Neue Kältemittel: Lösungen für die Kälte- und Klimatechnik

Die EU-weit geltende F-Gase-Verordnung hat so manche fest zementierte ­Lösungsstruktur in der Technischen Gebäudeausrüstung ins Wanken gebracht. Dass dies nicht nur aufgrund des Klimawandels und der daraus resultierenden Energiewende notwendig war, ist unbestritten. Jedoch sorgt die Kältemittel-Diskussion für viel Unsicherheit in der Branche – insbesondere bei Entscheidern und Anwendern. Der dritte und letzte Teil unserer Serie zeigt derzeit verfügbare Alternativen zu den gewohnten Kältemitteln anhand relevanter Produkttechnologien auf.

Klimageräte mit R32

Bei kleinen und mittleren Leistungsgrößen, wie der M-Serie und im Mr.-Slim-Segment (Bild 1), hat Mitsubishi Electric sein Produktportfolio bereits fast vollständig auf das A2L-Kältemittel R32 umgestellt. Bei den kleinen Leistungsgrößen ist dies insbesondere durch die geringen Füllmengen vergleichsweise einfach möglich: Unter 1,8 kg Kältemittelfüllung (für R32) sind gemäß den aktuellen Normen keine zusätzlichen Sicherheitsvorkehrungen vorzunehmen. Im kleinen Leistungsbereich ist damit auch die Umstellung für Planer und Fachbetriebe einfach, da die Geräte auf dieselbe Art und Weise wie zuvor mit R410A geplant werden können.

Da im Mr.-Slim-Bereich die Füllmengen über 1,8 kg liegen, muss hier mindestens überprüft werden, ob zusätzliche Sicherheitsvorkehrungen (DIN EN 378 und IEC 60 335-2-40) einzuhalten sind. In den meisten Fällen sind in diesen Leistungsbereichen die Räume aber entsprechend groß, sodass auch hier selten ein Risikomanagement angewendet werden muss.

Damit eignen sich Mr.-Slim-Klimageräte ideal für kommerziell-gewerbliche Anwendungen in mittelgroßen Räumen sowie Technikräumen. Je nach Einsatz können sie als Singlesplit- oder Multisplit-Lösung im Simultanbetrieb mit zwei, drei oder vier Innengeräten installiert werden. Mit dem Kältemittel R32 ist die Energieeffizienz höher als bei R410A und die Kältemittelfüllmenge um 20 % geringer. Bei den Mr.-Slim-Klimageräten ermöglicht R32 in Verbindung mit dem Power Inverter zudem eine noch größere Leitungslänge als bei den R410A-Power-Invertern.

Hybrid-VRF: Das Beste aus zwei Welten

Eine besondere Lösung mit Zukunftsperspektive ist das Hybrid-VRF-System (HVRF) (Bild 2). Hierbei handelt es sich um das weltweit erste Klimasystem, das alle Vorzüge eines gewöhnlichen VRF-Systems mit sich bringt und auch mit R32 ohne übermäßiges Risikomanagement realisiert werden kann. Im besten Fall muss lediglich ein Raum hinsichtlich des Risikomanagements betrachtet und ggf. mit zusätzlichen Maßnahmen ausgestattet werden – denn nur zwischen der Außeneinheit und dem Hybrid-BC-Controller zirkuliert Kältemittel. Der Hybrid-BC-Controller übernimmt die Wärmeübertragung zwischen kältemittelgeführtem Außen- und wasserbasiertem Innenkreislauf.

Im Großteil des Gebäudes ist so ausschließlich Wasser als Energieträger im Einsatz, was das System insbesondere für Hotels und Bürogebäude sehr attraktiv macht. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich mit diesem System anlagenbezogen schon heute der mittlere GWP-Wert des Phase-down-Szenarios für 2030 erreichen lässt: Durch den sekundären Wasserkreislauf werden rund 40 % an Kältemittelfüllmenge und CO₂-Äquivalent gegenüber einem herkömmlichen VRF-System mit Direktverdampfung eingespart. Mit R32 als Kältemittel wird zusätzlich das GWP verringert. In Summe ist mit einem Hybrid-VRF-System eine Reduzierung des CO₂-Äquivalents von bis zu 81 % im Vergleich zu direktverdampfenden VRF-Anlagen mit R410A möglich.

Zum Herbst 2019 wird das HVRF-Portfolio um das Y-System erweitert. Dann steht neben der R2-Variante zum simultanen Heizen und Kühlen auch die Variante Heizen oder Kühlen und damit eine Auswahl zur Verfügung, die einem herkömmlichen VRF-System in nichts nachsteht.

Chiller mit R513A und R1234ze

Dagegen etablieren sich bei Kaltwassersätzen zwei andere Kältemittel. Michael Lechte, Manager Produktmarketing bei Mitsubishi Electric, Living Environment Systems: „Bei den aktuell noch gängigen Kältemitteln für Kaltwassersätze, zum Beispiel R134a, sinkt die Akzeptanz am Markt. Auch der verhältnismäßig hohe GWP von 1430 steht dem Gedanken der F-Gase-Verordnung entgegen. Als kurz- und mittelfristige Lösung bietet sich R513A an. Das A1-Sicherheitskältemittel kann mit kleinen Anpassungen in Kaltwassersätzen verwendet werden, die für R134a ausgelegt sind.“

Ein Kältemittel der Sicherheitsgruppe A1 bedeutet: Kein Risikomanagement, keine besonderen Regularien durch Normen. Entsprechende Kaltwassersätze können deswegen auch gut innerhalb eines Gebäudes aufgestellt werden. Darüber hinaus ist R513A für nahezu alle Kaltwassersätze, die aktuell noch mit R134a betrieben werden, eine einfache Drop-in-Lösung: R134a wird dann ausgetauscht, ohne dass deutliche Änderungen am Gerät erforderlich werden (Bild 3).

Gemessen an den kommenden Schritten der F-Gase-Verordnung hat R513A aber immer noch einen relativ hohen GWP-Wert von 631. In einer reinen Ersatzbetrachtung würde sich damit das CO₂-Äquivalent pro Maschine gegenüber R134a nur auf 44 % verringern. Zum Vergleich: Das Phase-down-Szenario sieht bis 2030 für den Gesamtmarkt mit zusätzlich steigendem Kältebedarf eine Reduzierung auf 21 % vor.

Als Alternative steht deswegen R1234ze in den Startlöchern. Es verfügt über einen GWP von 7, ist jedoch als entflammbar eingestuft ein A2L-Kältemittel. Darum sind gewisse Regularien gerade bei der Innenaufstellung zu beachten. Lechte: „Wir informieren unsere Kunden offen über die Vor- und Nachteile unserer jeweiligen Lösungskonzepte mit unterschiedlichen Kältemitteln. Dafür stellen wir zahlreiche Unterlagen zur Verfügung und führen bundesweite spezielle Schulungen durch, um die Rahmenbedingungen beim Einsatz der unterschiedlichen Kältemittel einfach und verständlich darzustellen.“

Analog zu seiner Philosophie der Zweigleisigkeit bietet das Unternehmen seine Kaltwassersätze der Marke Climaveneta in der Regel sowohl mit dem Kältemittel R513A als auch dem Kältemittel R1234ze an (Bild 4). Die Meinung des Herstellers ist dabei klar: Für Mitsubishi Electric bietet sich das HFO-Kältemittel 1234ze als die beste Alternative zu Kältemitteln wie R134a an.

Das bereits verfügbare Produktportfolio wird darum weiter mit HFO-Alternativen ausgebaut. Eine einfache Faustformel, wer sich wann für welches Kältemittel im Kaltwassersatz entscheiden sollte, existiert allerdings nicht. Vielmehr muss jeder Einzelfall analysiert und hinsichtlich Effizienz, Umweltverträglichkeit und Investitionssumme individuell betrachtet werden – genau wie bei allen anderen Produkten, in denen Kältemittel zum Einsatz kommen.

Luftgekühlte Lösungen mit R454B

Aktuell rüstet Mitsubishi Electric seine Kaltwassersätze, Wärmepumpen und Multifunktions-Wärmepumpen mit Scroll-Verdichtern der NX- und NECS-Serien der Marke Climaveneta vom Kältemittel R410A auf das Kältemittel R454B um. Es handelt sich hierbei um luftgekühlte, außen aufgestellte Geräte (Bild 5) im Leistungsbereich zwischen 40 und 850 kW. Das GWP von R454B ist mit 466 um 78 % niedriger als das von R410A (2088) und um 31 % niedriger als das von R32 (675).

Das A2L-Kältemittel R454B ist von der Kälteleistung her quasi identisch mit R410A, die Effizienz ist jedoch etwas höher und der Kältemittelmassenstrom liegt lediglich bei 80 %. Dies erlaubt eine deutliche Reduzierung der Kältemittel-Füllmenge, was wiederum das CO₂-Äquivalent der Geräte nochmals verringert. Im Gegensatz zum Austausch-Kältemittel R32 müssen die Einsatzgrenzen der Geräte bei den zurzeit verfügbaren Komponenten nicht nach unten verschoben werden.

Fazit und Ausblick

Mit der zum 1. Januar 2015 in Kraft getretenen F-Gase-Verordnung und dem damit eingeleiteten Phase-down-Szenario ist die Kältemittelindustrie in Bewegung geraten. Zwar ist nach der enormen Überhitzung des Kältemittel-Marktes im Jahr 2017, die am Jahresende dazu geführt hatte, das die Verfügbarkeit bei allen Kältemitteln plötzlich nicht mehr für jeden Marktteilnehmer gegeben war, im Laufe des Jahres 2018 wieder Entspannung eingetreten, aber die Unsicherheit, bezüglich der künftigen Verfügbarkeit auf das falsche Kältemittel zu setzen, ist geblieben.

Die stufenweise Reduzierung der in Verkehr gebrachten CO₂-Äquivalente verringert unweigerlich die dem Markt zur Verfügung stehende Menge bisher bewährter Kältemittel. Die Beschränkung des Inverkehrbringens bestimmter Produktgruppen, für die klimafreundlichere Alternativen verfügbar sind, wird keine spürbare Entlastung bringen. Die Folge der künstlichen Verknappung sind schon jetzt erhebliche Preis­aufschläge bei Kältemitteln. Die bisher häufig eingesetzten Kältemittel R410A und R134a sind aufgrund ihrer hohen GWP-Werte in größerem Maße vom F-Gase-Phase-down betroffen.

Die Hersteller von Anlagen, die mit Kältemitteln betrieben werden, stehen deshalb vor großen Herausforderungen. Gefragt sind klimafreundliche Kältemittel, die vergleichbare Sicherheitsmerkmale und Lösungen in den Bereichen Nachhaltigkeit, Verfügbarkeit, Effizienz sowie Wirtschaftlichkeit bieten. Aber: Das „optimale Kältemittel“, das alle Anforderungen perfekt erfüllt, wird es nicht geben. Mitsubishi Electric bietet statt einer Universallösung deshalb verschiedene Lösungen für ähnliche Anwendungsfälle an.

Dieser Artikel von Martin Schellhorn ist zuerst erschienen in TGA Fachplaner 10/2019. Dipl.-Kfm. Martin Schellhorn ist Fachjournalist und ­Geschäftsführer der Schellhorn ­Public Relations GmbH.