Angesichts hoher Energiepreise und ihrer prognostizierten weiteren Entwicklung müssen sich Planer ernsthafte Gedanken machen, wie sie bei der technischen Gebäudeausstattung die Energie- und Betriebskosten dauerhaft senken können. Darüber hinaus gilt es, die Gebäudeenergiebilanz zu verbessern, um die strengen Gebäudeenergieverordnungen zu erfüllen. Da erscheint es vernünftig, Gebäude mit gleichzeitigem Kühl- und Heizbedarf mit einem System auszustatten, das Heizen und Kühlen im Simultanbetrieb ermöglicht.
Die Vorteile eines integralen Systems sind einfach erklärt: Statt eine separate Anlage zum Heizen und eine zum Kühlen zu nutzen, wird ein System eingesetzt, das gleichzeitig heizen und kühlen kann. Im Optimalfall lassen sich damit hohe Wirkungsgrade, beispielsweise ein TER (Total Efficiency Ratio) von mehr als 8, erreichen. Dies bedeutet, dass mit 1 kW elektrischer Leistung 8 kW thermische Leistung in Form von Kalt- und Warmwasser gewonnen wird. Außerdem können die Investitionskosten deutlich reduziert werden, da sowohl Gerätetechnik als auch Anlagenperipherie auf eine einzige Technik hin ausgelegt werden können.
Integrale Systeme für welche Anwendungen?
Multifunktions-Wärmepumpen zum Kühlen und Heizen im Simultanbetrieb eigenen sich besonders gut für Gebäude mit mittlerem bis hohem Leistungsbedarf. Sie kommen mit einer geringen Kältefüllmenge aus, da für die Verteilung im Gebäudeinneren das Transportmedium Wasser zum Einsatz kommt. Weniger Kältemittel wird indirekt über die F-Gase-Verordnung verlangt, die das sogenannte Phase-Down vorschreibt. Sie stellen deshalb auch langfristig eine gute und praktikable Lösung dar.
Zu den Einsatzmöglichkeiten von integralen Systemen gehören Büro- und Geschäftshäuser mit ausgeprägter Nord-Süd-Ausrichtung, großen Glasfassaden oder Hotels. Ebenso finden sie sich in Rechenzentren mit angeschlossenen Büroflächen sowie bei Prozessanwendungen mit gleichzeitigem Kalt- und Warmwasserbedarf. Auch Fitnesscenter, Museen und Krankenhäuser fallen unter die typischen Anwendungsbereiche von simultaner Kalt- und Warmwassererzeugung.
Voraussetzung für die Realisierung von Synergieeffekten ist die Notwendigkeit, dass in einem Gebäude zeitgleich Wärme- und Kühlbedarf besteht. Bei zwei getrennten Systemen fallen oft deutlich höhere Investitionskosten an. Das gilt auch für den laufenden Betrieb. Je ausgeglichener der Heiz- und Kühlbedarf ist, desto wirtschaftlicher und effizienter lässt sich der Einsatz eines integralen Systems, beispielsweise mit Multifunktions-Wärmepumpen, im Vergleich zu getrennten Systemen darstellen.
Zur Veranschaulichung dient eine vereinfachte Kosten-Nutzen-Gegenüberstellung in Kilowattstunden: Bei getrennten Wärmepumpensystemen liefert 1 kW elektrischer Leistung durchschnittlich 3,5 kW Kälteleistung oder im Schnitt 4,5 kW Heizleistung. Bei einem System mit simultaner Kalt- und Warmwasserzeugung erhält der Anlagenbetreiber dagegen für 1 kW elektrischer Leistung 8 kW thermischer Leistung.
Basis ist die Kühl- und Heizlastberechnung. Danach kann entschieden werden, wie groß der Anteil der simultanen Last ist. Auf dieser Grundlage kann die Geräteleistung bestimmt und ergänzend der Spitzenlast-Chiller bzw. eine Multifunktions-Wärmepumpe mit eingebunden werden. Zur Überprüfung stellen Hersteller Berechnungstools zur Verfügung, um eine Energieanalyse zu erstellen. Solche optionalen Anlagensysteme sind in der Lage, den Jahresverbrauch im Voraus zu berechnen und die optimale Anlagenkonfiguration zu ermitteln.
Im Planungsprozess ist außerdem die Frage zu klären, ob ein Integral-System auf der Basis von Geothermie oder luftgekühlt eingesetzt werden kann oder soll. Die Vorteile luftgekühlter Systeme sind der geringe Invest, dass kein separater Aufstellort innerhalb des Gebäudes benötigt wird und ihre Installation verhältnismäßig einfach ist. Die Vorteile von geothermischen Systemen sind ihre höhere Effizienz, gerade bei unausgeglichenen Lastverhältnissen, die Möglichkeit staatlicher Förderung und dass kein Frostschutzmittel im Gebäude bzw. keine Systemtrennung erforderlich ist.
Mehr Effizienz: invertergeregelte Multifunktions-Wärmepumpen
Um eine höhere Energieeffizienz zu erzielen, sollte auf den Einsatz drehzahlgeregelter Verdichter, Ventilatoren und Pumpen gesetzt werden. Damit lassen sich im Teillastbereich – der den überwiegenden Anteil der Betriebszeiten ausmacht – besonders hohe Wirkungsgrade erzielen. Aus diesem Grund sind zum Beispiel bei den luftgekühlten Multifunktions-Wärmepumpen i-FX-Q2 der Integra-Serie von Climaveneta – einer Marke von Mitsubishi Electric – alle elektrischen Verbraucher drehzahlgeregelt.
Die i-FX-Q2 Geräte stellen Kalt- sowie Warmwasser für sämtliche Anwendungen zur Komfort- und Prozessklimatisierung zur Verfügung. Sie werden als Vier-Leiter-Systeme ausgeführt, sodass auch die Geräte auf der Verbraucherseite wie zum Beispiel Fancoils als 4-Leiter-System ausgeführt sein müssen. Der Korridor in der Erzeugung von Kaltwasser reicht von –8 °C bis zu +18 °C. Warmwasser kann bis 60 °C erzeugt werden. Optional kann mit den Geräten auch eine Brauchwassererwärmung bis 78 °C realisiert werden.
Verwendet werden neben EC-geregelten Lüftern auch moderne invertergeregelte Schraubenverdichter. Auch die Pumpen für den Kalt- und Warmwasserkreislauf können drehzahlgeregelt ausgeführt werden, sodass es sich bei diesem Gerät um ein Full-Inverter-Konzept handelt. Die drehzahlgeregelte Verdichtertechnik ermöglicht eine punktgenaue Lastanpassung über das gesamte Leistungsspektrum und sorgt dadurch für eine hohe Effizienz im Teillastbetrieb. Für ein günstiges Betriebsergebnis enthalten die Multifunktionswärmepumpen mehrere Wärmeübertrager pro Wasserkreislauf.
Um ein unausgeglichenes Verhältnis zwischen Kalt- und Warmwassererzeugung zu kompensieren, ist es erforderlich, entweder überschüssige Energie abzugeben oder zusätzlich Energie aufzunehmen. Dazu ist es notwendig, dass jeder Kältekreislauf mit drei Wärmeübertragern ausgestattet ist. Bei einem höheren Kältebedarf arbeitet der dritte Wärmeübertrager als Verflüssiger, bei einem höheren Heizbedarf wird derselbe Wärmeübertrager zum Verdampfer. Bei der Serie i-FX-Q2 ist der zusätzliche, dritte Wärmeübertrager in einer luftgekühlten Version ausgeführt. Als Energiequelle dient hier die Umgebungsluft. Aber wie sind die Geräte aufgebaut?
Weniger Umschaltvorgänge erhöhen Effizienz
Je nach Leistungsgröße enthalten die Multifunktions-Wärmepumpen der Integra-Serie zwei bis maximal acht Scroll- bzw. zwei Schraubenverdichter. Der Einsatz mehrerer Verdichter in einem Kältekreislauf bzw. drehzahlgeregelter Verdichter hat betriebs- und regelungstechnische Vorteile. Jedes Gerät besteht aus mindestens zwei Kältemittelkreisläufen. Bei je einem Scroll-Verdichter pro Kältekreislauf sind die Leistungsstufen nicht sonderlich fein abgestimmt. Um erhöhte mechanische Belastungen zwischen den Um-schaltvorgängen bei einem unausgeglichenen Lastverhältnis zu minimieren, ist die Installation von Pufferspeichern sowohl auf der Kalt- als auch auf der Warmwasserseite sinnvoll.
Bei einer höheren Anzahl von Verdichtern je Kältekreislauf reduzieren sich die mechanischen Belastungen aufgrund der feiner abgestimmten Leistungsstufen. Weniger Umschaltzyklen von einem zum anderen Wärmeübertrager ist die positive Folge. Zusätzlich steigt die Energieeffizienz des gesamten Systems. Auch das Temperaturprofil des angeschlossenen Hydrauliksystems wird präziser. Das Gleiche gilt auch für drehzahlgeregelte Schraubenverdichter, mit denen sich höhere Leistungen abbilden lassen.
Während ein Gerät mit zwei Leistungsstufen noch vergleichsweise oft die Verdichter ein- und ausschalten muss, um genau die benötigte Leistung zur Verfügung zu stellen, erleichtern vier Scrollverdichter die Modulation an die gewünschte Geräteleistung. Der Einsatz mehrerer Verdichter oder noch besser der Einsatz drehzahlgeregelter Verdichter macht in den Kalt- und Warmwasserkreisläufen das System flexibel bei der Leistungsanpassung, erhöht die Effizienz und verringert die mechanische Beanspruchung.
Hohe Leistungsanforderungen können bei der Konfiguration einer Anlage aus Gründen der Betriebssicherheit und der optimalen Energieausbeute mit bis zu acht Geräten abgedeckt werden. Dabei können die Grundlast über eine Multifunktions-Wärmepumpe und die Spitzenlast jeweils über Standard-Geräte zum Heizen und Kühlen abgedeckt werden. Diese Anlagenkonfiguration ermöglicht eine Optimierung sowohl der Investitions- als auch der Betriebs- kosten. Die Geräte der Serie i-FX-Q2 erfüllen die Anforderungen an die Ökodesign-Richtlinie Lot 1 (813/2013) und im höheren Leistungsbereich (über 400 kW) die weiter verschärften Vorgaben der EU-Verordnung zum 1. Januar 2021 in Lot 21 (2016/2281) Tier 2. Für Planer und Investoren bieten sie damit bei langfristig angelegten Großprojekten Planungssicherheit über das Jahr 2021 hinaus.
Auch die Reduzierung der Schallemissionen hat bei der Entwicklung dieser Geräteserie eine wichtige Rolle gespielt. Um alle objektspezifischen Bedingungen zu erfüllen, lassen sich acht verschiedene Ausstattungspakete einsetzen – von der CA- über die NR- und SL- bis hin zur XL-Version mit maximaler Geräuschminimierung. Dadurch können die Schallemissionen optional um bis zu 13 dB(A) vermindert werden – oft ein entscheidendes Kriterium bei innerstädtischen Bauprojekten.
Fazit
Ein geringer Invest, niedrige Betriebskosten und Gebäudeenergievorschriften machen den Einsatz von Multifunktions-Wärmepumpen zur Erzeugung von Kalt- und Warmwasser im Simultanbetrieb zu einer guten Entscheidung. Um diese Ziele zu erreichen, kommen immer öfter integrale Systeme zum Einsatz. Diese ermöglichen die gleichzeitige Bereitstellung von Kalt- und Warmwasser mit nur einem System. Drehzahlgeregelte Verdichter und weitere elektrische Verbraucher können sowohl die Einsparpotenziale als auch die Funktionssicherheit einer Anlage weiter steigern.
Eine höhere Anzahl von Verdichtern innerhalb eines Kältemittelkreislaufs führt zudem zu einer Erweiterung der Modulationsbreite und zu einer besseren Effizienz im Teillastbereich. Mit den Multifunktions-Wärmepumpen i-FX-Q2 der Integra-Serie von Climaveneta steht eine Geräteserie zur Verfügung, die für die simultane Kalt- und Warmwassererzeugung entwickelt wurde. Sie lässt sich einzeln oder zur Grundlastabdeckung in Kombination mit Standard-Chillern und/oder Speichersystemen konfigurieren.
Dipl.-Kfm. Martin Schellhorn,
freier Fachjournalist und Inhaber der Fachpresseagentur Kommunikations-Management Schellhorn in Haltern am See
