Wolf GmbH
Bei Raumlufttechnischen Anlagen ist das Thema Wärmerückgewinnung noch nicht alles, um RLT-Geräte für die Energiewende auszustatten. Für die meisten Anwendungen muss die Zuluft von RLT-Einheiten zusätzlich maschinell gekühlt und / oder erwärmt werden. Dann sind Wärmepumpen für Lüftungsgeräte eine sinnvolle und energieeffiziente Ergänzung. Je nach Anwendungsfall gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Zuluft mit Wärmepumpentechnologie zu temperieren.
Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ Die Option, mit frei verfügbarer Umweltenergie und einer Wärmepumpe aus elektrischer Energie die mehrfache Menge an Heiz- oder Kühlenergie zu generieren, ist auch für klimazielkompatible Lösungen im Bereich Lüftungsgeräte bzw. -anlagen nutzbar. Entsprechende Komponenten und Konzepte sind verfügbar und in der Praxis erprobt.
■ Zu unterscheiden sind vier Grundsysteme. Anhand ihrer Merkmale, Besonderheiten, Vorteile und Einschränkungen kann in Kombination mit Projekt- und Kundenanforderungen das individuell passende System ausgewählt werden. Eine allgemeingültige Konzeptempfehlung für Wärmepumpen im Klima- und Lüftungsbereich gibt es (bisher) nicht.
Die Nutzung von Umweltenergie durch den Wärmepumpenprozess ist sowohl ökologisch als auch ökonomisch die intelligenteste Art, Heiz- und Kühlenergie bereitzustellen. Wie im Heizungsbereich etabliert sich die Wärmepumpentechnologie zunehmend auch in der luftgeführten Klima- und Lüftungstechnik.
Bei der Auswahl des richtigen Wärmepumpensystems für ein Lüftungsgerät zu einer bestimmten Anwendung müssen im Vorfeld einige grundsätzliche Fragen geklärt werden:
● Mit welcher Toleranz muss die Zulufttemperatur geregelt werden?
● Ist die Luftmenge konstant oder bedarfsgerecht variabel?
● Sind Zu- und Abluftmengen identisch oder weichen sie durch vorhandene Abluftbereiche, z. B. Toilettenanlagen, voneinander ab?
● Welche Art der Wärmerückgewinnung soll eingesetzt werden?
● Wird ausschließlich mit Außenluft belüftet oder sind Misch- oder Umluftbetrieb zu berücksichtigen?
● Soll im Sommer neben der Kühlung auch eine Entfeuchtung erfolgen?
● Wie sind die Platzverhältnisse vor Ort, erfolgt eine Innen- oder Außenaufstellung?
● Welche Schallgrenzwerte sind z. B. gemäß Gebietstyp TA-Lärm einzuhalten?
Vorzugsweise sollte die Planung einer RLT-Anlage gemäß DIN EN 16798 auf die hygienisch erforderliche Luftmenge für die Menschen unter Berücksichtigung der Gebäudeemissionen bzw. Prozessluftmengen abgestimmt sein. Eine Dimensionierung der Luftmenge zur Deckung von Heiz- und Kühllasten führt dagegen erfahrungsgemäß zu 3- bis 5-fach höheren Luftmengen und entsprechend größerem Platzbedarf der Lüftungskomponenten. Darüber hinaus kann mit einer „Hygieneluftmenge“ in Kombination mit zusätzlichen dezentralen Heiz- und Kühlflächen eine Temperaturzonierung im Gebäude erreicht werden.
Das Ziel der Gebäudeklimatisierung, jahreszeitlich angepasst Zuluft mit konstant angenehmer Temperatur bereitzustellen, kann platzsparend und wirtschaftlich mit Wärmepumpentechnologie erreicht werden. Man kann hier grundsätzlich vier Systeme unterscheiden:
1. ein integrierter Kälteerzeuger mit externem Kondensator zur Kühlung der Zuluft
2. eine integrierte reversierbare Wärmepumpe mit internem Verdampfer sowie einem internen Kondensator zum Heizen und Kühlen
3. ein Clima-Split-System mit einer externen Split-Wärmepumpe und Kältemittel/Luft-Wärmeübertragern im RLT-Gerät zum Heizen und Kühlen
4. eine externe Monoblock-Wärmepumpe (Kalt-/Warmwassersatz), die über einen Wasserkreislauf mit Pufferspeicher Heiz- und Kühlenergie für die Lüftungsanlage über Wasser/Luft-Wärmeübertrager bereitstellt.
System 1: Integrierter Kälteerzeuger mit externem Kondensator
Die Anordnung mit einem externen Kondensator ermöglicht aufgrund der beliebig verfügbaren Kühlluftmenge eine hohe Effizienz und niedrige Temperaturniveaus. Dies ist besonders für große Kühllasten eine ideale Konfiguration. Das gleiche gilt für die Zuluft-Entfeuchtung. Die Nacherwärmung nach der optionalen Entfeuchtung kann entweder mit externer Heizenergie oder über ein Heißgasverteilventil im Kältekreis und einen zusätzliches Kondensatorregister in der Zuluft erfolgen (Bild 2).
Der im Freien aufgestellte Kondensator bzw. Rückkühler arbeitet weitgehend autark und regelt sich über den Kältemitteldruck selbst. Der große Vorteil dieser Variante liegt damit in der vom Fortluftstrom unabhängigen Kühlleistung, sodass auch große Umluftanteile realisiert werden können. Auch variable Luftvolumenströme sind möglich. Zu beachten ist, dass der Verdichter unterhalb der Modulationsgrenze in den Taktbetrieb übergeht und dadurch Temperatursprünge in der Zuluft verursacht werden. Die untere Leistungsgrenze der Kälteanlage wird durch die Regelung und die Verdichtertechnologie bestimmt (siehe unten). Grundsätzlich gilt: Je geringer die Luftmenge ist, desto größer fallen die Temperatursprünge im Taktbetrieb aus.
In der Planungsphase sollte ebenfalls berücksichtigt werden, dass der Einsatz eines externen Kondensators einen geeigneten Aufstellort erfordert. Es muss dabei auf eine ausreichende Frischluftversorgung und auf die Mindestabstände für den Schallschutz geachtet werden.
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System 2: Integrierter Kälte- und Wärmeerzeuger
Eine integrierte reversierbare Wärmepumpe kann als zusätzliche Wärmerückgewinnung betrachtet werden (Bild 3). Ein eigener, komplett im Lüftungsgerät integrierter Kältekreislauf hat den Vorteil, dass das Lüftungsgerät unabhängig von wasserführenden Rohrleitungen und externen Installationen aufgestellt werden kann. Die benötige Wärme oder Kälte wird genau dann erzeugt, wenn sie benötigt wird. Die Umkehr des Kältemittelflusses erlaubt einen Kühl- und Heizbetrieb. Die Register werden wechselweise als Kondensator oder als Verdampfer genutzt.
Ein RLT-Gerät mit einer integrierten reversiblen Wärmepumpe ist sehr kompakt und in der Gesamtbetrachtung kostengünstig in der Investition – es wird keine zusätzliche Gerätetechnik im Außenbereich benötigt. Auch der Installationsaufwand vor Ort ist gering und ein einfacher Grundrahmen reicht für die Montage im Technikraum bzw. im Aufstellbereich aus.
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Im Kühlbetrieb entzieht das Verdampferregister der Zuluft Wärmeenergie und gibt diese als Abwärme über das integrierte Kondensatorregister an die Fortluft ab. Somit kann nur so viel Kälteleistung erzeugt werden, wie die Abluft bzw. Fortluft in Form von Abwärme aufnehmen kann.
Vor allem im Winter sind einige Besonderheiten zu beachten, denn im Heizbetrieb entzieht das zum Verdampfer gewordene Register der Abluft bzw. Fortluft die zum Heizen benötigte Energie. Der Verdampfungspunkt muss dafür entsprechend niedrig eingestellt werden. Dies erhöht die Temperaturspreizung zwischen Fortluft und Zuluft, was wiederum die Effizienz des Systems beeinträchtigt.
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Die im Winterbetrieb vom Verdampfer stark abgekühlte, feuchte Abluft scheidet Feuchte im Verdampferregister ab. Dadurch bildet sich bei Fortlufttemperaturen unter dem Gefrierpunkt auf der Verdampferoberfläche eine Eisschicht. Diese Vereisung liegt in der Natur der Sache; im Außentemperaturbereich von − 5 bis + 5 °C findet dieser Vorgang teilweise mehrfach pro Stunde statt. Die dann notwendige Abtauung kann zum Beispiel mit Elektroheizstäben im Verdampferregister realisiert werden oder durch einen kurzzeitigen Umkehrbetrieb der Wärmepumpe. Während des Abtaubetriebs steht keine „Wärmepumpen-Heizenergie“ für die Erwärmung der Zuluft zur Verfügung.
Beim Einsatz eines Platten-Wärmeübertragers tritt das Problem der Vereisung auf der Fortluftseite der Wärmerückgewinnung ebenfalls auf. Um dies zu verhindern, kann ein Teil der kalten Außenluft über die Bypassklappe am Wärmeübertrager vorbeigeführt werden. Das erhöht kurzfristig zusätzlich den Heizenergiebedarf. Auch wenn dieser Betriebszustand nur an wenigen Stunden im Jahr auftritt und damit energetisch weniger relevant ist, muss aus Komfortgründen ein ausreichend dimensioniertes „Backup-Heizsystem“ vorhanden sein.
Ein Platten-Wärmeübertrager oder auch ein Kreislaufverbund-System (KVS) wäre demnach technisch die schlechtere Wahl. Wird stattdessen ein Rotations-Wärmeübertrager eingesetzt (Bild 4), ist nicht mit Kondensations- oder Vereisungseffekten im Bereiche Wärmerückgewinnung zu rechnen. Hinweis: Beim Einsatz eines Rotations-Wärmeübertragers sind die Hygienevorgaben der Richtlinie VDI 6022 Abschnitt 6.3.14 zu beachten.
Ein Umluftbetrieb mit einem integrierten Kälte- und Wärmeerzeuger schließt sich in jedem Fall aus und variable Volumenströme sind nur eingeschränkt möglich. Die erforderliche Kühlleistung für eine im Sommer eventuell gewünschte geregelte Entfeuchtung (über Kondensation) kann mit dem System „integrierter Kälte- und Wärmeerzeuger“ nur eingeschränkt erbracht werden.
System 3: Clima-Split-Anlage
Eine weitere Möglichkeit für den Einsatz von Wärmepumpentechnologie bietet sich mit einer Clima-Split-Anlage (Bild 5). „Split“ bedeutet, dass eine oder mehrere Split-Wärmepumpen im Außenbereich einen Kältemittelkreislauf mit einem ein- oder mehrkreisigen Register im Lüftungsgerät bilden. Je nach Heiz- oder Kühlbetrieb übernimmt die Verdampferfunktion entweder das Register im Lüftungsgerät (Kühlbetrieb) oder das Register in der externen Wärmepumpe (Heizbetrieb).
Auch diese Lösung ist kompakt (Bild 1) und sowohl in der Investition als auch in der Installation kostengünstig, weil sie ohne externe Kalt- und Warmwasserversorgung auskommt. So entfällt eine frostsichere Verrohrung bzw. Glykolfüllung, wie sie für ein wasserbasiertes System erforderlich wäre.
Im Falle der Kaskadierung werden im Lüftungsgerät mehrkreisige, verzahnte Verdampferregister eingesetzt, die mehrere getrennte Kältekreise zum Anschluss an die Außeneinheiten beinhalten. Die Kaskadierung von mehreren Außeneinheiten bietet neben der Leistungserweiterung auch den Vorteil der Redundanz und erlaubt deutlich kleinere Modulationsgrenzen. So könnte beispielsweise bei einem Kühlbedarf von 10 kW eine Split-Wärmepumpe mit einem Leistungsbereich von 4,0 bis 11,2 kW oder alternativ eine Zweierkaskade von 2 × 1,0 bis 5,8 kW eingesetzt werden. Die kleinste Kühlleistung (und damit der Beginn des Taktbetriebes) kann im Beispiel von 4 kW auf 1 kW reduziert werden. Der Temperatursprung, der sich zwangsläufig beim „Takten“ ergibt, reduziert sich dann ebenfalls auf ein Viertel.
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Bei einem Luftvolumenstrom von 3000 m3/h ergibt sich rechnerisch im Taktbetrieb bei einem Einzelgerät ein Temperatursprung von ca. 4 K und im Beispiel der Kaskade nur ca. 1 K. Wenn gleichzeitig der Luftvolumenstrom variabel auf z. B. 1500 m3/h abgesenkt wird, verdoppeln sich diese Temperatursprünge.
Für eine Kaskadierung spricht ebenfalls der Abtaumodus im Heizbetrieb. Dieser Betriebszustand wird durch die Redundanz von zwei bis zu fünf Außeneinheiten allein dadurch „entschärft“, dass nicht alle Außeneinheiten gleichzeitig in den Abtaumodus schalten. Oft reicht dann eine kleine, kurzzeitige Verringerung des Luftvolumenstroms aus, um die Zulufttemperatur konstant zu halten. Um beim Einzelgerät den Effekt der Abtauung abzufedern, muss die Zuluft entweder mithilfe eines Elektroheizregisters nacherwärmt werden oder der Zuluftventilator wird während des Abtauvorgangs abgeschaltet.
Wie bei der Variante mit externem Kondensator können auch bei der Split-Variante Umluftbetrieb sowie variable Luftvolumenströme realisiert werden. Aufgrund der Verdampfungstemperatur ist auch diese Variante aber nur sehr eingeschränkt für die gezielte Entfeuchtung der Zuluft geeignet.
System 4: Lüftungsanlage mit externer Monoblock-WP bzw. Kaltwassersatz
Eine Lüftungsanlage mit extern aufgestellter Monoblock-Wärmepumpe (Bild 6) vereint die meisten der bisher genannten Vorteile. Sie besteht aus den Einzelkomponenten:
● RLT-Gerät
● Monoblock-Wärmepumpe mit Außen- und Inneneinheit
● Pufferspeicher für Kaltwasser/Warmwasser
● Heiz-/Kühlregister (changeover) im RLT-Gerät
Die Außeneinheit der Monoblock-Wärmepumpe arbeitet mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf. Die erzeugte Wärme bzw. Kälte wird über einen kleinvolumigen, frostsicheren Wasserkreislauf auf das Innengerät und von dort auf den Pufferspeicher und den Wärmeübertrager (changeover) im Lüftungsgerät übertragen.
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Im Gegensatz zu den Kältemitteln R407C, R513A, R410A und R32, die als typische Kältemittel in RLT-Lüftungsgeräten eingesetzt werden, kann bei einer Monoblock-Wärmepumpe auch das natürlich vorkommende Kältemittel Propan (R290) eingesetzt werden, da keine Gefahr des Kältemitteleintrags in das Lüftungsgerät bzw. die Lüftungsanlage besteht.
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In Kombination mit einem Pufferspeicher für Kalt- und Warmwasser (Bild 7) ermöglicht diese Anordnung einen kontinuierlichen Heizbetrieb und gleichzeitig einen stufenlosen Kühlbetrieb und dies mit sehr fein regelbaren Zulufttemperaturen. Auch der Abtauprozess der Monoblock-Wärmepumpe im Heizbetrieb führt zu keiner Unterbrechung der Erwärmung der Zuluft, weil die Energie für beide Prozesse aus dem Pufferspeicher bereitgestellt wird. Zur Leistungserweiterung bietet sich auch hier die Möglichkeit einer Kaskadierung an.
Wenngleich diese Variante bei der Investition die kostenintensivste Option darstellt, bietet sie im Betrieb durch die Vielzahl der möglichen Betriebsmodi mehrere Vorteile:
● Heizen, kühlen und entfeuchten
● bedarfsgerechte, variable Luftvolumenströme
● Umluftbetrieb
● keine Betriebsunterbrechung oder Zusatzmaßnahmen für den Abtaubetrieb der Wärmepumpe erforderlich
● keine Einschränkungen bei der Auswahl des Wärmerückgewinnungssystems
● kein Kältemittel im Lüftungsgerät
In der Planungsphase ist zu berücksichtigen, dass der Einsatz einer extern aufgestellter Monoblock-Wärmepumpe bzw. eines Kaltwassersatzes einen geeigneten Aufstellort erfordert. Es muss dabei auf eine ausreichende Frischluftversorgung und auf die Mindestabstände für den Schallschutz geachtet werden.
Verdichter-Konzept
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Elementar für den Betrieb eines RLT-Geräts mit einer Wärmepumpe ist jeweils die Ausführung des Kompressors bzw. Verdichters. Kriterien wie Preis, Laufruhe, Leistungsbereiche, Effizienz, Baugröße und Regelbarkeit entscheiden über die beste Lösung. Bei Lüftungsgeräten dominieren Scroll- und Hubkolbenkompressoren den Markt.
Die für den Anwender wichtigsten Technikparameter sind die Effizienz und der individuelle Regelbereich. Oft muss man hier Kompromisse schließen, um ein Optimum an Kundenzufriedenheit zu erreichen. Die Verdichterleistung kann z. B. mit hoher Energieeffizienz über einen drehzahlgeregelten Antriebsmotor in einem typischen Bereich von 20 bis 100 % reguliert werden. Wie oben beschrieben, bietet ein größerer Leistungsbereich (Teilleistungsbereich) auch mehr Komfort und Konstanz in der Zulufttemperatur.
Um den Modulationsbereich einer Wärmepumpe bis auf ca. 10 bis 100 % zu erweitern, wird nicht mehr die Drehzahl, sondern die Kompression über Ventile mit PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) geregelt. Das bedeutet im Gegenzug, dass durch die permanent hohe Drehzahl der Wirkungsgrad im Teillastbetrieb sinkt.
Eine weitere Möglichkeit für größere Modulationsbereiche bzw. kleinere Mindestleistungen ergibt sich analog zur Variante Clima-Split-Anlage durch eine Kaskade mit mehreren (kleineren) Kompressoren (Bild 8). Damit lassen sich kleinste Leistungsuntergrenzen und höchste Effizienz unter einen Hut bringen. Im Gegenzug ist diese Lösung aber aufwendiger und mit höheren Kosten verbunden.
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