Hallenkühlung mit R290-Kaltwassersätzen und Freikühlung

Thermische Lasten in Hallen und Gewerbeobjekten: Die neue Auslegungsrealität

Produktionsstätten, Montagewerke, Hochregallager und Logistikhallen weisen spezifische thermodynamische Profile auf, die sich grundlegend von klassischen Bürogebäuden unterscheiden. Hohe Raumkubaturen, massive interne Wärmelasten durch Maschinenparks, Transporttechnik und Beleuchtung sowie große Beleuchtungs- und Dachflächen führen zu Spitzenkühllasten, die selbst bei gemäßigten Außentemperaturen eine kontinuierliche Wärmeabfuhr erfordern. Gleichzeitig verlangen die verschärfte europäische F-Gase-Verordnung und steigende Energiekosten nach Lösungen, die maximale Kälteleistung mit minimalem Treibhauspotenzial (Global Warming Potential, GWP) und höchster Energieeffizienz kombinieren.

Der Klimaspezialist S-Klima – exklusiver Partner für Mitsubishi Heavy Industries in Deutschland sowie Entwickler eigener Kaltwasser- und Regelungslösungen im Verbund mit STULZ – adressiert dieses Anforderungsprofil mit einem ganzheitlichen Kaltwasserkonzept. Im Fokus stehen dabei kompakte, modulare Kaltwassersätze mit dem natürlichen Kältemittel R290 (Propan) sowie hydronische Netzwerke mit integrierter Freikühlfunktion und übergeordneter Gebäudeautomation.

---

Kältekreisprozess und Thermodynamik: Warum Wasser als Trägermedium gewinnt

In ausgedehnten Hallenstrukturen stößt die direkte Kältemittelverdampfung (DX-Systeme) bei sehr langen Leitungsnetzwerken gelegentlich an kältetechnische und sicherheitsrelevante Grenzen. Hier spielen Kaltwassersätze ihre Stärken aus: Der Kältekreis bleibt hermetisch im Außengerät gekapselt, während im Halleninneren vollkommen unbedenkliches Kaltwasser als Sekundärfluid zirkuliert. Dies minimiert die Kältemittelfüllmenge pro kW Kälteleistung drastisch und schließt toxische oder brennbare Risiken in den Arbeitsbereichen der Halle vollständig aus.

Der thermodynamische Prozess folgt der klassischen Kompressionskältemaschine, lässt sich jedoch durch die thermodynamischen Stoffwerte von Propan (R290) signifikant optimieren. Propan weist eine hohe volumetrische Kälteleistung und eine steile Dampfdruckkurve auf. Dank günstiger Enthalpiedifferenzen während der Phasenänderung im Verdampfer sinkt der erforderliche Massenstrom im Kältekreislauf:

$$\dot{Q}_0 = \dot{m} \cdot \Delta h$$

Hierbei beschreibt $\dot{Q}_0$ die Kälteleistung, $\dot{m}$ den Kältemittelmassenstrom und $\Delta h$ die Enthalpieänderung im Plattenwärmetauscher. Durch den geringeren Druckverlust im Kältekreislauf und die exzellente Wärmeübertragung erreichen R290-Systeme exzellente Leistungszahlen (Energy Efficiency Ratio, EER) und einen hervorragenden Carnot-Gütegrad.

Thermodynamische Auslegungswerte im Kaltwassernetz

| Parameter | Konventioneller Standard (R410A) | S-Klima R290 Inverter-Chiller (z. B. SAX-Serie) | | :--- | :--- | :--- | | Kältemittel / GWP | R410A (GWP = 2088) | R290 Propan (GWP = 3) | | Kaltwassertemperaturen (VL/RL) | 7 °C / 12 °C | 7 °C / 12 °C (bis -8 °C für Prozesskälte) | | SEER (saisonaler Kühlwirkungsgrad) | 4,2 bis 4,6 | 5,1 bis über 5,6 | | Freikühl-Umschaltpunkt | ca. +3 °C bis +5 °C Außentemperatur | bis zu +8 °C Außentemperatur | | Max. Vorlauftemperatur im Umkehrbetrieb | +50 °C bis +55 °C | bis zu +75 °C |

---

Hydraulik und Freikühlung: Effizienzsprünge bei Übergangswetter

Ein wesentlicher Hebel zur Senkung des industriellen Primärenergiebedarfs ist die Freikühlung. Gewerbe- und Fertigungshallen weisen aufgrund kontinuierlicher Produktionsabwärme oft einen ganzjährigen Kühlbedarf auf. Fällt die Außentemperatur unter die Rücklauftemperatur des Hallennetzes, schaltet die Hydraulik über ein geregeltes 3-Wege-Ventil um:

1. Direkte Freikühlung: Liegt die Außenlufttemperatur deutlich unter dem Kaltwassersollwert (z. B. unter 5 °C bei 7/12 °C Auslegung), strömt das Rücklaufwasser primär durch das integrierte Freikühlregister. Die Inverter-Scrollverdichter bleiben vollständig abgeschaltet; lediglich die EC-Ventilatoren und Umwälzpumpen verbrauchen elektrische Energie. Der EER steigt in diesem Betriebszustand auf Werte jenseits von 20 bis 30.
2. Teil-Freikühlung (Gleitender Mischbetrieb): Bei Außentemperaturen zwischen 5 °C und 12 °C kühlt der Außenluftwärmetauscher das Wasser vor, während der Kältekreis mit modulierender Verdichterdrehzahl nur noch die Restdifferenz abdeckt. Die energetische Last auf den Verdichter sinkt proportional.
3. Reiner Kompressionsbetrieb: Erst bei hochsommerlichen Außentemperaturen oberhalb von 18 °C übernimmt der R290-Kältekreis die vollständige Kühllastabfuhr.

Beispielrechnung zur Betriebskostensenkung

Ein Hallenbereich mit einer konstanten Grundlast von 120 kW Kälteleistung benötigt im Dauerbetrieb (8.760 h/Jahr) rund 1.051.200 kWh Kälteenergie. Kann durch die Freikühloption der S-Klima SAX-Serie in den mitteleuropäischen Klimazonen an rund 3.500 Betriebsstunden die Kompressionsarbeit entfallen und an weiteren 2.000 Stunden halbiert werden, reduziert sich der Stromverbrauch der Kälteanlage um mehr als 130.000 kWh pro Jahr – ein massiver wirtschaftlicher Vorteil angesichts industrieller Strompreise.

---

Kaskadierung und Redundanz für die Industrie

Im Großgewerbe sind Ausfallsicherheit und Teillastflexibilität unverzichtbar. S-Klima setzt bei Serien wie der SAX- und SAY-Reihe auf ein intelligentes Modularkonzept: Bis zu 16 Kaltwassersätze lassen sich hydraulisch und steuerungstechnisch zu Verbünden mit bis zu 1.360 kW Kälteleistung (bei SAX) bzw. modular bis 1.864 kW (bei SAY) zusammenschließen.

Die DC-Inverter-Scroll-Verdichter passen ihre Drehzahl über Frequenzumformer stufenlos zwischen 20 und 100 Prozent an den aktuellen Hallenbedarf an. Dies verhindert ineffiziente Taktzyklen (Stop-and-Go), reduziert Einschaltstromspitzen und stabilisiert die Vorlauftemperatur auf ±0,5 Kelvin. Durch die automatische Laufzeitoptimierung der Gebäudeautomation werden Betriebsstunden gleichmäßig auf die Module verteilt, was Verschleiß minimiert und planbare Wartungsintervalle garantiert.

---

Gebäudeautomation und Luftverteilung: Präzise Schichtung ohne Zugluft

Kälteerzeugung ist nur die halbe Miete; die Kälteausbringung in großen Hallenvolumen entscheidet über Behaglichkeit und Prozessstabilität. S-Klima bindet Kaltwassersysteme über native Schnittstellen (Modbus, BACnet-IP, KNX) direkt an die Gebäudeleittechnik an. In Kombination mit Hallen-Umluftkühlgeräten oder zentralen RLT-Anlagen sorgt eine bedarfsgeführte Zuluftführung für optimale thermische Verhältnisse.

• Vermeidung von Kaltluftseen: Durch induktionsstarke Luftdurchlässe oder Deckenventilatoren wird die gekühlte Luft gezielt in den Aufenthaltsbereich eingebracht, ohne dass sich am Hallenboden unkontrollierte Kältenester bilden.
• Taupunktüberwachung: Bei der Hallenkühlung über betonkernaktivierte Flächen oder Unterdeckenventilatoren errechnet die Regelung kontinuierlich die absolute Feuchte und die Taupunkttemperatur:

$$t_d \approx t - \frac{100 - \varphi}{5}$$

Liegt die Raumlufttemperatur $t$ beispielsweise bei 24 °C und die relative Feuchte $\varphi$ bei 60 %, liegt der Taupunkt bei etwa 16 °C. Die Kaltwasser-Vorlauftemperatur wird in solchen sensiblen Bereichen dynamisch angehoben, um Kondensatbildung an Rohrleitungen und Bauteilen zuverlässig zu verhindern.

---

Normen, GEG und Förderkulisse 2026

Planer und TGA-Fachbetriebe müssen bei der Hallenkühlung strenge Vorgaben einhalten:

• DIN EN 378: Die Sicherheitsnorm regelt Aufstellung, Belüftung und Grenzkonzentrationen von Kältemitteln. Da R290 als brennbares Kältemittel der Sicherheitsgruppe A3 eingestuft ist, bieten außen aufgestellte Monoblock-Kaltwassersätze den Vorteil, dass der Kältekreis komplett im Freien verbleibt, wodurch der Planungsaufwand im Halleninnenraum auf Standard-Wassernetzvorgaben sinkt.
• Gebäudeenergiegesetz (GEG) & DIN EN 14825: Gefordert werden strenge Grenzwerte für die jahreszeitbedingte Kühleffizienz (SEER). Invertergesteuerte Kaltwassersätze von S-Klima übertreffen die Ökodesign-Vorgaben für Prozess- und Komfortkälte deutlich.
• Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG): Weil moderne Kaltwassersätze und reversible Luft-Wasser-Wärmepumpen von S-Klima mit R290 nicht nur kühlen, sondern im Winter auch hocheffizient als Großwärmepumpe mit Vorlauftemperaturen bis zu 75 °C fungieren können, profitieren Industrie- und Gewerbebetriebe bei der Sanierung veralteter Heizanlagen von attraktiven Investitionszuschüssen.

---

Fazit und Praxishinweis

Die Zeiten überdimensionierter, starr taktender Kaltwassersätze mit klimaschädlichen HFKW-Kältemitteln sind endgültig vorbei. Die Kombination aus Inverter-gesteuerten Propan-Kaltwassersätzen, Freikühlregistern und intelligenter Vernetzung, wie sie S-Klima anbietet, schafft für Gewerbeobjekte und Hallen die perfekte Balance aus Umweltverträglichkeit, Zuverlässigkeit und minimalen Lebenszykluskosten.

Für Fachbetriebe, Planer und Bauherren, die Gewerbe- oder Industrieobjekte zukunftssicher klimatisieren und beheizen möchten, bietet das Portal www.klimacorner.de umfassende herstellerübergreifende Beratung, technische Planungsunterstützung sowie sofort verfügbare Systemkomponenten und Zubehör führender Hersteller.

Hersteller-Videos und Social Media

Passende Videos des Herstellers:

• S-KLIMA – Dein Experte für Klimatechnik

Aktuelle Beiträge des Herstellers in den sozialen Medien:

• LinkedIn – S-Klima präsentiert zukunftsweisende Kaltwassersysteme mit R290 und Freikühlung für Gewerbe und Industrie.