S-Klima Luft-Luft-Wärmepumpen für Gewerbe und Wohnbau

Reversible Direktverdampfungssysteme – allgemein als Split- und Multi-Split-Klimageräte bzw. Luft-Luft-Wärmepumpen bezeichnet – haben in den vergangenen Jahren eine erhebliche Transformation durchlaufen. Längst dienen moderne Inverter-Systeme nicht mehr rein der sommerlichen Spitzenlastkühlung, sondern übernehmen in hocheffizienten Gebäudekonzepten tragende Aufgaben in der Beheizung und Grundlastversorgung. S-Klima, die renommierte Komfortklima-Marke aus dem Hause Stulz und Exklusivvertriebspartner für Mitsubishi Heavy Industries (MHI) in Deutschland, forciert diesen Trend mit technisch fein abgestimmten Multisplit- und Monosplit-Baureihen. Im Fokus stehen dabei nicht nur reduzierte Kältemittelfüllmengen und das Niedrig-GWP-Kältemittel R32, sondern insbesondere optimierte Teillast-Wirkungsgrade, die in praxisrelevanten Jahresarbeitszahlen (JAZ) und hohen saisonalen Heizzahlen (SCOP) resultieren.

Thermodynamische Grundlagen: Der Direktverdampfungs-Heizprozess

Im Heizmodus arbeitet die Luft-Luft-Wärmepumpe als klassische Kompressionskältemaschine im rechtslaufenden Kreisprozess, bei dem die Wärmeaufnahme aus der kalten Außenluft und die Wärmeabgabe direkt an die Raumluft erfolgt. Der entscheidende thermodynamische Vorteil des Direktverdampfungssystems (DX-Technik) gegenüber hydraulischen Luft-Wasser-Wärmepumpen liegt im Entfall einer Wärmeübertragerstufe: Es existiert kein sekundärer Wasserkreislauf mit Vorlauf- und Rücklaufleitungen, Pumpenenergiebedarf sowie zusätzlichen Temperaturgräten am Plattenwärmetauscher.

Das verflüssigte Kältemittel wird über eine Sauggasleitung zum Außengerät geführt, dort über das elektronische Expansionsventil (EEV) entspannt und verdampft im Lamellen-Außenwärmetauscher unter Aufnahme von Umweltenthalpie bei niedrigen Verdampfungstemperaturen $T_0$. Der invertergesteuerte Verdichter saugt den Kältemitteldampf an, komprimiert ihn polytrop auf den Verflüssigungsdruck $p_c$ und schiebt das Heißgas über ein 4-Wege-Umschaltventil direkt in das im Innenraum installierte Wand-, Truhen- oder Kassetteninnengerät. Dort gibt das Fluid seine Enthalpie latent durch Phasenumwandlung bei konstanter Verflüssigungstemperatur $T_c$ sowie sensibel über die Enthitzung an den Raumluftstrom ab.

Der theoretische Grenzwert dieses Prozesses wird durch den Carnot-Leistungsfaktor beschrieben: $$\varepsilon_C = \frac{T_{warm}}{T_{warm} - T_{kalt}}$$ wobei die Temperaturen in Kelvin anzusetzen sind. Bei einer Außenlufttemperatur von 2 °C (275,15 K) und einer gewünschten Raumtemperatur von 21 °C (294,15 K) ergäbe sich rechnerisch ein idealer Carnot-Heizfaktor von über 15. In realen Maschinen mindern irreversible Prozesse – namentlich Strömungsdruckverluste im Kältemittelrohrnetz, elektromagnetische und mechanische Reibungsverluste im Verdichter, Drosselverluste im Expansionsorgan sowie unvermeidliche Temperaturdifferenzen an den Tauscherflächen – diesen Wert auf reelle COP-Werte (Coefficient of Performance) nach DIN EN 14511 zwischen 3,8 und 4,8 im Normauslegungspunkt A2/W20 bzw. A7/A20.

Normen, Jahresaufwandszahlen und die Bewertung nach DIN EN 14825

Für die energetische Gesamtbewertung ist die punktuelle Betrachtung des COP unzureichend. Gemäß DIN EN 14825 und den Vorgaben der Ökodesign-Richtlinie (ErP) wird die Heizeffizienz über die saisonale Leistungszahl SCOP (Seasonal Coefficient of Performance) abgebildet. Der SCOP bildet den Quotienten aus der gesamten jährlichen Heizwärmemenge $Q_{Heiz}$ und dem dafür erforderlichen elektrischen Energieaufwand $W_{el}$ unter standardisierten europäischen Klimaprofilen (Referenzklima Straßburg für die mittlere Klimazone) ab: $$SCOP = \frac{\sum Q_{Heiz}(t_j)}{\sum W_{el}(t_j)}$$

In der Praxis der thermischen Gebäudeplanung nach GEG und DIN V 18599 wird hieraus die Anlagen-Aufwandszahl $e_P$ abgeleitet, welche den reziproken Wert der Jahresarbeitszahl darstellt ($e_P \approx 1 / JAZ$). Je geringer der Verdichtungsdruckhub $(p_c - p_0)$ ausfällt, desto kleiner wird der spezifische elektrische Leistungsbezug. Da Luft-Luft-Innengeräte mit großzügig dimensionierten Querstromventilatoren und gerippten Kupfer-Aluminium-Wärmeübertragern arbeiten, liegt die Kondensationstemperatur $T_c$ oft nur 8 bis 12 Kelvin über der Raumlufttemperatur. Dies verschafft dem DX-System im Teillastbetrieb gegenüber wasserführenden Heizkörper-Systemen, die Vorlauftemperaturen von 45 bis 55 °C erfordern, einen thermodynamischen Wirkungsgradvorteil von bis zu 25 Prozentpunkten.

| Betriebspunkt (Außenluft / Raumluft) | Teillastfaktor nach EN 14825 | Verdichterfrequenz (typisch) | Typischer COP (Inverter-Split) | Gütegrad bezogen auf Carnot | | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | :--- | | -7 °C / 20 °C | 88 % | 75 – 90 Hz | 2,75 – 3,10 | ~0,42 | | +2 °C / 20 °C | 54 % | 45 – 60 Hz | 3,85 – 4,30 | ~0,46 | | +7 °C / 20 °C | 35 % | 25 – 40 Hz | 4,60 – 5,20 | ~0,49 | | +12 °C / 20 °C | 15 % | 18 – 25 Hz | 5,40 – 6,20 | ~0,51 |

Technische Kernkomponenten der S-Klima Split- und Multisplit-Systeme

Die aktuellen Multisplit-Serien (unter anderem die von S-Klima vertriebenen SX-Außengeräteserien von Mitsubishi Heavy Industries) nutzen konstruktive Detaillösungen, um Kältekreisverluste im Dauerbetrieb zu minimieren:

1. Doppel-Rollkolben- und Scroll-Verdichter mit Neodym-Inverter

Das Herzstück bildet ein DC-Inverter-getriebener Verdichter. Gegenüber herkömmlichen Asynchronmotoren besitzen bürstenlose Gleichstrommotoren mit Permanentmagneten einen signifikant höheren Wirkungsgrad im Teillastbereich. Durch das Twin-Rotary-Prinzip (zwei gegenläufig exzentrisch gelagerte Rollkolben) heben sich Massenkräfte erster und zweiter Ordnung nahezu vollständig auf. Dies dämpft Schwingungsübertragungen auf das Kältemittelrohrnetz, reduziert Schallemissionen auf Werte von unter 45 dB(A) im Freifeld und ermöglicht einen Modulationsbereich von 15 % bis 100 % der Nennfrequenz.

2. Elektronische Expansionsventile (EEV) mit Schrittmotorsteuerung

Im Heizbetrieb steuert ein mikroprozessorgeregeltes EEV mit bis zu 500 feinen Regelschritten die Überhitzung am Verdampferausgang präzise im Bereich von 2 bis 5 Kelvin ein. Bei Multisplit-Systemen, an denen zwei bis sechs Innengeräte parallel betrieben werden, übernimmt jedes Innengerät bzw. die zentrale EEV-Verteilerleiste im Außengerät die proportionale Zuteilung des Kältemittelmassenstroms $\dot{m}$. Dies verhindert das Fluten des Akkumulators und stellt gleichzeitig eine maximale Ausnutzung der inneren Wärmeübertragerflächen sicher.

3. Bedarfsabhängige Heißgas-Abtauung (Demand Defrosting)

Fällt bei feuchtkalter Witterung (Außentemperaturen zwischen -2 °C und +5 °C) die Verdampferoberflächentemperatur unter den Taupunkt und den Gefrierpunkt, bildet sich Reif auf den Lamellen. S-Klima setzt auf intelligente Sensorik: Statt rein zeitgesteuerter Abtauzyklen überwacht die Anlagenlogik kontinuierlich die Differenz zwischen Verdampfungstemperatur $T_0$ und Umgebungstemperatur sowie die Strömungsdruckabfälle. Erst bei nachweisbarem Luftstromabfall kehrt das 4-Wege-Ventil für 90 bis 180 Sekunden die Kältekreisrichtung um. Durch Heißgaseinspritzung schmilzt das Eis rasch ab, bevor das System ohne spürbaren Temperaturabfall im Innenraum in den Heizbetrieb zurückwechselt.

Dimensionierung und kältetechnische Auslegung im Praxisbeispiel

Für die ordnungsgemäße Planung einer Multi-Split-Wärmepumpenanlage ist eine raumweise Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 zwingend erforderlich. Ein häufiger Planungsfehler besteht in der ausschließlichen Dimensionierung auf die Kühllast, was im monovalenten oder bivalent-parallelen Heizbetrieb bei Norm-Außentemperaturen von -10 °C bis -12 °C zu Leistungsmängeln führen kann.

Berechnungsbeispiel: Praxisdimensionierung für 3 Zonen

Ein gewerbliches Ingenieurbüro mit drei Büroeinheiten weist eine Gesamtheizlast von 6,8 kW bei $-10,^\circ\text{C}$ Norm-Außentemperatur auf:

• Büro 1: $Q_{HL,1} = 2,5,\text{kW}$
• Büro 2: $Q_{HL,2} = 2,3,\text{kW}$
• Büro 3: $Q_{HL,3} = 2,0,\text{kW}$

Gewählt wird ein Außengerät mit einer Nennheizleistung von 8,0 kW (ausgelegt bei A7/A20). Unter Berücksichtigung der Kälteleistungsabnahme bei sinkenden Außentemperaturen (Derating-Kurve) stellt das Aggregat bei $-10,^\circ\text{C}$ noch 72 % der Nennleistung zur Verfügung: $$Q_{eff} = 8,0,\text{kW} \times 0,72 = 5,76,\text{kW}$$

Da eine Differenz von $1,04,\text{kW}$ zur errechneten Auslegungslast besteht, wird entweder eine geringfügige Überdimensionierung der Außeneinheit auf eine 10-kW-Klasse gewählt oder ein Bivalenzpunkt bei $-6,^\circ\text{C}$ definiert, ab dem eine bestehende Zusatzheizung stützt. Im Kühlfall benötigt das Gebäude maximal $5,2,\text{kW}$, wodurch das System im Sommer mit einer idealen Teillastquote von 60 bis 70 % operiert – dem Punkt des höchsten EER (Energy Efficiency Ratio).

Kältemittelrechtliche Leitplanken: F-Gase-Verordnung (EU) 2024/573

Mit dem Inkrafttreten der novellierten europäischen F-Gase-Verordnung (EU) 2024/573 gelten für Split- und Multisplit-Klimageräte strikte GWP-Obergrenzen (Global Warming Potential). Für steckerfertige Single-Split-Geräte mit Füllmengen unter 3 kg greift ein GWP-Grenzwert von 150 ab 2025/2027 je nach Leistungsklasse, während für größere Multisplit- und VRF-Systeme schrittweise Übergangsfristen bis 2030 gelten.

S-Klima hat das gesamte Split-Sortiment auf Difluormethan (R32, GWP 675 nach IPCC AR4) umgestellt. R32 besitzt im Vergleich zum früher dominierenden R410A (GWP 2088) nicht nur ein um 68 % geringeres Treibhauspotenzial, sondern auch eine um ca. 20 % höhere volumetrische Kälteleistung. Dies erlaubt geringere Rohrdurchmesser im Cu-Netz, verringert den Kältemittelbedarf um ca. 15 bis 30 % je kW Leistung und reduziert Strömungsdruckverluste in den Steig- und Saugleitungen spürbar.

Fazit und Planungsempfehlung für die Praxis

Moderne Luft-Luft-Wärmepumpen von S-Klima belegen, dass Kompressionswärmepumpen im Direktverdampfungsprinzip eine energetisch hochentwickelte, baulich flexible und reaktionsschnelle Lösung für das Raumklima darstellen. Dank stufenloser Invertermodulation, intelligenter EEV-Regelung und zukunftssicherer R32-Technologie erreichen diese Systeme hervorragende SCOP-Werte über 4,6 und stellen somit eine vollwertige, dekarbonisierte Heiz- und Kühlinfrastruktur dar.

Fachplaner, Kälte-Klima-Betriebe und Bauherren, die Unterstützung bei der kältetechnischen Dimensionierung, Materialauswahl oder Auslegung energieeffizienter Systeme benötigen, finden bei Klimacorner.de eine fundierte Fachberatung sowie ein abgestimmtes Sortiment führender Wärmepumpen- und Klimatechnik.

Hersteller-Videos und Social Media

Passende Videos des Herstellers:

• S-Klima Produktwelt und Klimatechnik

Aktuelle Beiträge des Herstellers in den sozialen Medien:

• LinkedIn – Aktuelle Entwicklungen zu energieeffizienten Wärmepumpen und Inverter-Systemen bei Klimacorner