Gleichzeitiges Heizen und Kühlen mit einem 4-Leiter-System

In der Vergangenheit wurden für die beschriebenen Zwecke meist separate Systeme eingesetzt. Die Klimaanlagen transportieren die im Gebäude entstandene Wärme nach Außen und geben sie über Verflüssiger an die Außenluft ab. Die Entwicklung der 3-Leiter-VRF-Systeme änderte diese Situation grundsätzlich. Durch das Verschieben von überflüssiger Wärme in Räume mit Heizbedarf wird Wärme zurückgewonnen und somit weniger Energie verschwendet. Diese Technik hat sich seitdem sehr gut bewährt. Die F-Gase-Verordnung und die strenge Restriktion der Menge des Kältemittels in den Räumlichkeiten mit Personennutzung, z. B. Hotels oder Bürogebäuden, sind neue Herausforderungen für Hersteller und Betreiber. Viele Hersteller für direktverdampfende Klimasysteme haben dazu noch keine tragfähige Lösung entwickelt. Aktuell ist es deshalb sinnvoll, ein System einzusetzen, das sich durch einen geringen Investitions- und Installationsaufwand updaten lässt.

Die Alternative: Wasser als Kühl- und Heizmedium. Wird ein System aktualisiert, muss lediglich die Kältemaschine ersetzt werden. Die Innengeräte können weiter betrieben werden. Der Hersteller Galletti hat hierzu eine Lösung entwickelt, die diesen Anforderungen gerecht wird. Wassergeführte Wärmepumpen als 4-Leiter-System ermöglichen das gleichzeitige Heizen, Kühlen und die Aufbereitung von Warmwasser. Die Wärmerückgewinnung ist wie bei 3-Leiter-VRF-Systemen ebenfalls gegeben. Die Rohrverbindungen gibt es in verschiedenen Materialien wie Kunststoff, Kupfer oder Stahl und werden durch ein neues Presssystem schnell und kostengünstig montiert. Im Vergleich zu einem VRF-System ist die Anzahl der Innengräte unbegrenzt. Wasserleitungen können mit passender Pumpe pro­blemlos erweitert werden.

Die polyvalenten 4-Leiter-LCP-Systeme von Galletti wurden für die Klimatisierung und Aufbereitung von Trinkwarmwasser (TWW) im Wohn- und Industriesektor im 24-Stunden-Betrieb konzipiert. Sie decken einen Leistungsbereich von 52 bis 314 kW ab und gewährleisten einen hohen thermodynamischen Wirkungsgrad. Diese Wärmepumpen decken folgende drei Betriebsbereiche ab:

Kühlung

Im „Chiller“-Modus (Bild 1) kühlt die Anlage das Wasser und gibt die dabei entzogene Wärme über einen Verflüssiger mit Lamellenpaket an die Außenluft ab. Einfach ausgedrückt arbeitet die Wärmepumpe wie ein herkömmlicher Kaltwassersatz und hat durch den mehrstufigen Leistungsbereich und mehrere Kältekreise eine höhere Sicherheit und Effizienz.

Im Schema 1 sehen wir eine Wärmepumpe mit zwei Kältekreisen und zwei Verdichtern bzw. Leistungsstufen je Kreislauf. Unter Volllast nehmen beide Kältekreise die Wasserwärme über den Plattenwärmetauscher auf und geben sie über den Verflüssiger an die Außenluft ab.

Heizen

Im „Wärmepumpen”-Modus (Bild 2) erwärmt die Einheit mit dem Verflüssiger das Wasser und nimmt die Verdampfungswärme über Wärmeüberträger mit Lamellenpaket auf.

Im Schema 2 sehen wir dieselbe Maschine wie oben beschrieben im Heizmodus (100 %). Der Lamellenwärmeübertrager arbeitet in dem Fall als Verdampfer und nimmt die Wärme von der Außenluft auf. Die aufgenommene Wärme und die Leistung des Verdichters werden über den zweiten Plattenwärmeübertrager an das Wasser auf der Warmwasserseite übertragen.

Warmwasserbereitung mit totaler oder Teil-Wärmerückgewinnung

Am effizientesten ist der Betrieb bei gleichzeitiger Warmwasserbereitung und Kühlung (Bild 3). Die Multifunktionseinheit entzieht im totalen Wärmerückgewinnungsmodus dem Wasser die Wärme und überträgt sie aus dem Kühlkreis auf die Warmwasserseite. Dabei nutzt die Anlage die vollkommene Unabhängigkeit der thermodynamischen Zyklen und verteilt die Energie gleichmäßig auf beide Kreisläufe. Zwei wichtige Vorteile der totalen Wärmerückgewinnung sind das Wegfallen von Abtauung und die von der Außenlufttemperatur unabhängige Betriebsgrenze. Wird die aufgenommene Wärme im Kühlkreis zu 100 % an den Warmwasserkreis übertragen, werden die Lamellenwärmetauscher nicht angefordert. Das hat den Vorteil, dass die Wärmepumpe unabhängig von der Außentemperatur arbeitet, die Lamellenwärmeüberträger nicht vereisen und folglich keine Abtauung benötigt wird.

Ist der Kühlbedarf größer als der Wärmebedarf, wird ein Teil der Wärme aus dem Kühlkreis auf den Wärmekreis übertragen und die Restwärme über die Verflüssiger an die Außenluft abgegeben. Bei größerem Wärmebedarf als Kühlbedarf wird die Wärme aus dem Kühlkreislauf zusammen mit der zusätzlich aus der Außenluft entzogenen Wärme dem Wärmekreislauf zugeführt.

Im Schema 3 sehen wir eine Darstellung des Teillastbetriebs bei 100 % Wärme- und 50 % Kühlbedarf. Kreislauf 1 auf der rechten Seite (grün markiert) arbeitet in totaler Wärmerückgewinnung, d. h. die Wärme auf der Kühlwasserseite wird aufgenommen und vollständig an den Heizkreislauf abgegeben. Da der Wärmebedarf größer als der Kühlbedarf ist, wird die restliche Wärme durch Kreislauf 2 (gelb) über die Außenluft aufgenommen und dem Heizkreislauf zugeführt.

Projektbeispiel Bürogebäude

In unserem Projekt – ein viergeschossiges Bürogebäude mit 3.000 m² Mietfläche und Verglasung auf Nord und Südseite – muss je nach Jahreszeit und abhängig von Sonneneinstrahlung gleichzeitig gekühlt und geheizt werden. Die Hauptanforderung des Betreibers lautete: Wärmerückgewinnung zur Betriebskostenminimierung. Zunächst wurden zwei separate Systeme zum Kühlen und Heizen eingeplant. Nach sorgfältiger Analyse aller Vor- und Nachteile hat man sich jedoch für einen LCP-Kaltwassersatz mit standardmäßig integrierter Wärmepumpe entschieden. Durch die Wärmerückgewinnung sind die Betriebskosten höchst moderat und durch das 4-Leitersystem auch gleichzeitiges Kühlen und Heizen sichergestellt.

Hier kam die Wärmepumpe mit 100 kW Kälte- und 75 kW Heizleistung bei -8 °C Außentemperatur (im Chiller- bzw. Wärmepumpenmodus) zum Einsatz. Sie ist auf dem Dach montiert und mit einem Sicht- und Windschutz versehen. Unterhalb der Wärmepumpe befindet sich ein Bürotrakt. Aus diesem Grund wurde die Wärmepumpe mit speziellen Vibrationsdämpfern von dem Gebäude entkoppelt, damit die eventuellen Schwingungen nicht auf die Büros in der unmittelbaren Nähe übertragen werden.

Die Wärmepumpe ist über vier Wasserleitungen DN 64 mit zwei Speichern je 2.000 Liter, die sich im Technikraum im Erdgeschoss befinden, verbunden. Die Pufferspeicher sind jeweils mit einem Fühler ausgestattet, der die Höhe der Wassertemperatur im Speicher an die Wärmepumpe übermittelt. Die Wärmepumpe hält den Warmwasserspeicher permanent auf 45 °C und den Kaltwasserspeicher auf 15 °C. Die Umwälzpumpen für beide Kreise (Warm- und Kaltwasser) sind direkt in der Wärmepumpe integriert und wälzen das saubere Wasser ohne Zugabe von Frostschutzmittel um. Dies erhöht den Wärmeübertragungsgrad und folglich die Effizienz. Die Verwendung von frostschutzfreiem Wasser vereinfacht zudem erheblich das Hydrauliksystem. Der Einsatz von zusätzlichen Wärmeübertragern zur Systemtrennung (Außen/Innen) entfällt, wodurch die Leistungsverluste reduziert und zusätzliche Betriebskosten eingespart werden.

Um das Einfrieren des Wassers in der Maschine und den Wasserleitungen im Außenbereich zu verhindern, sind die wassergeführten Leitungen mit einer verstärkten Dämmung isoliert und mit Frostschutzheizungen versehen. Neben dem Pufferspeicher versorgen weitere Effizienzpumpen die Lüftungseinheiten nach Bedarf mit kaltem oder warmem Wasser. Die Kommunikation zur Gebäudeleittechnik wird über die integrierte Web-Schnittstelle realisiert.

Eine optimale Zusammenarbeit und der permanente Austausch aller Beteiligten sorgten für einen einwandfreien Projektablauf und vor allem für die Zufriedenheit der vielen Gebäudenutzer.