Hybrid-VRF-Technologie in der Klimatechnik
Neue F-Gas-Verordnung stellt hohe Anforderungen
Die Anforderungen an moderne Kälte- und Klimaanlagen unterliegen ständigen Veränderungen. Eine davon ist die EU-Verordnung über fluorierte Treibhausgase, die neue F-Gas-Verordnung. Sie sieht vor, die Menge der am Markt zur Verfügung stehenden teilfluorierten Kohlenwasserstoffe bis zum Jahr 2030 EU-weit auf ein Fünftel der heutigen Verkaufsmengen zu senken. Das hat erhebliche Auswirkungen auf die Planung und den Betrieb von VRF-Klimasystemen. Welches System ist deshalb am besten geeignet, um einen dauerhaften norm- und fachgerechten sowie energieeffizienten Anlagenbetrieb zu gewährleisten und die europäischen Normen erfüllen?
Der Klimaschutz gilt als eine der größten ökologischen und wirtschaftlichen Herausforderungen der Menschheit. Die europäische Staatengemeinschaft (EU) hat es sich deshalb zur Aufgabe gemacht, die Emissionen des Industriesektors bis zum Jahr 2030 um 70 Prozent gegenüber 1990 zu verringern. Durch die neuen Regelungen (Verordnung EU Nr. 517/2014 über fluorierte Treibhausgase) sollen beispielsweise die Emissionen fluorierter Treibhausgase (F-Gase) in der EU um 70 Millionen Tonnen CO2-Äquivalent auf 35 Millionen Tonnen CO2-Äquivalent bis zum Jahr 2030 gesenkt werden. Mit der neuen F-Gas-Verordnung soll ein Anreiz zur Verwendung von Alternativen anstelle von F-Gasen geschaffen werden, bzw. deren Verwendung auf ein Minimum reduziert werden. Betroffen sind unter anderem Hersteller und Betreiber von Kälte- und Klimaanlagen. Welche Auswirkungen hat dies auf die Branche und an alle, die fluorierte Treibhausgase herstellen oder anwenden?
Zunächst einmal ist die neue F-Gas-Verordnung ein Beitrag, um die Emissionsreduktion fluorierter Treibhausgase zu erreichen. Die Verordnung bildet einen Rahmen, der Planern, Installateuren und Bauherren langfristig Planungs- und Investitionssicherheit geben wird/verspricht. Sie gilt seit 1. Januar 2015 und ist durch drei wesentliche Regelgrundsätze gekennzeichnet. Diese beinhalten:
Die Einführung einer schrittweisen Beschränkung der am Markt verfügbaren Mengen an teilfluorierten Kohlenwasserstoffen (HFKW) bis zum Jahr 2030 auf ein Fünftel der heutigen Verkaufsmengen,
den Erlass von Verwendungs- und Inverkehrbringungsverboten, wenn technisch machbare, klimafreundlichere Alternativen vorhanden sind,
sowie die Beibehaltung und Ergänzung der Regelungen zu Dichtheitsprüfungen, Zertifizierung, Entsorgung und Kennzeichnung.
Vor- und Nachteile der Kältemittel
Das stellt die Hersteller und Betreiber von VRF-Kälte- und Klimaanlagen vor große Herausforderungen, beispielsweise wenn es darum geht, zukünftige Investitionsentscheidungen zu treffen und den Bedarf für Änderungen am Anlagenbestand frühzeitig zu erkennen. Aber welche Möglichkeiten stehen in Zukunft noch zur Verfügung? Langfristig werden teilfluorierte Kältemittel schrittweise reduziert, sodass andere Lösungen für die Gebäudeklimatisierung mit VRF-Anlagen gefunden werden müssen. Andere Kältemittel als Ersatz bergen aber für den Betrieb in großen Anlagen gewisse Nachteile. So können Klimaanlagen mit R744 (CO2) nur unter hohen Drücken betrieben werden. R717 (NH3/Ammoniak) ist giftig und wird für eine Verwendung im Gebäude als bedenklich eingestuft. Die Verwendung von Kaltwassersätzen stellt immer dann eine Alternative dar, wenn die baulichen Voraussetzungen hierfür gegeben sind. Jedoch ist hier der Materialaufwand vergleichsweise höher und die Energieeffizienz verhältnismäßig niedriger als bei VRF-Systemen mit gleicher Leistung.
Aktuelle Klimasysteme werden in der Regel mit dem Kältemittel R410A betrieben. Das Kältemittel R410A bietet im Vergleich zu anderen Kältemittelgemischen zahlreiche Vorteile. Es weist zum Beispiel einen nahezu vernachlässigbaren Temperaturgleit auf, ist dadurch nahezu azeotrop und hat aufgrund des vergleichsweise hohen Dampfdrucks eine größere volumetrische Kälteleistung.
Die zukunftsorientierte Lösung
Der Klimagerätehersteller Mitsubishi Electric (www.mitsubishi-les.de) hat deshalb ein System entwickelt, welches die Vorzüge eines direktverdampfenden mit denen eines wassergeführten Systems kombiniert, ohne dabei auf eine hohe Betriebssicherheit, ein Maximum an Komfort sowie die Energieeffizienz des bekannten „R2“-Systems zu verzichten. Das neue H-VRF-System nutzt auch weiterhin das Kältemittel R410A und bedient sich als Grundlage der „R2“-Technologie zum simultanen Kühlen und Heizen mit Wärmerückgewinnung. Die höhere Energieeffizienz durch Wärmerückgewinnung ermöglicht Energieeinsparungen von bis zu 40 % im Vergleich zu einem Kaltwassersatz.
Mit dieser Technologie lassen sich Komplettanlagen für die Beheizung und Kühlung auf Basis erneuerbarer Energieträger in einem System und bei Kälteleistungen von 22 bis 560 kW und Heizleistungen zwischen 25 und 63 kW abbilden. Jedes einzelne Innengerät kann unabhängig im Heiz- und Kühlbetrieb betrieben werden. Wärme, die den zu kühlenden Räumen entzogen wird, wird nicht an die Außenluft abgegeben, sondern zum Beheizen der Räume mit Wärmebedarf verwendet. Hierbei zirkuliert das Kältemittel vom Außengerät bis zu einem Verteiler, dem sogenannten „Hybrid-BC-Controller“, der in einem definierten Technik- oder Lagerraum untergebracht werden kann. Dort wird die Energie über speziell ausgelegte und optimierte Platten-Wärmetauscher vom Kältemittel auf Wasser übertragen.
Im „Hybrid-BC-Controller“ werden invertergeregelte Pumpen eingesetzt, die den angeschlossenen Endgeräten die benötigte Energiemenge zur Verfügung stellen. Im Unterschied zum klassischen „R2“-Wärmepumpensystem fließt das Kältemittel beim „Hybrid-R2“-System nur zwischen dem Außengerät und dem „HBC-Controller“. Ab dem Controller wird konditioniertes Wasser zu den Innengeräten geführt, sodass im Gebäude – in den Fluren und Räumen – kein Kältemittel mehr im Rohrnetz und in den Klimageräten als Transportmedium erforderlich ist. Die Rohrleitungen selbst haben ähnlich kleine Rohrdurchmesser, wie man es von herkömmlichen VRF-Systemen kennt. Diese können – da Wasser als Transportmedium verwendet wird – auch aus Werkstoffen wie beispielsweise Kunststoff bestehen. Das senkt die Materialkosten und lässt eine einfache Montage zu.
Anpassung jederzeit möglich
Der große Vorteil der Trennung von Kältemittel und Wasserkreislauf durch den Wärmetauscher im „HBC-Controller“ besteht darin, dass bei einer weiteren Verschärfung der EU-Richtlinien und einem eventuellen Tausch des Kältemittels alle weiteren Komponenten wie die Innengeräte, die Rohrleitungen und die Regelungstechnik weiterhin genutzt werden, da der Energieträger Wasser problem- und gefahrlos sowie regelkonform weiter genutzt werden kann. Im Falle einer Gesetzesnovellierung werden Außengerät und „HBC-Controller“ angepasst. Die Infrastruktur im Gebäude wird davon nicht berührt. „Damit bietet dieses System beim Einsatz von Kältemitteln uneingeschränkte Planungssicherheit sowie einen besonders hohen Komfort sowohl in der Beheizung als auch der Kühlung von Gebäuden“, erläutert Michael Lechte, Leiter Produktmarketing Mitsubishi Electric, Living Environment Systems die strategische Bedeutung dieser technologischen Neuentwicklung.
Marktreifes Komplettsystem
Die Planung und Ausführung des neuen H-VRF-Systems gestaltet sich ausgesprochen einfach, da der Hersteller bereits alle hydraulischen Komponenten aufeinander abgestimmt hat. So sind beim „Hybrid City Multi“-System beispielsweise keine zusätzlichen Pumpen, Tanks oder Umschaltventile erforderlich. Der invertergeregelte Kompressor im Außengerät verfügt über eine nahezu stufenlose Leistungsregelung und stellt nur die tatsächlich im Gebäude benötigte Leistung zur Verfügung. Das gleiche gilt für die Pumpen im „HBC-Controller“, die die umlaufende Wassermenge je nach Leistungsbedarf individuell anpassen und einen Betrieb ohne zusätzliches Vorhaltespeichersystem ermöglichen. Der Gesamtwirkungsgrad des „R2“-Systems ist durch den großen Anteil der Wärmerückgewinnung wesentlich höher als bei konventionellen Systemen und lässt sich durch die Realisierung einer Komplettklimatisierung sowie über eine optimierte Anlagen- und Regelungstechnik noch erheblich steigern.
Waren früher noch spezielle Außengeräte für diese Systeme erforderlich, können inzwischen auch bei dem Hybrid-VRF-System normale „R2“-Außengeräte eingesetzt werden. Aktuell stehen „Hybrid-BC-Controller“ für den Anschluss von acht bzw. 16 Innengeräten zur Verfügung. Diese können dann auch als 2er- oder 3er-Kaskade verschaltet werden, sodass bis zu 50 Innengräte in einem System miteinander verbunden und an einem Außengerät angeschlossen werden können. Bei einer 3er- oder 4er-Kaskade übernimmt dann ein Controller die Masterfunktion und die beiden anderen werden als Slave nachgeschaltet. Auch andere Aspekte der neuen F-Gas-Verordnung können mit dem „H-VRF-R2“-System gelöst werden, so befinden sich im Leitungsnetz zum Beispiel deutlich weniger Verbindungspunkte als in herkömmlichen Drei- oder Vierleitersystemen, wodurch das Leckagepotenzial reduziert und der Betrieb insgesamt noch sicherer sowie wartungsärmer wird.
Fazit
Das neue „Hybrid City Multi“-System ist die Antwort auf die aktuellen und kommenden Veränderungen in der Klimatechnik. Es ist das weltweit erste Zwei-Leitersystem zum gleichzeitigen Kühlen und Heizen mit Wärmerückgewinnung. Die Technologie basiert auf dem „City Multi R2“-Wärmepumpensystem von Mitsubishi Electric und besteht aus einem „R2“-Außengerät der „City Multi“-Serie, dem neuen „Hybrid BC-Controller“, der die Verbindung von Kältemittel und Wasser als Energieträger ermöglicht, sowie Innengeräten, die speziell mit einem Wasserregister ausgestattet sind.
Zentrales Bauteil dieses Systems ist der „Hybrid-BC-Controller“, der über Plattenwärmetauscher verfügt, in denen der Energieaustausch zwischen Kältemittel und Wasser stattfindet. Gerade mit Blick auf die gesetzlichen Anforderungen durch die neue F-Gas-Verordnung hinsichtlich der Verringerung der Kältemittelmengen und den erhöhten Anforderungen an die Dichtheit eines Rohrnetzes, aber auch die hohen Anforderungen, die Gebäudezertifizierungen wie z.B. des DGNB stellen, ist das „Hybrid-R2“-System die ideale Lösung.
