Inverter-Kaltwassersätze von S-Klima für F-Gase-Konformität

Die europäische Kältetechnik befindet sich im Spätsommer 2026 in einer intensiven Modernisierungsphase. Durch die verschärften Stufen der novellierten F-Gase-Verordnung (EU) 2024/573, die steigenden Anforderungen des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) und drastisch gestiegene Energiekosten geraten konventionelle Kälteanlagen zunehmend unter Druck. In industriellen Prozessen, Rechenzentren sowie großflächigen Gewerbeimmobilien verlagert sich der Schwerpunkt zusehends auf Kaltwassersätze und Chiller mit stufenloser Leistungsregelung. Der Hamburger Kälte- und Klimatechnikspezialist S-Klima – als zentrale Fachmarke von STULZ und exklusiver Vertriebspartner für Klimasysteme von Mitsubishi Heavy Industries in Deutschland – reagiert darauf mit dem Ausbau modularer Inverter-Kaltwassersatz-Serien sowie reversiblen Systemen der Baureihe Hydrolution PRO.

Thermodynamische Grundlagen: Der reale Kältekreisprozess im Chiller

Ein Kaltwassersatz hat die Aufgabe, einem hydraulischen Sekundärkreislauf thermische Energie auf niedrigem Temperaturniveau zu entziehen und diese auf einem höheren Niveau an die Umgebung abzuführen. Die theoretische Obergrenze des Wirkungsgrads wird durch den Carnot-Prozess bestimmt. Die maximale theoretische Leistungszahl bei Kältebetrieb ($COP_{Carnot}$ bzw. $EER_{Carnot}$) berechnet sich aus dem Verhältnis der absoluten Verdampfungstemperatur $T_{Verdampfung}$ zur Temperaturdifferenz zwischen Verflüssigung und Verdampfung:

$$EER_{Carnot} = \frac{T_{Verdampfung}}{T_{Verfluessigung} - T_{Verdampfung}}$$

Im realen Kälteanlagenbau weicht der Kreisprozess im $\log p, h$-Diagramm (Druck-Enthalpie-Diagramm) durch irreversible Vorgänge deutlich vom Idealzustand ab. Vier Hauptkomponenten steuern den kontinuierlichen Phasenwechsel:

1. Verdichter (Kompressor): Saugt überhitztes Kältemittelgas bei niedrigem Druck an und verdichtet es polytrop auf Verflüssigungsdruck. Hierbei fallen innere Reibungsverluste und isentrope Wirkungsgrade an.
2. Verflüssiger (Kondensator): Enthitzt, verflüssigt und unterkühlt das Heißgas durch Wärmeübertragung an die Umgebungsluft oder an einen Kühlwasserkreislauf.
3. Expansionsorgan (Elektronisches Expansionsventil, EEV): Drosselt das flüssige Kältemittel isenthalp auf Verdampfungsdruck ab, wodurch ein Nassdampfgemisch entsteht.
4. Verdampfer (Plattenwärmetauscher): Das siedende Gemisch nimmt Verdampfungsenthalpie aus dem Wasserkreislauf auf, kühlt das Wasser auf das gewünschte Sollniveau (z. B. 7 °C) ab und überhitzt das Sauggas leicht, um Flüssigkeitsschläge im Verdichter zu unterbinden.

Inverter-Regelung versus starrer Konstantdrehzahlbetrieb

Klassische Chiller mit Konstantdrehzahl-Verdichtern schalten taktend (On/Off) ein und aus. Das führt zu hohen thermischen Wechselbeanspruchungen, Verdichterverschleiß durch häufige Anlaufströme und massiven Exergieverlusten. S-Klima setzt bei modernen Kaltwassersätzen konsequent auf bürstenlose Gleichstrommotoren (BLDC) mit Frequenzumrichtern.

Durch die stufenlose Modulation der Verdichterdrehzahl passt sich die Kälteleistung exakt der momentanen Kühllast an. Sinkt die erforderliche Last, vergrößern sich die wirksamen Tauscherflächen im Verhältnis zum Kältemittelmassenstrom. Die Verflüssigungstemperatur sinkt, die Verdampfungstemperatur steigt an, wodurch die Druckdifferenz schrumpft. Das Resultat ist ein drastischer Anstieg des saisonalen Kälteleistungsgrads (SEER nach EN 14825).

| Betriebsparameter | Konventioneller On/Off-Chiller | Inverter-Kaltwassersatz (S-Klima Portfolio) | | :--- | :--- | :--- | | Teillast-Wirkungsgrad (EER bei 50 % Last) | ca. 2,8 – 3,2 | ca. 4,6 – 5,4 | | Vorlauftemperatur-Stabilität | $\pm 1,5$ bis $\pm 2,0$ K | $\pm 0,3$ bis $\pm 0,5$ K | | Netzbelastung beim Verdichterstart | 5- bis 7-facher Nennstrom | Sanftanlauf (Soft-Start), $I_{Start} \le I_{Nenn}$ | | Hydraulischer Pufferspeicher-Bedarf | Groß (mind. 15–20 l/kW) | Gering (ca. 5–8 l/kW) | | Schallpegel im Teillastbetrieb | Konstant hoch (100 %) | Signifikant reduziert (-6 bis -10 dB(A)) |

Auslegung und hydraulische Dimensionierung in der Praxis

Für eine betriebssichere Kaltwasseranlage ist die genaue Abstimmung von Kältekreis und Hydraulik entscheidend. Die kälteseitig abzuführende Leistung $\dot{Q}_{Kaelte}$ bestimmt den erforderlichen Kaltwasser-Volumenstrom $\dot{V}_w$ im Sekundärnetz:

$$\dot{Q}_{Kaelte} = \dot{m}w \cdot c_p \cdot \Delta T = \rho_w \cdot \dot{V}w \cdot c_p \cdot (T{Ruecklauf} - T{Vorlauf})$$

Berechnungsbeispiel: Serverraum- und Technikzonenkühlung

Ein industrielles Gewerbeobjekt erfordert eine konstante Kälteleistung von $\dot{Q}_{Kaelte} = 50\text{ kW}$ zur Abfuhr sensibler Wärmelasten. Die Auslegungstemperaturen im Kaltwassernetz betragen klassisch $12\text{ }^\circ\text{C}$ im Rücklauf und $7\text{ }^\circ\text{C}$ im Vorlauf (Spreizung $\Delta T = 5\text{ K}$). Bei reinem Wasser betragen die Dichte $\rho \approx 1000\text{ kg/m}^3$ und die spezifische Wärmekapazität $c_p \approx 4,18\text{ kJ/(kg}\cdot\text{K)}$.

Der notwendige Volumenstrom errechnet sich wie folgt:

$$\dot{V}_w = \frac{50\text{ kW}}{1000\text{ kg/m}^3 \cdot 4,18\text{ kJ/(kg}\cdot\text{K)} \cdot 5\text{ K}} = 0,00239\text{ m}^3\text{/s} \approx 8,61\text{ m}^3\text{/h}$$

Bei Verwendung von Ethylenglykol (z. B. 30 % Frostschutzgemisch für Außenaufstellung) sinkt die spezifische Wärmekapazität auf rund $3,80\text{ kJ/(kg}\cdot\text{K)}$, während die Dichte auf rund $1045\text{ kg/m}^3$ steigt. Um denselben Kältestrom abzuführen, muss der Pumpenvolumenstrom auf rund $9,07\text{ m}^3\text{/h}$ angehoben werden. Zudem steigen die rohrleitungsseitigen Druckverluste $\Delta p_{Hydr}$ durch die höhere kinematische Viskosität um ca. 20 bis 30 Prozent, was bei der Pumpenauslegung und der Druckverlustberechnung der Plattenwärmetauscher exakt eingerechnet werden muss.

F-Gase-Verordnung und Kältemittelpfade: Strategie für Chiller und Kälteanlagen

Die novellierte EU-F-Gase-Verordnung verlangt eine drastische Reduktion fluorierter Treibhausgase nach dem Phase-Down-Modell. Für Kältefachbetriebe und Planer bedeutet dies, dass Chiller-Neuanlagen mit Kältemitteln hohen Treibhauspotenzials (GWP) wie R410A (GWP 2088) mittelfristig keine zukunftssichere Basis mehr darstellen.

S-Klima treibt im Segment der Komfort- und Prozesskälte eine zweigleisige Kältemittelstrategie voran:

• A2L-Sicherheitskältemittel (R32): Mit einem GWP von 675 bietet R32 hervorragende volumetrische Kälteleistungen und sehr gute Wärmeübergangskoeffizienten. In geschlossenen Außenkaltwassersätzen entfallen aufwendige Sicherheitsvorkehrungen in Innenräumen, da der Kältekreis hermetisch im Außengerät verbleibt und lediglich Wasser oder Sole ins Gebäude transportiert wird.
• Natürliche Kältemittel (R290, Propan): Für reversible Chiller und Kaltwassersätze gewinnt Propan (GWP < 1) rasch an Bedeutung. R290 weist ein thermodynamisch ideales Druckverhältnis und sehr geringe Drosselverluste auf. Aufgrund der A3-Klassifizierung (brennbar) erfordert die Aufstellung strenge Schutzzonen nach DIN EN 378 und VDI 4646. Freiaufstellungen mit automatischen Entlüftungsöffnungen und eigensicheren Komponenten ermöglichen den gefahrlosen Einsatz auch in dicht bebauten Industriearealen.

Normative Leitplanken: EN 378, VDI 2050 und GEG 2026

Im professionellen Kälteanlagenbau müssen Betreiber und Fachplaner ein dichtes Regelwerk einhalten:

• DIN EN 378: Definiert die Sicherheits- und Umweltanforderungen für Kälteanlagen. Sie regelt maximale Füllmengen, Maschinenraum-Belüftungen sowie Explosionsschutzanforderungen je nach Aufstellungsort und Kältemittelklasse (A1, A2L, A3).
• DIN EN 14825 & EN 14511: Regeln die Prüfbedingungen und Berechnungsverfahren zur Ermittlung des SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) und SCOP. Moderne Kaltwassersätze müssen nach der Ökodesign-Richtlinie (ErP) strenge Mindestwirkungsgrade im Voll- und Teillastbetrieb nachweisen.
• VDI 4670 und VDI 2050: Enthalten die Richtlinien für die thermische und hydraulische Einbindung von Kältezentralen in die Gebäudetechnik, einschließlich freier Kühlung (Free-Cooling) zur Entlastung des Kompressors bei niedrigen Außentemperaturen.

Fazit und Praxiseinordnung

Die Anforderungen an moderne Kältetechnik steigen: Maximale Energieeffizienz, normgerechte Sicherheit bei Kältemitteln mit niedrigem GWP und exakte Temperaturführung im Teillastbetrieb sind die Standardkriterien des Jahres 2026. Hersteller wie S-Klima bieten mit invertergeregelten Kaltwassersätzen, moderner Scroll-Technologie und flexiblen Einbindungsmodulen verlässliche Lösungen für das Fachhandwerk.

Für SHK- und Kälte-Klima-Fachbetriebe, Planer und Bauherren, die zukunftssichere Kälte- und Klimatechnik passgenau dimensionieren und beziehen möchten, bietet der Fachshop klimacorner.de eine breite Auswahl an Markengeräten, Zubehör sowie qualifizierte Beratung zur Auslegung von Systemen für Gewerbe, Büro und Wohnraum.