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

Moderne Gebäude zeichnen sich durch einen ressourcenschonenden und niedrigen Energieverbrauch aus. Dieser wird neben den Eigenschaften der Gebäudehülle maßgeblich durch die technische Ausstattung bestimmt. In einer Vielzahl von Gebäuden, ganz gleich ob Wohnbereich oder gewerblich genutzte Räume, 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 % 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 % 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 besonders wirtschaftlich

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 % 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.

Einfache Rohrleitungsdimensionierung mit Hybrid-System

Um für den dauerhaften Betrieb optimale Strömungsverhältnisse zu erzielen, ist eine exakte Dimensionierung der installierten Rohrleitungen erforderlich. Die Leitungsausführung bei kältemittelführenden Leitungen von VRF-Systemen erfolgt in der Regel mit gelöteten Kupferrohren auf der Hochdruckseite in den Dimensionen 16-22 mm und auf der Niederdruckseite in den Dimensionen 18-28 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 fernerhin die Entfernungen zwischen Außengeräten und Kältemittelverteilern, die maximalen Rohrleitungslängen zwischen Kältemittelverteilern und Innengeräten sowie die maximalen Höhenunterschiede zwischen Außen- und Innengeräten bzw. den 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 Metern und zwischen Innengerät und HBC-Controller – dem Wasserkreislauf – von maximal 60 Metern möglich. Bei der Höhendifferenz zwischen Kältemittelverteiler und Außengerät sind bis zu 50 Meter und zwischen Kältemittelverteiler und Innengerät maximal bis zu 15 Metern realisierbar. Bei den zu einem Wasserkreislauf gehörenden Innengeräten ist eine maximale Höhendifferenz von bis zu 15 Metern möglich.

Fazit: Die fachgerechte Auslegung der Systeme ist wichtig

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 erheblich verringern. Wichtig ist die fachgerechte Auslegung solcher Systeme, um eine Über- oder Unterdimensionierung zu verhindern, denn dies kann 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 sind die Rohrleitungen in hybriden VRF-Systemen, die mit einem wasserführenden Kreislauf zwischen dem Kältemittelverteiler und den Innengeräten arbeiten, zu dimensionieren: Hier können Wasserleitungen mit einem einheitlichen Durchmesser von 20 mm verwendet werden. (Birgit Bakhtiari)