Anspruchsvolle und individuelle Lösungen

Moderne Klimasysteme sorgen für thermische Behaglichkeit in Büros, Gewerbebauten, Hotels und auch Wohngebäuden. Um diese Anforderung im Hinblick auf Energieeffizienz und Benutzerfreundlichkeit umsetzen zu können, greifen TGA-Fachplaner immer öfter auf VRF-Multi-Split-Systeme zurück. Die Technologie ist nicht nur einfach zu planen, sondern kann auch ganz individuell vom Nutzer betrieben werden. Darüber hinaus lässt sie sich nahezu unsichtbar in Räume integrieren. Aufgrund des geringen Platzbedarfes sind sie zudem besonders gut für klimatechnische Nachrüstungen im Gebäudebestand geeignet. Was genau aber ist VRF-Technologie und wie funktioniert eine solche Anlage im Detail?

Die englische Abkürzung VRF steht für „Variable Refrigerant Flow“ und bedeutet übersetzt „variabler Kältemittelmassenstrom“. Die Entwicklung der VRF-Technik begann bereits in den 1980er-Jahren und hat seitdem deutliche technische Fortschritte gemacht. Zur Leistungsregelung von VRF-Systemen haben sich beispielsweise seit einigen Jahren DC-Inverter-Regler (d.h. mit einer variablen Spannungsversorgung) durchgesetzt. Sie ermöglichen eine stufenlose Leistungsanpassung an den aktuellen Bedarf der Verbraucher (Innengeräte). Zudem werden durch das sanfte Anlaufen Stromspitzen beim Einschalten der Verdichter vermieden.

Was können VRF-Systeme?
VRF-Geräte 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. Zudem kann der elektrische Energieverbrauch der Gesamtanlage reduziert werden, da eine zusätzliche Pumpe zum Antrieb des Wärmekreislaufs entfällt. Mit VRF-Systemen lässt sich die Raumluft im Umluftbetrieb kühlen, heizen und entfeuchten, sie bieten jedoch (noch) keine Möglichkeit zur Befeuchtung der Raumluft. 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-Systeme eingebunden werden können und mit diesen eine regelungstechnische Einheit bilden.
Moderne VRF-Systeme werden aufgrund ihrer Wärmepumpenfunktion häufig auch zur Beheizung von Gebäuden genutzt. Sofern eine Wärmerückgewinnungsfunktion vorhanden ist sind sie in der Lage, sogar im Simultanbetrieb zu Heizen und zu Kühlen. Dabei wird die überschüssige Wärme aus einem Raum über die VRF-Klimatechnik einem anderen Raum zur Erwärmung zugeführt.

Der VRF-Systemaufbau
Der technische Aufbau einer VRF-Anlage ist überschaubar. Die Systeme bestehen aus einer (oder mehreren) zentralen Außeneinheit(en) und einer oft großen Anzahl von Innengeräten, die mittels Kältemittel führenden Rohrleitungen miteinander verbunden sind. Hinzu kommen noch Bedienelemente zur Steuerung der einzelnen Innengeräte bzw. Klimazonen, und je nach Größe und Ausführung der Anlage können auch zentrale Fernbedienungen mit Web-Funktion zum Einsatz kommen. Diese ermöglichen beispielsweise den Zugriff über ein lokales Intranet oder über einen Telefonanschluss auch die Bedienung vom PC aus.
Das Außengerät ist eine Kompressions-Kältemaschine und enthält einen Wärmetauscher. Je nach Betriebszustand (Heizen oder Kühlen) arbeitet der Wärmetauscher als Verdampfer oder Verflüssiger. Moderne Außengeräte verfügen heutzutage oft über einen Verdichter mit regelbarer Drehzahl. Dadurch ist es möglich, den Kältemittelstrom an die jeweilige von den Innengeräten angeforderte Kälte- oder Heizleistung anzupassen. In den Innengeräten befinden sich als wesentliche Komponenten ein Wärmetauscher zur Abkühlung der Luft, ein Ventilator zur Luftförderung (Umluft), der Luftfilter sowie das elektronisch geregelte Expansionsventil zur Regelung der thermischen Leistung. Die Außeneinheiten sind für die Aufstellung im Freien, ganz gleich bei welcher Witterung, geeignet.
Verbunden werden die Außen- und die Innengeräte mit Kältemittel führenden Kupferleitungen. Im Kühlbetrieb wird den Innenengeräten flüssiges Kältemittel zugeführt. Dieses wird durch das Expansionsventil auf einen niedrigeren Druck entspannt, verdampft dadurch und nimmt hierfür Wärme auf. Diese Wärme wird der Raumluft entzogen, die dadurch gekühlt und entfeuchtet wird. Abgegeben wird diese Wärme im Verflüssiger des Außengeräts entweder an die Außenluft oder an einen Kühlwasserkreislauf. Darüber hinaus können neben den Innengeräten als Umluftkühlgeräte auch Kühler in Luftkanälen zur Raum- und in Kaltwasserbereitern zur Prozesskühlung an das VRF-Netz angeschlossen werden.
Zur Regelung des Kältemittelstroms findet ein ständiger Datenaustausch zwischen den Innengeräten und dem Außengerät über eine BUS-Kommunikationsleitung statt. Dabei werden Informationen über Betriebszustände von elektronischen Einspritzventilen, zur aktuellen Überhitzung und Unterkühlung, zu den Lüfterstufen in den Innengeräten, zu Ein- und Ausgangstemperaturen der Verdampfer und Verflüssiger sowie zu den jeweiligen Raumtemperaturen abgerufen und an das Außengerät übermittelt. Diese Daten werden vom Außengerät ausgewertet, und auf dieser Grundlage wird dann automatisch der optimale und ener­gieeffizienteste Betriebspunkt der Anlage eingestellt.

Wie wird eine VRF-Anlage ausgelegt?
Die Basis für ein nachhaltig wirtschaftliches VRF-Klimasystem ist die sorgfältige Planung und Auslegung. Dies gilt in zunehmendem Maße bei steigender Anlagengröße. Wie bei anderen technischen Anlagen auch steht die wirtschaftliche Betriebsweise einer VRF-Anlage im Vordergrund. Deshalb steht am Anfang jeder Planung die Lastberechnung. Hierzu zählen die Entscheidungen über Kühl- und Heizfunktion, die Wahl des passenden Systems, bestehend aus Außengerät(en) und Inneneinheiten sowie die konkrete Dimensionierung. Grundlage einer jeden Auslegung eines Klimasystems ist die Berechnung der Kühllasten für jeden einzelnen Raum nach VDI 2078. Sofern das VRF-System auch zum Heizen eingesetzt werden soll, ist zusätzlich auch die Heizlast nach DIN EN 12831 zu ermitteln.
Folgen falscher Dimensionierung: Bei zu geringer Dimensionierung des Klimasystems könnten als Folge die Raumlasten nicht wie geplant abgeführt werden. Bei zu großer Dimensionierung verschlechtert sich die Regelgüte des Systems und dessen energetische Effizienz verringert sich. Hinzu kommt, dass bei zu großer Auslegung die Investitionskosten unnötig ansteigen. Auf Basis der ermittelten Kühl- und Heizlasten erfolgt dann die Auswahl der Inneneinheiten der VRF-Anlage für die einzelnen Räume bzw. Zonen. Hierzu steht eine große Auswahl an Innengeräten in unterschiedlichen Ausführungen sowie verschiedenen Leistungsstufen als Wand-, Stand- und Truhengeräte sowie als Kanaleinbaugeräte zum Einbau in abgehängte Decken zur Verfügung.
Ebenfalls bei der Auslegung zu beachten: die maximalen Entfernungen und Höhendifferenzen. Da der Kältemittelstrom ausschließlich durch die Druckunterschiede, die der Verdichter aufbaut, durch das Leitungsnetz gefördert wird, sind die Längen der Netze und die überwindbaren geo­dätischen Höhen begrenzt.

Welche Planungshilfen gibt es?
Die Außeneinheit(en) sind entsprechend so zu dimensionieren, dass ihre thermische Leistung die aller angeschlossenen Inneneinheiten abdeckt. Eine Auslegung der Außeneinheit als „Summe der maximalen Leistungen aller Inneneinheiten“ führt aber in der Regel zu unnötig großen und überdimensionierten Geräten. Empfehlenswert ist es, sinnvolle Gleichzeitigkeitsfaktoren an­zunehmen, die aus dem erwarteten Nutzungsverhalten abgeleitet werden können. Ein üblicher Wert liegt bei 74%. Große Anlagen können auch aus mehreren Außengerätemodulen zusammengesetzt werden. VRF-Systeme erreichen ihre höchsten Leistungszahlen im Teillastbetrieb zwischen 30 bis 70% der Nennleistung.
Hilfen für die Planung und Konfiguration einer VRF-Anlage werden Planern und Fachhandwerkern in der Regel von Herstellern oder Anbietern zur Verfügung gestellt. Diese spezielle Auslegungssoftware ermöglicht das Erstellen eines kompletten VRF-Systems inklusive des Rohrleitungsschemas sowie des Elektroverdrahtungsschemas. Bereits nach einer kurzen Einarbeitungszeit und mithilfe eines normalen PCs können darüber hinaus oft auch eine (automatische) Berechnung der Rohrleitungsdimensionen zwischen den einzelnen Komponenten wie Verteiler, Innen- und Außeneinheiten vorgenommen werden. Dies ist ein nützliches Hilfsmittel, denn per Knopfdruck erhält man zum Schluss oft noch eine Materiallis­te zur Bestellung aller benötigten Bauteile.

Autor: Martin Schellhorn, Inhaber von Die Agentur – Kommunikations-Management Schellhorn – ein Unternehmen im Kommunikationsverbund Rhein/Ruhr.