Multifunktions-Wärmepumpen im Simultanbetrieb

Durch die Verschiebung von Energie mit Multifunktions-Wärmepumpen innerhalb eines Gebäudes lassen sich Einsparungen im zweistelligen Prozentbereich erzielen. Durch den Einsatz von drehzahlgeregelten Verdichtern können die Einsparpotenziale noch einmal deutlich erhöht werden. Doch welche Voraussetzungen müssen erfüllt sein, um die Anlagentechnologie für ein Gebäude mit simultanem Kühl- und Heizbedarf zu bestimmen?

Angesichts hoher Energiepreise und strenger Energiesparverordnungen scheint es gegeben, Gebäude mit gleichzeitigem Kühl- und Heizbedarf mit Systemen auszustatten, die Heizen und Kühlen im Simultanbetrieb ermöglichen. Die Vorteile sogenannter integraler Systeme sind einfach erklärt: Statt eine separate Anlage zum Heizen und eine zum Kühlen zu nutzen, wird ein System eingesetzt, das gleichzeitig heizt und kühlt. Voraussetzung ist, dass in einem Gebäude zeitgleich Wärme- und Kühlbedarf besteht.

Wärme wiederverwenden
Durch die Nutzung der im Kühlprozess entzogenen Wärme lassen sich andere Bereiche heizen und so die Energiekosten deutlich reduzieren. Auch die Investition in die Anlagentechnik fällt geringer aus, da sowohl Gerätetechnik als auch Anlagenperipherie auf eine einzige Technologie hin ausgelegt werden können. Im Optimalfall kann damit eine Total Efficiency Ratio (TER) von 8 erreicht werden (TER die Summe aus Kühl- und Heizleistung dividiert durch die elektrische Leistungsaufnahme).

Geeignete Einsatzfelder
Multifunktions-Wärmepumpen zum Kühlen und Heizen im Simultanbetrieb eignen sich für Gebäude mit mittlerem bis hohem Leistungsbedarf. Zu den Einsatzmöglichkeiten gehören Büro- und Geschäftshäuser mit ausgeprägter Nord-Süd-Ausrichtung, großen Glasfassaden oder Hotels. Dazu gehören auch Rechenzentren mit angeschlossenen Büroflächen und Prozess­anwendungen mit gleichzeitigem Kalt- und Warmwasserbedarf.
Je ausgeglichener der Heiz- und Kühlbedarf ist, desto wirtschaftlicher und effizienter lässt sich der Einsatz eines integralen Systems mit einer Multifunktions-Wärmepumpe im Vergleich zu zwei getrennten Systemen darstellen. Mit der Kühl- und Heizlastberechnung wird ermittelt, wie groß der Anteil der simultanen Last ist und die Geräteleistung bestimmt. Ergänzend kann ein zusätzlicher Spitzenlast-Kaltwassererzeuger oder eine Wärmepumpe eingebunden werden.

Invertergeregelte Verdichter erhöhen Effizienz
Um die Energie-Effizienz von Multifunktions-Wärmepumpen weiter zu erhöhen, ist der Einsatz von drehzahlgeregelten Verdichtern, Ventilatoren und Pumpen sehr empfehlenswert. Damit lassen sich im Teillastbereich – der den überwiegenden Anteil der Betriebszeiten ausmacht – besonders hohe Wirkungsgrade erzielen. Zum Beispiel sind bei den luftgekühlten Multifunktions-Wärmepumpen i-FX-Q2 der Integra-Serie von Climaveneta – einer Marke von Mitsubishi Electric – alle elektrischen Verbraucher drehzahlgeregelt.
Verwendet wird neben EC-geregelten Lüftern die neueste Generation von invertergeregelten Schraubenverdichtern. Auch die Pumpen für den Kalt- und Warmwasserkreislauf können drehzahlgeregelt ausgeführt werden, sodass es sich bei diesem Gerät um ein Full-Inverter-Konzept handelt. Die drehzahlgeregelte Verdichtertechnologie ermöglicht eine punktge­naue Lastanpassung über das gesamte Leistungsspektrum und sorgt dadurch für eine hohe Effizienz im Teillastbetrieb.

Mehrere Wärmetauscher pro Wasserkreislauf
Um ein ungleiches Verhältnis zwischen Kalt- und Warmwassererzeugung zu kompensieren ist es erforderlich, überschüssige Energie abzugeben oder zusätzlich Energie aufzunehmen. Für ein optimales Betriebsergebnis verfügen Multifunktions-Wärmepumpen deshalb über mehrere Wärmetauscher pro Wasserkreislauf. Bei einem höheren Kältebedarf arbeitet der dritte Wärmetauscher als Verflüssiger, bei einem höheren Heizbedarf wird derselbe Wärmetauscher zum Verdampfer.

Weniger Umschaltvorgänge erhöhen Effizienz
Der Einsatz mehrerer Verdichter in einem Kältekreislauf bzw. drehzahlgeregelter Verdichter hat betriebs- und regelungstechnische Vorteile. Bei einer höheren Anzahl von Verdichtern je Kältekreislauf reduzieren sich die mechanischen Belas­tungen aufgrund der feiner abgestimmten Leistungsstufen. Weniger Umschaltzyklen von einem zum anderen Wärmetauscher sind die positive Folge. Auch das Temperaturprofil des angeschlossenen Hydrauliksystems wird präziser.
Gleiches gilt für drehzahlgeregelte Schraubenverdichter, mit denen sich höhere Leistungen abbilden lassen. Während ein Gerät mit zwei Leistungsstufen noch vergleichsweise oft die Verdichter ein- und ausschalten muss, um die benötigte Leistung zur Verfügung zu stellen, erleichtern vier Scrollverdichter die Modulation an die gewünschte Geräteleistung. Der Einsatz drehzahlgeregelter Verdichter macht in den Kalt- und Warmwasserkreisläufen das System flexibel bei der Leistungsanpassung und erhöht so die Effizienz des Gesamtsystems.

Ein Fazit
Der Einsatz von Multifunktions-Wärmepumpen zur Erzeugung von Kalt- und Warmwasser im Simultanbetrieb ermöglicht die gleichzeitige Bereitstellung von Kalt- und Warmwasser mit nur einem System. Drehzahlgeregelte Verdichter und elektrische Bauteile können sowohl die Einsparpotenziale als auch die Funktionssicherheit einer Anlage weiter steigern. Multifunktions-Wärmepumpen für die simultane Kalt- und Warmwassererzeugung lassen sich optimal einzeln oder zur Grundlastabdeckung in Kombination mit Standardchillern und/oder Speichersystemen konfigurieren.

Autor: Martin Schellhorn, Freier Fachjournalist und Inhaber der Fachpresseagentur Kommunikations-Management

Bilder: Mitsubishi Electric