RLT-Anlagen mit Wärmepumpen
Autor: Alexander Mörwald
Prozessmanager Service Airhandling, WOLF GmbH, Mainburg
Da die Ansprüche an den Komfort stetig wachsen und gleichzeitig sommerliche Temperaturen steigen, erhöht sich der Bedarf an Gebäudekühlung. Architektonische Gesichtspunkte, wie Glasfassaden, erfordern zusätzlich Kühlleistung. Gerade im Bestand sind jedoch oftmals keine zentralen Kälteerzeuger wie Kaltwassersätze vorhanden. Eine Nachrüstung ist darüber hinaus aus Platzgründen und/oder wegen des unverhältnismäßig großen Aufwands nicht möglich oder wirtschaftlich.
Immer öfter werden RLT-Anlagen daher mit kältetechnischen Komponenten ausgestattet, die zur Kühlung bzw. Erwärmung der Zuluft genutzt werden. Die verwendeten Kälteanlagen werden dabei als Wärmepumpen betrieben. Anders als bei einer Versorgung mit Wärme und Kälte über zentrale Wärmeerzeuger und Kaltwassersätze wird die benötigte Heiz- oder Kühlleistung in diesem Fall dezentral erzeugt. Dies bietet viele Vorteile, jedoch müssen einige Punkte bei Planung und Betrieb berücksichtigt werden.
Einsatz von RLT-Zentralgeräten als Komplettsysteme
Auf dem Gebäudedach aufgestellte RLT-Geräte mit integrierter Wärmepumpe können als eigenständige Anlagen betrieben werden. Ein Anschluss an ein zentrales Heiz- oder Kühlsystem ist nicht erforderlich. Das ist insbesondere bei einer nachträglich eingebauten Klimaanlage von Vorteil.
Bei Anlagen mit dezentraler Energieversorgung ist der Aufwand deutlich geringer: Neben den Lüftungskanälen müssen nur elektrische Leitungen, die zur Spannungsversorgung des Klimagerätes und erforderlicher Sensoren und Aktoren benötigt werden, installiert werden. Oftmals wird ein Regelungsschaltschrank gleich im RLT-Gerät integriert, so dass der Großteil der Verkabelung im Gerät untergebracht ist.
Aus energetischer Sicht ist die Nutzung von Direktverdampfern zudem effektiver als der Einsatz von Systemen mit zentraler Kälteerzeugung mit Kaltwassersätzen oder Wärmeerzeugern, weil ein Zwischenkreis mit Wasser als Energieträger entfällt.
Kältekreislauf stellt thermische Energie zur Verfügung
Wärmepumpen arbeiten mit dem grundlegenden Funktionsprinzip des Kältekreislaufs. Es wurde bereits im 18. Jahrhundert entwickelt und hat sich bis heute nicht verändert. In einem Wärmetauscher, dem Verdampfer, verdampft das Kältemittel bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck. Dabei wird Energie in Form von Wärme aufgenommen. Mit Hilfe eines Verdichters/Kompressors wird das verdampfte Kältemittel anschließend komprimiert. Durch die Verdichtung erhöhen sich Temperatur und Druck. Der heiße Dampf strömt dann durch den zweiten Wärmetauscher des Kreislaufs, dem Verflüssiger. Die zuvor aufgenommene Energie wird hier in Form von Wärme abgegeben wobei das Kältemittel verflüssigt/kondensiert, weshalb der Verflüssiger auch Kondensator genannt wird. Nach dem Kondensator wird das Kältemittel durch ein sogenanntes Expansionsventil entspannt, so dass es anschließend wieder im Verdampfer zur Kälteerzeugung zur Verfügung steht. Je nach Bedarf wird aus dem Kältekreislauf entweder die entstehende Wärme oder die Kälte zur Konditionierung der Zuluft „entnommen“.
Direktkälte als Lösung zum Heizen und Kühlen
Dezentrale Systeme werden als sogenannte Direktkältesysteme eingesetzt. Das bedeutet, dass der Energieaustausch direkt zwischen dem Wärmetauscher, in dem sich das verdampfende Kältemittel befindet, und dem zu konditionierendem Medium erfolgt. Der Wärmetauscher wird dabei als Direktverdampfer bezeichnet. Das zu konditionierende Medium bei RLT-Anlagen ist in der Regel die Zuluft. Im Wärmepumpenbetrieb kann der Direktverdampfer auch zum Heizen verwendet werden. Die Energieübertragung erfolgt direkt über den Direktverdampfer vom Kältemittel auf die Luft. Dabei entstehen so gut wie keine Leitungsverluste.
Ein weiterer Vorteil liegt in der Nutzung eines Kältemittels als Wärmeträger. Im Gegensatz zur Verwendung von Wasser oder Wasser/Glykol-Gemischen (zur Wärmeübertragung durch zentrale Warm- bzw. Kaltwasserbereiter erforderlich) ist ein Einfrieren und dadurch verursachte Schäden ausgeschlossen. Dies wird immer wichtiger, da aus Platzgründen RLT-Geräte mittlerweile überwiegend im Außenbereich, vor allem auf Gebäudedächern, installiert werden.
Regelung sorgt für bedarfsgerechten Betrieb
Im Gegensatz zur Leistungssteuerung bei Systemen mit zentraler Kälte- und Wärmeversorgung durch Regelventile am Heiz- bzw. Kühlregister, erfolgt die Regelung von integrierten Kälteanlagen bzw. Wärmepumpen über die Ansteuerung der Verdichter. Die Auswahl der Verdichter ist abhängig von der Anwendung. Bei einfachen Anwendungen (z.B. zur Bereitstellung der Grundlast) reichen oftmals ein- oder zweistufige Verdichter aus.
Um eine stufenlose Temperaturregelung umzusetzen, stehen entweder Digital Scroll Verdichter für kleinere Leistungen bzw. mit Frequenzumformer angesteuerte Hubkolbenverdichter für größere Leistungen zur Verfügung. Mit einer Kombination eines ein- oder zweistufigen und eines zweiten stufenlos geregelten Verdichters kann ein Betrieb bei gleichmäßiger Grundlast und variablen Lastspitzen umgesetzt werden, ohne dass beide Verdichter mit einem Frequenzumformer betrieben werden müssen.
Sehr wichtig sind auch geeignete Schnittstellen zwischen der RLT-Anlage und der Wärmepumpenanlage. Bei fehlender Abstimmung und unsachgemäßem Betrieb kann es zu Schäden an den Verdichtern kommen. Im besten Fall stammen daher sowohl die Regelung der RLT-Anlage als auch die Wärmepumpe aus einer Hand.
Variabler Betrieb durch Split-Systeme
Grundsätzlich werden Wärmepumpenanlagen von RLT-Anlagen in zwei Varianten ausgeführt. Bei einer integrierten Wärmepumpe sind alle Komponenten in das RLT-Gerät integriert. Das sind neben dem Direktverdampfer auch Verdichter, Kondensator und die komplette Verrohrung. Der Vorteil liegt in der kompakten Bauweise und dem abgeschlossenem Leistungsumfang. Kleinere RLT-Anlagen können so in einem Stück mit komplett fertiggestellter und befüllter Kälteanlage angeliefert und installiert werden. Bei größeren Anlagen muss die Verrohrung auf der Baustelle noch fertiggestellt und mit Kältemittel befüllt werden, bevor die Inbetriebnahme stattfinden kann.
Nachteil dieser Ausführungsvariante ist die Platzierung des Kondensators in der Fortluft des RLT-Gerätes, um die Wärmeenergie über die Fortluft abzuführen. Die Leistung des Kondensators ist somit abhängig vom Luftstrom in der Fortluft. Dies schränkt den Betrieb bei Anlagen mit variablen Volumenstrom ein. Ist der Volumenstrom über den Kondensator zu gering, so kann die erforderliche Leistung nicht abgegeben werden und der Druck erhöht sich auf unzulässige Werte. In der Praxis kommt es dann zu Hochdruckstörungen und der Abschaltung der Anlage. Bei Verringerung des Luftstroms muss daher auch die Leistung der Kälteanlage verringert werden. Zudem ist ein gewisser Mindest-Luftstrom einzuhalten, damit die Anlage ohne Störungen betrieben werden kann. Dies stellt erhöhte Anforderungen an die Planung und Auslegung der RLT-Anlage.
Eine Alternative zur komplett integrierten Wärmepumpentechnik ist der Einsatz von sogenannten Split-Einheiten. Diese bestehen aus einer Außeneinheit, in der Verdichter und Kondensator untergebracht sind und dem Direktverdampfer im RLT-Gerät. Die Wärmeabgabe des Kondensators erfolgt dabei völlig unabhängig vom Luftstrom der RLT-Anlage über die Umgebungsluft der Außeneinheit. Die Verdichter sind dabei drehzahlgeregelt und können deshalb stufenlos betrieben werden. Der große Vorteil dieser Anlagen ist die Entkopplung des Kondensators vom RLT-Gerät und damit ein Betrieb ohne entsprechende Einschränkungen. Nachteil ist die separate Außeneinheit, die Platz benötigt und die eine zusätzliche Verrohrung zum Direktverdampfer erfordert. In der Regel werden die Außeneinheiten neben dem RLT-Gerät platziert, so dass sich der Aufwand in überschaubarem Maß hält. Split -Systeme können sowohl im Kühl- als auch im Heizbetrieb betrieben werden. Um verschieden Leistungen abzudecken, können mehrere Außeneinheiten mit einem Direktverdampfer in Kaskade verwendet werden.
Auch beim Einsatz von Split-Einheiten gilt, dass die Regelung der Gesamtanlage mit der Regelung der Außeneinheit abgestimmt sein muss, da hier herstellerabhängige Unterschiede bestehen. Daher ist zu empfehlen, ein Komplettsystem aus RLT-Gerät, Außeneinheit und Gesamtregelung aus einer Hand einzusetzen. Solche Gesamtsysteme stehen bei WOLF für alle Baureihen von Klimageräten zur Verfügung.
Abtaubetrieb muss berücksichtigt werden
Außentemperaturen um den Gefrierpunkt führen bei Heizbetrieb von Wärmepumpen zur Vereisung am Verdampfer. Da die Temperatur des Kältemittels im Verdampfer kälter ist als die Umgebungsluft, kommt es bei entsprechender Luftfeuchte zur Kondensation am Wärmetauscher. Bei Temperaturen unter 0°C gefriert das Kondensat und es entsteht eine Eisschicht. Besonders kritisch ist dabei der Temperaturbereich von +5°C bis -3°C. Bei Temperaturen um die 5°C ist der absolute Feuchtegehalt der Außenluft relativ hoch, daher entsteht besonders viel Kondensat. Bei sehr tiefen Temperaturen ist der Feuchtegehalt eher gering, so dass das Risiko der Vereisung unwahrscheinlicher wird.
Die Vereisung des Verdampfers führt zu einer Verschlechterung des Wärmeübergangs, weil das Eis als Isolationsschicht wirkt. Die Leistungsfähigkeit wird dadurch eingeschränkt. Um die Leistung trotzdem in diesen Temperaturbereichen aufrecht zu erhalten, muss der Verdampfer regelmäßig abgetaut werden, z.B. durch Prozessumkehr. Während des Abtaubetriebs kann die Zulufttemperatur nicht weiter erwärmt werden. Um keine kalte Luft in das Gebäude einzubringen, werden die Ventilatoren der RLT-Anlage in der Regel so lange abgeschaltet. Für die Dauer der Abtauung erfolgt dann kein Luftwechsel. Alternativ könnte die Anlage im Umluftbetrieb betrieben werden. Bei RLT-Anlagen zur Versorgung von speziellen Bereichen, wie z.B. Küchen, bei denen ein Umluftbetrieb nicht erwünscht bzw. erlaubt ist, kann eine elektrische Beheizung der Zuluft während der Abtauung eine Lösung sein. Daher muss bei der Planung von RLT-Anlagen die Verfügbarkeit während des Abtaubetriebs unbedingt berücksichtigt werden.
Zukünftige Entwicklung in Sachen Kältemittel
Wenn man von Kälte- oder Wärmepumpenanlagen spricht, kommt man um das Thema Kältemittel nicht herum. Grund ist die F-Gase-Verordnung, die eine Reduzierung von Treibhausgasen, die sich auch in Kältemitteln befinden, festlegt. In einem als Phase-down genannten Prozess soll das Inverkehrbringen von teilfluorierten Kohlenwasserstoffen (HFKWs) bis 2030 auf ein Fünftel verringert werden.
Als Maß der Klimaschädlichkeit wurde ein GWP-Wert eingeführt. GWP steht für Global Warning Potential und gibt das Maß für die erhöhte klimaschädliche Wirkung des betrachteten F-Gases im Vergleich zu Kohlendioxid im Zeitraum von 100 Jahren an. Je höher der GWP-Wert ist, desto höher ist die Schädlichkeit des Kältemittels. Der Einsatz von Kältemitteln mit einem GWP von über 2500 ist seit 1. Januar 2020 verboten. Typische Kältemittel im RLT-Bereich sind R410A mit einem GWP von 2088 und R407C mit einem GWP von 1774.
Als Alternative ist aktuell mit einem Einsatz von R32 zu rechnen. R32 hat mit 675 einen deutlich geringeren GWP als R410A oder R407C und ist nicht ozonschädlich. Es wird auch bereits in Split-Anlagen zum direkten Kühlen von Räumen eingesetzt. Bedenken beim Einsatz in RLT-Anlagen bestehen noch aufgrund der vorhandenen Entflammbarkeit. R32 ist als schwer entflammbar (Klasse A2L) eingestuft, allerdings müssen hier mehrere Umstände zusammentreffen, um tatsächlich einen Brand auszulösen. Zunächst muss eine Leckage vorliegen, damit es zu einem Austritt kommt. Dann muss eine Sättigung von mindestens 13,5 Volumenprozent vorliegen und ein Zündfunke vorhanden sein. Aber auch wenn es als sehr unwahrscheinlich gilt, dass es zu gefährlichen Situationen kommt, ist der Sicherheitsaspekt natürlich gründlich zu bewerten. Aktuell gilt es sowohl für Hersteller von RLT-Anlagen als auch für Planer und Fachhandwerker, abzuwarten, welche Vorgaben oder Empfehlungen in Zukunft getroffen werden. Entsprechende Lösungen werden mit Spannung erwartet.
Quellen:
[1] „Welche Vorteile bieten Direktverdampfer-Systeme?“, haustec.de, 2016
[2] Fachbroschüre „Klimafreundliche Gebäudeklimatisierung“, Umweltbundesamt, 2014
[3] „RLT-Komplettgeräte mit Direktkälte, Fach.Journal 2004/2005
[4] „Direktkälte bei RLT-Geräten immer mehr gefragt“, Fach.Journal, 2015
[5] „Abtauen ohne Komfortverlust“, sbz 6/2015, Alfons W. Gentner Verlag
[6] „Keine Kältemittelalternative erfüllt alle Wünsche“, sbz 04/2018, Alfons W. Gentner Verlag