Kältetechnik und F-Gase-Transformation: S-Klima forciert Großkaltwassersätze der SAY-Serie und R32-VRF für Gewerbe und Prozesskälte

Kältetechnik im regulatorischen Spannungsfeld: F-Gase-Phase-down und Effizienzziele

Die novellierte europäische F-Gase-Verordnung (EU) 2024/573 stellt den Kälteanlagenbau vor weitreichende thermodynamische und betriebswirtschaftliche Aufgaben. Durch die sukzessive Reduktion der europaweit verfügbaren CO₂-Äquivalente müssen Anlagenbauer, Planer und Betreiber bei industrieller Prozesskühlung, Serverraum-Klimatisierung und gewerblicher Kälteversorgung gezielt auf Kältemittel mit niedrigem Treibhauspotenzial (GWP) und optimierte thermodynamische Kreisprozesse setzen.

S-Klima – als STULZ-Geschäftsbereich und exklusiver Deutschland-Partner von Mitsubishi Heavy Industries (MHI) – adressiert diese Herausforderung mit einer zweigleisigen Systemarchitektur: Einerseits decken leistungsfähige Kaltwassersätze der SAY-Serie hohe Kühlleistungsbedarfe im industriellen Maßstab bis 233 kW Kühlleistung ab, andererseits ermöglichen die R32-VRF-Großsysteme der KXZE3-Baureihe eine feinstufig modulierte Direktverdampfung. Damit gelingt die Dekarbonisierung von Kältenetzen im Einklang mit den Vorgaben des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) und den Ökodesign-Vorgaben nach EN 14825 und EN 14511.

Thermodynamische Grundlagen der Kompressionskältemaschine

Der klassische Kaltdampf-Kompressionskälteprozess basiert auf vier Kernkomponenten: Verdichter, Verflüssiger (Kondensator), Expansionsorgan und Verdampfer. Das Kältemittel nimmt im Verdampfer bei niedrigem Druck $p_0$ und Verdampfungstemperatur $T_0$ Wärme aus dem Kühlmedium (z. B. Wasser, Sole oder Luft) auf und geht in den gasförmigen Zustand über.

Der theoretische Grenzfall des Kältekreisprozesses wird durch den Carnot-Kältekreislauf beschrieben. Die theoretische Leistungszahl (Carnot-COP bzw. $EER_{Carnot}$) definiert das physikalische Effizienzmaximum:

$$EER_{Carnot} = \frac{T_0}{T_C - T_0}$$

hierbei bezeichnen $T_0$ die Verdampfungstemperatur und $T_C$ die Verflüssigungstemperatur in Kelvin ($K$). In realen Kälteanlagen mindern innere und äußere Irreversibilitäten (Druckverluste in Saugleitungen und Armaturen, isentrope Verluste im Verdichter, Wärmeübertragungsgrädigkeiten an Platten- und Lamellenwärmetauschern) diesen Wert. Ziel moderner Inverter-Kältemaschinen ist es, den exergetischen Wirkungsgrad $\eta_{ex} = \frac{EER_{real}}{EER_{Carnot}}$ nahe an 0,55 bis 0,65 zu führen.

Großkaltwassersätze der SAY-Baureihe: Robuste Prozesskälte bis 233 kW

Für anspruchsvolle Gewerbekälte- und Industrieanwendungen hat S-Klima die luftgekühlten Kaltwassersätze und Großwärmepumpen der Baureihe SAY etabliert. Mit Nennkühlleistungen von bis zu 233 kW und Heizleistungen von bis zu 268 kW eignen sich diese Einheiten speziell für industrielle Fertigungsprozesse, EDV-Zentren, Kunststoffverarbeitung und Logistikzentren.

Verdichterarchitektur und Inverter-Vorteil

Herzstück der SAY-Kaltwassersätze sind mehrkreisige Scroll-Verdichter mit drehzahlvariabler DC-Inverter-Ansteuerung. Gegenüber starr drehenden Hubkolben- oder Schraubenverdichtern bietet die Inverter-Technik entscheidende thermodynamische Vorteile im Teillastbetrieb:

1. Geringe Verdampfungsabsenkung: Bei Teillast verringert der Inverter den Kältemittelmassenstrom proportional zum aktuellen Lastprofil. Dadurch muss die Verdampfungstemperatur $T_0$ nicht unnötig tief absinken, um die Grädigkeit zu halten. Jedes Kelvin höherer Verdampfungstemperatur spart rund 2,5 bis 3 % elektrische Verdichterleistung.
2. Minimierte Taktraten: Durch kontinuierlichen Modulationsbetrieb entfallen verlustbehaftete Druckausgleichsphasen und hohe Anlaufströme, was die Lebensdauer mechanischer Komponenten schont.
3. Präzise Vorlauftemperaturregelung: Bei industriellen Prozessen sind Temperaturschwankungen im Kaltwassernetz kritisch. Die Inverter-Regelung hält die Kaltwasseraustrittstemperatur auf ±0,5 K stabil.

Hydraulische Integration und Druckverlustminimierung

In der Großkältetechnik spielt das hydraulische Netz eine zentrale Rolle für die System-Arbeitszahl ($JAZ$ bzw. $SEER$). Plattenwärmetauscher aus säurebeständigem Edelstahl (AISI 316) gewährleisten in den SAY-Chillern eine Gegenstromführung mit minimalen Temperaturgrädigkeiten von unter 2,5 K zwischen Kältemittel und Kaltwasser. Um den Hilfsenergieaufwand der Umwälzpumpen nach VDI 4646 und EN 14511 gering zu halten, sind die Strömungskanäle hydrodynamisch auf Druckverluste von unter 35 kPa bei Nenndurchfluss optimiert.

| Kenngröße / Parameter | Konventioneller Standard-Chiller (Fixdrehzahl) | S-Klima SAY Groß-Inverter-Chiller | Reversible R32-VRF-Direktverdampfung (KXZE3) | | :--- | :--- | :--- | :--- | | Kälteleistungsbereich | 50 – 250 kW (gestuft) | Bis 233 kW (stufenlos) | 22,4 – 168 kW (modular kaskadiert) | | SEER (mittlere Auslegung) | 4,10 – 4,40 | 5,20 – 5,85 | 6,50 – 7,40 | | Kältemittel / GWP | R410A (GWP 2088) | R32 / Low-GWP Alternativen (GWP 675) | R32 (GWP 675) | | Teillastregelung | Zylinderabschaltung / Stufen | DC-Inverter Scroll (15–100 %) | V-Multi Inverter Scroll (10–100 %) | | Hydraulischer Druckverlust | 50 – 75 kPa (Rohrbündel) | 25 – 35 kPa (optimierter PWT) | Entfällt (Direktverdampfung via Cu-Rohr) | | Abtaukonzept im Heizfall | Heißgas-Bypass mit Stillstand | Kreislaufumkehr getaktet | Kontinuierliche Heißgaseinspritzung |

R32-Großsysteme: KXZE3-Serie schließt die Lücke in der Direktverdampfung

Parallel zu wassergeführten Chillern verzeichnet der Kälteanlagenbau einen steigenden Bedarf an Direktverdampfungssystemen (DX) mit moderner Sicherheitsarchitektur. Mit der KXZE3-Baureihe stellt S-Klima ein R32-VRF-System bereit, das speziell für gewerbliche Bauten und Technikräume konzipiert ist.

3-Flächen-Wärmetauscher und Kältemittelabgleich

Die KXZE3-Außengeräte nutzen neuartige 3-Flächen-Wärmeübertrager, welche die wirksame Anströmfläche um rund 20 % vergrößern. In Kombination mit elektronisch geregelten Expansionsventilen (EEV) mit mehr als 2.000 Regelschritten wird die Überhitzung am Verdampferausgang auf 3 bis 5 K präzise eingeregelt. Dies verhindert Flüssigkeitsschläge in den Verdichter und maximiert die Enthalpienutzung im Verdampfer ($q_0 = h_1 - h_4$).

Kältemittelsicherheitskonzepte nach DIN EN 378

Da R32 nach ISO 817 in die Sicherheitsgruppe A2L (schwer entflammbar, geringe Toxizität) eingestuft ist, verlangt DIN EN 378 klare Vorkehrungen gegen unzulässige Kältemittelkonzentrationen in Aufenthalts- und Technikräumen. S-Klima integriert hierfür mehrstufige Sicherheitsfunktionen:

• Integrierte Leckagedetektoren in kritischen Sektoren,
• Automatische Absperr- und Pump-Down-Ventile im Außengerät,
• Zwangsbelüftungsschaltungen über die CompTrol-Leittechnik.

Planungs- und Auslegungsbeispiel: Prozesskälte für eine Spritzgussfertigung

Um die energetische Auslegung zu verdeutlichen, dient folgendes Praxisszenario: Eine Fertigungshalle benötigt zur Werkzeug- und Hydraulikkühlung eine konstante Kälteleistung von $\dot{Q}_0 = 180\text{ kW}$ bei Kaltwassertemperaturen von 15 °C Vorlauf und 20 °C Rücklauf ($ΔT = 5\text{ K}$) bei einer Außenlufttemperatur von 35 °C.

1. Berechnung des Kaltwasservolumenstroms

Mit der spezifischen Wärmekapazität von Wasser ($c_p \approx 4{,}186\text{ kJ/(kg}\cdot\text{K)}$) und Dichte $\rho \approx 1000\text{ kg/m}^3$ errechnet sich der Massenstrom $\dot{m}$:

$$\dot{m} = \frac{\dot{Q}_0}{c_p \cdot \Delta T} = \frac{180\text{ kW}}{4{,}186\text{ kJ/(kg}\cdot\text{K)} \cdot 5\text{ K}} \approx 8{,}60\text{ kg/s} \approx 30{,}96\text{ m}^3\text{/h}$$

2. Elektrische Leistungsaufnahme und EER-Vergleich

Bei Auslegung auf einen konventionellen Chiller mit festem Verdichter und $EER = 3{,}10$ beträgt die elektrische Leistungsaufnahme des Verdichters:

$$P_{el, konv} = \frac{180\text{ kW}}{3{,}10} \approx 58{,}06\text{ kW}$$

Ein modulierender S-Klima SAY Kaltwassersatz mit DC-Inverter und großzügig dimensioniertem Plattenwärmetauscher erreicht unter diesen Betriebsbedingungen ($15/20\text{ }^\circ\text{C}$ Kaltwasser, $35\text{ }^\circ\text{C}$ Außenluft) durch die moderate Verdampfungstemperatur einen $EER$ von rund $4{,}45$:

$$P_{el, SAY} = \frac{180\text{ kW}}{4{,}45} \approx 40{,}45\text{ kW}$$

Die elektrische Einsparung liegt bei 17,61 kW. Bei 4.500 jährlichen Volllaststunden im Zweischichtbetrieb summiert sich die Differenz auf rund 79.245 kWh elektrische Energie pro Jahr – ein signifikanter Kostenvorteil, der die Amortisationszeit der Inverter-Anlage auf unter 2,5 Jahre senkt.

Gebäudeautomation und IT-Sicherheit mit CompTrol 4Web NOVA RC

Moderne Kälteanlagen arbeiten nicht autark, sondern verlangen eine tiefe Integration in Gebäudeleitsysteme (GLT). Mit der Steuereinheit CompTrol 4Web NOVA RC stellt S-Klima eine Schnittstelle bereit, die sowohl MHI-Außengeräte als auch Kaltwassersätze zentral überwacht.

Besonderes Augenmerk liegt auf der Härtung nach BSI-Standards (Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik). Die Steuereinheit verhindert unautorisierte Zugriffe über verschlüsselte Netzwerkprotokolle, bietet integriertes Sequencing für Chiller-Kaskaden und überwacht kontinuierlich Druck- und Temperaturtrends zur vorausschauenden Fehleranalyse (Predictive Maintenance).

Fazit und Praxishinweise für Fachhandwerker

Die Ausrichtung auf Großkaltwassersätze wie die SAY-Serie und R32-VRF-Systeme wie die KXZE3 belegt, dass der Kälteanlagenbau die Kältemittelwende aktiv mitgestaltet. Für Kältefachbetriebe empfiehlt sich bei Neuprojekten stets die Prüfung der hydraulischen Entkopplung und der Einsatz modulierender Pumpensysteme nach EN 14825.

Für Fachbetriebe, Planer und Sanierer bietet Klimacorner.de umfassende herstellerübergreifende Beratung, Systemauslegungen und Komponenten rund um Kaltwassersätze, Klimalösungen und zukunftssichere Wärmepumpentechnik.

Hersteller-Videos und Social Media

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Aktuelle Beiträge des Herstellers in den sozialen Medien:

• LinkedIn – S-Klima auf LinkedIn zu neuen Lösungen für Gewerbekälte, Wärmepumpen und Klimatechnik.
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