Hybridsysteme für die Klimatechnik

Das stellt die Hersteller und Betreiber von VRF-Kälte- und Klimaanlagen vor große Herausforderungen, beispielsweise wenn es darum geht, zukünftige Investitionsentscheidungen zu treffen und den Bedarf für Änderungen am Anlagenbestand frühzeitig zu erkennen. Aber welche Möglichkeiten stehen in Zukunft noch zur Verfügung? Langfristig werden teilfluorierende Kältemittel schrittweise reduziert, sodass andere Lösungen für die Gebäudeklimatisierung mit VRF-Anlagen gefunden werden müssen. Andere Kältemittel als Ersatz bergen aber für den Betrieb in großen Anlagen gewisse Nachteile. So können Klimaanlagen mit R744 (CO₂) nur unter hohen Drücken betrieben werden. R717 (NH₃/Ammoniak) ist  giftig und wird für eine Verwendung im Gebäude als bedenklich eingestuft. Die Verwendung von Kaltwassersätzen stellt immer dann eine Alternative dar, wenn die baulichen Voraussetzungen hierfür gegeben sind. Jedoch ist hier der Materialaufwand vergleichsweise höher und die Energieeffizienz verhältnismäßig niedriger als bei VRF-Systemen mit gleicher Leistung.

Aktuelle Klimasysteme werden in der Regel mit dem Kältemittel R410A betrieben. Das Kältemittel R410A bietet im Vergleich zu anderen Kältemittelgemischen zahlreiche Vorteile. Es weist zum Beispiel einen nahezu vernachlässigbaren Temperaturgleit auf, ist dadurch nahezu azeotrop und hat aufgrund des vergleichsweise hohen Dampfdruckes eine größere volumetrische Kälteleistung.

Zukunftsorientierte Lösung

Der Klimagerätehersteller Mitsubishi Electric hat deshalb ein System entwickelt, welches die Vorzüge eines direktverdampfenden mit denen eines wassergeführten Systems kombiniert, ohne dabei auf eine hohe Betriebssicherheit, ein Maximum an Komfort sowie die Energieeffizienz des R2-Systems zu verzichten. Das neue H-VRF-System nutzt auch weiterhin das Kältemittel R 410A und bedient sich als Grundlage der bewährten R2-Technologie zum simultanen Kühlen und Heizen mit Wärmerückgewinnung. Die höhere Energieeffizienz durch Wärmerückgewinnung ermöglicht Energieeinsparungen von bis zu 40 % im Vergleich zu einem Kaltwassersatz.

Mit dieser Technologie lassen sich Komplettanlagen für die Beheizung und Kühlung auf Basis erneuerbarer Energieträger in einem System – bei Kälteleistungen von 22 kW bis 56 kW, Heizleistungen zwischen 25 kW und 63 kW – abbilden. Jedes einzelne Innengerät kann unabhängig im Heiz- und Kühlbetrieb betrieben werden. Wärme, die den zu kühlenden Räumen entzogen wird, wird nicht an die Außenluft abgegeben, sondern zum Beheizen der Räume mit Wärmebedarf verwendet. Hierbei zirkuliert das Kältemittel vom Außengerät bis zu einem Verteiler, dem sogenannten Hybrid-BC-Controller, der in einem definierten Technik- oder Lagerraum untergebracht werden kann (Bild 1). Dort wird die Energie über speziell ausgelegte und optimierte 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 ähnlich kleine Rohrdurchmesser, wie man es von anderen VRF-Systemen kennt. Diese können – da Wasser als Transportmedium verwendet wird – auch aus Werkstoffen wie beispielsweise Kunststoff bestehen. Das senkt die Materialkosten und lässt eine einfache Montage zu.

Anpassungen möglich

Der große Vorteil der Trennung von Kältemittel und Wasserkreislauf durch den Wärmetauscher im HBC-Controller besteht darin, dass bei einer weiteren Verschärfung der EU-Richtlinien und einem eventuellen Tausch des Kältemittels alle weiteren Komponenten wie die Innengeräte, die Rohrleitungen und die Regelungstechnik weiterhin genutzt werden, da der Energieträger Wasser problem- und gefahrlos sowie regelkonform weiter genutzt werden kann (Bild 2). Im Falle einer Gesetzesnovellierung werden Außengerät und HBC-Controller angepasst. Die Infrastruktur im Gebäude wird davon nicht berührt. »Damit bietet dieses System beim Einsatz von Kältemitteln uneingeschränkte Planungssicherheit sowie einen besonders hohen Komfort, sowohl in der Beheizung als auch der Kühlung von Gebäuden«, erläutert Michael Lechte, Leiter Produktmarketing Mitsubishi Electric, Living Environment Systems die strategische Bedeutung dieser technologischen Neuentwicklung.

Die Planung und Ausführung des Hybrid-Systems wird dadurch vereinfacht, dass alle hydraulischen Komponenten aufeinander abgestimmt sind. Es sind 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 HBC-Controller, die die umlaufende Wassermenge je nach Leistungsbedarf individuell anpassen und einen Betrieb ohne zusätzliches Vorhaltespeichersystem ermöglichen. Der Gesamtwirkungsgrad des R2-Systems ist durch den großen Anteil der Wärmerückgewinnung wesentlich höher als bei konventionellen Systemen und lässt sich durch die Realisierung einer Komplettklimatisierung sowie über eine optimierte Anlagen- und Regelungstechnik noch erheblich steigern.

Waren früher noch spezielle Außengeräte für diese Systeme erforderlich, können inzwischen auch bei dem Hybrid-VRF-System normale R2-Außengeräte eingesetzt werden. Aktuell stehen Hybrid-BC-Controller für den Anschluss von acht bzw. 16 Innengeräten zur Verfügung. Diese können dann auch als 2er- oder 3er-Kaskade verschaltet werden, sodass bis zu 50 Innengeräte in einem System miteinander verbunden und an einem Außengerät angeschlossen werden können.

Bei einer 3er- oder 4er-Kaskade übernimmt dann ein Controller die Masterfunktion und die beiden anderen werden als Slave nachgeschaltet. Auch andere Aspekte der neuen F-Gas-V können mit dem H-VRF-R2-System gelöst werden, so befinden sich im Leitungsnetz zum Beispiel deutlich weniger Verbindungspunkte als in herkömmlichen 3- oder 4-Leitersystemen, wodurch das Leckagepotenzial reduziert und der Betrieb insgesamt noch sicherer sowie wartungsärmer wird.

Fazit

Mit einem Hybrid-System wird auf die aktuellen und kommenden Veränderungen in der Klimatechnik reagiert. Das erste 2-Leitersystem zum gleichzeitigen Kühlen und Heizen mit Wärmerückgewinnung basiert auf dem City Multi R2-Wärmepumpensystem von Mitsubishi Electric und besteht aus einem R2-Außengerät der City Multi-Serie, dem Hybrid BC-Controller, der die Verbindung von Kältemittel und Wasser als Energieträger ermöglicht, sowie Innengeräten, die speziell mit einem Wasserregister ausgestattet sind (Bild 3).

Zentrales Bauteil dieses Systems ist der Hybrid-BC-Controller, der über Plattenwärmetauscher verfügt, in denen der Energieaustausch zwischen Kältemittel und Wasser stattfindet. Gerade mit Blick auf die gesetzlichen Anforderungen durch die neue F-Gas-V, hinsichtlich der Verringerung  der Kältemittelmengen und den erhöhten Anforderungen an die Dichtheit eines Rohrnetzes, aber auch die hohen Anforderungen, die Gebäudezertifizierungen wie z. B. des DGNB stellen, ist das Hybrid-R2-System eine geeignete Lösung (Bild 4).