Wärme und Kälte effizient nutzen: Anlagen mit variablem Kältemittelstrom

Hochschule Fakultäten

Mitsubishi Electric zur Gast beim Kolloquium der Fakultät Gebäude-Energie-Umwelt

In Deutschland werden über 30 Prozent des gesamten Energiebedarfes zum Heizen, Kühlen und Lüften von Gebäuden verwendet. Traditionell setzt man häufig auf ein dreigeteiltes Heizungs-, Kühlungs- und Lüftungskonzept. Dabei sorgt die Heizungsanlage für das Erwärmen, die Lüftungsanlage für das Lüften und die Klimaanlage für das Kühlen der Räume. Hier sind intelligente Lösungen gefragt, die zukünftig zudem eine Reduktion von Treibhausgasen berücksichtigen. Ein weiteres Thema ist die Frage, wie weit Strom aus erneuerbaren Energien wie Wind, Sonne und Biomasse stärker zum Heizen und Kühlen beitragen können.

In Deutschland gewinnt hierbei die Technik der elektrischen Wärmepumpe immer mehr an Bedeutung: Mit ihr kann sehr energieeffizient ein Mehrfaches an Wärme aus Strom gewonnen und auch gekühlt werden. So werden in Deutschland inzwischen jedes Jahr etwa 100.000 elektrische Wärmepumpen im Wohngebäudebereich neu installiert. Dass auch der Großgebäudebereich für die Wärmepumpentechnik sehr interessant ist, ist in Japan schon länger bekannt und auch in Deutschland gewinnen entsprechende Lösungen an Bedeutung. Dabei werden zum Beispiel mit einer einzigen  außen aufgestellten Wärmepumpe zahlreiche Bedarfsstellen wie etwa Büroräume, Besprechungs- und Sozialräume und weitere versorgt. Wärme oder Kälte wird mit Hilfe von Kältemittel und über eine intelligente Regelung  der Anlagen direkt in Räume eingebracht. Die Technik dafür wird als VRF bezeichnet (Variable Refrigerant Flow - Anlagen mit variablem Kältemittelstrom). Gesetzliche Rahmenbedingungen wie beispielsweise die F-Gase-Verordnung stellt Hersteller von VRF-Technologie vor neue Aufgaben.

GU-Kolloquium

Mitte November 2020 – im Rahmen des Online-Kolloquiums der Fakultät Gebäude-Energie-Umwelt (GU), unter der Leitung von Prof. Dr. Werner Braun – präsentierte  Mitsubishi Electric Europe B.V. Lösungen zum Kühlen und Heizen mit VRF-Technologie. Die Referenten, Dipl.-Ing. (FH) Benjamin Hettel, Absolvent der Hochschule Esslingen, und Dipl.-Ing. (FH) Ralf Niesmann, zeigten, wie man, vor allem in gewerblichen Bauten VRF-Anlagen mit variablem Kältemittelstrom sinnvoll konzipiert und betreibt und dabei als Neuerung nunmehr Hybridanlagen (HVRF) nutzen kann.

VRF-System

Ein VRF-System, eine Klimatechnologie, die bereits Anfang der 80er Jahren entwickelt wurde, heizt und kühlt und beides auch gleichzeitig. VRF-Systeme sind sehr flexibel: zum Beispiel können sie bei Bedarf die Wärme von einer Zone oder einem Gebäudeteil in einen anderen transportieren. In Hotels kann so beispielsweise überschüssige Wärme aus Hotelzimmern oder auch der Küche für den Wellness-Bereich genutzt werden um dort Brauchwarmwasser vorzuwärmen.  In Bürogebäuden kann mit Hilfe von VRF-Systemen bei der Kühlung von Technikräumen die Abwärme zur Beheizung der Büroräume nutzen. Unterschiedliche Bedarfe können also über das direkt in Kupferrohren fließende Kältemittel abgedeckt werden.

Klima-Ziele und Reduktion der Emissionen

Aufgrund der angestrebten Klima-Ziele in Deutschland und der gesamten Europäischen Union, sind Kältemittel mit ihrem potentiellen Erderwärmungspotential und möglichen Emissionen ein limitierender Faktor. Die Referenten diskutierten und erklärten die Auswirkungen der Verordnung (EU) Nr. 517/2014 von 2015 über fluorierte Kohlenwasserstoffe (F-Gase Verordnung) und zeigten Alternativen auf, da diese unterschiedliche Auswirkungen auf den Ozon-Schutzschild und auf das Klima haben. Deren Klimawirksamkeit wird mithilfe des „CO2-Äquivalents“ ausgedrückt.

Um die Treibhausgas-Emissionen zu begrenzen, wird nunmehr der Einsatzbereich der bisherigen VRF-Systeme begrenzt; als Alternativen stehen jedoch inzwischen weiterentwickelte hybride Anlagen (HVRF-Systeme) zur Verfügung. HVRF-Systeme sind eine Kombination aus VRF-Systemen (hier mit den Kältemitteln R 410A und R 32) mit wassergeführten Einheiten. In dem Vortrag wurden VRF- und HVRF-Systeme mit Ihren Anwendungsgebieten, unter Berücksichtigung der F-Gase Verordnung und den daraus resultierenden Herausforderungen, vorgestellt.

VRF-Komponenten

Die beiden Referenten, die auf  fachlich hohem Niveau vortrugen, stellten die technischen Komponenten von VRF-Systemen von Mitsubishi Electric vor: Außeneinheiten, Inneneinheiten und Rohrleitungen. Normalerweise benötigt man zum Heizen und Kühlen drei Rohrleitungen, mit zwei Rohrleitungen kann man entweder heizen oder kühlen. Hier hat Mitsubishi Electric mit seinem Geschäftsbereich „Living Environment System“ eine innovative Lösung gefunden. Mit einem VRF- oder Hybrid VRF R2-System  kann man bei Bedarf auch mit zwei Rohrleitungen gleichzeitig heizen und kühlen. Dies wird über intelligent einsetzbare zentrale Kältemittel-Verteiler (BC-Controller), die z. B. über vier Platten-Wärmeübertrager und zwei geregelte Pumpen verfügen und für eine Phasentrennung sorgen, geregelt. Bei einem Hybrid VRF-System findet im sogenannten Hybrid BC-Controller der Übergang von Kältemittel auf Wasser statt. Im Gebäude zirkuliert in den zu kühlenden oder zu wärmenden Räumen dann lediglich konditioniertes Wasser.

Zum Schluss: Vielen Dank!

Der Wahlspruch von Mitsubishi Electric lautet „Knowledge at work“. Das galt auch bei diesem gelungenen Kolloquium für die Referenten sowie für die Zuhörer: für unsere 165 Studierenden der Hochschule Esslingen und unsere Gäste!

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Christiane Rathmann
M.A. Christiane Rathmann