Effizienzsprung bei Mitsubishi Electric: Neue R290-Großwärmepumpe CAHV und R32-VRF-Generation YXM im Praxisfokus

Die Dekarbonisierung des Wärmesektors verlangt von Fachplanern und ausführenden Betrieben zunehmend ganzheitliche Konzepte, die Neubau- und Bestandsanforderungen gleichermaßen wirtschaftlich abdecken. Während im Einfamilienhaussegment Monoblock- und Split-Wärmepumpen mit natürlichen Kältemitteln bereits eine feste Größe darstellen, wachsen die technischen Herausforderungen bei größeren Liegenschaften, Gewerbebauten und Mehrfamilienhäusern exponentiell. Mitsubishi Electric begegnet dieser Nachfrage im aktuellen Produktprogramm mit einer deutlichen Ausweitung modularer Großsysteme: Neben der neuen Luft-Wasser-Großwärmepumpe CAHV mit dem natürlichen Kältemittel R290 (Propan) setzt der japanische Hersteller mit der City Multi YXM-Serie auf eine überarbeitete Generation von R32-VRF-Anlagen. Beide Entwicklungen zielen darauf ab, hohe jahreszeitliche Arbeitszahlen (JAZ) mit den verschärften Kriterien der europäischen F-Gase-Verordnung und des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) in Einklang zu bringen.

Thermodynamische Grundlagen: Carnot-Prozess, Temperaturhub und Kältemitteleigenschaften

Um die Effizienz moderner Luft-Wasser- und Luft-Luft-Wärmepumpen fundiert zu beurteilen, ist der Blick auf den zugrunde liegenden rechtsdrehenden thermodynamischen Kreisprozess unerlässlich. Die theoretische Obergrenze des Wirkungsgrads beschreibt der Carnot-Wirkungsgrad $\eta_C$ bzw. die ideale Leistungszahl $COP_{Carnot}$:

$$COP_{Carnot} = \frac{T_{warm}}{T_{warm} - T_{kalt}}$$

Hierbei sind die absoluten Temperaturen der Wärmesenke ($T_{warm}$) und der Wärmequelle ($T_{kalt}$) in Kelvin einzusetzen. Die physikalische Konsequenz ist eindeutig: Jedes Kelvin an Verringerung des Temperaturhubs zwischen der Verdampfungstemperatur (Außenluft) und der Verflüssigungstemperatur (Heizkreis-Vorlauf) führt zu einer signifikanten Reduzierung des Verdichtungsaufwands und steigert die Leistungszahl realer Anlagen um rund 2,5 bis 3 Prozent pro Grad Temperaturabsenkung.

Im realen Kreisprozess weicht der Arbeitszyklus durch innere und äußere Irreversibilitäten (Drosselverluste am elektronischen Expansionsventil, Druckverluste in Sauggasleitungen, isentrope Verluste im Scroll-Verdichter sowie Grädigkeiten der Plattenwärmetauscher) vom idealen Carnot-Prozess ab. Bei der Wahl des Arbeitsmediums erweist sich Propan (R290) thermodynamisch als vorteilhaft: Durch seine günstige Dampfdruckkurve, eine hohe volumetrische Kälteleistung und eine ausgeprägte Verdampfungsenthalpie ermöglicht R290 geringere Kältemittelmassenströme bei identischer Kälteleistung im Vergleich zu herkömmlichen HFKW-Gemischen. Dies reduziert die strömungsmechanischen Druckverluste und senkt die Heißgastemperaturen am Verdichteraustritt, wodurch selbst bei Außenlufttemperaturen von -15 °C noch Vorlauftemperaturen von bis zu 75 °C ohne elektrische Nacherwärmung erreicht werden können.

Die neue CAHV-Serie: Bis zu 280 kW Heizleistung im Verbund

Bislang endete das standardisierte Wärmepumpenspektrum der Ratinger Ecodan-Serie im Monoblock-Segment im Bereich von 12 bis 14 kW je Einzelgerät. Für größere Wohngebäude oder gewerbliche Einheiten war die Kaskadierung mehrerer Außeneinheiten erforderlich. Mit der Großwärmepumpe CAHV schließt Mitsubishi Electric die Lücke zur zentralen Quartiers- und Objektversorgung.

Das Monoblock-Aggregat liefert eine Nennheizleistung von 40 kW auf Basis von R290. Dank einer integrierten Systemregelung lassen sich bis zu sieben Einheiten modular verschalten, womit eine kaskadierte Gesamtheizleistung von bis zu 280 kW zur Verfügung steht. Durch die Kapselung des R290-Kreislaufs im Außenbereich verbleiben kältetechnische Sicherheitsbereiche vollständig außerhalb thermischer Gebäudehüllen. Das Heizmedium Wasser wird über wärmegedämmte Rohrleitungen direkt in das hydraulische Netz des Objekts eingespeist.

Leistungs- und Betriebsdaten im Überblick

| Parameter | Ecodan PUZ-WZ (Monoblock) | CAHV Großwärmepumpe | City Multi YXM (VRF) | | :--- | :--- | :--- | :--- | | Kältemittel | R290 (Propan) | R290 (Propan) | R32 (Difluormethan) | | GWP-Wert | 3 | 3 | 675 | | Nennheizleistung | bis 12 kW | 40 kW (kaskadierbar bis 280 kW) | 22,4 bis 116 kW | | Max. Vorlauftemperatur | ca. 75 °C | 75 °C (bis -15 °C Außenluft) | DX-System (Luft-Luft) | | Primäres Einsatzfeld | EFH / ZFH / Sanierung | MFH / Nahwärme / Gewerbe | Bürogebäude / Hotels / Retail | | Regelung | Inverter Scroll / MELCloud | Mehrstufig kaskadiert / Inverter | BC-Controller / M-Net Bus |

City Multi VRF YXM-Serie: Luft-Luft-Effizienz mit integrierter R32-Sicherheitsarchitektur

Parallel zur hydraulischen Wärmebereitstellung bedient Mitsubishi Electric gewerbliche Immobilienprojekte, bei denen Heizen und Kühlen über direkte Kältemittelverdampfung (DX) realisiert werden soll, mit der neuen City Multi YXM-Reihe. Diese VRF-Systeme arbeiten im Leistungsbereich zwischen 22,4 und 116 kW mit dem Kältemittel R32. R32 besitzt gegenüber dem langjährigen Branchenstandard R410A ein um ca. 67 Prozent geringeres Treibhauspotenzial (GWP 675 statt 2.088) sowie eine um rund 10 Prozent verbesserte Wärmeübertragungsleistung bei geringerer Viskosität.

Da R32 gemäß DIN EN 378 und ISO 817 in die Sicherheitsgruppe A2L (schwer entflammbar) eingestuft ist, müssen bei VRF-Direktverdampfungssystemen strikte Grenzkonzentrationen (Practical Limit / LFL) in Aufenthaltsräumen eingehalten werden. Die YXM-Serie integriert werkseitig abgestimmte Sicherheitsfunktionen mit integrierten Gassensoren und Schnellschlussventilen, um den installationsseitigen Mehraufwand für Planer auf das Niveau bisheriger R410A-Projekte zu senken (Plug-and-play-Sicherheitskonzept).

In Verbindung mit den bewährten 2-Leiter-Wärmerückgewinnungssystemen der City Multi R2-Linie ermöglicht der BC-Controller (Building Controller) ein simultanes Kühlen und Heizen: Die bei der Kühlung innenliegender Server- oder Konferenzräume entzogene Enthalpie wird kältemittelseitig direkt in heizbedürftige Fassadenbereiche oder über Wasserwärmetauscher in die Warmwasserbereitung verschoben, was zu saisonalen Systemwirkungsgraden (SEER / SCOP nach EN 14825) von weit über 7,0 führen kann.

Dimensionierung, Hydraulik und Rechnerischer Nachweis der Jahresarbeitszahl

Die projektierte Gesamteffizienz einer Wärmepumpenanlage wird nach VDI 4650 Blatt 1 bzw. DIN EN 14511/EN 14825 nachgewiesen. Der reine Coefficient of Performance (COP) markiert dabei lediglich eine Momentaufnahme unter statischen Prüfbedingungen (z. B. A-7/W35 oder A2/W35). Maßgeblich für die Wirtschaftlichkeit und Förderfähigkeit im Rahmen der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) ist dagegen die Jahresarbeitszahl (JAZ):

$$JAZ = \frac{Q_{ab,gesamt}}{W_{el,gesamt}} = \frac{Q_{Heiz} + Q_{TWE}}{W_{Verdichter} + W_{Regelung} + W_{Pumpen} + W_{Zusatzheizung}}$$

Beispielrechnung: Bestands-Mehrfamilienhaus mit 12 Wohneinheiten

Ein Mehrfamilienhaus im Bestand weist eine berechnete Norm-Heizlast nach DIN EN 12831 von 72 kW bei einer Norm-Außentemperatur von -12 °C auf. Die bestehenden Radiatoren wurden hydraulisch abgeglichen und so dimensioniert, dass die maximale Vorlauftemperatur bei Auslegungsbedingungen auf 55 °C begrenzt werden kann (Auslegung 55/45 °C).

• Gesamtwärmebedarf inkl. Trinkwarmwasser ($Q_{gesamt}$): 115.000 kWh/a
• Installierte Anlage: 2 × Mitsubishi Electric CAHV R290 (Gesamtheizleistung 80 kW im Kaskadenbetrieb)
• Modulationsbereich je Einheit: 25 % bis 100 % über drehzahlgeregelte Inverter-Scrollverdichter
• Ermittelte gewichtete Leistungszahlen (EN 14825 Klimazone Mittel/Straßburg):
  • Teillastbereich A (35 % Last bei -7 °C): $COP = 2,95$
  • Teillastbereich B (54 % Last bei +2 °C): $COP = 3,85$
  • Teillastbereich C (75 % Last bei +7 °C): $COP = 4,70$
  • Teillastbereich D (15 % Last bei +12 °C): $COP = 5,60$
• Berechneter elektrischer Jahresenergiebedarf ($W_{el,gesamt}$): 28.750 kWh/a

$$JAZ_{real} = \frac{115.000\text{ kWh}}{28.750\text{ kWh}} = 4,00$$

Mit einer errechneten JAZ von 4,00 erfüllt die Kaskade die BEG-Mindestanforderungen von 3,0 mühelos und sichert Betreibern maximale Betriebskostenvorteile sowie den Erhalt des BEG-Effizienzbonus für natürliche Kältemittel.

Hydraulische Einbindung und Entkopplung im Kaskadenbetrieb

Um die berechnete JAZ in der Praxis zu erreichen, müssen hydraulische Kurzschlüsse und Taktbetrieb zwingend unterbunden werden. Bei Luft-Wasser-Kaskaden dieser Größenordnung ist der Einsatz eines hydraulischen Entkopplers (hydraulische Weiche oder ausreichend dimensionierter Reihenspeicher im Rücklauf) zwingend erforderlich.

1. Volumenstromkonstanz: Wärmepumpen benötigen im Abtauzyklus (Kreislaufumkehr) einen garantierten Mindestvolumenstrom über den Verdampfer/Verflüssiger-Plattenwärmetauscher, um Vereisungsschäden im Tauscher zu verhindern. Ein Pufferspeicher mit mindestens 20 bis 25 Litern je kW installierter Heizleistung stellt das notwendige thermische Abtauvolumen bereit.
2. Hydraulischer Abgleich: Sämtliche Stränge des Primär- und Sekundärkreises müssen nach Verfahren B hydraulisch einreguliert werden, um Rücklauftemperaturen so niedrig wie möglich zu halten. Jeder Anstieg der Rücklauftemperatur behindert die Kältemittelunterkühlung im Kondensator und mindert die Systemeffizienz.
3. Schichtladespeicher für Trinkwarmwasser: Um die hohen Vorlauftemperaturen von bis zu 75 °C nicht dauerhaft im gesamten System vorhalten zu müssen, empfiehlt sich eine Zonentrennung über Umschaltventile: Der Heizkreis arbeitet witterungsgeführt bei gleitenden Temperaturen zwischen 30 °C und 50 °C, während die CAHV-Kaskade nur bei Anforderung der Warmwasserbereitung kurzzeitig in das Hochtemperatur-Regime wechselt.

Praxishinweis für Planer und Ausführende

Bei der Dimensionierung von R290-Außenaufstellungen sind neben den Mindestabständen zu Fenstern, Lichtschächten und Zündquellen nach DIN EN 378 auch die akustischen Emissionen zu prüfen. Durch den Einsatz gekapselter Scroll-Inverter und strömungsoptimierter Sichelventilatoren halten Großwärmepumpen wie die CAHV Schalldruckpegel ein, die auch in innerstädtischen Wohngebieten gemäß TA Lärm (nächtlicher Immissionsrichtwert von 35 dB(A) im reinen Wohngebiet) bei Einhaltung planmäßiger Abstände realisierbar sind.

Zur präzisen Auslegung passender Komponenten, Regelungsmodule und Split-Lösungen bietet die Plattform www.klimacorner.de Planern, Fachhandwerkern und Endkunden umfassende technische Beratung, herstellerübergreifende Produktvergleiche und abgestimmte Systempakete für die moderne Wärmepumpen- und Klimatechnik.

Hersteller-Videos und Social Media

Passende Videos des Herstellers:

• Mitsubishi Electric Ecodan Heat Pump Overview
• City Multi VRF Technology by Mitsubishi Electric

Aktuelle Beiträge des Herstellers in den sozialen Medien:

• LinkedIn – Offizielle Einblicke von Mitsubishi Electric Europe zu neuen Technologien im Bereich Wärmepumpen und Klimatechnik.
• Facebook – Mitsubishi Electric HVAC: Produkt-Updates und Praxislösungen für Ecodan und City Multi Systeme.