Hallenheizung mit Mitsubishi Electric City Multi VRF: Technische Auslegung, Kältetechnik und Zuluftintegration für Großräume

Thermische Herausforderungen in Industrie-, Lager- und Logistikhallen

Die Beheizung großvolumiger Hallengebäude stellt Planer und Fachhandwerker vor spezifische physikalische Herausforderungen. Raumhöhen zwischen 6 und 18 Metern, großflächige Toröffnungen mit abrupten Infiltrationslasten sowie erhebliche thermische Schichtungen prägen das energetische Bild von Logistikzentren und Produktionsstätten. Konventionelle Warmlufterzeuger oder fossile Deckenstrahler führen infolge des natürlichen Auftriebs warmer Luftschichten (Auftriebskonvektion) häufig zu vertikalen Temperaturgradienten von bis zu 1,5 Kelvin pro Meter Raumhöhe. Im Dachbereich staut sich ungenutzte Wärmeenergie, während im Aufenthaltsbereich der Mitarbeiter die Solltemperaturen nur unter unverhältnismäßig hohem Primärenergieeinsatz gehalten werden können.

Vor dem Hintergrund des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) und steigender CO2-Bepreisung rückt die vollständige Dekarbonisierung industrieller Hallengebäude in den Fokus. Mitsubishi Electric bietet mit den City Multi VRF-Technologien eine skalierbare, direktverdampfende Systemarchitektur, die es erlaubt, Raumluftwärmepumpenkonzepte hocheffizient mit dezentralen Luftführungskonzepten zu koppeln. Durch den Einsatz stufenloser Inverter-Verdichter und modulierender Expansionsventile lässt sich die Wärmeerzeugung exakt an den instationären Heizbedarf anpassen, der durch Lkw-Andienung und schwankende interne Lasten charakterisiert ist.

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Kältetechnischer Kreisprozess und thermodynamische Grundlagen

Der Kern moderner City Multi Außeneinheiten basiert auf dem linksdrehenden Kompressionskältekreisprozess im Wärmepumpenbetrieb. Kältemittelseitig wird im Verdampfer (hier der Außenwärmetauscher) Umgebungswärme bei niedrigem Druckniveau $p_0$ und niedriger Verdampfungstemperatur $T_0$ aufgenommen. Das Kältemittel verdampft und wird vom frequenzgeregelten Scroll-Verdichter auf das obere Druckniveau $p_c$ komprimiert. Bei der polytropen Verdichtung steigen Druck und Enthalpie des Kältemitteldampfes signifikant an.

Im Innenraumkondensator – der bei Hallenkonzepten entweder als Direktverdampfer-Register (DX-Kit) in einem zentralen Zuluftgerät oder in dezentralen Hochleistungs-Deckenkassetten angeordnet ist – kondensiert das Kältemittel unter Wärmeabgabe an den Hallenluftstrom. Der theoretische Gütegrad dieses Prozesses orientiert sich am idealen Carnot-Gegenwert:

$$\varepsilon_{\text{Carnot}} = \frac{T_{\text{warm}}}{T_{\text{warm}} - T_{\text{kalt}}}$$

Ein wesentlicher Effizienzhebel liegt in der Minimierung der Differenz zwischen Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur. Bei Luft-Luft-Systemen mit Direktverdampfung entfällt der bei Kaltwassersätzen oder herkömmlichen hydronischen Systemen unumgängliche Zwischenkreisverlust über sekundäre Plattenwärmetauscher. Während hydronische Systeme typischerweise eine Grädigkeit von 3 bis 5 Kelvin im Wärmeübertrager aufweisen, überträgt das direktverdampfende Kältemittel seine latente Phasenwechselenergie unmittelbar an die Raumluft. Dadurch kann die Verflüssigungstemperatur bei gleicher Zulufttemperatur um 4 bis 6 Kelvin niedriger gehalten werden, was die Verdichterarbeit messbar reduziert und den Coefficient of Performance (COP) nach DIN EN 14511 steigert.

Flash-Injection-Technologie und Kältekreislaufstabilisierung

Ein kritisches Phänomen von Luft-Luft-Wärmepumpen in kalten Klimazonen ist der Abfall der Heizleistung bei sinkenden Außentemperaturen infolge abnehmender Gasdichte auf der Saugseite. Mitsubishi Electric kompensiert diesen physikalischen Effekt über eine zweistufige Kältemitteleinspritzung (Flash-Injection-Kreislauf).

Über einen internen Plattenwärmetauscher (Unterkühler) wird ein Teilstrom des flüssigen Kältemittels über ein elektronisches Expansionsventil (EEV) entspannt und dampfförmig direkt in die Zwischenverdichtungskammer des Scroll-Kompressors injiziert. Dies bewirkt zwei wesentliche Effekte:

1. Druckgastemperatur-Begrenzung: Die Heißgastemperatur vor der Verflüssigung wird stabilisiert, wodurch der Verdichter auch bei extremen Außentemperaturen von bis zu -20 °C ohne thermische Abschaltung betrieben werden kann.
2. Massenstromstabilisierung: Der zirkulierende Massenstrom im Verflüssiger bleibt nahezu konstant, sodass die nominale Heizleistung bis weit unter den Gefrierpunkt ohne nennenswerten Leistungsabfall aufrechterhalten wird.

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Systemarchitektur in Hallen: Direktverdampfung vs. Deckenlufterhitzer

Bei der Projektierung von Heizsystemen für Industrie- und Logistikhallen über City Multi Systeme stehen Planern zwei primäre Anlagenkonzepte zur Verfügung:

1. Dezentrale DX-Luftbehandlung über Weitwurfdüsen und Kassetten

In weitläufigen Logistikhallen ohne komplexes Kanalsystem kommen dezentrale Deckenunterbaugeräte oder 4-Wege-Kassetten zum Einsatz, die direkt an das Kältemittelnetz der City Multi Außengeräte angebunden sind. Durch integrierte 3D-i-See-Sensoren detektieren moderne Innengeräte Temperaturunterschiede am Hallenboden. Über verstellbare Ausblaslamellen und optionale Weitwurfdüsen wird der Warmluftstrom mit definierter Austrittsgeschwindigkeit impulsreich in den Aufenthaltsbereich transportiert, um der thermischen Schichtung entgegenzuwirken.

2. Zentrale Lüftungsanbindung über PAC-AH-Anschlusskits

In Produktionshallen mit definierten Mindestaustauschraten nach ASR A3.6 (Lüftung) oder hohen Fortluftvolumenströmen durch Prozessabsaugungen empfiehlt sich die Integration in zentrale Zu- und Abluftgeräte. Mittels der PAC-AH-Schnittstellenbausteine von Mitsubishi Electric werden die Register des Lüftungsgerätes stufenlos als Verdampfer bzw. Verflüssiger in den Kältekreis integriert. Ein mikroprozessorgesteuertes elektronisches Expansionsventil dosiert das Kältemittel punktgenau anhand der Zuluft- oder Raumtemperatur.

| Kriterium | Dezentrale City Multi Direktverdampfer | Zentrale Lüftungsanlage mit PAC-AH DX-Kit | Konventionelle Deckenstrahlplatten (hydronisch) | | :--- | :--- | :--- | :--- | | Wärmeübertragungsmedium | Kältemittel (R32 / R410A) | Kältemittel auf Zuluftstrom | Heizwasser (hydronisch) | | Ansprechzeit / Dynamik | Sehr schnell (< 5 Min.) | Schnell (5–15 Min.) | Träge (> 30 Min.) | | Lüftungsfunktion nach ASR A3.6 | Nur Umluft (Zusatzsystem nötig) | Vollintegrierte Außenluftkonditionierung | Keine Luftführung integriert | | Installationsaufwand Rohrnetz | Geringer Durchmesser (Kupferrohr) | Lüftungskanäle erforderlich | Groß dimensionierte Stahl-/Kupferleitungen | | Abtauverhalten im Winter | Reversibler Kältekreis / Heißgas | Reversibler Kältekreis mit Registerüberwachung | Kontinuierlich (primärseitig abhängig) | | Kühloption im Sommer | Standardmäßig reversibel integriert | Standardmäßig reversibel integriert | Nur bedingt / Taupunktüberwachung nötig |

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Dimensionierung und thermodynamische Beispielrechnung

Für eine standardisierte Distributionshalle mit 2.500 m² Grundfläche und 8,0 m lichter Raumhöhe soll die wärmetechnische Auslegung verdeutlicht werden. Die Halle weist eine gut gedämmte Gebäudehülle nach GEG-Neubaustandard auf:

• Mittlerer U-Wert der Hüllfläche: $U_{\text{mittel}} = 0,28\ \text{W}/(\text{m}^2\cdot\text{K})$
• Hüllfläche gesamt: $A = 5.200\ \text{m}^2$
• Norm-Außentemperatur: $T_e = -12\ \text{°C}$
• Soll-Innentemperatur (Logistikbereich nach ASR A3.5): $T_i = +17\ \text{°C}$
• Temperaturdifferenz: $\Delta T = 29\ \text{K}$
• Luftwechselrate durch Infiltration und Torbetrieb: $n = 0,4\ \text{h}^{-1}$
• Luftdichte: $\rho = 1,20\ \text{kg}/\text{m}^3$, spezifische Wärmekapazität: $c_p = 1,005\ \text{kJ}/(\text{kg}\cdot\text{K})$

1. Transmissionswärmeverlust

$$\Phi_T = A \cdot U_{\text{mittel}} \cdot \Delta T = 5.200\ \text{m}^2 \cdot 0,28\ \frac{\text{W}}{\text{m}^2\cdot\text{K}} \cdot 29\ \text{K} = 42.224\ \text{W} \approx 42,2\ \text{kW}$$

2. Lüftungswärmeverlust durch Tore und Fugen

Das Hallenvolumen beträgt $V = 2.500\ \text{m}^2 \cdot 8,0\ \text{m} = 20.000\ \text{m}^3$. Daraus resultiert ein Luftvolumenstrom von: $$\dot{V} = V \cdot n = 20.000\ \text{m}^3 \cdot 0,4\ \text{h}^{-1} = 8.000\ \text{m}^3/\text{h} \approx 2,22\ \text{m}^3/\text{s}$$

Der thermische Leistungsbedarf zur Aufheizung dieses Luftstroms beläuft sich auf: $$\Phi_V = \dot{V} \cdot \rho \cdot c_p \cdot \Delta T = 2,22\ \frac{\text{m}^3}{\text{s}} \cdot 1,20\ \frac{\text{kg}}{\text{m}^3} \cdot 1,005\ \frac{\text{kJ}}{\text{kg}\cdot\text{K}} \cdot 29\ \text{K} \approx 77,7\ \text{kW}$$

3. Gesamtnorm-Heizlast und Systemauswahl

Unter Hinzurechnung eines Sicherheitszuschlags für Aufheizzeiten von 10 % ergibt sich: $$\Phi_{\text{gesamt}} = (42,2\ \text{kW} + 77,7\ \text{kW}) \cdot 1,10 = 131,9\ \text{kW}$$

Zur Abdeckung dieser Last von rund 132 kW wird eine Kaskade aus zwei Mitsubishi Electric City Multi Außengeräten (beispielsweise Baugröße Y-Serie mit je ca. 68 kW Nennheizleistung) projektiert. Durch die Parallelschaltung zweier Kältekreise entsteht eine redundante Struktur: Fällt ein Verdichter im Wartungsfall aus, wird die Frostsicherheit der Halle durch das zweite Gerät gewährleistet.

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Hydraulik, Rohrleitungsnetz und sicherheitstechnische Aspekte nach EN 378

Die kältetechnische Verrohrung bei City Multi VRF-Systemen zeichnet sich durch lange Leitungslängen von bis zu 1.000 Metern Gesamtrohrnetz aus. Dies ermöglicht die Platzierung der Außeneinheiten auf dem Hallendach oder an einer schalltechnisch unkritischen Fassadenseite.

Besonderes Augenmerk verlangt die Kältemittelsicherheitsnorm DIN EN 378 (Gase der Sicherheitsgruppe A1 bzw. A2L wie R32). Gemäß DIN EN 378-1 darf bei einem theoretischen Kältemittelaustritt in einem Raum die praktische Grenzkonzentration (Grenzwert für toxische bzw. erstickende Wirkung sowie Brennbarkeit) nicht überschritten werden:

$$c_{\text{max}} = \frac{m_{\text{Füllmenge}}}{V_{\text{Raum}}} \le c_{\text{Grenzwert}}$$

Da Hallenbauten über ein enormes Luftvolumen verfügen (im obigen Rechenbeispiel 20.000 m³), liegt die resultierende Konzentration selbst bei vollständiger Entleerung einer 40-kg-Systemfüllung bei lediglich $0,002\ \text{kg}/\text{m}^3$. Dies unterschreitet den Grenzwert von R410A ($0,44\ \text{kg}/\text{m}^3$) oder R32 ($0,307\ \text{kg}/\text{m}^3$) um mehr als das Hundertfache. Großraumhallen eignen sich daher kältetechnisch in besonderem Maße für direktverdampfende VRF-Systeme, da aufwendige Absperr- und Leckagedetektionsarmaturen nach ISO 5149 im Vergleich zu kleinteiligen Bürogebäuden entfallen können.

Bei der Verlegung der Kältemittelleitungen sind jedoch Druckverluste im Sauggasbereich penibel zu begrenzen. Ein Druckabfall von lediglich 0,2 bar in der Sauggasleitung kann die Sättigungstemperatur um rund 1 Kelvin absenken, was den Verdichter zwingt, auf einem tieferen Saugdruck zu arbeiten. Dies zieht einen Effizienzverlust von rund 2 bis 3 Prozent nach sich. Fachgerechte Dimensionierung nach Herstellervorgaben mit entsprechenden Ölrückführbögen bei Steigleitungen über 5 Meter Höhendifferenz ist zwingend erforderlich.

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Gebäudeautomation und Lastmanagement

Industriehallen unterliegen strengen Wirtschaftlichkeitsvorgaben. Mitsubishi Electric bindet City Multi Systeme über Schnittstellen (BACnet, Modbus oder das herstellereigene Steuerungssystem M-Net) in übergeordnete Gebäudeleitsysteme (GLT) ein. Hierbei lassen sich folgende Steuerungsstrategien umsetzen:

• Tor-Interlock-Schaltung: Beim Öffnen von Sektionaltoren schalten die betroffenen Deckenlüfter automatisch auf minimale Drehzahl oder temporären Umluft-Schleierbetrieb, um das Heraussaugen warmer Luftpolster zu verhindern.
• Bedarfsgesteuerte Zonentemperierung: Lagerbereiche mit unempfindlichen Gütern werden kontinuierlich auf 12 °C gehalten, während Kommissionier- oder Montagezonen innerhalb derselben Halle über gezielte Luftauslässe auf 18 °C geregelt werden.
• Präsenzabhängige Luftführung: Erkennen Sensoren keine Aktivität im Fahrbereich von Flurförderzeugen, wird der Volumenstrom abgesenkt.

Für Fachplaner, Kälte-Klima-Fachbetriebe und Hallenbetreiber, die bei anstehenden Projekten auf langlebige Systemtechnik setzen möchten, bietet der spezialisierte Fachgroßhandel fundierte Hilfestellung: Auf Klimacorner.de finden Fachhandwerker und Projektierer umfassende Beratung sowie hochwertige Komponenten und Geräte von führenden Marken wie Mitsubishi Electric zur Realisierung energieeffizienter Kälte- und Heizlösungen.

Hersteller-Videos und Social Media

Passende Videos des Herstellers:

• How City Multi VRF Heating Works | Mitsubishi Electric
• Mitsubishi Electric: City Multi Hybrid VRF Wärmepumpensysteme

Aktuelle Beiträge des Herstellers in den sozialen Medien:

• LinkedIn – Mitsubishi Electric Living Environment Systems News & Updates zur gewerblichen Klimatechnik
• YouTube – Offizieller Kanal von Mitsubishi Electric Living Environment Systems mit Praxiseinblicken