S-Klima
Insbesondere aus Kostengründen wurden in den vergangenen Jahrzehnten viele RLT-Anlagen ohne integrierte Klimatisierung verbaut – und können so gestiegene Anforderungen aus der Nutzung der versorgten Räume nicht erfüllen. Selbst neuere Anlagen werden gelegentlich noch ohne entsprechende Systeme installiert. Entgegen dem verbreiteten Vorurteil muss die Nachrüstung von Klimatisierungslösungen aber weder kostspielig noch aufwendig sein. Welche praktikablen Lösungsansätze es gibt und welche Stärken und Schwächen sie haben, zeigen wir in diesem Beitrag.
Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ Bestehende Lüftungsanlagen um die Funktionen Kühlen und Heizen auf der Basis von Wärmepumpentechnik zu ergänzen, ist mit vergleichsweise geringem technischem und investivem Aufwand möglich.
■ Projektspezifisch sollte genau abgewogen werden, welche konkrete Lösung am besten geeignet und damit eine zukunftssichere Investition ist.
■ Die Integration von Inverter-Split-Systemen hat sich hierbei in den letzten Jahren als vielversprechend erwiesen: Der bauliche Aufwand ist gering, mit einem standardisierten Schnittstellenmodul werden die Planung, Ausführung und die regelungstechnische Integration stark vereinfacht und der Energieverbrauch geringer.
Besonders in den Sommermonaten möchten weder Kunden noch Mitarbeiter auf ein komfortables Klimaumfeld verzichten. Erste-Hilfe-Maßnahmen baulicher Natur, etwa der klassische außenliegende Sonnenschutz, sollten schon aus energetischen Gründen selbstverständlich sein. Sie können aber, auch angesichts des voranschreitenden Klimawandels, in der Regel nicht alleine für ein akzeptables Raumklima sorgen.
Besonders bei längeren Hitzeperioden mit Tropennächten1) stoßen derartige Vorkehrungen schnell an ihre Grenzen. Eine zuverlässige Lösung ist hingegen die nachträgliche Integration eines Kühl-/Heizregister in Lüftungsanlagen. Allerdings lohnt es sich, die verschiedenen Lösungsansätze genauer zu prüfen, denn nicht jede Option ist im konkreten Fall unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu empfehlen.
Der leistungsstarke Ansatz: Kaltwasserbasierte Systeme
Besonders beliebt in Sachen Kühlen und Heizen sind Kaltwassersysteme. Deren Leistung ist ein unbestritten starkes Argument. Doch gerade bei der nachträglichen Integration in eine RLT-Anlage gilt es verschiedene Aspekte zu beachten. Da sind beispielsweise die vergleichsweise großen Rohrdurchmesser und die entsprechenden Durchbrüche, die zwingend notwendig werden, um eine Versorgungsleitung zwischen dem Außengerät und dem im RLT-Gerät verbauten Wärmeübertrager zu realisieren.
S-Klima
Hinzu kommt der vergleichsweise hohe Platzbedarf für den Kaltwassersatz. Und auch ihr Gewicht darf nicht unterschätzt werden. So müssen bei Dachaufstellungen häufig erst noch die baustatischen Voraussetzungen geschaffen werden. Zudem haben wasserbasierte Systeme ihre Schwächen bei der Luftentfeuchtung und benötigen mitunter zusätzliche Komponenten wie Glykol-Auffangwannen. Aspekte, die allesamt das Budget belasten.
Ist für das Objekt bereits ein Kaltwassersystem vorhanden, etwa zur Kühlung eines IT- oder Technikraums, ist es naheliegend auf dieses zurückzugreifen. Ob das bestehende System ausreichend freie Kapazitäten hat, muss dann allerdings erst noch berechnet und geprüft werden.
Und auch Hydraulik und Regelung müssen gegebenenfalls angepasst und abgeglichen werden. Zudem werden Maßnahmen erforderlich sein, wenn beispielsweise der IT-Kühlung ein Versorgungsvorrang eingeräumt werden musst. Und um zusätzliche Investitionen, etwa für Leitungsstränge und Pumpen, kommt man grundsätzlich nicht herum. Insofern haben auch die Entfernung und die Leitungsführung Einfluss auf die Kosten. Zugleich besteht die Gefahr, dass das bestehende System für die neue Anwendung „zurechtgebogen“ wird. Unter diesen Voraussetzungen ist ein optimales Ergebnis – auch in energetischer Hinsicht – zumeist nur mühsam und unter hohem materiellem und zeitlichem, also finanziellem Aufwand zu erreichen.
Im kleinen Leistungsbereich ist auch der Einsatz reversierbarer Monoblock-Luft/Wasser-Wärmepumpen möglich, die grundsätzlichen systembedingten Herausforderungen bleiben aber erhalten.
Die wirtschaftliche Alternative: Direktverdampfungssysteme
In puncto Kältenachrüstung drängt sich seit einigen Jahren darum eine kostengünstigere Lösung als Alternative in den Vordergrund: Der Einsatz eines invertergeregelten Direktverdampfungssystems. Bei diesem Ansatz wird ein Kältemittel/Luft-Wärmeübertrager (DX-Register) in die Lüftungsanlage integriert und kältemittelseitig mit einem Klimaaußengerät verbunden. Auf diese Weise lassen sich alle an die Lüftungsanlage angeschlossenen Gebäudebereiche über die Lüftungsanlage kühlen.
Eigens für diesen Anwendungsfall hat S-Klima in Zusammenarbeit mit Mitsubishi Heavy Industries das AHU-KIT-SP (Bild 2) entwickelt – ein spezielles Wärmeübertrager-Anschlussmodul zum Kühlen und Heizen mit integrierter Sequenzierung, Kaskadierung und Fehlerumschaltung. Das Modul fungiert als Schnittstelle zwischen der Lüftungsanlage und den Außengeräten der FDS-Serie von Mitsubishi Heavy Industries und übernimmt die kältetechnische Steuerung und Regelung für das in das Lüftungsgerät eingebaute DX-Register. Die Leistungsanforderung kommt dabei direkt von der Regelung der Lüftungsanlage oder von der übergeordneten Gebäudeleittechnik (GLT).
Aus dem baulich einfach umzusetzenden Lösungsansatz – der Kombination von Inverter-System mit zentraler Lüftungsanlage über das Wärmeübertrager-Anschlussmodul – ergeben sich diverse Vorteile. Zum einen die hohe Energieeffizienz, das leichte Gewicht sowie die geringe Aufstellfläche. Dann sind da die unkomplizierte Montage – das AHU-KIT-SP kann beispielsweise über eine Hutschiene in einem bestehenden Schaltschrank installiert werden – sowie die einfache Anbindung an die erforderliche, übergeordnete Regelung der RLT-Anlage oder die GLT. Besonders relevant: Bei dieser Systemlösung werden nur bewährte Standardkomponenten eingesetzt, was gegenüber einer individuellen Nachrüstung zu deutlichen Kosteneinsparungen bei den Komponenten, bei der Installation und bei der Wartung führt.
Im Vergleich zum Direktverdampfungssystem fallen bei wasserbasierten Systemen allein im laufenden Betrieb rund 15 % höhere Kosten an.
Mehr Leistung durch Kaskadierung
Eine vermeintliche Schwachstelle von Direktverdampfungssystemen ist die geringere Kälteleistung im Vergleich zu Kaltwassersystemen. Mit diesem Vorbehalt wird bei größeren Lüftungsgeräten häufig von einem Einsatz abgesehen. Durch eine Kaskadierung – die Parallelschaltung mehrerer Außengeräte – ist der Vorbehalt aber schon seit einigen Jahren hinfällig.
Mit dem Wärmeübertrager-Anschlussmodul von S-Klima lassen sich beispielsweise bis zu 16 Außengeräte zu einer Großanlage zusammenschalten. Auf diese Weise können externe Wärmeübertrager mit bis zu 480 kW Heizleistung bzw. 432 kW Kälteleistung versorgt und auch größere RLT-Anlagen kostengünstig und energieeffizient nachgerüstet werden. Eine Kaskadierung kann zudem den Modulationsbereich und die Verfügbarkeit der Kältebereitstellung erhöhen.
Eine übergeordnete Regelung steigert die Effizienz der Systeme
Gleichwohl lohnt ein genauer Blick auf die Umsetzung der Kaskadenschaltung. Denn gerade ältere Systeme verbrauchen durch „Takten“ – das ständige an- und abschalten der Außengeräte – unnötig viel Energie. Um dieses Szenario zu vermeiden, steuert das Wärmeübertrager-Anschlussmodul von S-Klima bis zu 16 Außengeräte gleichzeitig über Modbus oder über ein 0…10-V- beziehungsweise 4…20-mA-Signal. Bei geringer Leistungsanforderung wird dann nur ein Gerät angefahren und erst bei entsprechend höheren Anforderungen das nächste. Die Drehzahl der kaskadierten Verdichter wird dabei automatisch im energetischen Optimum gehalten (Bild 3).
S-Klima
Die Kaskadenregelung von S-Klima verfügt darüber hinaus über einen Laufzeitenausgleich. Dieser Modus stellt sicher, dass die Betriebszeit auf alle Außengeräte gleichmäßig verteilt wird und einzelne Geräte nicht über einen längeren Zeitraum hinweg dauerhaft im Einsatz sind. Ausgeklügelte Regelungstechniken sorgen außerdem dafür, dass Temperaturschwankungen bei Rotationsumschaltungen (Bild 4) oder im Abtaubetrieb verhindert werden (Bild 5).
S-Klima
S-Klima
S-Klima / Klaus Westermann
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Tropennacht
1) Eine Tropennacht definiert der Deutsche Wetterdienst (DWD) als eine Nacht, in der das Minimum der Lufttemperatur ≥ 20 °C ist (täglicher Messzeitraum: 18 UTC bis 06 UTC). An den meisten DWD-Stationen gibt es im Mittel weniger als eine Tropennacht pro Jahr. An einzelnen sehr günstig gelegenen Stationen werden jährlich 2 bis 3 Tropennächte registriert. Den Spitzenplatz hält die Station Heidelberg mit durchschnittlich 3,3 Tropennächten pro Jahr (vieljähriges Mittel für die Periode 1961 bis 1990). Im Zeitraum 1981 bis 2010 wurden in Heidelberg durchschnittlich 4,5 Tropennächte beobachtet. In Jahren mit sehr heißen Sommern wie 2003 wurden an begünstigten Stationen dagegen über 10 Tropennächte beobachtet. So waren es 2003 in Kehl bei Straßburg 21 Tropennächte. Im Sommer 2015 wurde an den Stationen Waghäusel-Kirrlach und Bad Bergzabern 13 Tropennächte registriert. An der Station Frankfurt/Main-Westend fiel in beiden Sommern an 12 Nächten die Minimumtemperatur nicht unter 20 °C. Eine natürliche nächtliche Entwärmung von Gebäuden findet schon deutlich vor dem DWD-Kriterium für eine Tropennacht kaum noch statt. Zudem ist die Temperatur in der Nähe von Gebäuden lokal oft deutlich höher als an den DWD-Messstationen.
