Gleichzeitiges Heizen und Kühlen

Aus drei mach zwei mit VRF-Technologie

Das gleichzeitige Heizen und Kühlen in einem Gebäude über ein 2-Leitersystem hat sich in der VRF-Technik bereits seit über einem Jahrzehnt bewährt. Wie das Konzept funktioniert, welche Vorzüge es bietet und was bei der Erstellung derartiger kombinierter Heiz- und Kühlanlagen zu beachten ist, beschreibt der nachstehende Beitrag – und geht dabei auch noch einmal auf die Grundlagen der VRF-Technik ein.

Der heutige Haustechnikstandard im Gewerbebau besteht aus getrennten Anlagen zur Wärmeerzeugung, Lüftung und Kühlung. Gerade die moderne Bauweise mit großen Glasfronten, deutlich verschärften Vorschriften zur Gebäudedämmung und interne Wärmelasten wie PC, Küchen oder Serverräume haben dazu geführt, dass diese Anlagen gegeneinander arbeiten können. Sprich: In einem Gebäudeteil muss Wärme abgeführt werden, während in einem anderen Bereich geheizt oder Warmwasser benötigt wird. Ein technisch machbarer Tausch der jeweils benötigten bzw. überflüssigen Energie ist aufgrund der getrennten Anlagenkomponenten kaum möglich.

Eine sinnvolle Verbindung beider Aufgaben bietet die VRF-Technologie. VRF steht für Variable Refrigerant Flow – den variablen Kältemittelstrom mit stetig leistungsgeregelten Außengeräten. Dabei ermöglicht die Kombination aus diesen leistungsgeregelten Verdichtern in Kombination mit elektronischen Expansionsventilen in den Innengeräten eine individuelle Leistungsabgabe in jeden Raum. Grundsätzlich wird dabei durch die Inverterregelung nur so viel Leistung bereitgestellt, wie durch die Innengeräte abgenommen wird. Die Leistungsabgabe wird dabei kontinuierlich und schnell dem aktuellen Bedarf angepasst.

VRF-Geräte gehören zur Gruppe der Direktverdampfer, die bei der Energieübertragung ohne zusätzliches Wärmetransportmedium auskommen. Das Kältemittel fließt direkt in Kupferrohren von der Wärmepumpe zu den angeschlossenen Innengeräten. Dabei geht weniger Energie verloren als bei wasserführenden Systemen. Zudem kann der elektrische Energieverbrauch der Gesamtanlage reduziert werden, da eine zusätzliche Pumpe zum Antrieb des Wärmekreislaufs entfällt. Mit VRF-Systemen lässt sich die Raumluft im Umluftbetrieb kühlen, heizen und entfeuchten, sie bieten jedoch – noch – keine Möglichkeit zur Befeuchtung der Raumluft. Die meisten VRF-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 ihnen eine regelungstechnische Einheit bilden.

Moderne VRF-Systeme werden aufgrund ihrer Wärmepumpenfunktion häufig auch zur Beheizung von Gebäuden genutzt. Sofern eine Wärmerückgewinnungsfunktion vorhanden ist, sind sie in der Lage, sogar im Simultanbetrieb zu heizen und zu kühlen. Dabei wird die überschüssige Wärme aus einem Raum über die VRF-Klimatechnik einem anderen Raum zur Erwärmung zugeführt. Normalerweise ist hierfür ein 3-Leitersystem erforderlich. Neben der Saug- und der Flüssigkeitsleitung enthält die dritte Leitung das Kältemittel als Heißgas. Dieses 3-Leitersystem erfordert jedoch einen deutlich größeren Montageaufwand als ein 2-Leitersystem.

 

Phasentrennung des Kältemittels im BC-Controller

„Wir haben deswegen gezielt nach Möglichkeiten geforscht, wie sich ein Komplettsystem zur gleichzeitigen Kühlung und Beheizung mit nur zwei Rohrleitungen realisieren lässt“, so Michael Lechte, Marketing- und Produktmanager bei Mitsubishi Electric, Living Environment Systems. „Eine Lösung haben wir schließlich mit unserem „VRF R2“-System gefunden, wo wir einen sogenannten BC-Controller einsetzen, in dem eine Phasentrennung des eingesetzten Kältemittels an einer einzigen, zentralen Position in der Gesamtanlage stattfindet.“

Dieser BC-Controller ist ein zentraler Kältemittelverteiler, der zwischen Außen- und Innengeräten als gemeinsame Schaltstelle gesetzt wird. Er verteilt das Kältemittel entsprechend den Anforderungen zum Heizen im gasförmigen oder zum Kühlen im flüssigen Zustand. Wie unterscheidet sich konventionelle 3-Leiter-Technik dazu?

Zum einen müssen hier in jedem Fall drei Rohrleitungen eingesetzt werden. Zum anderen müssen hier auch Umschalteinheiten verwendet werden, die jedoch vor jedem einzelnen Innengerät zu montieren sind und keine zentralen Aufgaben für mehrere Klimageräte wahrnehmen können. Um das Problem dieser dezentralen Struktur zahlreicher Umschalteinheiten an vielen Stellen innerhalb eines Gebäudes zu umgehen, werden diese dabei teilweise zu Tools zusammengebunden, um sie dann in einem zentralen Raum zu installieren. Nach wie vor müssen aber 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 erst dann mit einer spürbaren 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 deutlich vereinfacht“, beschreibt Lechte weiter. „Über bis zu drei BC-Controller können maximal 48 Innengeräte mit einem gemeinsamen Außengerät über nur zwei Rohrleitungen verbunden werden. Pro Anschluss lassen sich jeweils bis zu drei Innengeräte einsetzen.“

Bereits im Vergleich eines einfachen Systems mit nur vier Innen- und einem Außengerät zeigen sich die Vorzüge des 2-Leitersystems deutlich: Während beim 2-Leitersystem mit dem zentral eingesetzten BC-Controller nur 20 kältetechnische Verbindungspunkte erforderlich sind, benötigen konventionelle 3-Leitersysteme mit den dann notwendigen vier Umschaltboxen bereits 58 Verbindungspunkte. Die Montage wird dadurch nicht nur deutlich schneller und kostengünstiger, sondern letztendlich aufgrund des reduzierten Leckagepotentials auch sicherer und wartungsärmer.

 

Flüssiges und gasförmiges Kälte­mittel in gemeinsamer Rohrleitung

Das Konzept dieser 2-Leitertechnik ist weltweit patentiert vom Klimagerätehersteller Mitsubishi Electric. Möglich wird der Einsatz durch den Transport sowohl von flüssigem als auch gasförmigem Kältemittel in einer gemeinsamen Leitung. Diese zwei Phasen des Kältemittels werden in den Verbindungsleitungen zwischen Außengerät und BC-Controller durch eine genaue Druck- und Temperaturhaltung ermöglicht.

Im gleichzeitigen Heiz- und Kühlbetrieb der Anlage wird dafür nach den zwei Betriebszuständen „überwiegender Heizbetrieb“ oder „überwiegender Kühlbetrieb“ unterschieden. Das bedeutet: Die Mehrzahl der an ein gemeinsames Außengerät angeschlossenen Einheiten befindet sich entweder im Heiz- oder im Kühlbetrieb.

„Es geht dabei letztendlich einfach darum, ob mehr flüssiges oder heißgasförmiges Kältemittel benötigt wird“, so Lechte. „Daraus ergibt sich jeweils ein anderer Betriebs­punkt, den wir in der Regelung der Anlage berücksichtigen. Beim reinen Kühlbetrieb wird das Kältemittel normalerweise komplett verflüssigt. Wird unserem Außengerät aber ein überwiegender Kühlbetrieb gemeldet, dann wird das Kältemittel nicht vollständig, sondern nur teilweise verflüssigt und dann in zwei Aggregatzuständen in die Leitung geschickt. Die beiden Aggregatzustände trennen sich voneinander, dabei sinkt die Flüssigkeit nach unten und das Heißgas nimmt den oberen Teil der Rohrleitung ein. Durch die Beeinflussung von Temperatur und Druck in den Rohrleitungen lässt sich das Mischungsverhältnis mittels Drucksensoren verändern.“

Im BC-Controller erfolgt dann über einen Abscheider wieder die Trennung von Flüssigkeit und Heißgas. Dabei ist die Länge der Verbindungsleitungen vom Hersteller begrenzt – bietet aber im Alltagseinsatz nicht wirklich ein Limit: 950 Meter Gesamtleitungslänge können abgedeckt werden. Die Gesamtleistungen derartiger VRF-Anlagen sind neben Hotels, Shops und Büros auch für Großprojekte geeignet: Im Business Park Varna Bulgarien werden 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 individuelle und objektspezifische Planung der Anlagenverschaltung und -versorgung. Der BC-Controller bietet in jedem Fall auch die Möglichkeit, an zent­raler Stelle in einem Technikraum platziert zu werden. Das vereinfacht die Wartungsarbeit nicht nur, sondern erlaubt auch eine Wartung ohne Störung des Geschäfts-, Büro- oder Hotelbetriebes. Auch das ist nach Angaben des Unternehmens ein wichtiges Argument, insbesondere für den Betreiber. Zwingend erforderlich ist ein Technikraum jedoch nicht – auch die Zwischendecke wird oft für die Installation verwendet.

 

Anlagen-COP bis zu 8

„In Deutschland wird die Heiz- und Kältetechnik traditionell mit getrennten Anlagen umgesetzt, im europäischen Ausland dagegen werden die Kühl- und Heizaufgaben zunehmend häufig durch VRF-Technologie gemeinsam abgedeckt“, erläutert Lechte seine Erfahrungen. „Damit stehen wir erst am Anfang eines Systemwechsels. Wie effizient unsere „VRF-R2“-Technik die Komplett-Klimatisierung und Warmwasserversorgung abdecken kann, zeigt sich an möglichen Anlagen-COP bis zu 8. Es sind gerade junge Fachplaner, die zunehmend die Vorteile einer Komplettversorgung auf Basis der VRF-Technologie wie Energiekostenreduzierung, Platz- und Gewichtsersparnis, höherer Komfort sowie geringere Investitionskosten sehen. 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, hocheffiziente Lösungen auf der Basis erneuerbarer Energieträger für die vollständige Wärme- und Kälteversorgung von Gebäuden aufbauen lassen.“

 

Energieverschiebung innerhalb
des Gebäudes

Die Grundlage dafür bildet die Energieverschiebung innerhalb eines Gebäudes: Während einem Teil des Gebäudes Wärme entzogen werden muss, wird in einem anderen Bereich Wärme benötigt. Diese lässt sich über das Leitungsnetz verschieben und dadurch sinnvoll einsetzen. Dabei unterscheidet das Außengerät in diesem Systemverbund wie bereits beschrieben zwischen überwiegendem Heiz- und Kühlbetrieb. Im überwiegenden Kühlbetrieb arbeitet das Außengerät als Kondensator und ein Teil der Kondensationswärme wird zurückgewonnen. Nur der überschüssige Anteil der Kondensationswärme, die an keiner Stelle des Gebäudes zur Beheizung oder Warmwassererwärmung eingesetzt werden kann, wird an die Außenluft abgegeben. Im überwiegenden Heizbetrieb dagegen arbeitet das Außengerät als Verdampfer. Die zum Heizen benötigte Wärmeenergie wird dabei zum Teil den Innengeräten entzogen, die im Kühlbetrieb arbeiten. Die restliche erforderliche Wärmeenergie wird im Wärmepumpenbetrieb der Außenluft entzogen.

Für die Warmwasserbereitung werden dabei spezielle Boostereinheiten eingesetzt, die eine Heißwassertemperatur bis 70 °C gewährleisten und so die speziellen Bedingungen hinsichtlich des Legionellenschutzes in Warmwasseranlagen gewährleisten. Erreicht werden die hohen Temperaturen durch einen integrierten, zusätzlichen Kältekreislauf im Kaskadenprinzip. Das hier erzeugte Warmwasser wird an einen Trinkwasserspeicher abgegeben und von hier aus zu den Verbrauchern geführt. Wassergekühlte Verflüssigereinheiten haben den Vorteil, dass die Wärmerückgewinnung auch außerhalb der kältetechnischen Systemgrenzen stattfinden kann – da mehrere Verflüssigereinheiten über einen gemeinsamen Kühlwasserkreislauf verbunden sind.

 

Wassermodule versorgen fan coils oder Fußbodenheizungen

Darüber hinaus ergänzen Wassermodule innerhalb der „City Multi“-VRF-Serie des Ratinger Herstellers das System. Dadurch stehen aufeinander abgestimmte Systeme zur Warm- und Kaltwasserbereitung von 5 bis 45 °C sowie zur Brauchwasserbereitung bis zu 70 °C auf der Basis einer VRF-Anlage zur Verfügung. Da alle Systeme aufeinander abgestimmt sind und steuerungstechnisch zusammenhängen, können Konflikte mit gegeneinander arbeitenden Geräten erst gar nicht entstehen. Die Wassermodule sind nach Angaben des Herstellers weltweit die ersten Produkte, die anschlussfertig in das System eingebunden werden können. Bislang auf dem Markt verfügbare konven­tionelle Lösungen mussten individuell vom ausführenden Fachhandwerk konfiguriert und aufgebaut werden. Mit den Wassermodulen können dann beispielsweise direkt fan coils oder eine Fußbodenheizung mit der notwendigen Energie versorgt werden.

Dass man sich in Ratingen bereits auf die Übernahme der Komplettaufgaben innerhalb der Kühl- und Heiztechnik in Gebäuden einstellt, beweisen auch die optionalen Zubehöre, wie eine Fernbedienung, die speziell für Wassersysteme konzipiert wurden. Hier können nicht nur Sollwerte vorgegeben, sondern auch Heizkurven hinterlegt werden. Dadurch werde die Wassertemperatur im Heizfall automatisch an die Außentemperatur angepasst und ein wirtschaftlicher Betrieb gewährleistet. Sollwerte können über ein 4-20 mA-Signal von einer externen Steue­rung vorgegeben werden.

Der Aufbau eines VRF-Systems

 
Der technische Aufbau einer VRF-Anlage ist sehr überschaubar. VRF-Systeme bestehen aus einer (oder mehreren) zentralen Außeneinheit(en) und einer oft großen Anzahl von Innengeräten, die mittels kältemittelführenden Rohrleitungen miteinander verbunden sind. Hinzu kommen noch Bedienelemente zur Steuerung der einzelnen Innengeräte bzw. Klimazonen. Je nach Größe und Ausführung der Anlage können auch zentrale Fernbedienungen mit Webfunktion zum Einsatz kommen. Diese ermöglichen beispielsweise den Zugriff über ein lokales Intranet oder über einen Telefonanschluss auch die Bedienung vom PC aus. Das Außengerät ist eine Kompressionskältemaschine und enthält einen Wärmetauscher. Je nach Betriebszustand (Heizen oder Kühlen) arbeitet der Wärmetauscher als Verdampfer oder Verflüssiger. Aktuelle Außengeräte sollten über einen Verdichter mit regelbarer Drehzahl verfügen. 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, ganz gleich bei welcher Witterung, geeignet.
Verbunden werden die Außen- und die Innengeräte mit kältemittelführenden Kupferleitungen. Im Kühlbetrieb wird den Innengeräten flüssiges Kältemittel zugeführt. Dieses wird durch das Expansionsventil auf einen niedrigeren Druck entspannt, verdampft dadurch und nimmt hierfür Wärme auf. Diese Wärme wird der Raumluft entzogen, die dadurch gekühlt und entfeuchtet wird. Abgegeben wird diese Wärme im Verflüssiger des Außengeräts entweder an die Außenluft oder an einen Kühlwasserkreislauf. Darüber hinaus können neben den Innengeräten als Umluftkühlgeräte auch Kühler in Luftkanälen zur Raum- und in Kaltwasserbereitern zur Prozesskühlung an das VRF-Netz angeschlossen werden.

Zur Regelung des Kältemittelstroms findet ein ständiger Datenaustausch zwischen den Innengeräten und dem Außengerät über eine BUS-Kommunikationsleitung 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. Diese Daten werden vom Außengerät ausgewertet und auf dieser Grundlage wird dann automatisch der optimale und energieeffizienteste Betriebspunkt der Anlage eingestellt.
„VRF R2“-Technik – beispielhafte Anwendung im Fitness-Studio


Im seit 1977 bestehenden 1670 m² großen Fitnessunternehmen Josko in Binzen versorgt eine „VRF R2“-Anlage den Komplex ganzjährig mit Wärme, Kälte und Warmwasser. Hierfür wurden eine „City Multi“-VRF-Anlage mit je zwei Außengeräten zum Heizen oder Kühlen („Y“-Serie) und zwei Außengeräten, die gleichzeitig heizen und kühlen können („R2“-Serie), installiert. In den Innenräumen sorgen große Deckenkassetten für die zugluftfreie Verteilung erwärmter oder gekühlter Luft. Parallel tragen Kanaleinbaugeräte mit horizontaler Luftstromführung dazu bei, die frische Außenluft bedarfsgerecht vorzukonditionieren. Das ressourcenschonende Energiekonzept fußt u. a. auf einer intelligenten Temperaturverschiebung innerhalb des Gebäudes. Zum Einsatz kommt hier ein 2-Leitersystem, das mit einem Kältemittelverteiler, dem BC-Controller, die abzuführende Wärmeenergie innerhalb des Gebäudes verschiebt und dorthin transportiert, wo sie benötigt wird.
Die Außengeräte versorgen nicht nur den Fitnessclub mit Wärme und Kälte, sondern speisen auch die drei jeweils 1500 l fassenden Warmwasserspeicher. Mit durchschnittlich 8000 l Warmwasserverbrauch pro Tag ist hier eine erhebliche Menge an Wärmeenergie erforderlich. Unterstützung bekommt die Warmwasserbereitung von Solarkollektoren auf dem Dach sowie durch die Klimaanlage selbst: Durch die Deckenkassetten wird den Trainingsräumen die überschüssige Wärme entzogen und über den Kältemittelverteiler in den Technikraum im Keller verschoben. Im Technikraum im Untergeschoss speisen zwei Brauchwasser-Wärmetauschereinheiten mit 25 kW Leistung die Warmwasserspeicher. Die beiden Wassermodule (Booster-Units) wurden zur Brauchwassererwärmung zwischen Klimaanlage und Warmwasserspeicher geschaltet. Diese Komplettlösung als Trend in der Gebäudetechnik ermöglicht zusammen mit den Innengeräten und den Kältemittelverteilern eine bis zu 70 °C warme Trinkwasseraufbereitung. Durch den Leistungsbereich eignen sich die Boostereinheiten ideal zur Verwendung im kommerziellen Bereich.

Die komplette Anlage wird über die Zentralfernbedienung des Klimatechnikherstellers vom Typ „AG-150“ gesteuert, sodass das Umschalten Kühlen/Heizen automatisch nach individuell gewählter Temperatureinstellung erfolgt. Über einen Router ist die Klimatechnik zudem direkt mit dem PC des Anlagenbauers verbunden. Eine „Error Code Mailing“-Funktion erleichtert eine eventuelle Fehlersuche und sorgt gegebenenfalls für eine schnelle Störungsbehebung.

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