Kombinationsmöglichkeiten wider. „Die große Auswahl technisch und optisch hochwertiger Innengeräte ermöglicht eine Vielzahl von möglichen Anlagenkombinationen innerhalb der City Multi VRF Serie. Als einziger Hersteller am Markt bieten wir ein derartig breit aufgestelltes Lieferspektrum“, so Andre Hillmer, Product Support Engineer bei Mitsubishi Electric.
VRF-Systeme kommen überall dort zum Einsatz, wo in Gebäuden Wärmelasten abzuführen sind und gleichzeitig oder im Jahreszeitenwechsel mit der Klimaanlage auch geheizt werden soll. Da VRF-Anlagen eher in höheren Leistungsbereichen anzusiedeln sind, eignen sie sich optimal zur Klimatisierung entsprechender Gebäudetypen. Dazu zählen neben Bürohäusern, Einkaufszentren, Hotels, Kliniken und öffentlichen Gebäuden auch Kanzleien, Gewerbeobjekte, Einzelhandelsgeschäfte oder Mehrfamilienhäuser.
Da die notwendigen Heizlasten eines Gebäudes mit einer VRF-Anlage bis zu Temperaturen von –25 °C gedeckt werden können, werden VRF-Anlagen häufig als monovalente Anlagen betrieben. Auf dem Markt sind mittlerweile auch Systeme verfügbar, bei denen durch eine sogenannte Booster Einheit auch Heißwasser bis 70 °C bereitet werden kann. Dies ist ideal zur Rückgewinnung von Abwärme aus Technikräumen oder Produktionsprozessen.
Eine weitere Möglichkeit die VRF-Technologie einzusetzen, ist die Verknüpfung mit einer zentralen Lüftungsanlage. Gegenüber Lösungen mit konventionellen Wasserkühlsätzen bietet dies Vorteile. Dabei wird der Außenluft im RLT-Gerät im VRF-Verdampfer Wärme und ggf. auch Feuchtigkeit entzogen und diese so auf den gewünschten Zuluftzustand gekühlt. Im Heizbetrieb arbeitet das System als Wärmepumpe. Dabei wird der Verdampfer zum Verflüssiger, und in diesem wird die Außenluft im RLT-Gerät auf das Zuluftniveau erwärmt.
Fazit
Die VRF-Technologie hat der Klima-Technik in den letzten zwei Jahrzehnten entscheidende Impulse gegeben. Sie bietet eine hohe Flexibilität aufgrund unterschiedlich kombinierbarer Systemvarianten, die Möglichkeit des simultanen Heizens und Kühlens, der Entfeuchtung sowie der Wärmerückgewinnung. Durch die geringen Abmessungen der relativ leichten Gerätetechnik sowie die geringen Rohrleitungsquerschnitte eignen sich VRF-Anlagen sowohl für die Installation in Neubauten als auch im Gebäudebestand.
Die wesentlichen Vorteile der VRF-Multisplit-Technik gegenüber anderen Systemen liegen in der einfachen Installation, hohen Jahresarbeitszahlen, der optionalen Einzelraumregelung und -abrechnung sowie der problemlosen Einbindung in vorhandene oder aktuelle Gebäudemanagementsysteme. Unter bestimmten Voraussetzungen lassen sich VRF-Geräte darüber hinaus auch mit zentralen Lüftungsanlagen zur Versorgung des Heiz- und Kühlregisters kombinieren.
INFO
Leistungsbereiche
Die City Multi Serie von Mitsubishi Electric bietet insgesamt 22 luftgekühlte Wärmetauschereinheiten für die Außenaufstellung mit Kälteleistungen zwischen 22,4 kW und 140 kW (Kühlen), bzw. 25,0 kW und 156,5 kW (Heizen) an. Dabei lassen sich bis zu 50 Innengeräte an einen Kältekreislauf anschließen. Der Einsatzbereich im Heizbetrieb liegt bei +15,5 °C bis –20 °C. So lassen sich auch monovalente City Multi-Anlagen in sehr kalten Regionen betreiben.
INFO
Maximale Leitungslängen
Da der Kältemittelstrom ausschließlich durch die Druckunterschiede, die der Verdichter aufbaut, durch das Leitungsnetz gefördert wird, sind die Längen der Netze und die überwindbaren geodätischen Höhen begrenzt. Mit VRF-Anlagen von Mitsubishi Elelctric können zum Beispiel folgende Entfernungen und Höhenunterschiede überwunden werden:
Gesamtlänge der Leitungen bis 1000 m
größte Entfernungslänge bis 165 m
äquivalente größte Entfernungslänge bis 190 m
größte Entfernungslänge nach der ersten Verzweigung bis 40 m
Bei der größten Entfernungslänge sind Druckverluste für übliche Installationen berücksichtigt. Die äquivalente größte Entfernungslänge ist ein theoretischer Wert für ein Rohr ohne Bögen. Hier müssen Druckverluste durch Strömungswiderstände einzeln berücksichtigt werden.
Bei den Höhendifferenzen gelten folgende Angaben:
Zwischen Innengerät und Außengerät (bei Dachaufstellung) max. 50 m
Zwischen Innengerät und Außengerät (bei Bodenaufstellung) max. 40 m
Zwischen Innengeräten bis zu 15 m
