Absolut beherrschbar

Die Bausteine des Systems bestehen wie bei den Standard-VRV-Systemen aus der Außeneinheit und den Innengeräten. Das VRV-CO₂-System ist als 10-PS-Wärmepumpe mit einem Leistungsbereich von 4 kW bis 28 kW erhältlich. Da CO₂ seinen kritischen Punkt bei 31 °C hat, besteht die VRV CO₂ aus einem transkritischen Kältekreislauf. Um die Leistung des Systems zu verbessern, wurde ein invertergeregelter Doppel-Swingverdichter entwickelt, der eine optimale Effizienz bei den hohen Ausströmdrücken gewährleistet sowie die hohen Druckunterschiede bewältigt, die aufgrund der Stoffeigenschaften von CO₂ vorherrschen. In einem Außengerät befinden sich zwei dieser Doppel-Swingverdichter.

Der Einsatzbereich der VRV CO₂ liegt bei der Betriebsart Kühlen zwischen 43 °C und 5 °C. Bei einer Außentemperatur zwischen 5 °C und 20 °C müssen mindestens 70 Prozent der Innengeräte laufen, damit ein normaler Betrieb gewährleistet werden kann. Im Heizbetrieb ist ein normaler Betrieb bei Außentemperaturen von 20 °C bis 25 °C gesichert.

Viele der VRV-Standardfunktionen, wie eine hohe Lüfterpressung bis 78 Pa, LONP (Low Noise Operation) für einen schallreduzierten Betrieb und eine digitale Druckanzeige, sind ebenfalls verfügbar. Bis zu 16 Innengeräte mit einer Leitungslänge von bis zu 300 Metern können an das System angeschlossen werden.

Als Innengeräte können Kanalgeräte verwendet werden, die in sieben Baugrößen (2 kW bis 10 kW) verfügbar sind. Aufgrund des höheren Drucks befindet sich in den Innengeräten ein Wärmeübertrager mit dickerer Wandung. Zusätzlich wird zur Minderung des Drucks beim VRV-CO₂-System zwischen Außengerät und den einzelnen Innengeräten je eine ausgelagerte Expansionsventilbox (BEV Box) zwischengeschaltet. Die Leitungslänge zwischen dem Innengerät und der Box kann maximal 15 Meter, mindestens aber zwei Meter betragen.

Bei einem Betriebsartenwechsel wird die Druckdifferenz auf 4 bar heruntergestuft und erst nach der Absenkung des Drucks wird umgeschaltet. Nach dem Wechsel der Betriebsart arbeitet die VRV CO₂ im normalen Druckbereich weiter.

Kühl- und Heizbetrieb

Die VRV CO₂ wurde mit einem neuen op­timierten Kältekreislauf ausgestattet, der aus einem zweistufigen Unterkühlerkreislauf sowie einem Gaskühler besteht, der eine maximale Wärmeübertragung zwischen dem CO₂ Gas und der Außenluft gewährleistet. Zusätzlich wurde die Rohrdimension im Vergleich zu den R 410 A-VRV-Systemen verkleinert.

Da CO₂ seinen kritischen Punkt bei 31 °C hat, die theoretische Verflüssigung des CO₂-Gases im Kühlbetrieb jedoch bei 45 °C (bei 94 bar) liegt, wird das CO₂ zunächst abgekühlt. Der Gaskühler im Außengerät gibt das gasförmige CO₂ an den ersten Unterkühler ab. Zur weiteren Unterkühlung und Druckminderung wird das CO₂ über ein Einspritzventil verflüssigt und dann über den zweiten Unterkühler weiter unterkühlt und über die Expansionsventilbox im Inneren des Gebäudes bei ca. 39 bar und einer Verdichtertemperatur von ca. 5 °C in das Innengerät eingespritzt.

Bei der Betriebsart Heizen befindet sich die komplette Gaskühlstrecke im Innengerät, da dort die Wärme abgegeben wird. Der Verdichter gibt das gasförmige CO₂ mit einer Verdichtungsendtemperatur von ca. 100 °C direkt ins Innengerät ab. Über die ausgelagerte BEV-Box wird der Druck gemindert und das CO₂ in flüssiger Form in die Außeneinheit wieder abgegeben.

Montage und Inbetriebnahme

Sowohl die Aufstellung des Außengeräts der VRV CO₂ als auch die Montage der Innengeräte ist identisch mit der Montage der VRV-R 410 A-Anlage. Bei den Rohrleitungen müssen jedoch spezielle Kupferrohre eingesetzt werden, die eine Druckfestigkeit für CO₂ haben. Diese sind im Fachhandel erhältlich. Verstärkte Refnets für die CO₂-Anwendung können direkt über Daikin bezogen werden. Für die Montage und Inbetriebnahme werden Spezialwerkzeuge benötigt. So zum Beispiel für die Biegung und Ausweitung der Kupferrohre, die eine dickere Wandung haben.

Für die Inbetriebnahme und Installation wird CO₂-spezifisches Werkzeug benötigt.Eine Dichtheitsprobe wird in vier Schritten bei 40, 80, 123 sowie bei 123 bar stehen lassend durchgeführt. Besonders wichtig ist eine gründliche Evakuierung, da sich Salze bilden, wenn CO₂ mit Feuchtigkeit in Berührung kommt und somit erhebliche Säureschäden in den Leitungen entstehen können.

Nach der Evakuierung ist die Anlage mit gasförmigem CO₂ bis 6 bar zu befüllen, ab 6 bar kann flüssig gefüllt werden. Der Testlauf nach der Befüllung dauert dann ca. 40 Minuten.

Bei der Kältemittelentsorgung muss darauf geachtet werden, dass alle Anlagenteile auf Umgebungstemperatur erwärmt werden, da sich ab 5,4 bar in der CO₂-Anlage aus flüssigem CO₂ Trockeneis bildet. Das CO₂ kann bis 6 bar in die Atmosphäre abgelassen werden. Die Erwärmung der Anlagenteile geschieht automatisch, wenn der Lüfter gestartet wurde.

Sicherheit

Aufgrund der hohen Druckverhältnisse in der VRV-CO₂-Anlage sind Sicherheitsvorrichtungen besonders wichtig. So befinden sich in der Anlage um jedes Ventil Sicherheitskapillaren, damit, falls ein Ventil blockiert, der Druck dennoch ausgeglichen werden kann. Weiterhin verfügt die Maschine über alle Komponenten, die zu einem sicheren Betrieb der Anlage führen.

TEWI

Wie eingangs erwähnt, unterscheidet sich die VRV-CO₂-Anlage zur R 410 A-VRV-Anlage auch in der energetischen Effizienz. Die VRV-CO₂-Anlage hat vor allem im Heizbetrieb ihre Stärke, dort liegt der COP bei 3, während der EER in der Betriebsart Kühlen bei 2 liegt. Bei einer ausgewogenen Jahresverteilung der Betriebsarten (Kühlen 50 Prozent und Heizen 50 Prozent) liegt die Leistungszahl folglich bei 2,5. Die R 410 A-VRV-Anlage weist dagegen eine durchschnittliche Leistungszahl von 3,6 auf. Beide Berechnungen beziehen sich auf eine Betriebsdauer von 15 Jahren. Betrachtet man die CO₂-Emissionen (indirekte, direkte und Stromverbrauch) beider Anlagen über diesen Zeitraum, so zeigt sich, dass auch hier die R 410 A-VRV-Anlage mit insgesamt 161 948 t besser abschneidet als die VRV-CO₂-Anlage mit insgesamt 177 746 t. Dies liegt vor allem an dem höheren Stromverbrauch des VRV-CO₂-Systems. Steigt der Anteil der erneuerbaren Energien am Strommix in den nächsten Jahren, so verbessert sich auch die CO₂-Bilanz des VRV-Systems.

Bei den Investitionskosten (Bruttopreise) ist die CO₂-Anlage mehr als dreimal so teuer wie die Standard-VRV mit R 410 A (ohne Installation und Kupferleitungen).

Fazit

Die Verwendung von CO₂ als Kältemittel in Seriengeräten ist absolut beherrschbar. Jedoch muss man beachten, dass das Betriebsverhalten von CO₂ je nach Anwendung Konsequenzen auf die Betriebskosten und Investitionen hat. Generell gilt, dass es kein Kältemittel gibt, das für alle Anwendungen uneingeschränkt als das optimale Kältemittel angesehen werden kann. Die Kältemittelauswahl muss sich nach den geforderten Temperaturen auf der Heiz- wie auch auf der Kühlseite und der regionalen Anwendung sowie Größenordnung richten. -

Leiter Bereich Produkt Experten, Daikin Airconditioning Germany GmbH, Unterhaching

Der Internationale Verband der Kupferindustrie (ICA) gibt bekannt, dass Chigo, Hersteller von Klimageräten, das Gewicht der Wärmeübertragerrohre in einem seiner Klimaanlagensysteme um 30 Prozent reduzieren konnte. Diese signifikante Einsparung wurde durch den Einsatz von innenberillten Kupferrohren mit kleineren Durchmessern in Verdampfern und Kondensatoren erzielt. Der Rohrdurchmesser in den Kondensatoren wurde von 9,52 auf 5 mm und in den Verdampfern von 7 auf 5 mm verringert. Bei den Geräten handelt es sich um Split-Klimageräte mit einer Kühlleistung von 2 500 W und einem COP von 3,2.

„OEMs können durch den Einsatz von innenberillten Kupferrohren mit kleineren Querschnitten bei Kondensatoren und Verdampfern Material sparen“, erläutert Nigel Cotton, OEM Team-Leiter des ICA. „Außerdem setzt MicroGroove Techniken ein, mit denen die Hersteller vertraut sind. Der Produk­tionsprozess erfordert keine Investitionen in hochkomplexe Anlagen, wie z. B. Lötöfen, und dennoch entstehen erstklassige Produkte.“ Die optimierten Wärmeübertrager für die oben genannten Produkte werden von MicroGroove auf der AHR Expo 2012 vorgestellt (Messestand 2729).

Hinweis: Die KK veröffentlichte einen Beitrag in der Ausgabe 4/2011, S. 30, mit dem Thema „Kleine Kupferrohre mit Mikrorillen neue Möglichkeiten für Wärmeübertrager“. -