So kühlen und heizen Sie Gebäude energiesparend und komfortabel

Gerade die Eigentümer und Betreiber von kleinen und mittleren Büro- und Gewerbeimmobilien suchen aufgrund von hohen inneren Wärmelasten immer öfter nach Lösungen, um ihre Liegenschaft komfortabel zu klimatisieren.

Dies gilt insbesondere für Bereiche mit Kundenverkehr und überall dort, wo sich Mitarbeiter über längere Zeit oder dauerhaft aufhalten.

Diese Heiz- und Klimakonzepte sind möglich

Prinzipiell stehen hierfür unterschiedliche Konzepte zur Verfügung:

• Ein zentraler Ansatzpunkt ist die Größe eines Gebäudes, also wie viele Räume klimatisiert werden sollen, wie groß die Wärmelast ist und welche Funktionen die Klimaanlage erbringen soll.
• Soll die Klimaanlage zum Beispiel nur kühlen oder soll sie kühlen und heizen?
• Soll eine Frischlufteinbringung erfolgen?
• Soll es eine zentrale Anlage sein oder eine dezentrale oder eine Kombination aus beidem?

Die Klimatisierung von kleinen Betrieben und Bürogebäuden bis 400 m2 lässt sich mit Single- oder Multisplitlösungen oder mit kleinen VRF-Systemen wirtschaftlich umsetzen. Beispielsweise ist das Heizen mit der Klimaanlage oft effizienter als mit einer konventionellen Heizungsanlage. Das ist unabhängig davon, ob es sich um ein modernisiertes Bestandsgebäude oder um einen Neubau handelt. Moderne Split-Klimasysteme verfügen über eine Kühl- und Heizfunktion und schaffen so ein angenehmes Raumklima mit hoher Luftqualität das ganze Jahr über.

Multisplit- und dezentrales Lüftungssystem kombinieren

Splitsysteme gehören zur Gruppe der Direktverdampfer, die bei der Energieübertragung ohne zusätzliches Wärmetransportmedium auskommen. Das Kältemittel fließt direkt in Kupferrohren von der Wärmepumpe zu den angeschlossenen Innengeräten. Dabei geht weniger Energie verloren als bei wasserführenden Systemen. Eine zusätzliche Pumpe zum Antrieb des Wärmekreislaufs kann zudem entfallen. Splitsysteme können Raumluft im Umluftbetrieb kühlen, heizen und entfeuchten.

Moderne Splitsysteme eignen sich durch die Wärmepumpenfunktion auch zur effizienten Beheizung von Gebäuden. Die Heizleistung sowie die Effizienz einer Wärmepumpe hängen jedoch in starkem Maße von der Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und dem Heizsystem ab. Das gilt insbesondere für Wärmepumpen, die ihre Energie aus der Außenluft beziehen. Das liegt daran, dass die Außenluft hohen Temperaturschwankungen unterworfen ist. Dies hat erheblichen Einfluss auf die Druckverhältnisse in einem Kältekreislauf und führt zu einem Absinken der Heizleistung bei niedrigen Temperaturen. Bei klassischen Luft-Wasser-Wärmepumpen kann die Heizleistung dabei um bis zu 45 % absinken.

Um die Einsatzbereiche und die Energieeffizienz zu optimieren, entwickeln Hersteller von Wärmepumpen neue technische Lösungen. Bekannte Beispiele sind die Einführung der Scroll-Verdichter oder auch die Inverter-Technologie zur stufenlos modulierenden Betriebsweise solcher Systeme. Die Zwischeneinspritzung, bei der Kältemittel über einen Bypass in den Verdichterprozess geleitet wird, ist ein weiterer Fortschritt, um die Effizienz und die Einsatzbereiche speziell von Wärmepumpensystemen zu erweitern, die Luft als Wärmequelle nutzen.

Darüber hinaus lassen sich die Anlagen je nach Hersteller gut mit dezentralen Lüftungssystemen kombinieren. Denn gerade in kleinen Büros oder gewerblich genutzten Gebäuden wird neben der Wärme- und Kälteversorgung oft auch eine kontrollierte Lüftung benötigt. Hierfür sind Zentrallüftungsgeräte aufgrund ihres Leistungs- und Platzvolumens ungeeignet. Dezentrale Lüftungssysteme gewährleisten eine kontrollierte Frischluftzufuhr und reduzieren über eine integrierte Wärmerückgewinnungsfunktion die Energiekosten.

VRF-Systeme für Gebäude mittlerer Größe

Das breiteste Anwendungsspektrum bieten VRF-Systeme, die zum Heizen, Klimatisieren und zur Warmwasserbereitung genutzt werden können. Das System Pumy+ von Mitsubishi Electric zum Beispiel vereint eine effiziente Klimatisierung mit dem Heizkomfort einer Luft-Wasser-Wärmepumpe. Es besteht unter anderem aus einem VRF-Außengerät, einem Pufferspeicher- oder einem Hydromodul und bis zu zehn Innengeräten. Das Außengerät versorgt die direkt verdampfenden Innenmodule mit Kältemittel als Energieträger für die Kühlung oder Heizung. Durch diese Komplettlösung ergeben sich weitere Vorteile. Zum Beispiel können durch eine gemeinsame Anlagentechnik zum Kühlen und Heizen Kosten gespart werden, sowohl bei der Investition als auch im laufenden Betrieb.

Etwas anders gestaltet sich die Situation in Gebäuden mittlerer Größe mit mehr als 400 m² Fläche. Hier sind in der Regel größere Leistungen gefordert, die sich aus der Berechnung der Kühllast, der Raumlufttemperatur und der operativen Raumtemperatur durch die VDI-Richtlinie 2078 ergeben. Um Wärmelasten aus Räumen abzuführen, werden Büro- und Gewerbeimmobilien mit VRF-Systemen zum Kühlen und/oder Heizen ausgestattet.

Während konventionelle gebäudetechnische Anlagen immer mit getrennten Systemen zum Heizen und Kühlen arbeiten müssen, besteht einer der ganz großen Vorteile von VRF-Systemen darin, dass dieselbe Anlage im Wechselbetrieb grundsätzlich zum Heizen oder Kühlen eingesetzt werden kann. Hierin liegt ein enormes Einsparpotenzial, das überall dort verwendet werden kann, wo die Wärme- und Kältelastberechnungen einen eindeutigen Sommer-/Winterbetrieb ermöglichen. Interessant wird es, wenn in einem Gebäude ein gleichzeitiger Wärme- und Kältebedarf anliegt. Das ist in der Regel dann der Fall, wenn das Bauobjekt eine klare Nord-Süd-Achse aufweist und/oder über große Fensterflächen verfügt, wie es bei Büro- und Gewerbeimmobilien heutzutage üblich ist.

VRF-Systeme bieten aufgrund ihrer modulierenden Betriebsweise, ihres Leistungsspektrums und der Vielfalt an Innengerätemodellen Flexibilität bei Auslegung und Planung.

Für die meisten Gebäude, in denen Wärmelasten abzuführen sind oder die temporären Nutzungsbedingungen unterliegen, sind dezentrale Klimasysteme besser geeignet als zentrale Anlagen. Dezentrale Anlagen ermöglichen eine passgenaue Anlagenstruktur und sorgen für ein ausgewogenes Verhältnis von Kühlanforderungen und Energieverbrauch.

Versorgung mit Frischluft und Konditionierung

Häufig werden Büro- und Gewerbeimmobilien mit einer kontrollierten Frischluftzufuhr über eine Zentrallüftungsanlage bzw. zentrale Raumlufttechnik ausgestattet. Um die einzubringende Frischluft zu konditionieren, stehen unterschiedliche Lösungen zur Verfügung.

• Die meisten VRF-Innengeräte verfügen standardmäßig über einen Anschluss zur Frischluftzufuhr. Somit kann auch die Frischluftversorgung durch VRF-Systeme erfolgen.
• Alternativ stehen Frischluftgeräte mit Wärmerückgewinnung zur Verfügung, die steuerungstechnisch mit in die VRF-Anlage eingebunden werden können und mit dieser eine regelungstechnische Einheit bilden. Um eine konstante Zulufttemperatur zu realisieren, können für diese Anwendung Klima-Außengeräte eingesetzt werden.

Ein Beispiel für die Konditionierung der Außenluft über eine Zentrallüftung sind Klimasysteme aus der Mr.-Slim-Serie von Mitsubishi Electric. Die Konditionierung der Frischluft erfolgt bei diesem Konzept mit einer Außeneinheit, die mit einem Anschlusskit an den Wärmetauscher der Lüftungsanlage angebunden wird. Durch eine Kaskadierung von bis zu sechs Außeneinheiten lassen sich Leistungsbereiche von bis zu 132 kW Kälte- bzw. 162 kW Heizleistung abbilden. Die Anschlusskits dienen dazu, die Verdichter exakt auf die Leistungsanforderung der Zentrallüftung abzustimmen und so einen effizienten Betrieb zu gewährleisten. Über einen automatischen Laufzeitausgleich wird zudem die gleichmäßige Betriebszeit der Außengeräte sichergestellt.

Energie sparen mit Wärmerückgewinnung

Besonders niedrige Betriebskosten bieten gebäudetechnische Systeme, die eine bedarfsgerechte Wärmeverschiebung oder Speicherung vorhandener Energie im Gebäude ermöglichen. Durch ihre Wärmerückgewinnungsfunktion tragen sie erheblich zur Senkung des Energieverbrauchs bei.

Diese Technologie gibt es als ein VRF-System, das mit nur zwei Rohrleitungen zum simultanen Heizen und Kühlen auskommt. Das sogenannte R2-System bietet neben der hohen Energieeffizienz den Vorteil, dass es sich bei geringem Platz- und Materialaufwand schnell und sicher installieren lässt. Es ist mit einem Kältemittelverteiler ausgestattet, der die abzuführende Wärmeenergie innerhalb des Gebäudes dorthin verschiebt, wo sie benötigt wird.

Darüber hinaus stehen am Markt hybride VRF-Systeme zur Verfügung, die die Vorteile von kältemittelgeführten Systemen mit denen eines wassergeführten Systems vereinen. Hybrid-VRF-Systeme arbeiten prinzipiell genauso wie das oben beschriebene Zwei-Leiter-System zum simultanen Kühlen und Heizen mit Wärmerückgewinnung, nur dass ab dem HBC Controller kein Kältemittel im Gebäude zirkuliert. Die zum System gehörenden Innengeräte sind mit einem Wasserregister ausgestattet.

Fazit

Zur Klimatisierung kleiner und mittlerer Büro- und Gewerbeimmobilien stehen neben Single- und Multisplit-Klimalösungen auch dezentrale Lüftungssysteme zur Frischlufteinbringung zur Verfügung. Das breiteste Anwendungsspektrum bieten kleine VRF-Systeme, die zum Heizen, Kühlen und zur Warmwasserbereitung genutzt werden können.

• Für Gebäude mittlerer Größe eignen sich eher größere VRF-Klimasysteme. Aufgrund ihrer modulierenden Betriebsweise, ihres großen Leistungsspektrums und drehzahlgeregelter Verdichter werden hohe Effizienzwerte erreicht und gleichzeitig die Energiekosten gesenkt.
• Um die Konditionierung der Frischluft über eine Zentrallüftungsanlage sicherzustellen, können Wärmepumpen eingesetzt werden. Sie ermöglichen eine kostengünstige und sichere Betriebsweise und stellen eine vergleichsweise niedrige Investition dar.
• Am effizientesten arbeiten Systeme, bei denen überschüssige Wärmelasten genutzt und in andere Gebäudeteile oder zur Warmwasserbereitung verschoben werden können. In der Klimatechnik haben sich seit einigen Jahren VRF-Systeme durchgesetzt, mit denen eine Einzelkostenabrechnung des Energieverbrauchs problemlos möglich ist.

Dieser Artikel von Michael Lechte ist zuerst erschienen in SBZ Ausgabe: 12-2018.