28. April 2022

Was für die Planung von VRF-Systemen zum gleichzeitigen Heizen und Kühlen zu beachten ist

Klimaanlagen zum gleichzeitigen Kühlen und Heizen werden immer beliebter. Nicht nur, dass sie den Aufwand für Investitionen und Montage verringern, auch lassen sich Betriebskosten durch Energieeinsparungen und Wärmerückgewinnung in hohem Maße reduzieren. Doch was ist für die Kühl- und Heizlasten solcher Anlagen zu beachten? Und wie sind die Rohrleitungen zu dimensionieren? Unser Artikel gibt einen Überblick über einige wichtige Faktoren der Auslegung.

Als besonders wirtschaftlich und umweltfreundlich erweisen sich VRF-Systeme mit Wärmerückgewinnung. Durch die Wärmerückgewinnung lassen sich je nach Aufteilung zwischen Kühl- und Heizbedarf Energiekosten eines Gebäudes um bis zu 50 % einsparen. Immer häufiger setzen TGA-Fachplaner auf Lösungen zum simultanen Heizen und Kühlen eines Gebäudes auf Basis erneuerbarer Energieträger mit nur einem System. Dabei sollte bereits in der Entwurfs- und Planungsphase die Ener gieverschiebung in die Überlegungen einbezogen werden, um eine optimale Anlagenlösung zu erarbeiten.

Zentrales Bauteil eines 2-Leitersystems ist ein Kältemittelverteiler, der mit dem Außengerät eine kälte- und regelungstechnische Einheit bildet und so die Wärmerückgewinnung ermöglicht. Ein solches Wärmepumpensystem ermöglicht das Kühlen und Heizen im Simultanbetrieb, bei der den zu kühlenden Räumen Wärme entzogen und innerhalb des Gebäudes in den Raum verschoben wird, in dem ein aktueller Wärmebedarf besteht. Doch wie werden diese Systeme für eine monovalente Betriebsweise ausgelegt?

Kühl-/Heizlastberechung

Bei der Auslegung von Anlagen zum Kühlen und Heizen müssen grundsätzlich beide Betriebsmodi berücksichtigt werden.

Dafür ist sowohl eine Kühl- als auch eine Heizlastberechnung anhand der aktuell geltenden Richtlinien zu erstellen. Im Falle der Kühllastberechnung muss die maximale Kühlleistung z. B. mithilfe der VDI-Richtlinie 2078 für das Gebäude ermittelt werden. In der heutigen Zeit ist der Kältebedarf oft so hoch, dass die Kälteleistung höher ist, als die erforderliche Heizleistung. In den meisten realisierten Neubauobjekten beträgt sie fast das Doppelte, in einigen sogar noch mehr. Der enorme Kühlleistungsbedarf liegt vor allem an den inneren Wärmelasten beispielsweise durch IT-Arbeitsplätze sowie an einer sehr guten Dämmung der Gebäudehülle, durch die Wärme kaum noch entweichen kann. Im Regelfall reicht die Wärmeleistung der Außengeräte für den Raumwärmebedarf also immer aus, weil die Kälteleistung bereits sehr hoch ist.

VRF-Klimasysteme können aufgrund ihrer Wärmepumpenfunktion zum monovalenten Heizen eingesetzt werden. Da Systeme zum gleichzeitigen Heizen und Kühlen dies i. d. R. auch sollen, ist für die Auslegung ebenfalls eine Berechnung des Heizwärmebedarfs des Gebäudes erforderlich. Die Leistungsermittlung einer Wärmepumpenanlage basiert, wie auch bei anderen Wärmeerzeugern, auf einer Heizleistungsberechnung gemäß DIN EN 12831. Diese ist sowohl für die Neuerrichtung von Gebäuden als auch für eine Modernisierung vorzunehmen.

Auswahl der Außengeräte

Bei der Auswahl der Außengeräte sollte gegebenenfalls der potenzielle Leistungsverlust bei niedrigen Außentemperaturen betrachtet werden. Je nach Normauslegungstemperatur, die regional sehr unterschiedlich sein kann, ist zu prüfen, ob die Außeneinheit(en) bei tiefen Temperaturen die erforderliche Heizleistung erbringen. Bei klassischen VRF-Systemen werden beispielsweise rund ca. 30 % Leistungsverlust für den Heizbetrieb bei niedrigen Temperaturen unterhalb minus 7 °C veranschlagt. Wenn also die Leistung zum Kühlen bereits doppelt so hoch ist wie die zum Heizen bei der niedrigsten, anzusetzenden Außentemperatur, ist eine Anlage zum simultanen Heizen und Kühlen auf jeden Fall mit der erforderlichen Leistung ausgelegt.

Für die Anlagen und Geräteauswahl sollten immer auch die Fördermöglichkeiten der Bundesförderung für effiziente Gebäude – Einzelmaßnahmen (BEG EM) berücksichtigt werden. Gefördert werden in diesem Bereich u. a. Investitionsvorhaben für Kältetechnik zur Raumkühlung und Klimaanlagen in Nichtwohngebäuden mit bis zu 20 % der Investitionskos ten, die im Rahmen einer Sanierung in Bestandsgebäuden umgesetzt werden. Der Einsatz von Wärmepumpen im Rahmen der Heizungsmodernisierung wird mit 35 %, beim Austausch einer Ölheizung sogar mit bis zu 45 % gefördert. Auch für die Fachplanung und Baubegleitung können bis zu 50 % Fördermittel beantragt werden.

Hybrid-Systeme als zukunftsorientierte Lösung

Wie in vielen Bereichen sind auch in der Kälte- und Klimatechnik Hybrid-Lösungen auf dem Vormarsch. Beispielsweise hat der Klimagerätehersteller Mitsubishi Electric mit seiner Hybrid VRF-Technologie eine Lösung präsentiert, welche die Vorzüge eines direktverdampfenden mit denen eines wassergeführten Systems kombiniert, ohne dabei auf Betriebssicherheit, Komfort sowie die Energieeffizienz des 2-Leiter-Systems zu verzichten. Die höhere Energieeffizienz durch Wärmerückgewinnung ermöglicht Energieeinsparungen von bis zu 40 % im Vergleich zu einem Kaltwassersatz. Bei dieser Hybrid-Lösung fließt das Kältemittel allerdings nur noch zwischen dem Außengerät und einem Hybrid-Kältemittelverteiler. Dort wird die Wärme- und Kälteenergie auf Wasser übertragen, das im gesamten Gebäude als Trägermedium eingesetzt wird. Auf diese Weise sind Projekte realisierbar, bei denen keine Kältemittelleitungen in von Menschen genutzten Räumen erwünscht sind. Darüber hinaus bietet diese Systemtrennung den Vorteil, dass bei weiteren Kältemittelverboten durch den Gesetzgeber alle Rohrleitungen und Innengeräte des Hybrid VRF-Systems im Gebäude auch weiterhin problemlos genutzt werden können. Herausforderungen wie die Kältemittelkonzentration im Gebäude entfallen bei einem Hybrid VRF-System. Dadurch sind mögliche Konflikte mit der DIN EN 378 in Einzelräumen ausgeschlossen.

Rohrleitungsdimensionierung mit Hybrid-System

Um für den dauerhaften Betrieb optimale Strömungsverhältnisse zu erzielen, ist eine exakte Dimensionierung der installierten Rohrleitungen erforderlich. Die Leitungsausführung bei kältemittelführenden Leitungen von VRF-Systemen erfolgt in der Regel mit gelöteten Kupferrohren auf der Hochdruckseite in den Dimensionen 16 bis 22 mm und auf der Niederdruckseite in den Dimensionen 18 bis 28 mm. Bei hybriden VRF-Systemen, die mit einem wasserführenden Kreislauf zwischen dem Kältemittelverteiler und den Innengeräten arbeiten, können Wasserleitungen mit einem einheitlichen Durchmesser von 20 mm verwendet werden.

Zu berücksichtigen sind zudem die Entfernungen zwischen Außengeräten und Kältemittelverteilern, die maximalen Rohrleitungslängen zwischen Kältemittelverteilern und Innengeräten sowie die maximalen Höhenunterschiede zwischen Außen- und Innengeräten bzw. den Kältemittelverteilern. Wichtig für die Systemauswahl ist, dass möglichst große Entfernungen und Höhendifferenzen zwischen den einzelnen Systemkomponenten umsetzbar sind, um auch große und komplexe Gebäude mit VRF-Systemen zum gleichzeitigen Kühlen und Heizen ohne nennenswerte Druck- und Leistungsverluste ausstatten zu können.

Bei dem Hybrid VRF-System von Mitsubishi Electric sind beispielsweise Entfernungen im Kältemittelkreislauf zwischen Außengerät und Kältemittelverteiler (HBC-Controller) von maximal bis zu 110 m und zwischen Innengerät und HBC-Controller – dem Wasserkreislauf – von maximal 60 m möglich. Bei der Höhendifferenz zwischen Kältemittelverteiler und Außengerät sind bis zu 50 m und zwischen Kältemittelverteiler und Innengerät maximal bis zu 15 m realisierbar. Bei den zu einem Wasserkreislauf gehörenden Innengeräten ist eine maximale Höhendifferenz von bis zu 15 m möglich.

Bilder: Mitsubishi Electric