Welche Wärmepumpe für welches RLT-Gerät?

Merkmale, Besonderheiten und Einschränkungen der verschiedenen Systeme

Bei Raumlufttechnischen Anlagen ist das Thema Wärmerückgewinn noch nicht alles, um RLT-Geräte für die Energiewende auszustatten. Für die meisten Anwendungen muss die Zuluft von RLT-Einheiten zusätzlich maschinell gekühlt und/oder erwärmt werden. Hier stellt die Wärmepumpe eine sinnvolle und energieeffiziente Ergänzung für Lüftungsgeräte dar. Je nach Anwendungsfall gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Zuluft mit Wärmepumpentechnologie zu temperieren. Was unterscheidet die Technologien und für welches Anforderungsprofil sind sie geeignet?

Die Nutzung von Umweltenergie durch den Wärmepumpenprozess ist sowohl ökologisch als auch ökonomisch die intelligenteste Art, Heiz- und Kühlenergie bereitzustellen. Wie im Heizungsbereich etabliert sich die Wärmepumpe zunehmend auch in der Klima-/Lüftungstechnik.

Bei der Auswahl der richtigen Wärmepumpentechnologie für ein Lüftungsgerät zu einer bestimmten Anwendung müssen im Vorfeld einige grundsätzliche Fragen geklärt werden:

Mit welcher Toleranz muss die Zulufttemperatur geregelt werden?

Ist die Luftmenge konstant oder bedarfsgerecht variabel?

Sind Zu- und Abluftmengen identisch oder ggf. durch vorhandene Abluftbereiche wie z.B. Toilettenanlagen unbalanciert?

Welche Art der Wärmerückgewinnung soll eingesetzt werden?

Wird ausschließlich mit Außenluft belüftet oder sind Misch- oder Umluftbetrieb zu berücksichtigen?

Soll im Sommer neben der Kühlung auch eine Entfeuchtung erfolgen?

Wie sind die Platzverhältnisse vor Ort – Innen- oder Außenaufstellung?

Welche Schallgrenzwerte sind z.B. gemäß Gebietstyp TA-Lärm (Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm) einzuhalten?

Vorzugsweise sollte die Planung einer RLT-Anlage gemäß DIN EN 16798 auf die hygienisch erforderliche Luftmenge für die Menschen unter Berücksichtigung der Gebäudeemissionen bzw. Prozessluftmengen abgestimmt sein. Eine Dimensionierung der Luftmenge zur Deckung von Heiz- und Kühllasten führt dagegen erfahrungsgemäß zu 3- bis 5-fach höheren Luftmengen und entsprechend größerem Platzbedarf der Lüftungskomponenten. Darüber hinaus kann mit einer „Hygieneluftmenge“ in Kombination mit zusätzlichen, dezentralen Heiz- und Kühlflächen eine Temperaturzonierung im Gebäude erreicht werden.

Das Ziel der Gebäudeklimatisierung, jahreszeitlich angepasst Zuluft mit konstant angenehmer Temperatur bereitzustellen, kann platzsparend und wirtschaftlich mit Wärmepumpentechnologie erreicht werden. Man kann hier grundsätzlich vier Systeme unterscheiden:

Ein integrierter Kälteerzeuger mit externem Verflüssiger zur Kühlung der Zuluft.

Eine integrierte reversible Wärmepumpe mit internem Verdampfer sowie einem internen Verflüssiger zum Heizen und Kühlen.

Eine externe Split-Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen.

Eine externe Monoblock-Wärmepumpe (Kalt-/Warmwassersatz), die über einen Wasserkreislauf mit Pufferspeicher Heiz- und Kühlenergie für die Lüftungsanlage bereitstellt.

1. Der integrierte Kälteerzeuger mit externem Verflüssiger bzw. Rückkühler

Die Anordnung mit einem externen Verflüssiger ermöglicht aufgrund der beliebig verfügbaren Kühlluftmenge eine hohe Effizienz und niedrige Temperaturniveaus. Dies ist besonders für große Kühllasten eine ideale Konfiguration. Das gleiche gilt für die Zuluft-Entfeuchtung. Die Nacherwärmung nach der optionalen Entfeuchtung kann entweder mit externer Heizenergie oder über das Heißgasverteilventil im Kältekreis und ein zusätzliches Verflüssigerregister erfolgen.

Der im Freien aufgestellte Verflüssiger bzw. Rückkühler arbeitet weitgehend autark und regelt sich über den Kältemitteldruck selbst. Der große Vorteil dieser Variante liegt damit in der vom Fortluftstrom unabhängigen Kühlleistung. Damit können auch große ­Umluftanteile realisiert werden. Auch variable Luftvolumenströme sind möglich. Dafür ist entscheidend, dass der Verdichter unterhalb der Modulationsgrenze in den Taktbetrieb übergeht und somit Temperatursprünge in der Zuluft verursacht werden. Die untere Leistungsgrenze der Kälteanlage wird durch die Regelung und die Verdichtertechnologie bestimmt (siehe unten). Grundsätzlich gilt: Je geringer die Luftmenge ist, desto größer fallen die Temperatursprünge im Taktbetrieb aus.

In der Planungsphase sollte ebenfalls berücksichtigt werden, dass der Einsatz eines externen Verflüssigers einen geeigneten Aufstellort erfordert. Es muss sowohl auf eine ausreichende Frischluftversorgung als auch auf die Mindestabstände für den Schallschutz geachtet werden.

2. Der integrierte Kälte- und ­Wärmeerzeuger

Die integrierte, reversible Wärmepumpe kann als zusätzliche Wärmerückgewinnung betrachtet werden. Ein eigener, komplett im Lüftungsgerät integrierter Kältemittelkreislauf hat den Vorteil, dass das Lüftungsgerät unabhängig von wasserführenden Rohrleitungen und externen Installationen aufgestellt werden kann. Die benötige Wärme oder Kälte wird genau dann erzeugt, wenn sie benötigt wird. Die Umkehr des Kältemittelflusses erlaubt einen Kühl- und Heizbetrieb. Die Register werden wechselweise als Verflüssiger oder als Verdampfer genutzt. Ein RLT-Gerät mit einer integrierten, reversiblen Wärmepumpe ist sehr kompakt und kostengünstig in der Investition – es wird keine zusätzliche Gerätetechnik im Außenbereich benötigt. Auch der Installationsaufwand vor Ort ist gering und ein einfacher Grundrahmen reicht für die Montage im Technikraum aus.

Im Kühlbetrieb entzieht das Verdampferregister der Zuluft die Wärmeenergie und gibt diese als Abwärme über das integrierte Verflüssigerregister an die Fortluft ab. Damit wird klar, dass nur so viel Kälteleistung erzeugt werden kann, wie die Abluft bzw. Fortluft in Form von Abwärme aufnehmen kann.

Vor allem im Winter sind einige Besonderheiten zu beachten, denn im Heizbetrieb entzieht das zum Verdampfer gewordene Register der Abluft bzw. Fortluft die zum Heizen benötigte Energie. Der Verdampfungspunkt muss dafür entsprechend niedrig eingestellt werden. Dies treibt die Temperaturspreizung zwischen Fortluft und Zuluft hoch, was wiederum die Effizienz des Systems beeinträchtigt.

Die im Winterbetrieb vom Verdampfer stark abgekühlte, feuchte Abluft scheidet ihre Feuchte im Verdampferregister ab. Dadurch bildet sich bei Fortlufttemperaturen unter dem Gefrierpunkt auf der Verdampferoberfläche eine Eisschicht. Diese Vereisung liegt in der Natur der Sache; im Außentemperaturbereich von -5 °C bis +5 °C findet dieser Vorgang teilweise mehrfach pro Stunde statt. Die dann notwendige Abtauung kann zum Beispiel mit Elektroheizstäben im Verdampferregister realisiert werden oder durch einen kurzzeitigen Umkehrbetrieb der Wärmepumpe. Während des Abtaubetriebes steht dann keine „Wärmepumpen-Heiz­energie“ für die Erwärmung der Zuluft zur Verfügung.

Beim Einsatz eines Plattenwärmeüber­tragers tritt das Problem der Vereisung auf der Fortluftseite der Wärmerückgewinnung ebenfalls auf. Um dies zu verhindern, kann ein Teil der kalten Außenluft über die Bypassklappe um den Wärmeübertrager herumgeführt werden. Das erhöht kurzfristig zusätzlich den Heizenergiebedarf. Auch wenn dieser Betriebszustand nur an wenigen Stunden im Jahr auftritt und damit energetisch weniger relevant ist, muss aus Komfortgründen ein ausreichend dimen­sioniertes „Backup-Heizsystem“ vorhanden sein.

Ein Plattenwärmeübertrager oder auch ein kreislaufverbundenes System (KVS) wäre demnach technisch die schlechtere Wahl. Wird stattdessen ein Rotationswärmeübertrager eingesetzt, ist nicht mit Kondensations- oder Vereisungseffekten an der Wärmerückgewinnung zu rechnen (im Bild dargestellt). Hinweis: Beim Einsatz eines Rotationswärmeübertragers sind die Hygienevorgaben der VDI 6022 – 6.3.14 zu beachten.

Ein Umluftbetrieb mit einem integrierten Kälte- und Wärmeerzeuger schließt sich in jedem Fall aus und variable Volumenströme sind nur eingeschränkt möglich. Die erforderliche Kühlleistung für eine im Sommer evtl. gewünschte, geregelte Entfeuchtung kann mit diesem System nur eingeschränkt erbracht werden.

3. Die Klima-Split-Anlage

Eine weitere Möglichkeit für den Einsatz von Wärmepumpen-Technologie bietet sich mit einer Klima-Split Anlage. „Split“ bedeutet in diesem Fall, dass eine oder mehrere Split-Wärmepumpen im Außenbereich einen Kältemittelkreislauf mit einem ein- oder mehrkreisigen Register im Lüftungsgerät bilden. Je nach Heiz- oder Kühlbetrieb arbeitet entweder das Register im Lüftungsgerät als Verdampfer (Kühlbetrieb) oder das Register in der externen Wärmepumpe (Heizbetrieb).

Auch diese Lösung ist kompakt und sowohl in der Investition als auch in der Installation kostengünstig, weil sie ohne externe Kalt- und Warmwasserversorgung auskommt. Damit entfällt auch eine frostsichere Verrohrung bzw. Glykolfüllung, wie sie z.B. für ein wasserbasiertes System erforderlich wäre.

Im Falle der Kaskadierung werden im Lüftungsgerät mehrkreisige, verzahnte Verdampferregister eingesetzt, die mehrere getrennte Kältekreise zum Anschluss an die Außeneinheiten beinhalten. Die Kaskadierung von mehreren Außeneinheiten bietet neben der Leistungserweiterung auch den Vorteil der Redundanz und erlaubt deutlich kleinere Modulationsgrenzen. So könnte beispielsweise bei einem Kühlbedarf von 10 kW eine Split-Wärmepumpe mit einem Leistungsbereich von 4,0 – 11,2 kW oder alternativ eine Zweierkaskade von 2 mal 1,0 – 5,8 kW eingesetzt werden. Die kleinste Kühlleistung (und damit der Beginn des Taktbetriebes) kann im Beispiel von 4 kW auf 1 kW reduziert werden. Der Temperatursprung, der sich zwangsläufig beim „Takten“ ergibt, reduziert sich dann ebenfalls auf ein Viertel.

Bei einem Luftvolumenstrom von 3.000 m³/h ergibt sich rechnerisch im Taktbetrieb bei einem Einzelgerät ein Temperatursprung von ca. 4 K und im Beispiel der Kaskade nur ca. 1 K. Wenn gleichzeitig der Luftvolumenstrom variabel auf z.B. 1.500 m³/h abgesenkt wird, verdoppeln sich diese Temperatursprünge.

Für eine Kaskadierung spricht ebenfalls der Abtaumodus im Heizbetrieb. Dieser Betriebszustand wird durch die Redundanz von zwei bis zu fünf Außeneinheiten allein dadurch „entschärft“, dass nicht alle Außen­einheiten gleichzeitig in den Abtaumodus schalten. Oft reicht dann eine kleine, kurzzeitige Reduzierung des Luftvolumenstroms aus, um die Zulufttemperatur konstant zu halten. Um beim Einzelgerät den Effekt der Abtauung abzufedern, muss die Zuluft entweder mit Hilfe eines Elektroheizregisters nacherwärmt werden oder der Zuluftventilator wird während des Abtauvorgangs abgeschaltet.

Wie bei der Variante 1 mit dem externen Verflüssiger können auch bei der Split-Variante Umluftbetrieb sowie variable Luftvolumenströme realisiert werden. Aufgrund der Verdampfungstemperatur ist auch diese Variante aber nur sehr eingeschränkt für die gezielte Entfeuchtung der Zuluft geeignet.

4. Lüftungsanlage mit Kaltwasser­satz bzw. externer Monoblock-­Wärmepumpe

Eine Lüftungsanlage mit extern aufgestellter Monoblock-Wärmepumpe vereint die meisten der bisher genannten Vorteile. Sie besteht aus den Einzelkomponenten:

RLT-Gerät

Monoblock-Wärmepumpe mit Außen- und Inneneinheit

Pufferspeicher für Kaltwasser/Warmwasser

Heiz-/Kühlregister (changeover) im RLT-Gerät

Die Außeneinheit der Monoblock-Wärmepumpe arbeitet mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf. Die erzeugte Wärme bzw. Kälte wird über einen kleinvolumigen, frostsicheren Wasserkreislauf auf das Innengerät und von dort auf den Pufferspeicher und den Wärmeübertrager (changeover) im Lüftungsgerät übertragen.

Im Gegensatz zu den Kältemitteln R407C, R513A, R410A und R32, die als typische Kältemittel in RLT-Lüftungsgeräten eingesetzt werden, kann bei einer Monoblock-Wärmepumpe auch das natürliche und umweltfreundliche Kältemittel Propan eingesetzt werden. Es besteht keine Gefahr des Kältemitteleintrages in das Lüftungsgerät.

In Kombination mit einem Pufferspeicher für Kalt- und Warmwasser ermöglicht diese Anordnung einen kontinuierlichen Heizbetrieb und gleichzeitig einen stufenlosen Kühlbetrieb und dies mit sehr fein regelbaren Zulufttemperaturen. Auch der Abtauprozess der Monoblock-Wärmepumpe im Heizbetrieb führt zu keiner Unterbrechung der Erwärmung der Zuluft, weil die Energie für beide Prozesse aus dem Pufferspeicher bereitgestellt wird. Zur Leistungserweiterung bietet sich auch hier die Möglichkeit einer Kaskadierung an.

Wenngleich diese Variante bei der Investition die kostenintensivste Option darstellt, bietet sie im Betrieb durch die Vielzahl der möglichen Betriebsmodi viele Vorteile:

Heizen, kühlen und entfeuchten

Bedarfsgerechte, variable Luftvolumenströme

Umluftbetrieb

Keine Betriebsunterbrechung oder Zusatzmaßnahmen für den Abtaubetrieb der Wärmepumpe erforderlich

Keine Einschränkungen bei der Auswahl des Wärmerückgewinnungssystems

Kein Kältemittel im Lüftungsgerät

In der Planungsphase für die Kombination eines RLT-Geräts mit einer externen Monoblock-Wärmepumpe (bzw. Kaltwassersatz) mit Pufferspeicher (im Bild hinter dem RLT-Gerät aufgestellt) muss berücksichtigt werden, dass ein geeigneter Aufstellort erforderlich ist. Es muss auf eine ausreichende Frischluftversorgung und auf die Mindestabstände für den Schallschutz geachtet werden.

Die Verdichterauswahl

Elementar für den Betrieb eines RLT-Geräts mit einer Wärmepumpe ist jeweils die Ausführung des Verdichters. Kriterien wie Preis, Laufruhe, Leistungsbereiche, Effizienz, Baugröße und Regelbarkeit entscheiden über die beste Lösung. Im Lüftungsgerätebereich dominieren sogenannte Scroll- und Hubkolbenverdichter den Markt. Die für den Anwender wichtigsten Technikparameter sind die Effizienz und der individuelle Regelbereich. Oft muss man hier Kompromisse schließen, um ein Optimum an Kundenzufriedenheit zu erreichen.

Die Verdichterleistung kann z.B. mit hoher Energieeffizienz über einen drehzahlgeregelten Antriebsmotor in einem typischen Bereich von 20 – 100 % reguliert werden. Wie zuvor beschrieben, bietet ein größerer Leistungsbereich (Teilleistungsbereich) auch mehr Komfort und Konstanz in der ­Zulufttemperatur. Um den Modulationsbereich einer Wärmepumpe bis auf ca. 10 – 100 % zu erweitern, wird nicht mehr die Drehzahl, sondern die Verdichtung über Ventile mit PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) geregelt. Das bedeutet im Gegenzug, dass durch die permanent hohe Drehzahl der Wirkungsgrad im Teillastbetrieb sinkt.

Eine weitere Möglichkeit für größere Modulationsbereiche bzw. kleinere Mindestleistungen ergibt sich analog zur Variante 3, der Klima-Split Lösung, durch die Kaskadierung von mehreren (kleineren) Verdichtern. Damit lassen sich kleinste Leistungsuntergrenzen und höchste Effizienz unter einen Hut bringen. Im Gegenzug ist diese Lösung aber auch mit entsprechend hohem Aufwand und Kosten verbunden.

Fazit

Die Option, mit Hilfe einer Wärmepumpe aus frei verfügbarer Umweltenergie und einer Kilowattstunde Strom bis zu fünf Kilowattstunden Heiz- oder Kühlenergie zu generieren, zeigt sowohl in der Heiztechnik als auch im Lüftungsgerätebereich den Weg in die Zukunft auf.

Eine allgemein gültige Ausführungsempfehlung für Wärmepumpen im Klima-/Lüftungsbereich gibt es bisher nicht. Anhand der oben beschriebenen Merkmale, Besonderheiten und Einschränkungen der verschiedenen Systeme kann im Abgleich mit den jeweiligen Kundenanforderungen ein geeignetes System zusammengestellt werden.

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