Aus drei mach zwei - Gleichzeitiges Heizen und Kühlen im 2-Leitersystem

Der heutige Haustechnik-Standard 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 PCs, 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 Verbindung beider Aufgaben bietet die VRF-Technologie. VRF steht für Variable Refrigerant Flow – den variablen Kältemittel-Strom mit stetig leistungsgeregelten Außengeräten. Dabei ermöglichen leis­tungsgeregelte Verdichter in Kombination mit elektronischen Expansionsventilen in den Innengeräten eine individuelle Leistungsabgabe in jeden Raum. Grundsätzlich wird dabei durch die Inverter-Regelung nur so viel Leistung bereitgestellt, wie durch die Innengeräte abgenommen wird. Die Leistungsabgabe wird kontinuierlich dem aktuellen Bedarf angepasst.

Die Technik

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. Da eine zusätzliche Pumpe zum Antrieb des Wärmekreislaufs entfällt, kann der elektrische Energieverbrauch der Gesamtanlage reduziert werden. Mit VRF-Systemen lässt sich die Raumluft im Umluftbetrieb kühlen, heizen und entfeuchten. Die meisten VRF-Innengeräte verfügen standardmäßig über einen Anschluss zur Frischluftzufuhr. Somit kann auch die Frischluftversorgung durch das System erfolgen. Sofern eine Wärmerückgewinnungsfunktion vorhanden ist, sind sie ebenfalls in der Lage, im Simultanbetrieb zu heizen und zu kühlen. Dabei wird die überschüssige Wärme aus einem Raum über die 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.
Um eine gleichzeitige Kühlung und Beheizung mit nur zwei Rohrleitungen realisieren zu können, wird ein sogenannter BC-Controller eingesetzt, in dem eine Phasentrennung des eingesetzten Kältemittels an einer einzigen, zentralen Position in der Gesamtanlage stattfindet. Dieser Controller ist ein 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. 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“, erklärt Michael Lechte, Marketing- und Produktmanager bei Mitsubishi Electric, Living Environment Systems. Und weiter: „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 aber ein „überwiegender Kühlbetrieb“ gemeldet, wird das Kältemittel nicht vollständig, sondern nur teilweise verflüssigt und in zwei Aggregatzuständen in die Leitung befördert. Dabei sinkt die Flüssigkeit nach unten und das Heißgas nimmt den oberen Teil der Rohrleitung ein. Durch die Beeinflussung von Temperatur und Druck lässt sich das Mischungsverhältnis mittels Drucksensoren verändern. Im BC-Controller erfolgt über einen Abscheider wieder die Trennung von Flüssigkeit und Heißgas. Die Länge der Verbindungsleitungen ist dabei vom Hersteller auf 950 m begrenzt.

Energieverschiebung innerhalb des Gebäudes

Während in 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 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.

Fazit

Mit der VRF-„R2“-Technologie lassen sich Komplettanlagen für die Beheizung, Kühlung und Warmwasserversorgung vollständig auf der Basis erneuerbarer Energieträger in einem gemeinsamen System abbilden. Werden hierfür bei konventionellen Geräten drei Rohrleitungen zur Verbindung zwischen Innen- und Außeneinheiten eingesetzt, bietet das System ein gleichzeitiges Heizen und Kühlen mit nur zwei Rohrleitungen. Durch die Energieverschiebung und Wärmerückgewinnung dieser Technik lässt sich die Abwärme im Sommer beispielsweise zur Warmwasserversorgung einsetzen. „So lassen sich Anlagen-COPs bis zu 8 erreichen“, wie der Hersteller Mitsubishi erklärt.
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