8. Februar 2023

Aufbau, Funktion, Vorteile und Einsatzgrenzen von Rooftop-Einheiten
Immer öfter finden bei der Klimatisierung von Lagerhallen, Tankstellen, Bürokomplexen und Restaurants sogenannte Rooftop-Einheiten (RTU) den Vorzug gegenüber herkömmlichen RLT-Geräten (AHU). Als größte Vorteile können die Zeitersparnis bei Planung, Installation und Inbetriebnahme sowie geringe Investitions- und interessante Betriebskosten genannt werden. Gerade bei der Klimatisierung von großen Lagerhallen haben die „Plug & Play“ Lösungen ihre Berechtigung gefunden. Ausführungen als Wärmepumpengeräte sind bereits Standard. Doch wo genau liegen die Unterschiede zu den herkömmlichen AHUs, wo findet eine Abgrenzung statt?

Bei einer RTU handelt es sich um eine kompaktes Lüftungsgerät mit Heiz- und/oder Kühlfunktion. Installation erfolgt meist auf dem Dach von Gebäuden. Immer öfter finden diese Geräte im Mietgeschäft Einsatz. Bild 1 zeigt den typischen Geräteaufbau einer RTU. Hieraus wird ersichtlich, dass die umschaltbare Luft/Luft-Wärmepumpe direkt mit den Sektionen Luftbehandlung, Abluft und Wärmerückgewinnung fest auf einem Grundrahmen zu einer Einheit verbunden ist. Es sind auch Wasser/Luft-Wärmepumpenausführungen verfügbar, jedoch dominiert die Anwendung mit Luft als Rückkühlmedium aufgrund der größeren Unabhängigkeit und Flexibilität bei Außenaufstellung. Da bei einer RTU alle Sektionen fertig auf einem Grundrahmen montiert sind, gibt es aus diesem Grunde natürliche Begrenzungen. Die maximale Baugröße liegt derzeit ungefähr bei einer Luftleistung von 50.000 m³/h, einer Kälte- bzw. Heizleistung von 270 kW, als externe Luftpressung können 1000 Pa erzielt werden. Aufgrund der begrenzten maximalen Luftgeschwindigkeiten im Gerät sowie der Limitierung der Gehäusebaugröße für den Transport mit einem Standard-LKW sind auch in Zukunft keine signifikanten Luftmengenerhöhungen zu erwarten.

Funktionsprinzip
Das Funktionsprinzip einer RTU mit Wärmerückgewinnungsrad für den Winterfall ist in Bild 2 dargestellt. Bei 100% Umluft (RCA) ist der Rotationswärmetauscher aus, die Zuluft (SUP) wird durch die Wärmepumpe von 20°C auf 23°C erwärmt. Bei 50% Umluft (RCA) und 50 % Außenluft (ODA) ist die WRG in Betrieb und erwärmt ODA von −10°C auf +10°C, durch die Mischung mit der 20°C warmen Abluft (ETA) entsteht eine Mischlufttemperatur von 15 °C. Durch die Wärmepumpe wird diese auf 23°C Zuluft (SUP) erwärmt. Bei 100% Außenluft (ODA) wird die Außenluft von −10°C auf +8°C erwärmt. Durch die Wärmepumpe erfolgt dann eine Erwärmung auf 23°C Zulufttemperatur. Bild 3 verdeutlicht den Sommerfall. Auch hier ist bei 100% Umluft (RCA) der Rotationswärmetauscher logischerweise aus, die Zuluft (SUP) wird durch die Kältemaschine um 5 K auf 18°C gekühlt. Bei 50% Umluft (RCA) und 50% Außenluft (ODA) ist der Rotationswärmetauscher in Betrieb und kühlt die ODA von 35°C auf 25°C herab, die restliche Kühlung auf 18°C Zuluft (SUP) wird durch die Kältemaschine erbracht. Bei 100% Außenluft wird die Außenluft über die Wärmerückgewinnung (bzw. in diesem Fall Kälterückgewinnung) auf 27°C abgekühlt, durch die Kältemaschine erfolgt dann die weitere Abkühlung auf 18°C Zulufttemperatur. Abhängig von der Verdampfungstemperatur kann in diesem Fall die Entfeuchtung beeinflusst werden. Um eine ausreichende Temperatur- und Feuchteregelung zu erreichen, wird der Einsatz von drehzahlgeregelten Scrollverdichtern sowie Multiverdichteranwendungen empfohlen.

Wo befindet sich die Abgrenzung zwischen Rooftop und RLT Gerät?
Hier betrachten wir die Ökodesign-Richtlinie 2009/125/EG, diese legt Rahmenbedingungen für alle energieverbrauchenden Geräte fest. Sie ist für alle in der Europäischen Union verkauften und verwendeten Produkte verbindlich. Die Bestimmungen, die sich aus der Ökodesign-Richtlinie ergeben, legen für jede Produktfamilie Mindestwirkungsgrade fest, siehe Tabelle 1. Die Einhaltung der jeweils relevanten Verordnung ist Grundlage der Berechtigung zur CE-Kennzeichnung und somit zum Inverkehrbringen der Geräte.
Rooftops fallen nicht unter die Verordnung EU 1253/2014 für Lüftungsgeräte, sondern sind – da sie einen Wärme- und Kälteerzeuger beinhalten (Wärmepumpe) – in der EU-Verordnung 2016/2281 geregelt.

RTU- und AHU-Systeme im Vergleich
Wie bereits festgestellt, erfüllen auf den ersten Blick beide Gerätebauarten die Bedingungen für die Belüftung und Klimatisierung von Gebäuden. Im Detail bestehen aber signifikante Unterschiede, die je nach Anwendung und Anforderung den Einsatz von entweder Rooftops oder Lüftungsgeräten rechtfertigen. Nachfolgend werden die beiden Geräteformen anhand wichtiger Punkte miteinander verglichen.
RTUs sind seriengefertigte, zertifizierte Produkte mit einer hohen Fertigungsqualität, Modularität und Standardisierung. Die Einheit wird im Werk einem Testlauf unterzogen, es findet eine gleichzeitige Prüfung der Sektionen Kältemaschine, Luftbehandlung, Abluft, Wärmerückgewinnung und Regelung statt. Abhängig vom Hersteller sind viele Optionen verfügbar (z. B. Wasserregister, Gasbrenner, Elektroheizung), Luftvolumenströme bis ca. 50.000 m³/h bei maximal 1000 Pa externer Pressung werden erreicht, Kälte- bzw. Heizleis­tung bis ca. 270 kW sind möglich. Jedoch ist hier nicht die gleiche Flexibilität sowie Individualisierung wie bei Lüftungsgeräten möglich, wo explizit auf Kundenwünsche- und Anforderungen tiefer eingegangen werden kann (Abmessungen, Schallanforderungen, Schaltschrankbau nach Werksnorm usw.). Eine Entfeuchtung ist systembedingt nur in den Einsatzgrenzen des Kälteprozesses möglich. Hingegen muss (soweit gefordert) eine Befeuchtung im Allgemeinen über einen externen Befeuchter erfolgen. Dies gilt auch für eine Fettabscheidung und eine Geruchsneutralisation, die ebenfalls über weitere Komponenten im Kanalnetz realisiert werden müssen. Generell ist eine Abluftreinigung im industriellen Umfeld nur begrenzt möglich (Ölabscheidung u.ä.). Hygieneausführungen für Krankenhausanwendungen mit Erfüllung der VDI 6022 sind mit Rooftops nicht möglich.
Bezüglich der Effizienz ist bei Rooftop-Einheiten positiv zu bewerten, dass die Kälteerzeugung als unabhängiges Modul auf dem Grundrahmen montiert ist. Die Kompressionskälte und -wärmeerzeugung führt somit nicht zu luftseitigen Druckverlusten, die durch stärkere Ventilatoren kompensiert werden müssen, wie das z.B. bei im Zusammenhang mit Lüftungsgeräten installierten Lösungen der Fall ist. Durch die Direktverdampfung und -kondensation sind kein weiterer Wärmeübergang und keine Pumpen notwendig, Verteilverluste entfallen vollkommen. Effizienzkennzahlen geben Auskunft über das gesamte System. Somit haben in diesem Punkt Rooftop-Einheiten ihre Stärke. Lüftungsgeräte haben bei der Wahl und Auslegung der Wärmerückgewinnung, bei der Verschaltung sowie bei der Möglichkeit der indirekten adiabaten und sorptionsgestützten Kühlung mehr Möglichkeiten, die Effizienz positiv zu beeinflussen. Eine pauschale Aussage, welche Bauart effizienter ist, und ein Vergleich der Betriebskosten können somit nicht vorgenommen werden.

Montage und Inbetriebnahme
Da Rooftops standardisierte Geräte sind, ist der Planungsprozess sowohl durch vorhandene Dokumente und Daten im klassischen DWG-Format als auch durch die Möglichkeit zur Nutzung BIM-fähiger Software vereinfacht. Schnittstellen mit beteiligten Gewerken reduzieren sich, Abmessungen und Gewicht sind in
der Regel geringer als bei Lüftungsgeräten. RTUs werden als eine Kom­ponente geliefert; hierdurch wird die Montage deutlich vereinfacht und beschleunigt. Aufgrund des Werksprobelaufs und des stimmigen Standardkonzepts verkürzt sich die Inbetriebnahme im Vergleich zu einem Lüftungsgerät. Es ist weniger Kältemittel erforderlich und der Fertigungsstandard ist höher als bei einer Kälteverrohrung auf der Baustelle. Die Wartung kann von einem Servicetechniker des Herstellers durchgeführt werden.
Aufgrund der Serienfertigung und der kompakten Bauweise mit geringerem Materialaufwand kann man bei Rooftop-Einheiten von einer Reduzierung der Investitionskosten um 30 bis 50 % gegenüber Lüftungsanlagen ausgehen. Werden die Projekt- und Kundenanforderungen durch eine Rooftop-Einheit erfüllt, ist dies bezüglicher der Investition die deutlich kostengünstigere Variante. Eine Aussage zu den Betriebskosten immer projektspezifisch zu ermitteln und pauschal nicht möglich.

Autor: Lars Keller