Hallenkühlung mit Hybrid-VRF: Effizient und F-Gas-konform
Hybrid-VRF-Systeme kombinieren Kaltwasser mit Direktverdampfung. Die Lösung optimiert Industriehallen gemäß DIN EN 378 und reduziert Kältemittelmengen in Innenräumen.
Moderne Industrie- und Gewerbehallen stellen TGA-Fachplaner vor ein thermodynamisches Dilemma: Auf der einen Seite fordern großflächige Hallenbereiche mit heterogener Maschinennutzung, Büroeinbauten und Hochregallagern flexible Kühlleistungen mit raschen Reaktionszeiten. Auf der anderen Seite verschärfen die novellierte europäische F-Gase-Verordnung sowie Sicherheitsnormen wie die DIN EN 378 die Rahmenbedingungen für Kältemittelfüllmengen in Innenräumen drastisch. Reine Kaltwassersysteme erfordern groß dimensionierte Rohrleitungsquerschnitte und hydraulische Pumpenleistungen, während klassische Direktverdampfersysteme (DX) weitreichende Kältemittelleitungen durch das gesamte Hallentragwerk ziehen. Mit der Hybrid-VRF-Technologie (HVRF) aus der City-Multi-Serie demonstriert Mitsubishi Electric eine hybride Systemarchitektur, die den thermodynamischen Kältekreisprozess im Primärkreislauf hält und die Hallenkühlung raumseitig über geschlossene Wasserkreisläufe bedient.
Thermodynamische Grundlagen: Enthalpie, Druckverlust und Carnot-Effizienz im Vergleich
Um die Funktionsweise und energetische Effizienz der hybriden Hallenkühlung fundiert zu bewerten, ist ein Blick auf den thermodynamischen Kreisprozess der Kompressionskältemaschine unerlässlich. Kälteleistung entsteht durch Phasenwechsel des Arbeitsmediums: Im Verdampfer nimmt das Kältemittel bei geringem Sättigungsdruck isotherme und isobare Verdampfungsenthalpie auf. Der nachgeschaltete hermetische Scroll-Verdichter hebt den Dampf auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau an, wozu spezifische Verdichtungsarbeit erforderlich ist. Im Verflüssiger wird die Überhitzungs- und Kondensationswärme an die Umgebungsluft abgegeben. Über das elektronische Expansionsventil (EEV) entspannt das Kältemittel schließlich zurück auf den Verdampfungsdruck.
Der theoretische Grenzwert des Prozesses wird über die reversible Carnot-Leistungszahl (COP_Carnot) bestimmt:
$$COP_{Carnot, Kuehlen} = \frac{T_{Verdampfung}}{T_{Kondensation} - T_{Verdampfung}}$$
Liegt die Verflüssigungstemperatur an heißen Sommertagen bei 42 °C (315,15 K) und die Verdampfungstemperatur bei 6 °C (279,15 K), beträgt der ideale Carnot-COP rund 7,75. Reale Systeme erreichen infolge innerer Reibung, Druckverlusten in Ventilen und Rohrleitungen sowie isentropen Verdichterverlusten saisonale Leistungszahlen (SEER nach DIN EN 14825) zwischen 5,0 und 7,5.
Hier greift der Vorteil der City Multi HVRF-Technologie: Der Kältemittelkreis verbleibt exklusiv zwischen der Außeneinheit auf dem Hallendach und dem sogenannten Hybrid-BC-Controller (HBC). Im HBC übertragen Plattenwärmetauscher aus Edelstahl die Kälteleistung thermodynamisch direkt auf Wasser bzw. ein Wasser-Glykol-Gemisch. Der sekundäre Verteilkreis zu den Deckenkassetten, Kanalgeräten oder Hallen-Umluftkühleinheiten ist rein hydraulisch. Damit entfällt das Risiko, dass bei einer Leckage Kältemittel in Hallenschiffe, Kommissionierzonen oder Meisterbüros austritt.
2-Leiter-Architektur mit integrierter Wärmerückgewinnung
Im Gewerbebau stehen Hallenbetreiber häufig vor der Herausforderung, dass Zonen mit Prozesswärme (z. B. Spritzguss, CNC-Bearbeitung, Serverräume) zeitgleich massiv gekühlt werden müssen, während benachbarte Büroräume, Umkleiden oder Versandbereiche Wärme anfordern. Konventionelle 4-Leiter-Kaltwassersysteme benötigen hierfür separate Vor- und Rückläufe für Kalt- und Warmwasser, was zu erheblichem Materialaufwand, Isolierungsaufwand und statischer Deckenlast führt.
Das City Multi HVRF-System löst diese Anforderung über eine 2-Leiter-Verschaltung: Zwischen Außengerät und HBC-Controller verlaufen lediglich zwei kältemittelführende Rohre. Der HBC-Controller fungiert als intelligenter Kältemittel- und Hydraulikverteiler. Er trennt den Kältemittelstrom über getaktete Expansionsventile bedarfsgerecht auf und nutzt die Abwärme aus gekühlten Zonen direkt zur Vorerwärmung der hydraulischen Heizkreise. Die Verdichterarbeit der Außeneinheit muss im Mischbetrieb nur die thermodynamische Differenzlast decken, was zu System-Leistungszahlen führt, die reine Kaltwassersätze ohne Wärmerückgewinnung im Teillastbetrieb weit übertreffen.
| Kennwert / Kriterium | Konventioneller Kaltwassersatz | Standard-VRF (Direktverdampfung) | City Multi Hybrid VRF (HVRF) | | :--- | :--- | :--- | :--- | | Kältemittel im Gebäude | Nein (nur Kaltwasser/Sole) | Ja (bis in jeden Hallenraum) | Nein (nur bis zum HBC-Controller) | | Rohrleitungsdimension | Groß (starke hydraulische Querschnitte) | Sehr kompakt (Kupferrohr) | Kompakt (2 Kältemittel- + 2 Wasserrohre) | | Gleichzeitiges Heizen & Kühlen | Nur mit aufwendigem 4-Leiter-Netz | Über 3-Leiter- oder 2-Leiter-DX-Netz | Über intelligentes 2-Leiter-System | | Abtauverhalten im Winter | Puffer erforderlich | Kurzzeitige Unterbrechung | Stabile Wassertemperaturen | | Konformität DIN EN 378 | Unkritisch | Berechnung max. Raumkonzentration | Vollständig unkritisch in Hallenzonen | | Saisonaler Teillastwirkungsgrad (SEER) | Mittel bis hoch (4,2 – 5,8) | Sehr hoch (6,0 – 7,8) | Sehr hoch (6,2 – 7,5) |
Auslegung und Dimensionierung: Praxisbeispiel einer 1.200-m²-Produktionshalle
Für eine strukturierte Auslegung ist eine genaue Kühllastberechnung nach VDI 2078 unerlässlich. Als Fallbeispiel dient eine Produktions- und Montagehalle mit 1.200 m² Grundfläche und 6,0 m lichter Raumhöhe (Luftvolumen 7.200 m³). Durch Maschinenabwärme (interne Lasten: ca. 45 kW), Beleuchtung, Personen und transmittive Solarlasten über Lichtbänder summiert sich die Auslegungskühllast auf 90 kW bei einer sommerlichen Norm-Außentemperatur von 34 °C und geforderten Hallen-Innenbedingungen von 24 °C bei maximal 55 % relativer Feuchte.
Zur Abfuhr dieser Last wird ein City Multi HVRF-Verbund mit einer Nennkälteleistung von 96 kW (Kopplung zweier HVRF-Außengeräte an einen Master- und Slave-HBC) gewählt. Der Kaltwasserkreis wird mit einer Spreizung von 7 °C Vorlauf und 12 °C Rücklauf betrieben (ΔT = 5 K). Der erforderliche Gesamtmassenstrom des Wassers errechnet sich über die kalorische Grundgleichung:
$$\dot{m} = \frac{\dot{Q}}{c_p \cdot \Delta T} = \frac{90,\text{kW}}{4{,}18,\frac{\text{kJ}}{\text{kg}\cdot\text{K}} \cdot 5,\text{K}} \approx 4{,}31,\frac{\text{kg}}{\text{s}} \approx 15{,}5,\text{m}^3/\text{h}$$
Dieser Volumenstrom verteilt sich über den HBC-Controller auf acht dezentrale Hallen-Klimageräte mit je 11,25 kW Kälteleistung (je ca. 1,94 m³/h Wasser). Die kältemittelseitige Verrohrung vom Dachgerät zum HBC-Verteiler im Technikraum benötigt lediglich Rohrnennweiten von 28 mm bzw. 22 mm Kupfer. Gegenüber reinen Kaltwasserleitungen, die bei 15,5 m³/h Rohrdimensionen von DN 65 bis DN 80 erfordern würden, reduziert sich der Montageaufwand im Steigschacht maßgeblich.
Ein weiterer zentraler Aspekt ist die Taupunktüberwachung nach DIN EN 14511. Da der Wasservorlauf im Teillastbetrieb gleitend von 7 °C auf bis zu 14 °C angehoben werden kann, lässt sich der Verdampfungsdruck im Primärkreis anheben. Dies reduziert den Verdichterhub und steigert die Leistungszahl EER um bis zu 3,5 % pro Kelvin Anhebung.
Regelungstechnik und Gebäudeautomation via M-Net und BACnet
Eine hohe physikalische Effizienz entfaltet ihr Potenzial erst durch übergeordnete Automation. Mitsubishi Electric bindet alle Systemkomponenten über den hauseigenen Datenbus M-Net an. Über zentrale Systemsteuerungen oder Schnittstellenmodule lassen sich sämtliche Parameter nahtlos an übergeordnete Gebäudeleitsysteme (GLS) über BACnet IP oder Modbus TCP übertragen.
Im Hallenbetrieb ermöglicht dies eine prädiktive Zonenregelung: Vorlauf- und Rücklauftemperaturen, Betriebsmodi, Filterstandzeiten und Energieverbräuche werden permanent überwacht. Über Nacht-Freikühlmodi und die Kopplung mit dezentralen CO₂- und Feuchtesensoren schaltet das System bedarfsabhängig zwischen adiabater Vorkühlung, Freikühlung oder aktivem Kältekreisbetrieb um. Durch dynamische Schwellenwertanpassung wird verhindert, dass Kaltwasserleitungen bei schwülem Sommerwetter ihren Taupunkt unterschreiten, sofern keine Kondensatabfuhr an der Trasse vorhanden ist.
Fazit und Planungsempfehlung für die Praxis
Die Kombination aus Kältemittelkreis im Außen- bzw. Technikbereich und wassergeführter Kälteverteilung im Halleninnenraum etabliert sich als zukunftssicherer Standard. Sie löst die Konflikte zwischen F-Gase-Verordnung, Personen- und Umweltschutz sowie hoher Anlageneffizienz elegant auf. TGA-Planer und Hallenbetreiber erhalten ein wartungsfreundliches System, das flexibel auf Umnutzungen reagiert und dank 2-Leiter-Technik den Montageaufwand minimiert.
Für Fachbetriebe, Planer und Gewerbetreibende, die gewerbliche Kälte- und Wärmepumpenkonzepte realisieren möchten, bietet das Team von Klimacorner.de herstellerunabhängige Beratung, Dimensionierungsunterstützung sowie passende Komponenten führender Hersteller von Split- bis VRF-Systemen an.
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Bildverweise
- 1.Quelle: Mitsubishi Electric Living Environment Systems, Planungsunterlagen City Multi VRF/HVRF, Technische Datenblätter PUHY/PURY.
- 2.Bild: Mitsubishi Electric Living Environment Systems.
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