Kaskadierung und Freikühlung im Großgewerbe: S-Klima optimiert R290-Luft-Wasser-Wärmepumpen der SAX- und SAY-Serien

Thermodynamischer Wandel in der Großgewerbe-Heizung und -Kühlung

Im Kontext der verschärften Vorgaben der europäischen F-Gase-Verordnung sowie der Anforderungen des Gebäudeenergiegesetzes (GEG) rückt die Dekarbonisierung industrieller und großgewerblicher Liegenschaften in den planerischen Mittelpunkt. S-Klima – als spezialisierter Komfortklima-Geschäftsbereich der Hamburger Stulz GmbH und etablierter Partner von Mitsubishi Heavy Industries – fokussiert im Herbst 2026 den Ausbau modularer, hochskalierbarer Luft-Wasser-Wärmepumpen- und Kaltwassersatzsysteme. Im Zentrum der technischen Entwicklungen stehen die Baureihen SAX und SAY, die konsequent auf das natürliche Kältemittel R290 (Propan, GWP = 3) und moderne Inverter-Verdichterarchitekturen setzen, um sowohl hohe Vorlauftemperaturen für Heizkreise als auch hochgradig energieeffiziente Prozess- und Gebäudekühlung sicherzustellen.

Traditionell litten monoenergetische Luft-Wasser-Großwärmepumpen bei niedrigen Außenlufttemperaturen unter sinkenden Leistungszahlen (COP) und eingeschränkten Vorlauftemperaturen. Moderne Propan-Wärmepumpen durchbrechen diesen thermodynamischen Zielkonflikt: Durch die vorteilhaften Stoffeigenschaften von R290 – insbesondere das günstige Druckverhältnis, geringere Druckverluste im Kältekreislauf und moderate Heißgastemperaturen – erreichen Einheiten wie die SAX-Serie selbst bei frostigen Bedingungen Vorlauftemperaturen von bis zu +75 °C. Damit lassen sich Bestandsheizkörper ohne hydraulische Kompromisse speisen und zugleich die strengen Vorgaben der Bundesförderung für effiziente Gebäude (BEG) hinsichtlich Effizienz und Umweltverträglichkeit vollumfänglich erfüllen.

Carnot-Wirkungsgrad und Realprozess: Das thermodynamische Fundament

Die theoretische Obergrenze eines jeden Wärmepumpenprozesses beschreibt der Carnot-Wirkungsgrad $\varepsilon_C$, definiert über die absolute Verdampfungstemperatur $T_0$ und die Verflüssigungstemperatur $T_c$ in Kelvin: $$\varepsilon_C = \frac{T_c}{T_c - T_0}$$ Im realen linkslaufenden Kompressionskältekreis wird dieser theoretische Grenzwert durch interne und externe Irreversibilitäten gemindert. Hierzu zählen isentrope Verluste im Verdichter, Drosselverluste im elektronischen Expansionsventil (EEV) sowie Grädigkeiten an den Wärmeübertragern. Der reale Gütegrad $\eta_{WP} = \frac{\text{COP}}{\varepsilon_C}$ moderner Scroll- und Schraubenverdichtersysteme liegt in der Praxis zwischen 0,45 und 0,58.

| Betriebspunkt (Luft/Wasser) | Carnot-COP (ideal) | Realer COP (Inverter R290) | Gütegrad $\eta_{WP}$ | | :--- | :--- | :--- | :--- | | A-7 / W35 | 7,34 | 3,45 | 0,47 | | A2 / W35 | 9,34 | 4,38 | 0,47 | | A7 / W35 | 11,00 | 5,28 | 0,48 | | A-7 / W65 | 4,69 | 2,25 | 0,48 | | A7 / W65 | 5,83 | 3,15 | 0,54 |

Die Gegenüberstellung verdeutlicht, wie entscheidend die Reduktion des Temperaturhubs $\Delta T = T_c - T_0$ für die Effizienz ist. Genau an dieser Stelle greift die Auslegungsstrategie von S-Klima an: Durch modulierende EC-Axialventilatoren mit optimierter Geometrie an den Lamellenwärmetauschern wird die Verdampfungstemperatur $T_0$ im Heizbetrieb so nah wie möglich an die Umgebungslufttemperatur herangeführt. Im Gegenstromprinzip betriebene asymmetrische Plattenwärmetauscher aus Edelstahl minimieren die saug- und verflüssigungsseitigen Grädigkeiten auf unter 2 bis 3 Kelvin.

Hydraulische Bus-Kaskadierung: Skalierbarkeit bis 1,8 MW im Teillastbetrieb

Großprojekte in Industrie, Rechenzentren oder Gewerbeparks verlangen nach Systemen, die Lastspitzen souverän abdecken, zugleich jedoch den Großteil des Jahres in extrem effizienten Teillastbereichen operieren. Die EN 14825 legt fest, dass saisonale Effizienzkennzahlen wie der SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) und der SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) primär durch das Betriebsverhalten bei 25 %, 50 % und 75 % Last bestimmt werden. Reversible Großwärmepumpen müssen sich folglich feinstufig an die geforderte Heiz- oder Kühllast anpassen.

S-Klima löst diese Anforderung über eine durchgängige hydraulische Bus-Kaskadierung. Bei der SAX-Baureihe (34,9 bis 85,1 kW Kühlleistung je Modul) lassen sich bis zu 16 Außengeräte über eine gemeinsame Busleitung hydraulisch zu einem Gesamtsystem mit bis zu 1.360 kW Kälte- bzw. entsprechender Heizleistung zusammenschließen. Die SAY-Großwärmepumpen (115 bis 233 kW Kühlleistung, Heizleistungen bis 268 kW) erlauben den Verbund von bis zu 8 Geräten mit einer kumulierten Gesamtleistung von bis zu 1.864 kW.

Phasengerechte Rotation und Verschleißoptimierung

Die übergeordnete Regelung verteilt die Gesamtanforderung nicht starr, sondern dynamisch nach einem rollierenden Laufzeitprinzip. Jeder Inverter-Verdichter arbeitet dabei bevorzugt im optimalen Drehzahlfenster zwischen 40 und 70 Prozent Nennfrequenz, wo der isentrope Wirkungsgrad sein Maximum erreicht. Fällt die Last ab, werden einzelne Module stufenlos moduliert und bei minimaler Anforderung gezielt hydraulisch entkoppelt. Das verhindert verlustbehaftetes Takten, senkt Anlaufströme auf ein Minimum und schont die mechanischen Komponenten.

Koppelung von Umschaltbetrieb und integrierter Freikühlung

Ein wesentlicher Effizienztreiber im ganzjährigen Gewerbebetrieb – etwa bei kombinierten Produktions- und Bürokomplexen oder EDV-Zentralen – ist die Entkopplung von Kälteerzeugung und Kompressorarbeit in den Übergangs- und Wintermonaten. Während konventionelle Kaltwassersätze selbst bei Minusgraden elektrische Kompressionsarbeit verrichten müssen, integriert S-Klima in ausgewählten Ausführungen der SAX- und SAL-Serien zusätzliche Freikühlregister.

Sobald die Außenlufttemperatur um etwa 2 bis 3 K unter die geforderte Rücklauftemperatur des Wasserkreislaufs sinkt, öffnet ein motorisches 3-Wege-Ventil den Bypass über die Freikühl-Wärmetauscher. Die Wärmeabfuhr erfolgt nun rein über die stromsparenden EC-Ventilatoren, während die Kältekompressoren stufenweise abgeschaltet werden. Der Energy Efficiency Ratio (EER) steigt in diesem Betriebsmodus von typischen Teillastwerten zwischen 4,5 und 6,0 auf Werte von über 25 bis 35 an. In Liegenschaften mit ganzjähriger Kaltwasseranforderung (Vorlauftemperaturen von +12/+7 °C oder EDV-typisch +18/+12 °C) reduziert die Freikühlung den jährlichen Stromverbrauch des Kälte- und Heizsystems um bis zu 45 Prozent.

Beispielrechnung: Energetischer Nutzen der Freikühlung

Gegeben sei eine ganzjährige Kältelast eines Rechenzentrums von konstant 120 kW bei Kaltwassertemperaturen von 18/12 °C. Bei Standort Frankfurt am Main liegen ca. 3.200 Jahresstunden unterhalb von 8 °C Außenlufttemperatur vor, in denen volle Freikühlung möglich ist.

1. Reiner Kompressorbetrieb (ohne Freikühlung): $$\bar{P}{el} = \frac{120,\text{kW}}{\text{EER}{\text{Teillast}}} = \frac{120,\text{kW}}{5{,}2} \approx 23{,}08,\text{kW}$$ Stromverbrauch für 3.200 Stunden: $23{,}08,\text{kW} \times 3.200,\text{h} \approx 73.856,\text{kWh}$

2. Freikühlbetrieb: Ventilator- und Pumpenleistung: ca. $4{,}8,\text{kW}$ (entspricht $\text{EER} = 25$) Stromverbrauch für 3.200 Stunden: $4{,}8,\text{kW} \times 3.200,\text{h} = 15.360,\text{kWh}$

3. Jahreseinsparung im Zeitfenster: $$\Delta W_{el} = 73.856,\text{kWh} - 15.360,\text{kWh} = 58.496,\text{kWh}$$ Bei einem Industriestrompreis von 0,22 €/kWh spart der Freikühlbetrieb somit jährlich rund 12.870 Euro an Betriebskosten ein und entlastet das Stromnetz signifikant.

Sicherheitskonzepte für R290 nach DIN EN 378 und BetrSichV

Als Kohlenwasserstoff der Sicherheitsgruppe A3 ist Propan brennbar. Während Split-Systeme mit Innenleitungen umfangreiche Leckageerkennungssysteme und Abblaseventile nach DIN EN 378 erfordern, besitzen die S-Klima Monoblock-Wärmepumpen und Kaltwassersätze der Serien SAS, SAX und SAY einen prinzipbedingten Sicherheitsvorteil: Der komplette Kältekreis ist hermetisch geschlossen und befindet sich ausschließlich im Außenbereich.

Über hydraulische Zuleitungen gelangt ausschließlich reines Wasser bzw. ein Wasser-Glykol-Gemisch in das Gebäudeinnere. Zur Absicherung im Außengerät implementiert S-Klima ein mehrstufiges Sicherheitskonzept:

• Getrennte, zwangsbelüftete Kompressorkammern mit funkenfreien ATEX-zertifizierten Komponenten.
• Kontinuierliche Drucküberwachung über redundante Hoch- und Niederdruckschalter mit automatischer Sicherheitsabschaltung.
• Strömungswächter im Hydraulikkreis, die bei unzureichendem Durchfluss ein Einfrieren des Plattenwärmetauschers verhindern und das elektronische Expansionsventil sofort in eine definierte Schutzposition fahren.

Intelligente Gebäudeintegration: Gebäudeleittechnik und Netzdienlichkeit

Zur Erzielung optimaler Jahresarbeitszahlen reicht Spitzentechnik auf der Kältekreisseite allein nicht aus; die hydraulische Verzahnung mit der Gebäudeleittechnik (GLT) ist unerlässlich. S-Klima setzt hierbei auf offene Kommunikationsstandards wie Modbus-RTU/TCP und BACnet. Über die netzwerkfähigen Schnittstellen CompTrol 4Web und standardisierte GLT-Gateways können Betriebsdaten in Echtzeit überwacht werden.

Für den Praxisbetrieb bedeutet dies: Die Vorlauftemperatur wird über gleitende Heizkurven dynamisch an die Heizgrenztemperatur angepasst. Im Kühlbetrieb wird bei flächenbasierten Kühldecken oder Fan Coils (wie den abgestimmten Eurapo-Innengeräteserien) über Taupunktsensoren der Vorlauf stets über dem berechneten Taupunkt gehalten, um Kondensatbildung an Bauteiloberflächen zuverlässig zu unterbinden. Zugleich unterstützen die Systeme externe Lastmanagement-Signale (SG Ready / § 14a EnWG), um bei Netzüberlastung die Verdichterleistung netzdienlich abzuregeln oder bei Überschussstrom aus betriebseigener Photovoltaik den Pufferspeicher gezielt zu überladen.

Fazit und Planungsempfehlung

Die konsequente Transformation des Wärmepumpen- und Kaltwassersatzportfolios auf R290 bei S-Klima demonstriert, dass ökologische Kältemittel und industrielle Großleistungen längst kein Widerspruch mehr sind. Dank modularer Kaskadierung bis 1,8 MW, integrierter Freikühloptionen und Vorlauftemperaturen bis 75 °C decken die SAX- und SAY-Serien das komplette Spektrum von der Sanierung gewerblicher Heizsysteme bis hin zur anspruchsvollen Prozessklimatisierung ab.

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