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Möglichkeiten moderner VRF- und Multisplit-Klimasysteme

Gebäudekühlung, effiziente Wärmerückgewinnung, flexible Wärmeverschiebung

Beim Betrieb von gewerblich genutzten Gebäuden hat man längst die Vorteile der Klimatisierung erkannt: Klimatisierte Büros steigern Leistungsfähigkeit und Motivation der Mitarbeiter.

Panasonic „ECO G GE3“-Gasmotorwärmepumpen: Leistungsstarke 2-Leiter-VRF-Systeme, die mit einer einphasigen Stromversorgung auskommen, da der Verdichter mit Gas angetrieben wird.

Bei der Planung von Direktverdampfersystemen dürfen bestimmte Leitungslängen nicht überschritten werden. Die Grafik zeigt die Vorgaben für aktuelle Panasonic „ECOi EX“-VRF-Geräte.

VRF-2-Leiter-Systeme können im Gegensatz zu den 3-Leiter-Systemen entweder heizen oder kühlen. Aufgrund der intelligenten Steuerung und der Möglichkeit, über 50 Innengeräte im System zu betreiben, sind diese Anlagen die günstigste Art, größere Gebäude zu konditionieren – vorausgesetzt Wärmerückgewinnung ist im betrachteten Gebäude kein Thema.

 

Dezentrale Raumklimaanlagen etablieren sich zunehmend auf dem deutschen Markt. Steigende Ansprüche im Privatumfeld sind Treiber dieser Entwicklung. Beim Betrieb von gewerblich genutzten Gebäuden hat man zudem die Vorteile einer intelligenten Klimatisierung erkannt: Klimatisierte Büros steigern Leistungsfähigkeit und Motivation der Mitarbeiter. Zudem macht der Wunsch nach lichtdurchfluteten Gebäuden die Projektierung einer intelligenten Gebäudeklimatisierung oftmals unerlässlich. 

Der Markt der dezentralen Klimageräte bietet für die unterschiedlichen Anforderungen diverse Ausführungen. Meist handelt es sich um sogenannte Split-Geräte. Diese Anlagen bestehen aus einem Außengerät und einem oder mehreren Innengeräten. Ist Letzteres der Fall spricht man auch von „Multisplitanlagen“. Anders als bei Luft/Wasser-Wärmepumpen, die als Wärmeträgermedium Wasser nutzen, handelt es sich bei Split Klimaanlagen um Direktverdampfer, d. h. durch Verdampfung eines Kältemittels im Wärmetauscher des Innengeräts wird der Raumluft direkt die Wärme entzogen.
Der Kompressor im Außengerät saugt das verdampfte Kältemittel (Heißgas) an, verdichtet es und bringt es so auf ein höheres Temperaturniveau. Der Ventilator im Außengerät zieht die kältere Umgebungsluft über den Außenwärmetauscher mit dem Heißgas. So wird die Wärme nach außen abgegeben. Dabei übernimmt der Wärmetauscher im Außengerät die Funktion des Verflüssigers (Kondensators), denn dort wird das verdampfte Kältemittel wieder verflüssigt. Wichtig ist es zu wissen, dass das Kältemittel hier noch unter hohem Druck steht. Das Expansionsventil reduziert diesen Druck und reguliert die Menge an Kältemittel, die wieder in den Kältekreislauf eingebracht wird und beim Verdampfer im Innengerät ankommt. Neben der Reduzierung des Kältemitteldrucks übernimmt das Expansionsventil eine wichtige Aufgabe bei der Regelung von Split-Klimaanlagen.

Unterschiede der verschiedenen Systeme

VRF vs. Multisplit-Anlagen
Auf Basis der oben beschriebenen Technik funktionieren alle im Folgenden beschriebenen Anlagenkonstellationen. Am komfortabelsten und am energieeffizientesten lassen sich größere Gebäude heute mit VRF-Systemen klimatisieren. VRF steht für Variable Refrigerant Flow, auf Deutsch: „Variabler Kältemittelstrom“. Bei VRF-Systemen kann der Kältemittelstrom nach Bedarf vom Innengerät geregelt werden. Die Innengeräte hängen – ähnlich wie bei einem wasserbasierten Heizungssystem – an einem Rohrkreislauf – und können je nach Bedarf Kältemittel bzw. Kälte- oder Heizleistung anfordern. Der Bedarf wird über ein elektronisches Expansionsventil am Innengerät geregelt.
Genau diese Anlagenkonstellation ermöglicht eine wesentlich feinere Leistungsregelung, als das mit einer Multisplit-Anlage möglich wäre, wo jedes Innengerät eine eigene Verrohrung und Verbindung zum Außengerät benötigt. Jedes Innengerät kann zwar einzeln geregelt werden, die Regelung erfolgt aber direkt über ein elektronisches Expansionsventil am Außengerät, das den Kältemittelfluss bis zu einem gewissen Umfang regeln kann, wenn auch bei Weitem nicht so elegant, wie das beim VRF-System möglich ist. Während bei Multisplit-Anlagen die Anzahl der Einblasstellen mit max. 5 Innengeräten relativ gering ist, sind mit VRF-Systemen je nach Hersteller Anlagen mit bis zu 52 Innengeräten realisierbar.

State-of-the-Art: VRF-3-Leiter-Systeme
„State of the Art“ im Bereich Gebäudeklimatisierung sind heute intelligente VRF-3-Leiter-Systeme. Neben allen Vorzügen der VRF-Systeme, wie intelligente Steuerung und komfortabler Betrieb können diese Anlagen vor allem eines: gleichzeitig heizen und kühlen. Die Wärme kann sogar von einer Regelzone oder einem Gebäudeteil in einen anderen transportiert werden. Die Einsatzmöglichkeiten dieser Art von Wärmerückgewinnung sind äußerst vielfältig. In Hotels kann z. B. die überschüssige Wärme aus der Küche für den Spa-Bereich genutzt werden und wenn der Spa-Bereich schließt, wird die Wärme beispielsweise in die Hotelbar transportiert. In Bürogebäuden kann die Abwärme aus dem Serverraum zur Beheizung der Büroräume genutzt werden.

VRF-Klimasysteme – 2-Leiter
VRF-2-Leiter-Systeme können im Gegensatz zu den 3-Leiter-Systemen entweder heizen oder kühlen. Aufgrund der intelligenten Steuerung und der Möglichkeit, über 50 Innengeräte im System zu betreiben, sind diese Anlagen die güns­tigste Art, größere Gebäude zu konditionieren – vorausgesetzt Wärmerückgewinnung ist im betrachteten Gebäude kein Thema.

Gasbetriebene VRF
Die Verdichter der VRF-Außengeräte werden in der Regel mit Strom betrieben. In City-Lagen mit vielen Bürohochhäusern ist das mitunter eine Herausforderung – zumal in den Gebäuden viele andere Geräte mit Strom betrieben werden, wie Serverfarmen, Aufzugsysteme u.v.m. Eine effiziente Lösung sind gasbetriebene VRF-Systeme. Der Hersteller Panasonic bietet beispielsweise die Gasmotorwärmepumpen „ECO G“ an. Bei diesen Außengeräten wird der Verdichter mit einem Stirling-Gasmotor angetrieben. Mit den gasbetriebenen VRF-Außengeräten lassen sich sowohl 2- als auch 3-Leiter-Systeme realisieren. Zudem nutzen die Geräte die Abwärme des Gasmotors und können damit heizen oder Warmwasser erzeugen – ideal z. B. für Anwendungen in Hotels mit großem Warmwasserbedarf. Da die Geräte z. T. auch mit Flüssiggas betrieben werden können, lassen sich auch Projekte an Standorten mit bescheidener Infrastruktur realisieren.

Multisplit-Anlagen
Obwohl Multisplitanlagen in den letzten Jahren extrem energieeffizient geworden sind, reichen sie doch nicht an die intelligente Regelung eines VRF-Systems heran. Die Einschränkungen im Vergleich zum VRF-System zeigen sich z. B. dann, wenn in einem Quattro-Split-System (1 Außengerät – 4 Innengeräte) ein Innengerät nur geringe Kälteleistung (also flüssige Kältemittelmenge) anfordert, während alle anderen Geräte auf Vollleistung fahren, da Kältemittelmenge und -druck am Außengerät auch über die variable Verdichterleistung des modulierbaren Verdichters/Kompressors geregelt wird. Zudem ist die Auslegung von Multisplitanlagen aufgrund der Leistungs- und Entfernungsbegrenzungen nur bis zu einer gewissen Größe möglich und stößt folglich bei größeren Projekten an ihre Grenzen. Ein Außengerät kann maximal 5 Innengeräte versorgen und auch die Leitungslängen sind begrenzt. Im Vergleich zu Single-Split-Geräten (ein Außengerät mit einem Innengerät) bieten Multi-Split-Anlagen den Vorteil, dass mehrere Innengeräte an einem Außengerät angeschlossen werden können. Das reduziert den Platzbedarf für die Außengeräte und auch der Energiebedarf kann im Vergleich zu mehreren Single-Split-Systemen um bis 30 % reduziert werden.
Multi-Split-Systeme eignen sich als kostengünstige Lösung ideal für Ein- und Mehrfamilien-Häuser, für kleinere Läden oder Arzt-Praxen. Im Gegensatz zu den „Monolösungen mit mehreren Innengeräten“ (weiter unten) können bei einer Multisplit-Anlage Innengeräte mit verschiedener Leistung oder Bauart betrieben werden. Voraussetzung ist, dass die Summe der Innengeräte-Leistung die Leistung des Außengerätes nicht übersteigt.

Monolösungen mit mehreren ­Einblasstellen (PACi)
Eine weitere Anlagenkonstellation, die praktisch zwischen einer Single-Split- und einer Multisplit-Lösung liegt, ist eine „Monolösung mit mehreren Einblasstellen“. Bei Panasonic werden diese Art der Anlagen unter dem Begriff PACi (Professional Air Conditioning) zusammengefasst. PACi unterscheidet sich von klassischen Multisplit-Systemen vor allem in der Verrohrung und in den Steuerungsmöglichkeiten. Während bei einer Multisplit-Anlage jedes Innengerät über eine eigene Verrohrung verfügt und damit praktisch direkt mit dem Außengerät verbunden ist, hängen die Innengeräte des PACi-Systems an einem Rohrstrang, der sich abhängig von der Anzahl der angesteuerten Innengeräte aufsplittet.
Diese Systeme kommen mit einem einzigen Expansionsventil aus und werden ausschließlich vom Außengerät geregelt. Das bedeutet: Alle Innengeräte werden vom Außengerät mit der gleichen Menge an flüssigem Kältemittel mit der gleichen Kälteleistung bedient.
PACi-Lösungen sind vor allem für Konstellationen interessant, wo nur eine Regelzone klimatisiert werden soll, wie z. B. eine Schalterhalle, ein Restaurant oder etwa ein Serverraum. Zudem handelt es sich um eine preisgünstige Lösung, die auch im Wohnbereich ihre Berechtigung hat.

Planerische Aspekte
Dimensionierung
Bei der Auswahl und Projektierung müssen unbedingt die technischen Leistungsdaten beachtet werden. Bei VRF-Systemen gibt es Einschränkungen, die sich aus der zu überwindenden Höhe und der Entfernung zu den Innengeräten ergeben. Die Entfernung vom ersten bis zum letzten Innengerät sollte nicht zu weit sein. Denn da die Pumpleistung praktisch vom Verdichter erbracht werden muss, können die Außengeräte den Druckverlust in den Rohrsträngen nur bis zu einer gewissen Grenze ausgleichen. Je nach Hersteller gibt es unterschiedliche Grenzen. Die Geräte von Panasonic beispielsweise können Höhenunterschiede von bis zu 50 m überwinden und eine Gesamtleitungslänge von bis zu 1000 m sicher versorgen.
Im Multi-Split-System sind die Grenzen deutlich enger gesteckt. Spricht man von einer maximalen Leitungslänge von 50 m, so sind dabei die Entfernungen zu allen Innengeräten zu summieren. So können in diesem Fall z. B. zwei Innengeräte im Abstand von 25 m angeschlossen werden oder fünf Geräte im Abstand von 10 m.

Regelungstechnik
Die Regelungsmöglichkeiten von VRF und Multisplitanlagen sind vielfältig und reichen von der Einzelraum-Fernbedienung über eine zentrale Anlagensteuerung bis hin zur Einbindung in GLT-Systeme (KNX, EiB, enocean alliance, Modbus, BACnet, IntesisHome, LonMark). Bei der Planung sollte nicht vergessen werden, dass es auf der einen Seite für die Akzeptanz der Klimaanlage beim Nutzer wichtig ist, dass er auf das Raumklima Einfluss nehmen kann. Andererseits sollten aber „unsinnige“ Betriebszustände vermieden werden, wie z. B., dass ein übergeordnetes System mit hoher Leistung läuft, aber der Nutzer einzelne Innengeräte extrem herunterregelt. Um das zu vermeiden, können in der zentralen Anlagensteuerung Vorgaben gemacht werden, um Extreme zu vermeiden. Das kommt sowohl dem Gebäudekomfort als auch der Energieeffizienz der Anlage zugute.
Sensoren können heute wichtige Daten zur Optimierung des Raumklimas und zur Minimierung des Energieverbrauchs liefern. Beispiel: Das Econavi-System von Panasonic kann u. a. erkennen, wie viele Personen sich im Raum befinden, ob diese sich bewegen oder sitzen und ob die Sonne in den Raum strahlt. Das System kann sogar erfassen, wo im Raum gekühlt werden soll, also wo sich eine Person aufhält. Ist niemand im Zimmer, schaltet Econavi automatisch ab.

Luftführung
Bei der Planung muss unbedingt auf die optimale Luftführung geachtet werden. Personen sollten nicht direkt von einem Ausblas mit Kaltluft angestrahlt werden. Wenn es sich überhaupt nicht vermeiden lässt, Personen in der Strömung des Klimagerätes zu platzieren, dann bes­tenfalls noch in der wärmeren Rückluft. Um die Luftführung optimal zu gestalten, kann auf verschiedene Bauarten von Innengeräten zurückgegriffen werden. So lässt sich für nahezu jede Raumform und Nutzungsart eine komfortable Luftführung realisieren. Vierwege-Kassetten-Geräte eignen sich beispielsweise optimal für quadratische Räume. Deckenunterbaugeräte zeichnen sich durch eine breite Luftführung in horizontaler und vertikaler Richtung aus. Wandgeräte sind dagegen äußerst kompakt und können sehr zielgerichtet eingesetzt werden.

Kombination mit anderen Systemen

Einbindung RLT
Direktverdampfer-Innengeräte können zwar die vorhandene Luft aufbereiten, trotzdem ist gemäß Lüftungsnorm DIN1946-6 ein ausreichender Luftwechsel sicherzustellen. In vielen Fällen ist daher der Betrieb einer Lüftungsanlage unerlässlich. Bei der Planung eines Systems zur Gebäudeklimatisierung ist deshalb immer auch das Zusammenspiel zwischen Lüftungsanlage und Klimasystem in Betracht zu ziehen. Dabei versteht es sich von selbst, dass beide Systeme regelungsseitig sinnvoll miteinander verknüpft werden müssen. So macht es ener­getisch betrachtet keinen Sinn, wenn die Lüftungsanlage im Sommer heiße Luft ins Gebäude pumpt und die Klimaanlage auf Hochtouren laufen muss. Für die Kombination von Klimatisierung und Lüftung sind verschieden Szenarien denkbar:
Aufeinander abgestimmte aber getrennte Systeme: Dabei könnte die Lüftung praktisch permanent in Betrieb sein und für Frischluft sorgen und die Klimaanlage nur dann anspringen, wenn bestimmte Temperaturen überschritten sind. Um Probleme wie oben zu vermeiden, müssen natürlich Tages- und Jahreszeiten in der Steuerung berücksichtigt werden.
Klimatisierung über Kanalgeräte: Durch die Einbindung von Innengeräten, die über einen Zuluft- und einen Abluftkanal verfügen, in die Kanäle der Frischluftversorgung ist es möglich, die Frischluft direkt zu kühlen (oder zu erwärmen). Selbstverständlich muss auch eine solche Lösung regelungsseitig entsprechend eingebunden werden.
Einbindung eines Kühlregisters in die zentrale Lüftungsanlage: Diese Lösung kann in VRF-Systemen realisiert werden. Der Hersteller Panasonic bietet dafür Fremdverdampfer-Kits an, die auch für den Einsatz mit Lüftungsanlagen geeignet sind.
Bei größeren Projekten kann es sinnvoll sein, die verschiedenen Möglichkeiten parallel einzusetzen.

Heizen mit der Klimaanlage
Prinzipiell können heutzutage praktisch alle Klimasysteme auch heizen. Der Vorteil gegenüber trägen Flächenheizungen, wie sie mittlerweile in vielen Gebäuden Standard sind, liegt darin, dass ein Direktverdampfer-System sehr schnell reagieren kann. In Deutschland ist die Verwendung als alleiniges Heizsystem eher unüblich. Dennoch können die Anlagen das hydraulische Heizsystem vor allem in der Übergangszeit entlasten. Denn gerade dann macht es kaum Sinn, die Flächenheizung hochzufahren, um eine kurze Kälteperiode im Tagesverlauf, z. B. morgens oder abends, zu überbrücken. Hier kann die Klimaanlage helfen, eine angenehme Temperatur aufrechtzuerhalten. Dank der intelligenten Sensorik moderner Klimageräte wird der Nutzer den Übergang vom Kühl- zum Heizbetrieb kaum wahrnehmen.

Autor: Danny Larisch, Key Acount Manager, Panasonic
Bilder: Panasonic

www.aircon.panasonic.de


xVRF-Planungssoftware
Panasonic hat den VRF-Designer entwickelt, mit dem sich 2- und 3-Leiter-VRF-Systeme auslegen und planen lassen. Das Tool unterliegt einer kontinuierlichen Entwicklung, sodass stets die neuesten Gerätemodelle, Steuer- und Regelkomponenten sowie Zubehörteile für die Planung zur Verfügung stehen. Sämtliche Geräteleistungsdaten sind hinterlegt und werden in Abhängigkeit vom Systemaufbau und den vor Ort herrschenden Bedingungen automatisch neu berechnet. Ein Feature ist die Einbindung von Gebäudezeichnungen (z. B. AutoCAD), in die die Anlagenkomponenten eingesetzt werden. Das hat den Vorteil, dass Leitungslängen und zusätzliche Kältemittelfüllmengen automatisch berechnet und ausgewiesen werden. Planern und Fachhandwerkern stellt Panasonic die Software nach einer Anmeldung zum „PRO Club“ unter www.aircon.panasonic.de kostenlos zu Verfügung.

 


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