Wie wird ein VRF-System zum gleichzeitigen Heizen und Kühlen ausgelegt?

Klimaanlagen zum gleichzeitigen Kühlen und Heizen erfreuen sich wachsender Beliebtheit. Nicht nur, dass sie den Aufwand für Investitionen und Montage deutlich verringern, auch lassen sich Betriebskosten durch Energieeinsparungen und Wärmerückgewinnung in erheblichem Maße reduzieren. Doch wie werden bei solchen Anlagen die Kühl- und Heizlasten grundsätzlich berechnet? Und wie sind die Rohrleitungen zu dimensionieren? Der folgende Artikel gibt einen Überblick über die wichtigsten Faktoren der Auslegung.

Moderne Gebäude zeichnen sich durch einen ressourcenschonenden und niedrigen Energieverbrauch aus. Diesen bestimmen nicht nur die Eigenschaften der Gebäudehülle, sondern maßgeblich auch die technische Ausstattung. In einer Vielzahl von Gebäuden, ganz gleich ob für Wohn- oder Gewerbenutzung, kommen heute Systeme und Anlagen zum Kühlen, Heizen und Filtern der Raumluft zum Einsatz. Priorität haben in der Regel Funktionalität und niedrige Kosten sowie ein geringer Energieverbrauch. Dabei sollte bereits in der Entwurfs- und Planungsphase die Energieverschiebung in die Überlegungen einbezogen werden, um eine optimale Anlagenlösung zu erarbeiten.

Konventionelle gebäudetechnische Anlagen mit getrennten Systemen zum Heizen und Kühlen lassen sich aufgrund der verschärften Vorschriften oft nicht mehr umsetzen. Gebäudeenergetische Konzepte auf der Basis der VRF-Technologie können hingegen durch die Kombination von Heizen und Kühlen, Trinkwassererwärmung und die Anbindung von RLT-Geräten bis zu 70 Prozent des Energiebedarfs in Nichtwohngebäuden abdecken. Mit dem Inkrafttreten des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) am 1. November 2020 ist der Einsatz für die VRF-Technologie jetzt spürbar einfacher geworden.

Wichtigste Änderung für den Einsatz der Wärmepumpentechnologie gegenüber den ehemaligen Anforderungen der EnEV und des EEWärmeG sind der Wegfall des Nachweises einer Mindestjahresarbeitszahl und des Wärmemengenzählers. Die energetische Bilanzierung reicht nun als alleiniger Nachweis aus, dass der geforderte Anteil von 50 Prozent Umweltwärme am Wärme- und Kälteenergiebedarf erbracht wird. Der Markt bietet hierfür eine Vielzahl von Lösungen mit Wärmerückgewinnung als zukunfts­fähige Alternative für die moderne Gebäudeklimatisierung.

Heizen und Kühlen im Simultanbetrieb

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 Prozent einsparen. Immer häufiger setzen TGA-Fachplaner auf Lösungen zum simultanen Heizen und Kühlen eines Gebäudes auf Basis erneuerbarer Energieträger mit nur einem System, wie beispielsweise dem „City Multi VRF-R2“-Wärmepumpensystem von Mitsubishi Electric, das mit nur zwei Rohrleitungen zur Energieverschiebung im Gebäude auskommt.

Zentrales Bauteil eines 2-Leitersystems ist ein Kältemittelverteiler, der mit dem Außengerät eine kälte- und regelungstechnische Einheit bildet und so die Wärmerückgewinnung ermöglicht. Das „VRF-R2“-Wärmepumpensystem übernimmt das Kühlen und Heizen im Simultanbetrieb, indem 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? 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 mit Hilfe der Richtlinie VDI 2078:2015-06 (Berechnung der thermischen Lasten und Raumtemperaturen) für das Gebäude ermittelt werden. Ziel der Kühllastberechnung ist eine möglichst exakte Voraussage der zu erwartenden Spitzenlasten und der Lastverteilung, die nicht zu einer überhöhten berechneten Kühllast führt. Die angemessene Dimensionierung ist für einen effizienten und langlebigen Betrieb der Anlage sowie für eine positive Energiebilanz von großer Bedeutung. Mit dieser Berechnung können die Anlagen auf die maximale Last ausgelegt und während längerer Zeiten im oder nahe am optimalen energetischen Betriebspunkt gefahren werden. Dies reduziert Investitionen und sorgt für geringere Betriebskosten, da die Anlagen zur Kälteerzeugung kleiner dimensioniert werden können.

Hoher Kältebedarf durch interne und externe Lasten

In der heutigen Zeit ist der Kältebedarf oft so hoch, dass die Kälteleistung die erforderliche Heizleistung übersteigt. 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 in der Regel 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 (Energetische Bewertung von Gebäuden – Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast). Diese ist sowohl für die Neuerrichtung von Gebäuden als auch für eine Modernisierung vorzunehmen. Die genaue Planung und Auslegung der Wärmepumpenanlage ist eine notwendige Voraussetzung für die Erteilung einer Baugenehmigung im Rahmen des Bauantragsverfahrens.

Bei der Auswahl der Außengeräte sollte gegebenenfalls der potentielle 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 Prozent 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.

Hierbei sollten immer auch die Fördermöglichkeiten der Bundesförderung für effiziente Gebäude – Einzelmaßnahmen (BEG EM) Berücksichtigung finden. Gefördert werden in diesem Bereich unter anderem Investitionsvorhaben für Kältetechnik zur Raumkühlung und Klimaanlagen in Nichtwohngebäuden mit bis zu 20 Prozent der Investitionskosten, die im Rahmen einer Sanierung in Bestandsgebäuden umgesetzt werden. Die Förderung des Einsatzes von Wärmepumpen im Rahmen der Heizungsmodernisierung beträgt 35 Prozent, beim Austausch einer Ölheizung sogar bis zu 45 Prozent. Auch für die Fachplanung und Baubegleitung können bis zu 50 Prozent Fördermittel beantragt werden. Es lohnt sich also in jedem Fall, auf die Beratung und Betreuung durch Experten und Fachunternehmen zu setzen.

Hybrid-Systeme als zukunftsorientierte Lösungen

Wie in vielen Bereichen sind auch in der Kälte- und Klimatechnik Hybrid-Lösungen auf dem Vormarsch. Beispielsweise bietet der Klimagerätehersteller Mitsubishi Electric mit seiner Hybrid-VRF-Technologie eine Lösung, welche die Vorzüge eines direktverdampfenden mit denen eines wassergeführten Systems kombiniert, ohne dabei auf eine hohe Betriebssicherheit, ein Maximum an Komfort sowie die Energieeffizienz des 2-Leiter-Systems zu verzichten. Die höhere Energieeffizienz durch Wärmerückgewinnung ermöglicht Energieeinsparungen von bis zu 40 Prozent im Vergleich zu einem Kaltwassersatz. Bei dieser Hybrid-Lösung fließt das Kältemittel allerdings nur noch zwischen dem Außengerät und einem Hybrid-Kältemittelverteiler (BC-Controller).

Dort erfolgt die Übertragung der Wärme- und Kälteenergie auf Wasser, 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 (Kälteanlagen und Wärmepumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen) in Einzelräumen ausgeschlossen.

Einfache Rohrleitungsdimensionierung

Um für den dauerhaften Betrieb optimale Strömungsverhältnisse zu erzielen, ist eine exakte Dimensionierung der installierten Rohrleitungen erforderlich. Die Ausführung kältemittelführender 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 weiterhin die Entfernungen zwischen Außengeräten und Kältemittelverteilern, die maximalen Rohrleitungslängen zwischen Kältemittelverteilern und Innengeräten sowie die maximalen Höhenunterschiede zwischen Außen- und Innengeräten bzw. 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.

Zusammenfassung

VRF-Klimasysteme mit Wärmerückgewinnungsfunktion zum gleichzeitigen Kühlen und Heizen reduzieren den Aufwand für Investitionen und Montage in einem Gebäude spürbar. Außerdem lassen sich Energieverbrauch und Betriebskosten in erheblichem Maße verringern. Wichtig ist die fachgerechte Auslegung solcher Systeme, um eine Über- oder Unterdimensionierung zu verhindern, denn dies kann schnell zu unangenehmen Betriebsstörungen, hohen Energiekosten und geringerem Komfort führen.

Bei der fachgerechten Auslegung von VRF-Klimaanlagen zum Kühlen und Heizen sind grundsätzlich beide Betriebsmodi zu berücksichtigen. Dafür ist sowohl eine Kühllastberechnung nach VDI 2078 als auch eine Heizlastberechnung gemäß DIN EN 12831 zu erstellen. Aufgrund hoher Wärmelasten deckt die Leistung für den Kühlbetrieb die Heizleistung der Innen- und Außengeräte in der Regel vollständig mit ab. Eine Gewährleistung der Heizlast bei besonders niedrigen Außentemperaturen muss sichergestellt werden.

Rohrleitungen sind so zu dimensionieren, dass auch bei großen Höhenunterschieden oder weiten Entfernungen zwischen Außengeräten und Kältemittelverteiler sowie zwischen Kältemittelverteiler und Innengeräten genügend Kühl- oder Wärmeleistung am Ende eines Leitungsstranges ankommt. Besonders einfach zu dimensionieren sind die Rohrleitungen in hybriden VRF-Systemen, die mit einem wasserführenden Kreislauf zwischen dem Kältemittelverteiler und den Innengeräten arbeiten: Hier können Wasserleitungen mit einem einheitlichen Durchmesser von 20 mm verwendet werden.