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Heizen-Kühlen-Entfeuchten mit einem System, einem VRF-/VRV-System

(1.9.2022) Dieser Fachartikel, erstellt mit Unterstützung von Mitsubishi Electric, erklärt den Systemaufbau und die idealen Einsatzbedingungen von VRF-Systemen. Das englische VRF steht für „variable refrigerant flow“, also „variabler Kältemittelmassenstrom“. Einige Protagonisten sprechen alternativ auch von VRV -„variable refrigerant volume“, also „variables Kältemittelvolumen“.

Fotos
Fotos / Bilder © Mitsubishi Electric 

Die Entwicklung der VRF-Technik begann bereits in den 1980er Jahren und hat seitdem deutliche technische Fortschritte gemacht. So hat sich beispielsweise seit einigen Jahren die DC-Inverter-Regelung zur Leistungsregelung der VRF-Systeme durchgesetzt. Sie ermöglicht eine modulierende, d. h. stufenlose Leistungsanpassung an den aktuellen Bedarf der Verbraucher (Innengeräte). Zudem werden durch das sanfte Anlaufen Stromspitzen beim Einschalten des Verdichters vermieden.

Was können VRF-Systeme?

VRF-Geräte gehören zur Gruppe der Direktverdampfer, die bei der Energieübertragung ohne zusätzliches Wärmetransportmedium auskommen. Das Kältemittel fließt direkt in Kupferrohren von der Wärmepumpe zu den angeschlossenen Innengeräten. Dabei entstehen geringere Energieverluste als bei wasserführenden Systemen. Eine zusätzliche Pumpe zum Antrieb des Wärmekreislaufs kann zudem entfallen. VRF-Systeme können Raumluft im Umluftbetrieb kühlen, heizen und entfeuchten. Die meisten VRF-Innen­ge­rä­te verfügen standardmäßig über einen Anschluss zur Frischluftzufuhr. Somit kann auch die Frischluftversorgung durch VRF Systeme erfolgen. Die Einsatzgebiete von VRF-Anlagen sind damit äußerst vielfältig. Das spiegelt sich in der Vielzahl der Kombinationsmöglichkeiten wider.

Da VRF-Anlagen eher in höheren Leistungsbereichen anzusiedeln sind, eignen sie sich optimal zur Klimatisierung entsprechender Gebäudetypen. Dazu zählen neben Bürohäusern, Einkaufszentren, Hotels, Kliniken und öffentlichen Gebäuden auch Boutiquen, Kanzleien, Gewerbeobjekte, Einzelhandelsgeschäfte oder Mehrfamilienhäuser. Da die notwendigen Heizlasten eines Gebäudes mit einer VRF-Anlage bis zu Temperaturen bis minus 28 °C gedeckt werden, können VRF-Anlagen auch als monovalente Anlagen betrieben werden.

Eine weitere Möglichkeit, die VRF-Technologie einzusetzen, ist die Verknüpfung mit einer zentralen Lüftungsanlage. Gegenüber Lösungen mit konventionellen Wasserkühlsätzen bietet dies einige Vorteile. Dabei wird der Außenluft im RLT-Gerät im VRF-Ver­dampfer Wärme und ggf. auch Feuchtigkeit entzogen und diese so auf den gewünschten Zuluftzustand gekühlt. Im Heizbetrieb arbeitet das System als Wärmepumpe, dabei wird der Verdampfer zum Verflüssiger, und in diesem wird die Außenluft im RLT-Ge­rät auf das Zuluftniveau konditioniert.

Wie ist ein VRF-System aufgebaut?

Der technische Aufbau einer VRF-Anlage ist relativ überschaubar. VRF-Systeme bestehen aus einer (oder mehreren) zentralen Außeneinheit(en) und einer oft großen Anzahl an Innengeräten, die über Kältemittel führende Rohrleitungen angeschlossen werden.

Hinzu kommen noch Bedienelemente zur Steuerung der einzelnen Innengeräte bzw. Klimazonen. Je nach Größe und Ausführung der Anlage können auch zentrale Fernbedienungen mit Web-Funktion zum Einsatz kommen. Diese ermöglichen dann beispielsweise den Zugriff über ein lokales Intranet, vom PC aus oder über mobile Endgeräte über eine herstellereigene App.

Das Außengerät ist eine Kompressions-Kältemaschine und enthält einen Wärmetauscher. Je nach Betriebszustand (Heizen oder Kühlen) arbeitet der Wärmetauscher als Verdampfer oder Verflüssiger. Moderne Außengeräte verfügen heutzutage oft über einen Verdichter mit regelbarer Drehzahl. Dadurch ist es möglich, den Kältemittelstrom an die jeweilige von den Innengeräten angeforderte Kälte- oder Heizleistung anzupassen.

In den Innengeräten befinden sich als wesentliche Komponenten ein Wärmetauscher zur Abkühlung der Luft, ein Ventilator zur Luftförderung (Umluft), der Luftfilter sowie das elektronisch geregelte Expansionsventil zur Regelung der thermischen Leistung. Die Außeneinheiten sind für die Aufstellung im Freien, ganz gleich bei welcher Witterung, geeignet. Für besondere Anwendungsbereiche stehen auch wassergeführte Außengeräte zur Innenaufstellung - auch Wassermodule genannt - zur Verfügung.

Was sind die Vorteile der VRF-Technologie?

Moderne VRF-Systeme eignen sich durch die Wärmepumpenfunktion auch zur effizienten Beheizung von Gebäuden. VRF-Systeme mit Wärmerückgewinnungsfunktion sind überdies in der Lage, simultan zu heizen und zu kühlen. Dabei wird die überschüssige Wärme aus einem Raum über die VRF-Klimatechnik einem anderen Raum zur Erwärmung zugeführt.

Mitsubishi Electric setzt auf ein 2-Leitersystem

Im Gegensatz zu den branchenüblichen 3-Leitersystemen bietet Mitsubishi Electric ein 2-Leitersystem an, um eine effiziente Wärmeverteilung zu ermöglichen. Dadurch wird die Montage vereinfacht und der Kostenaufwand deutlich gesenkt. Die Wärmerückgewinnung erhöht den Wirkungsgrad der Anlage und ermöglicht so einen wirtschaftlicheren Betrieb als herkömmliche Systeme.

Zentrales Bauteil eines 2-Leiter-Systems ist ein Kältemittelverteiler, der mit dem Außengerät eine kälte- und regelungstechnische Einheit bildet. Dabei werden Informationen über Betriebszustände von elektronischen Einspritzventilen, zur aktuellen Überhitzung und Unterkühlung, zu den Lüfterstufen in den Innengeräten, zu Ein- und Ausgangstemperaturen der Verdampfer und Verflüssiger sowie zu den jeweiligen Raumtemperaturen an das Außengerät übermittelt. Auf dieser Grundlage wird dann automatisch der optimale und energieeffizienteste Betriebspunkt der Anlage eingestellt.

Klimafreundliches Kältemittel und reduzierte Kältemittelfüllmenge

Während klassische Lösungen in der Regel mit unterschiedlichen Systemen zur Bereitstellung von Wärme und Kälte arbeiten, besteht einer der Vorteile der VRF-Technologie darin, dass dieselbe Anlage zum Heizen und/oder Kühlen eingesetzt werden kann. Dabei sind Kältemittel wesentliche Bestandteile von VRF-Klimasystemen und elementar für den Wärmeübertrag in einer Kälteanlage. Strenge EU-Vorschriften führen dazu, dass etablierte Kältemittel mit vergleichsweise hohem GWP nach und nach vom Markt verdrängt werden. Für einige Anbieter bietet das Kältemittel R32 der Sicherheitsgruppe A2L die alternative Lösung für Anwendungen, in denen zuvor das Kältemittel R410A zum Einsatz kam. Neben einem geringeren GWP weist R32 eine rund 20% höhere volumetrische Kälteleistung gegenüber 410A sowie eine höhere Effizienz auf.

Hybrid VRF-System

Es gilt also, die Vorteile von VRF-Systemen mit dem Einsatz klimafreundlicher Kältemittel und reduzierter Kältemittelfüllmengen zu verbinden. Innovative Produkte, die diese Anforderungen erfüllen, sind hybride Systeme wie beispielsweise das Hybrid VRF-Sys­tem von Mitsubishi Electric. Das Hybrid VRF-System ist ein 2-Leitersystem zum simultanen Kühlen und Heizen mit Wärmerückgewinnung, das die Vorzüge eines direkt verdampfenden mit denen eines wassergekühlten Systems kombiniert, ohne auf die hohe Betriebssicherheit, den Komfort und die Energieeffizienz des klassischen 2-Leiter-Sys­tems zu verzichten. Der große Vorteil des Hybrid VRF-Systems besteht darin, innerhalb des Gebäudes weitestgehend ohne Kältemittel zu arbeiten. Die Kältemittelmenge reduziert sich drastisch gegenüber direkt verdampfenden Systemen und es kann problemlos auch mit alternativen Low GWP Kältemitteln wie beispielsweise R32 betrieben werden.

Sofern die Innengeräte – wie beim Hybrid VRF-System von Mitsubishi Electric – mit Wasser durchströmt werden, sind Konflikte mit Füllmengenbeschränkungen auch in kleinsten Räumen ausgeschlossen. 

Wie wir eine VRF-Anlage ausgelegt?

Die Basis für ein nachhaltig wirtschaftliches VRF-Klimasystem ist die sorgfältige Planung. Dies gilt in zunehmendem Maße bei steigender Anlagengröße. Hierzu zählen ...

  • die Entscheidungen über Kühl- und Heizfunktion,
  • die Wahl des passenden Systems, bestehend aus VRF-Außengerät(en) und Inneneinheiten, sowie
  • die konkrete Dimensionierung.

Wie bei anderen technischen Anlagen auch, steht die wirtschaftliche Betriebsweise im Vordergrund. Deshalb steht am Anfang jeder Planung die Lastberechnung. Grundlage einer jeden Auslegung eines Klimasystems ist die Berechnung der Kühllasten für jeden einzelnen Raum nach VDI 2078. Sofern das VRF-System auch zum Heizen eingesetzt werden soll, ist zusätzlich auch die Heizlast nach DIN EN 12831-2 zu ermitteln. Eine Auslegung ohne Berechnung, beispielsweise mit geschätzten Werten, verstößt gegen zahlreiche baurechtliche und Umweltschutzbestimmungen und ist deshalb nicht zulässig.

Bei zu geringer Dimensionierung des Klimasystems könnten als Folge die Raumlasten nicht wie geplant abgeführt werden. Bei zu großer Dimensionierung verschlechtert sich die Regelgüte des Systems, und dessen energetische Effizienz verringert sich ebenfalls. Hinzu kommt, dass bei zu großer Auslegung die Investitionskosten unnötig ansteigen.

Auf Basis der ermittelten Kühl- und Heizlasten erfolgt dann die Auswahl der Inneneinheiten der VRF-Anlage für die einzelnen Räume bzw. Zonen. Hierzu steht eine große Auswahl an Innengeräten in unterschiedlichen Ausführungen sowie verschiedenen Leistungsstufen als Wand-, Stand- und Truhengeräte sowie als Kanaleinbaugeräte zum Einbau in abgehängte Decken zur Verfügung.

Gleichzeitigkeitsfaktor bei der Auslegung

Eine Auslegung der Außeneinheit als „Summe der maximalen Leistungen aller Inneneinheiten“ führt in der Regel allerdings zu unnötig großen und überdimensionierten Geräten. Empfehlenswert ist es, sinnvolle Gleichzeitigkeitsfaktoren anzunehmen, die aus dem erwarteten Nutzungsverhalten abgeleitet werden können. Ein üblicher Wert liegt bei 74%. Große Anlagen können auch aus mehreren Außengerätemodulen zusammengesetzt und nebeneinander oder als Kaskade verschaltet betrieben werden.

Fazit

Die VRF-Technologie hat der Klimatechnik in den letzten zwei Jahrzehnten entscheidende Impulse gegeben. So bietet sie eine hohe Flexibilität aufgrund unterschiedlich kombinierbarer Systemvarianten und die Möglichkeit des simultanen Heizens und Kühlens, der Entfeuchtung, der Wärmerückgewinnung sowie der Warmwasserbereitung. Durch die vergleichsweise geringen Abmessungen der kompakten und relativ leichten Gerätetechnik sowie die geringen Rohrleitungsquerschnitte eignen sich VRF-Anlagen für die Installation sowohl in Neubauten als auch im Gebäudebestand.

Weitere Vorteile der VRF-Technologie liegen in der einfachen Installation, hohen Jahresarbeitszahlen durch den Einsatz leistungsgeregelter Verdichter, die überwiegend im Teillastbetrieb arbeiten, die optionale Einzelraumregelung und -abrechnung sowie die problemlose Einbindung in vorhandene oder aktuelle Gebäudemanagementsysteme. Unter bestimmten Voraussetzungen lassen sich VRF-Geräte darüber hinaus auch mit zentralen Lüftungsanlagen zur Versorgung des Heiz- und Kühlregisters kombinieren.

Weitere Informationen zu (Hybrid-)VRF-Systemen können per E-Mail an Mitsubishi Electric angefordert werden.

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