VRV-Serie mit variabler Kältemitteltemperatur

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• Die VRV-IV-Geräteserie von Daikin wurde erstmals speziell für die europäischen Bedürfnisse und mit dem Fokus Heizbetrieb entwickelt.
• Neben der Drehzahlregelung kann sie die Verdampfungs- bzw. Verflüssigungstemperatur an den Leistungsbedarf anpassen. Das senkt den Energieverbrauch und erhöht den Komfort.
• Für die Abtauung des Verdampfers wird die dafür notwendige Energie nicht wie sonst üblich im Umkehrbetrieb den Räumen entnommen, sondern über einen im Heizbetrieb aufgeladenen Abtauenergiespeicher bereitgestellt.
• VRV/VRF-Systeme können über DIN V 19599 energetisch bewertet werden. Die aktuelle EnEV 2009 verweist allerdings noch auf eine alte Fassung, die den Heizfall nicht abbildet.

Seit Herbst 2012 ist die vierte VRV-Generation von Daikin auf dem deutschen Markt erhältlich. Es ist die erste Produktneuentwicklung, die im europäischen Entwicklungszentrum von Daikin Europe N.V., Oostende, Belgien, speziell für die europäischen Bedürfnisse entwickelt wurde. Das VRV-IV-System Abb. 1 wurde an die unterschiedlichen regionalen Bedingungen in Europa angepasst – ein besonderer Fokus bei der Entwicklung wurde auf den Heizbetrieb gelegt.

Mit einer VRV-IV-Anlage kann über die erneuerbare Wärmequelle Luft thermische Energie für die Raumheizung und -kühlung sowie die Lüftung und Trinkwassererwärmung bereitgestellt und somit das thermische Energiemanagement von Gebäuden zu 100 % mit nur einem System abgedeckt werden. Zwei einzigartige Neuheiten des Systems sind die variable Kältemitteltemperatur, die eine optimierte Ganzjahreseffizienz für die Gebäudeeigentümer ermöglicht sowie ein kontinuierlicher Heizbetrieb während der Abtauphase, was den Raumkomfort erhöht.

Variable Kältemitteltemperatur

„Variable Refrigerant Temperature“ (VRT) bedeutet, dass die Verdampfungs- bzw. Verflüssigungstemperatur im laufenden Betrieb an den aktuellen Leistungsbedarf angepasst wird. Bisher war es so, dass die Leistungsanpassung ausschließlich über die Drehzahl des Verdichters erfolgte.

Die maximale Kälte- bzw. Heizleistung eines VRV-Systems wird nur selten benötigt, den überwiegenden Teil eines Jahres arbeitet es im Teillastbetrieb. Die tatsächlich benötigte Verdichterleistung wird anhand interner Druck- und Temperaturgrößen errechnet. Hierbei berücksichtigt das Außengerät auch den Druckabfall des Rohrleitungsnetzes. Mit der VRT-Technologie wird die dem Verdichter zugeführte Leistung minimiert, über die Anhebung der Verdampfungstemperatur bzw. die Absenkung der Verflüssigungstemperatur wird die Gesamtleistung des Systems reguliert und gleichzeitig ein Betrieb im optimalen Effizienzbereich gewährleistet.

Das steigert neben der Energieeffizienz auch den Nutzerkomfort. Im Kühlbetrieb wird die Kältemitteltemperatur variabel von 6 auf bis zu 16 °C angehoben. Dies vermeidet eine zu niedrige Auslasstemperatur an den Innengeräten und verhindert eine zu starke Entfeuchtung im Raum. Besteht beispielsweise in der Übergangszeit ein geringer Kühlbedarf und liegt die Raumtemperatur nah am Sollwert, stellt das VRV-IV-System eine höhere Verdampfungstemperatur ein und verbraucht somit weniger Energie. Im Heizbetrieb wird ebenfalls im Teillastbetrieb die Kältemitteltemperatur zwischen 38 und 49 °C kontinuierlich angepasst. Dies vermindert vor allem bei Außentemperaturen zwischen 0 und –7 °C den Eisansatz am Außengerät und reduziert die Abtauhäufigkeit.

Durch die mit VRT optimierte Leistungsregelung wird eine saisonale Effizienz mit einem SEER im Kühlbetrieb von bis zu 7,53 erzielt. Damit werden bereits heute die voraussichtlichen Vorgaben erfüllt, die in der für 2016 oder später geplanten Ecodesign-Richtlinie für VRV-ähnliche Produkte europaweit gefordert werden. Auch die allgemeinen Klimaschutzziele der EU erfüllt eine VRV-IV-Anlage bereits, ohne auf der Bedarfsseite etwas zu tun: Die 20/20/20-Ziele der EU – bis zum Jahr 2020 die CO₂-Emissionen zu senken, den Anteil an erneuerbaren Ener­gien auf 20 % zu erhöhen und den Primärenergieverbrauch um 20 % zu senken – werden von der neuen VRV-Generation übertroffen.

Verglichen mit der VRV III, die derzeit den Standard am Markt präsentiert, spart die VRV IV bis zu 25 % an Primärenergie und senkt somit auch die CO₂-Emissionen um 25 %. Der Anteil erneuerbarer Energien beträgt über 60 %. Dabei ist zu beachten, dass sich die EU-Ziele auf das Referenzjahr 1990 also auf einen ­Minderungszeitraum von 30 Jahren beziehen. Zwischen der Markteinführung der VRV-III- und der VRV-IV-Generation liegen nur sechs Jahre. Bezogen auf 1990 würde die VRV-IVGeneration also die EU-Ziele noch viel deut­licher überbieten.

Konstanter Raumkomfort beim Abtauen

Bei allen Wärmepumpen mit der Wärmequelle Außenluft bildet sich während des Heizbetriebs unterhalb einer systemspezifischen Außentemperatur Reif am Verdampfer, der regelmäßig abgetaut werden muss. Der Abtauvorgang kann je nach Systemgröße länger als 10 min dauern und ist in der Regel bei Außentemperaturen zwischen –7 und 0 °C häufiger nötig. Bisher eingesetzte Luft/Luft-Wärmepumpen kehren im Abtaubetrieb den Kältekreislauf um. Durch den Wechsel der Betriebsart sinkt die Raum(luft)temperatur kurzfristig Abb. 2. VRV-IV-Geräte entnehmen die für den Abtauvorgang erforderliche Energie aus einem Energiespeicher. Durch die Verwendung von Phasenwechselmaterial Abb. 3 kann er sehr kompakt ausgeführt werden. Der Abtauenergiespeicher wird während des normalen Heizbetriebs aufgeladen.

Beim Abtauvorgang sind die Innengeräte somit nicht mehr von der Kreislaufumkehr in den Kühlbetrieb betroffen, alle Innengeräte verbleiben während des Abtauens im Heizmodus Abb. 2. Dadurch bleibt auch ein Umschaltgeräusch an den Innengeräten durch die Druckumschaltung aus, die Innengeräte kühlen nicht aus, Zugerscheinungen treten nicht auf. Der Abtauenergiespeicher ist an den Bedarf des Außengeräte-Wärmeübertragers angepasst und kann die erforderliche Abtauenergie unter allen Umgebungsbedingungen zur Verfügung stellen. Weil die Innengeräte nicht am Abtauvorgang teilnehmen, verringert sich einerseits der Energieaufwand und andererseits dauert der Abtauvorgang nur noch ca. 3 min.

Der Abtaubedarf wird über eine Temperatur-Druckdifferenzmessung am Außengerät festgestellt. Um den Eisansatz so niedrig wie möglich zu halten, passt die VRT-Technologie die Leistung des Außengeräts der Witterung und dem Bedarf der Innengeräte kontinuierlich an. Durch die so verringerte Temperaturdifferenz fällt der Eisansatz gegenüber konventioneller Technik um ca. 20 % geringer aus, was eine zusätzliche Energieeinsparung bewirkt.

Jedes VRV-IV-Außengerät kann ein Rohr­leitungsnetz von bis zu 1000 m Gesamtlänge und einer Höhendifferenz von bis zu 90 m ­versorgen. Die Höhendifferenz zwischen den einzelnen VRV-Innengeräten kann 30 m be­tragen. An dieses Leitungsnetz sind alle VRV- sowie Split/SkyAir-Innengerätebauformen anschließbar. Insgesamt können bis zu 64 VRV und/oder 32 Split/SkyAir-Innengeräte unterschiedlicher Typen und Leistungsgrößen sowie Türluftschleier, Hydrobox- und Lüftungsanlagen integriert werden. Die neue Software, der VRV-Konfigurator, erleichtert die Konfigurierung als auch die Inbetriebnahme und Wartung der VRV IV Abb. 4 .

EnEV-Bewertung von VRV-Systemen...

Nach der aktuell gültigen Fassung der EnEV (Stand 2009) werden VRV/VRF-Systeme im Kühlfall mittels Kennwertverfahren für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle abgebildet. Im Heizfall arbeitet das System als stetig leistungsgeregelte Direktkondensations-Wärmepumpe, für deren rechnerischen Nachweis die durch einen datierten EnEV-Bezug anzuwendende Fassung der DIN V 18599 von 2007 kein Berechnungsverfahren und keine Kennwerte bereitstellt.

Im Oktober 2009 ist mit dem Teil 100 der Normreihe ein Änderungs- und Ergänzungsteil erschienen, der VRV-Systeme im Heizbetrieb mit Standard-Teillastkennwerten in das Rechenverfahren für Wärmepumpen mit der Wärmequelle Außenluft einfügt und deren Besonderheiten für die einzelnen Anlagenabschnitte berücksichtigt. Diese Betrachtungsweise wurde in den Teil 5 der im Dezember 2011 verabschiedeten Neufassung der DIN-V-18599-Reihe übernommen und steht damit künftig bei der öffentlich-rechtlichen Nachweisführung durch die Bezugnahme der EnEV 2013 zur Verfügung; die privatrechtliche Verwendung ist bereits möglich. Da bei diesem Verfahren von einem Standard-Teillastverhalten ausgegangen wird, stellt die Neufassung des Teil 5 ein zweites, sogenanntes Kennfeldverfahren bereit, bei dem der gerätespezifische Regelbereich bei Teillast anhand von Prüfpunkten Berücksichtigung findet. Außerhalb dieses Regelbereichs ist mit den Standard-Teillastkennwerten zu rechnen.

…bildet noch nicht alle Vorteile ab

Die neuen VRV-IV-Systeme stellen mit der effizienzsteigernden VRT-Technologie verschiedene Betriebsmodi bereit (Basic, Automatic, Eco), die je nach Anwendung, Nutzerwunsch und Betriebsart den Schwerpunkt zwischen Komfort und Energieeffizienz setzen. Die beste Balance liefert dabei der Automatic-Modus (Werkseinstellung). Dieser erhöht bei Einhaltung der Komfortanforderung bereits die Energieeffizienz durch Variation der Kältemitteltemperatur und fließt als Standard-Anwendungsmodus auch in die EnEV-Berechnung ein.

Bei der Berechnung nach DIN V 18599 (Dezember 2011) können die energetischen Vorteile des neuartigen Teillastverhalten (VRT) nur eingeschränkt abgebildet werden. Jedoch fließen die verbesserten EER-Werte (Nenn-EER im Kühlfall) bzw. die verbesserten COP-Werte (COP in den Temperaturklassen im Heizfall) in die Berechnung ein, die Teillastfaktoren bleiben normbedingt unverändert.

Mit dem Inkrafttreten der EnEV 2013 wird also (nur) ein erster Schritt zur Berechenbarkeit von stetig leistungsgeregelten Direktkondensations-Wärmepumpen für den öffentlich-rechtlichen Nachweis getan. Eine Differenzierung bei der Abbildung der Teillasteffizienz ist hier jedoch für die nächste Überarbeitung wünschenswert. Momentan werden alle Bauarten, alle Leistungsgrößen und alle Arten der Leistungsregelung mit derselben Teillasteffizienz bewertet. Vergleiche mit Messwerten belegen allerdings, dass die tatsächlichen Verbrauchswerte die rechnerischen Verbräuche praktisch nie erreichen.

Primärenergiebedarf sinkt künftig

Neben der technisch begründeten Effizienz­steigerung wird durch die im Referentenentwurf zur EnEV 2013 (Stand Oktober 2012, Webcode 384272) vorgesehene Festsetzung des Primärenergiefaktors für den Strom-Mix von f_p = 2,0 (bisher: f_p = 2,6 in der EnEV 2009 und f_p = 2,4 in DIN V 18599:2011) die primär­energetische Bewertung strombetriebener ­Systeme insgesamt auf ein verbessertes Niveau gestellt. Damit wird dem heute höheren Anteil regenerativer Energien bei der Stromerzeugung Rechnung getragen. Zusammen mit der hohen Primärenergieausnutzung der VRV-Systeme ergibt sich ein wesentlicher Baustein zur Umsetzung der Energiewende im Gebäude­bereich. Der nächste Schritt hin zum NettoNull-Energiegebäude, welches im Jahr 2020 im gewerblichen Gebäudebereich Pflicht wird, kann heute schon mit Standardkomponenten, wie dem VRV-IV-System, zukunftssicher gegangen werden.•

Weitere Fachberichte zum Thema enthält das TGAdossier VRF-Systemtechnik: Webcode 1144

Mit der Erfindung der VRV-Technik¹⁾ hat Daikin 1982 einen neuen Maßstab bei der Gebäudeklimatisierung gesetzt und eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Heizsystemen geschaffen. Ursprünglich als reine Luft/Luft-Wärmepumpe eingeführt – inzwischen aber auch mit Wasser bzw. Sole auf der Quellenseite und Wasser oder Luft und Wasser auf der Verbraucherseite verfügbar – nutzt die VRV-Technik konsequent erneuerbare Energien und bietet mit standardisierten Komponenten eine große Planungsfreiheit.

Die Systemtechnik hat sich vor allem in gewerblichen Anwendungen etabliert. In Deutschland wurden von 2008 bis 2011 rund 40000 VRF-Anlagen¹⁾ installiert. Davon war etwa jede dritte Anlage von Daikin (ca. 13400 verkaufte VRV-Systeme). Seit der ersten VRV-Generation wurde das System kontinuierlich weiterentwickelt. Alle wichtigen Komponenten von der Kältemitteltechnologie bis hin zu den Kompressoren, Wärmeübertragern und der elektronischen Steuerung, werden von Daikin selbst entwickelt und hergestellt. Eine Besonderheit ist die „Austausch VRV“ für Systeme, die ursprünglich auf das Kältemittel R22 ausgelegt waren.

1) VRV ist die Abkürzung von Variable Refrigerant Volume (variabler Kältemittelvolumenstrom) und eine eingetragene ­Markenbezeichnung von Daikin. Die herstellerneutrale Bezeichnung für das in Multi-Split-Systemen eingesetzte Prinzip ist VRF (Variable Refrigerant Flow, variabler Kältemittelvolumenstrom).

Der VRV-Konfigurator ist eine Softwarelösung für eine einfache Systemkonfiguration und Inbetriebnahme. Die Vorteile sind ein ge­ringerer Zeitaufwand beim Konfigurieren des Außengeräts vor Ort. Mehrere Systeme an verschiedenen Standorten können auf identische Weise verwaltet werden, wodurch sich bei Großkunden die Inbetriebnahme nochmals vereinfacht. Die Grundeinstellungen am Außengerät können abgerufen und wiederhergestellt werden. Über eine 7-Segment-Anzeige können das Fehlerprotokoll abgelesen und wichtige Serviceparametern für ein schnelles Überprüfen der Grundfunktionen abgerufen werden. http://www.daikin.de/vrv-iv

ist Leiter Vertrieb Gewerbe bei ­Daikin Airconditioning Germany, Unterhaching, http://www.daikin.de