Konstanter Raumkomfort mit Effizienzsteigerung um 25 Prozent

Mit der Erndung der VRV-Technologie (VRV1 = Variable Refrigerant Volume = variabler Kältemittelvolumenstrom) hat Daikin 1982 neue Maßstäbe bei der Gebäudeklimatisierung gesetzt und eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Heizsystemen geschaffen. Die Luft/Luft-Wärmepumpe spart Energie, indem sie konsequent erneuerbare Energien nutzt. Zudem verschafft sie große Planungsfreiheit sowie Sicherheit. Das System hat sich vor allem in gewerblichen Anwendungen etabliert: Allein in Deutschland wurden von 2008 bis 2011 rund 40000 VRF-Anlagen installiert. Davon war etwa jede dritte Anlage von Daikin (ca. 13400 verkaufte VRV-Systeme). Seit der ersten VRV-Generation hat Daikin das System kontinuierlich weiterentwickelt. Alle wichtigen Komponenten von der Kältemitteltechnologie bishin zu den Kompressoren, Wärmeübertragern und der elektronischen Steuerung, werden vom japanischen Wärmepumpen- und Klimaanlagenhersteller selbst entwickelt und hergestellt. Seit Herbst 2012 ist die vierte VRV-Generation auf dem deutschen Markt. Es ist die erste Produktneuentwicklung,die im europäischen Entwicklungszentrum des Mutterkonzerns Daikin Europe N. V. im belgischen Oostende für die europäischen Bedürfnisse entwickelt wurde. Das neue VRV-IV-System wurde an die unterschiedlichen regionalen Bedingungen in Europa angepasst ein besonderer Fokus bei der Entwicklung wurde auf den Heizbetrieb gelegt.

Die VRV IV gewinnt thermische Energie aus der erneuerbaren Energie Luft. Mit nur einem System können die Raumheizung und -kühlung sowie die Lüftung und Warmwassererzeugung bereitgestellt und somit das thermische Energiemanagement von Gebäuden zu 100 Prozent abgedeckt werden. Zwei einzigartige Neuheiten des Systems sind die variable Kältemitteltempe­ratur, die eine optimierte Ganzjahreseffi­zienz für die Gebäudeeigentümer ermöglicht sowie ein erhöhter Raumkomfort aufgrund des kontinuierlichen Heizbetriebs während der Abtauphase.

Variable Kältemitteltemperatur bessere saisonale Effizienz

Variable Refrigerant Temperature (VRT) bedeutet, dass die Verdampfungs- bzw. Verflüssigungstemperatur im laufenden Betrieb an den Leistungsbedarf angepasst wird. Bisher war es so, dass die Leistungsanpassung ausschließlich über die Verdichterdrehzahl erfolgte.

Die maximale Kälte- bzw. Heizleistung eines VRV-Systems wird nur selten benötigt. Den weitaus überwiegenden Teil eines Jahres arbeitet das System im Teillastbetrieb. Die benötigte Verdichterleistung wird anhand interner Druck- und Temperaturgrößen errechnet. Hierbei berücksichtigt das Außengerät auch den Druckabfall des Rohrleitungsnetzes. Die Verdichterleistung wird energetisch durch die VRT-Technologie auf dem benötigten Minimum gehalten, um energie­effizient zu arbeiten. Über die Anhebung der Verdampfungstemperatur bzw. Absenkung der Verflüssigungstemperatur wird die Gesamtleistung des Systems reguliert und gleichzeitig ein Betrieb im optimalen Effizienzbereich gewährleistet. Das steigert neben der Effizienz auch den Nutzerkomfort. Im Kühlbetrieb wird die Kältemitteltemperatur variabel von 6 °C auf bis zu 16 °C angehoben. Dies vermeidet eine kalte Auslasstemperatur an den Innengeräten und verhindert eine übermäßige energieaufwendige Entfeuchtung im Raum, wenn diese nicht notwendig ist. Besteht beispielsweise in der Übergangszeit von Sommer auf Herbst ein geringer Kühlbedarf und liegt die Raumtemperatur nah am Sollwert, stellt das VRV-IV-System automatisch eine höhere Verdampfungstemperatur ein und verbraucht somit weniger Energie. Im Heizbetrieb wird ebenfalls im Teillastbereich die Kältemitteltem­peratur zwischen 38 °C und 49 °C kontinuierlich angepasst. Dies reduziert vor allem bei Außentemperaturen zwischen 0 °C und 7 °C den Eisansatz am Außengerät und reduziert die Abtauhäufigkeit.

Durch diese optimierte Leistungsregelung wird eine saisonale Effizienz mit einem SEER im Kühlbetrieb von bis zu 7,53 erzielt. Damit werden bereits heute die voraussichtlichen Vorgaben erfüllt, die in der für 2016 oder später geplanten Ecodesign-Richtlinie für VRV-ähnliche Produkte gesetzlich gefordert werden. Auch die allgemeinen Klimaschutzziele der Europäischen Union erfüllt die VRV-IV-Anlage bereits. Die 20-20-20-Ziele der EU, die bis zum Jahr 2020 weniger CO₂-Emissionen (20 Prozent), einen gesteigerten Anteil an erneuerbaren Energien von 20 Prozent und eine Reduktion der Primärenergie um 20 Prozent fordern, werden von der vierten VRV-Generation übertroffen. Ver­glichen mit der VRV III, die derzeit den Standard am Markt präsentiert, spart die VRV IV bis zu 25 Prozent an Primärenergie ein und reduziert somit die CO₂-Emissionen um 25 Prozent. Der Anteil erneuerbarer Energien beträgt über 60 Prozent.

Konstanter Raumkomfort beim Abtauen

Bei allen Luft/Luft-Wärmepumpen bildetsich während des Heizbetriebs Reif am Außengerät, der regelmäßig abgetaut werden muss. Der Abtauvorgang kann je nach Systemgröße länger als zehn Minuten dauern und ist in der Regel bei Außentemperaturen zwischen 7 °C und 0 °C häufiger nötig. Bisherige Systeme kehren im Abtaubetrieb den Kältekreislauf um und wechseln damit die Betriebsart, was die Raumtemperatur im Gebäude kurzfristig senken lässt. VRV-IV-Geräte bieten dafür eine neue Lösung. Sie verfügen über einen einzigartigen Abtauenergiespeicher, der auf sogenannten Phasenwechselmaterialien basiert. Dieses Phasenwechselmaterial nimmt beim Übergang von fest zu flüssig Energie auf und gibt beim Übergang von flüssig zu fest diese wieder ab. Im Abtauenergiespeicher wird die Energie, für die im Heizbetrieb notwendige Abtauung vorgehalten, um diese bei Bedarf dann einzusetzen. Der Abtauenergiespeicher selbst lädt sich während des normalen Heizbetriebs auf. Somit erfolgt keine sonst notwendige Kreislaufumkehr in den Kühlbetrieb während des Heizens. Alle Innengeräte verbleiben während des Abtauens im Heizmodus und werden nicht in den Abtauprozess einbezogen. Dadurch bleibt ein Umschaltgeräusch an den Innengeräten durch Druckumschaltung aus, die Innengeräte kühlen nicht aus und verhindern jegliche Zugerscheinung. Die notwendige Abtauenergie muss nicht dem Gebäude entzogen werden, sondern wird vom Abtauenergiespeicher bereitgestellt. Der Abtauenergiespeicher ist an die notwendigen Bedürfnisse des Außengeräte-Wärmeübertragers angepasst und kann unter allen Umgebungsbedingungen durchgängig erforderliche Abtauenergie zur Verfügung stellen. Die Innengeräte nehmen nicht, wie sonst üblich, verzerrenden Einfluss auf die Abtauung, wodurch der Abtauvorgang energieoptimiert auf ein zeitliches Minimum reduziert wird und ca. drei Minuten pro Modul dauert.

Über eine Temperatur-Druckdifferenzmessung am Außengerät wird bedarfsgerecht ermittelt, ob und wann eine Abtauung notwendig ist. Um den Eisansatz so niedrig wie möglich zu halten, passt die VRT-Technologie die Leistung des Außengerätes der Witterung und dem Bedarf der Innengeräte kontinuierlich an. Durch die damit erzielten niedrigen Temperaturdifferenzen fällt der Eisansatz gegenüber konventioneller Technik um ca. 20 Prozent geringer aus, was eine zusätzliche Energieeinsparung bewirkt.

Flexibilität, vereinfachte Inbetriebnahme und Wartung

Jedes VRV-IV-Außengerät kann ein Rohrleitungsnetz von bis zu 1000 m Gesamtlänge und einer Höhendifferenz von bis zu 90 m versorgen. Die Höhendifferenz zwischen den einzelnen VRV-Innengeräten kann 30 m betragen. An dieses Leitungsnetz sind alle VRV- sowie Split/SkyAir-Innengerätebauformen anschließbar. Insgesamt können bis zu 64 VRV und/oder 32 Split/SkyAir-Innengeräte unterschiedlicher Typen und Leistungsgrößen sowie Türluftschleier, Hydrobox- und Lüftungsanlagen inte­griert werden. Die neue Software, der VRV-Konfigurator, erleichtert die Konfigurierung als auch die Inbetriebnahme und Wartung der VRV IV.

VRV IV Abbildung nach der EnEV

Nach der aktuell gültigen Fassung der EnEV (Stand: 2009) werden VRV/VRF-Systeme im Kühlfall mittels Kennwertverfahren für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle ab­gebildet. Im Heizfall arbeitet das System als stetig leistungsgeregelte Direktkondensations-Wärmepumpe, für deren rechnerischen Nachweis die mit datiertem Bezug aktuell gültige Fassung von 2007 der DIN V 18599 kein Berechnungsverfahren und keine Kennwerte bereitstellt.

Im Oktober 2009 ist mit dem Teil 100 der Normreihe ein Änderungs- und Ergänzungsteil erschienen, der VRV-Systeme im Heizbetrieb mit Standard-Teillastkennwerten in das Rechenverfahren für Wärmepumpen mit der Wärmequelle Außenluft einfügt und deren Besonderheiten für die einzelnen Anlagenabschnitte berücksichtigt. Diese Betrachtungsweise wurde in den Teil 5 der bereits im Dezember 2011 verabschiedeten Neufassung der Normreihe übernommen und steht damit künftig bei der rechnerischen Nachweisführung nach EnEV 2013 zur Verfügung. Da bei diesem Verfahren von einem Standard-Teillastverhalten ausgegangen wird, stellt die Neufassung des Teil 5 ein zweites, sogenanntes Kennfeldverfahren bereit, bei dem der gerätespezifische Regelbereich bei Teillast anhand von Prüfpunkten Berücksichtigung findet. Außerhalb dieses Regelbereiches wird mit den Standard-Teillastkennwerten gerechnet.

Die neuen VRV-IV-Systeme von Daikinstellen mit der effizienzsteigernden VRT-Technologie verschiedene Betriebsmodi bereit (Basic, Automatic, Eco), die je nach Anwendung, Nutzerwunsch und Betriebsart den Schwerpunkt zwischen Komfort und Energieeffizienz setzen. Die beste Balance liefert dabei der Automatic-Modus (Werks­einstellung). Dieser erhöht bei Einhaltung der Komfortanforderung bereits die Energieeffizienz durch Variation der Kältemitteltemperatur und fließt als Standard-Anwendungsmodus auch in die EnEV-Berechnung ein. Bei der Berechnung nach DIN V 18599 (Dezember 2011) kann das neuartige Teillastverhalten (VRT) nur eingeschränkt abgebildet werden. Aber die verbesserten EER-Werte (Nenn-EER im Kühlfall) bzw. die verbesserten COP-Werte (COP in den Temperaturklassen im Heizfall) fließen in die Berechnung ein, die Teillastfaktoren bleiben normbedingt unverändert.

Mit dem Inkrafttreten der EnEV 2013 wird die DIN V 18599 (Dezember 2011) wirksam und es ist der erste Schritt zur Berechenbarkeit von stetig leistungsgeregelten Direktkondensations-Wärmepumpen getan. Differenzierungen bei der Abbildung der Teillasteffizienz sind hier für die Zukunft sicher wünschenswert. Momentan werden alle Bauarten, alle Leistungsgrößen und alle Arten der Leistungsreglung mit derselben Teillasteffizienz bewertet. Vergleiche mit Messwerten belegen, dass die tatsächlichen Verbrauchswerte die rechnerischen Verbräuche praktisch nie erreichen.

Neben der technologisch begründeten Effizienzsteigerung wird durch den neu festgesetzten Primärenergiefaktor für den Strom-Mix (f_p = 2,4 ab EnEV 2013) die primärenergetische Bewertung derartiger Systeme insgesamt auf ein verbessertes Niveau gestellt. Damit wird dem heute höheren Anteil regenerativer Energien bei der Stromerzeugung Rechnung getragen. Zusammen mit der hohen Primärenergieausnutzung der VRV-Systeme ergibt sich ein wesentlicher Baustein zur Umsetzung der Energiewende im Gebäudebereich. Der nächste Schritt hin zum Netto-Null-Energiegebäude, welches im Jahr 2020 im gewerblichen Gebäudebereich Pflicht wird, kann heute schon mit Standardkomponenten, wie dem VRV-IV-System, zukunftssicher gegangen werden. -

1 Anmerkung: VRV ist ein von Daikin geschützter Name.

Leiter Vertrieb Gewerbe, Daikin Airconditioning Germany GmbH, ­Unterhaching