Welche Wärmepumpe eignet sich für welches RLT-Gerät?

• Wichtige Fragen zum Projektbeginn
• Lufttemperierung „WRG plus Wärmepumpe“
• System 1: Integrierter Kälteerzeuger mit externem Verflüssiger/Rückkühler
• System 2: Der integrierte Kälte- und Wärmeerzeuger
• System 3: Die Klima-Split-Anlage
• System 4: Lüftungsanlage mit Wasserkühlsatz oder externer Monoblock-Wärmepumpe
• Die Verdichterauswahl
• Fazit

Mit dem Inkrafttreten des neuen Gebäudeenergiegesetzes (GEG) Anfang 2024 wird die Abwärme in einer lüftungstechnischen Anlage nur noch dann als regenerative Energie anerkannt, wenn sie in einer Wärmepumpe genutzt wird. Ein Fachbeitrag der Wolf GmbH, Mainburg, erläutert verschiedene Möglichkeiten zum Einsatz von Wärmepumpen in RLT-Geräten insbesondere im Zusammenwirken mit einer im Gerät installierten Wärmerückgewinnung.

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Bei RLT-Anlagen ist deren Ausstattung mit Systemen zur Wärmerückgewinnung noch nicht alles, um deren Effizienz zu steigern. Für die meisten Anwendungen muss die in der Wärmerückgewinnung vortemperierte Außenluft im RLT-Gerät zum Erreichen der gewünschten Zulufttemperatur anschließend noch gekühlt oder erwärmt werden. Hier stellt die Wärmepumpe für Lüftungsgeräte eine sinnvolle und energieeffiziente Ergänzung dar. Je nach Anwendungsfall gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Luft mit Wärmepumpen zu temperieren.

Wichtige Fragen zum Projektbeginn

Die Nutzung von Umweltenergie durch den Wärmepumpenprozess ist sowohl ökologisch als auch ökonomisch eine effiziente Art, Heiz- und Kühlenergie bereitzustellen. Wie im Heizungsbereich etabliert sich die Wärmepumpe zunehmend auch in der LüKK. Bei der Auswahl der richtigen Wärmepumpentechnik für ein Lüftungsgerät für eine bestimmte Anwendung müssen im Vorfeld mehrere grundsätzliche Fragen geklärt werden:

• Mit welcher Toleranz muss die Zulufttemperatur geregelt werden?
• Ist die Luftmenge konstant oder wird diese auf Basis des Bedarfs geregelt?
• Sind Zu- und Abluftmengen identisch oder unterschiedlich groß?
• Welche Art der Wärmerückgewinnung soll im RLT-Gerät eingesetzt werden?
• Wird ausschließlich mit Außenluft belüftet oder sind Misch- oder Umluftbetrieb zu berücksichtigen?
• Soll im Sommer neben der Kühlung auch eine Entfeuchtung der Luft erfolgen?
• Wie sind die Platzverhältnisse zur Innen- oder Außenaufstellung des Geräts?
• Welche Schallgrenzwerte sind gemäß der TA-Lärm (Technische Anleitung zum Schutz gegen Lärm) einzuhalten?

Lufttemperierung „WRG plus Wärmepumpe“

Vorzugsweise sollte die Planung einer RLT-Anlage gemäß DIN EN 16798 Teil 1 „Lüftung von Gebäuden – Eingangsparameter für das Raumklima“ (2022) auf die hygienisch erforderliche Luftmenge für die Menschen unter Berücksichtigung der Gebäudeemissionen abgestimmt sein. Dies sind meist etwa 30 bis 50 m³/h Außenluft pro Person. Eine Dimensionierung der Luftmenge zur Deckung von Heiz- und Kühllasten führt dagegen erfahrungsgemäß zu 3- bis 5-fach höheren Luftmengen und größerem Platzbedarf der Lüftungskomponenten sowie zu deutlich höheren Investitions- und Betriebskosten. Darüber hinaus kann mit einer „Hygieneluftmenge“ in Kombination mit zusätzlichen, dezentralen Heiz- und Kühlflächen eine Temperaturzonierung im Gebäude erreicht werden.
Das Ziel der Gebäudeklimatisierung, jahreszeitlich angepasst Zuluft konstant mit angenehmer Temperatur bereitzustellen, kann platzsparend und wirtschaftlich mit dem Einsatz von Wärmepumpen erreicht werden. Hier können grundsätzlich vier Systeme unterschieden werden:

1. Ein im RLT-Gerät integrierter Kälteerzeuger mit externem Verflüssiger/Rückkühler zur Kühlung der Zuluft
2. Eine im RLT-Gerät integrierte reversible Wärmepumpe mit internem Verdampfer sowie einem internen Verflüssiger zum Heizen und Kühlen
3. Eine externe Split-Wärmepumpe zum Heizen und Kühlen
4. Eine externe Monoblock-Wärmepumpe (reversibler Wasserkühlsatz), die über einen Wasserkreislauf mit Pufferspeicher Heiz- und Kühlenergie für die Lüftungsanlage bereitstellt.

System 1: Integrierter Kälteerzeuger mit externem Verflüssiger/Rückkühler

Die in Abbildung 1 dargestellte Anordnung mit einer im RLT-Gerät integrierten Kältemaschine und einem externen Verflüssiger ermöglicht aufgrund der beliebig verfügbaren Kühlluftmenge (Außenluft) im Verflüssiger eine hohe Effizienz und niedrige Temperaturniveaus.

Das System in Abbildung 1 ist besonders für große Kühllasten eine ideale Konfiguration. Das gleiche gilt für die Zuluft-Entfeuchtung. Die Nacherwärmung nach der optionalen Entfeuchtung kann entweder mit externer Heizenergie oder über das Heißgasverteilventil im Kältekreis und einem zusätzlichen Verflüssigerregister erfolgen. Der im Freien aufgestellte Verflüssiger/Rückkühler arbeitet weitgehend autark und regelt seine Leistung über den Kältemitteldruck selbst.
Der große Vorteil dieser Variante liegt in der vom Fortluftstrom der RLT-Anlage unabhängigen Kühlleistung. Damit können auch große Umluftanteile realisiert werden. Auch variable Luftvolumenströme sind möglich. Dafür ist entscheidend, dass der Verdichter unterhalb der Modulationsgrenze in den Taktbetrieb übergeht und somit Temperatursprünge in der Zuluft verursacht werden. Die untere Leistungsgrenze der Kälteanlage wird durch die Regelung und die eingesetzte Verdichtertechnik bestimmt.
Grundsätzlich gilt: Je geringer die Luftmenge ist, desto größer fallen die Temperatursprünge im Taktbetrieb aus. In der Planungsphase sollte ebenfalls berücksichtigt werden, dass der Einsatz eines externen Verflüssigers einen geeigneten Aufstellort erfordert. Dabei muss sowohl auf eine ausreichende Außenluftversorgung zur Wärmeabführung als auch auf die Mindestabstände für den Schallschutz geachtet werden.

System 2: Der integrierte Kälte- und Wärmeerzeuger

Die in Abbildung 2 dargestellte, ins RLT-Gerät integrierte reversible Wärmepumpe kann als zusätzliche Wärmerückgewinnung betrachtet werden.

Ein komplett im Lüftungsgerät integrierter reversibler Kältemittelkreislauf hat den Vorteil, dass das Lüftungsgerät unabhängig von wasserführenden Rohrleitungen und externen Installationen aufgestellt werden kann. Die benötige Wärme- oder Kälteleistung wird stets dann erzeugt, wenn sie benötigt wird. Die Umkehr des Kältemittelflusses ermöglicht einen Wechsel zwischen Kühl- und Heizbetrieb. Die Register werden wechselweise als Verflüssiger oder als Verdampfer genutzt. Ein RLT-Gerät mit einer integrierten reversiblen Wärmepumpe ist kompakt und kostengünstig in der Investition, denn es werden keine zusätzliche Gerätetechnik oder Installationen im Außenbereich benötigt. Auch der Installationsaufwand vor Ort ist gering, und ein einfacher Grundrahmen reicht für die Montage im Technikraum aus.
Im Kühlbetrieb entzieht das Verdampferregister der Wärmepumpe der Außenluft nach der Wärmerückgewinnung die Wärmeenergie und gibt diese als Abwärme über das integrierte Verflüssigerregister an die Fortluft ab. Damit wird aber auch klar, dass dabei nur so viel Kälteleistung zur Luftkühlung erzeugt werden kann, wie die Fortluft als Abwärme der Wärmepumpe aufnehmen kann.
Vor allem im Winter sind einige Besonderheiten zu beachten, denn im Heizbetrieb entzieht das zum Verdampfer gewordene Register der Fortluft nach der Wärmerückgewinnung die zum Heizen benötigte Energie. Der Verdampfungspunkt muss dafür entsprechend niedrig eingestellt werden. Dies treibt die Temperaturspreizung zwischen Fortluft und Zuluft hoch, was wiederum die Effizienz des Systems beeinträchtigt.
Die im Winterbetrieb nach der WRG vom Verdampfer stark abgekühlte, feuchte Fortluft scheidet ihre Feuchte im Verdampferregister ab. Dadurch bildet sich bei Fortlufttemperaturen unter dem Gefrierpunkt auf der Verdampferoberfläche eine Eisschicht. Diese Vereisung liegt in der Natur der Sache; im Außentemperaturbereich von -5 °C bis +5 °C findet dieser Vorgang teilweise mehrfach pro Stunde statt. Die dann notwendige Abtauung kann zum Beispiel mit Elektroheizstäben im Verdampferregister realisiert werden oder durch einen kurzzeitigen Umkehrbetrieb der Wärmepumpe. Dann steht aber während des Abtaubetriebes keine „Wärmepumpen-Heizenergie“ zu Erwärmung der Zuluft zur Verfügung.
Beim Einsatz eines Plattenwärmeübertragers im RLT-Gerät tritt das Problem der Vereisung auf der Fortluftseite der Wärmerückgewinnung ebenfalls auf. Um dies zu verhindern, kann ein Teil der kalten Außenluft über eine Bypassklappe um den Wärmeübertrager herumgeführt werden. Das erhöht aber den Heizenergiebedarf zum Erreichen der gewünschten Zulufttemperatur. Auch wenn dieser Betriebszustand nur wenige Stunden im Jahr auftritt und damit energetisch weniger relevant ist, muss aus Komfortgründen ein ausreichend dimensioniertes „Backup-Heizsystem“ vorhanden sein.
Ein Plattenwärmeübertrager oder auch ein Kreislaufverbundsystem (KVS) wären demnach technisch die schlechtere Wahl. Wird stattdessen ein Rotationswärmeübertrager eingesetzt, ist nicht mit Kondensations- oder Vereisungseffekten an der Wärmerückgewinnung zu rechnen.
Ein Umluftbetrieb mit einem integrierten Kälte- und Wärmeerzeuger schließt sich in jedem Fall aus, und ein Betrieb der RLT-Anlage mit variablen Luftvolumenströmen ist nur eingeschränkt möglich.
Die erforderliche Kühlleistung für eine im Sommer oft gewünschte geregelte Entfeuchtung kann mit diesem System nur eingeschränkt erbracht werden.

System 3: Die Klima-Split-Anlage

Eine weitere Möglichkeit zum Einsatz von Wärmepumpen in RLT-Anlagen bietet sich mit einer Klima-Split Anlage, siehe Abbildung 3.

„Split“ bedeutet in diesem Fall, dass eine oder mehrere Split-Wärmepumpen im Außenbereich einen Kältemittelkreislauf mit einem ein- oder mehrkreisigen Register im Lüftungsgerät bilden. Je nach Heiz- oder Kühlbetrieb arbeitet entweder das Register im Lüftungsgerät als Verdampfer (Kühlbetrieb) oder das Register in der externen Wärmepumpe (Heizbetrieb).
Auch diese Lösung ist kompakt und sowohl in der Investition als auch in der Installation kostengünstig, weil sie ohne externe Kalt- und Warmwasserversorgung auskommt. Damit entfällt auch eine frostsichere Verrohrung oder Glykolfüllung, wie sie zum Beispiel für ein wasserbasiertes System erforderlich wäre.
Bei einer Kaskadierung werden im Lüftungsgerät mehrkreisige, verzahnte Verdampferregister eingesetzt, die mehrere getrennte Kältekreise zum Anschluss an die Außeneinheiten beinhalten. Die Kaskadierung von mehreren Außeneinheiten bietet neben der Leistungserweiterung auch den Vorteil der Redundanz und erlaubt deutlich kleinere Modulationsgrenzen. So könnte beispielsweise bei einem Kühlbedarf von 10 kW eine Split-Wärmepumpe mit einem Leistungsbereich von 4,0 bis 11,2 kW oder alternativ eine Zweierkaskade mit zweimal 1,0 bis 5,8 kW Leistung eingesetzt werden. Die kleinste Kühlleistung (und damit der Beginn des Taktbetriebes) kann dadurch im Beispiel der Zweierkaskade von 4 kW auf 1 kW verringert werden. Der Temperatursprung, der sich zwangsläufig beim „Takten“ ergibt, reduziert sich dann ebenfalls auf ein Viertel.
Bei einem Luftvolumenstrom von 3.000 m³/h ergibt sich rechnerisch im Taktbetrieb bei einem Einzelgerät ein Temperatursprung von etwa 4 K und im Beispiel der Kaskade von nur rund 1 K. Wenn der Luftvolumenstrom variabel auf zum Beispiel 1.500 m³/h halbiert wird, verdoppeln sich diese Temperatursprünge.
Für eine Kaskadierung spricht ebenfalls der Abtaumodus im Heizbetrieb. Dieser Betriebszustand wird durch die Redundanz von zwei bis zu fünf Außeneinheiten allein dadurch „entschärft“, dass nicht alle Außeneinheiten gleichzeitig in den Abtaumodus schalten. Oft reicht dann eine kleine, kurzzeitige Verringerung des Luftvolumenstroms aus, um die Zulufttemperatur konstant zu halten. Um beim Einzelgerät den Effekt der Abtauung abzufedern, muss die Zuluft entweder mit Hilfe eines Elektroheizregisters nacherwärmt werden oder der Zuluftventilator wird während des Abtauvorgangs abgeschaltet.
Wie bei Variante 1 mit dem externen Verflüssiger können auch bei der Split-Variante Umluftbetrieb sowie variable Luftvolumenströme realisiert werden. Aufgrund der Verdampfungstemperatur ist auch diese Variante aber nur sehr eingeschränkt für die gezielte Entfeuchtung der Zuluft geeignet.

System 4: Lüftungsanlage mit Wasserkühlsatz oder externer Monoblock-Wärmepumpe

Eine Lüftungsanlage mit einer extern aufgestellten Monoblock-Wärmepumpe vereint die meisten der bisher genannten Vorteile (Abbildung 4) in einem System. Sie besteht aus den Einzelkomponenten:

• RLT-Gerät
• Monoblock-Wärmepumpe (oder Wasserkühlsatz) mit Außen- und Inneneinheit
• Pufferspeicher für Kaltwasser/Warmwasser
• Heiz-/Kühlregister (change-over) im RLT-Gerät.

Die Außeneinheit der Monoblock-Wärmepumpe arbeitet mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf. Die erzeugte thermische Leistung wird über einen kleinvolumigen, frostsicheren Wasserkreislauf auf das Innengerät und von dort auf den Pufferspeicher und den Wärmeübertrager (change-over für Heiz-/Kühlbetrieb) im Lüftungsgerät übertragen.
Im Gegensatz zu den Kältemitteln R407C, R513A, R410A und R32 mit hohen Treibhauswerten, die als typische Kältemittel in Klimakälteanlagen eingesetzt werden, kann bei einer Monoblock-Wärmepumpe auch das natürliche und umweltfreundliche Kältemittel Propan (R290, GWP 3) eingesetzt werden. Es besteht keine Gefahr des Kältemitteleintrages in das Lüftungsgerät.
In Kombination mit einem Pufferspeicher für Kalt- und Warmwasser ermöglicht diese Anordnung einen kontinuierlichen Heizbetrieb und zugleich einen stufenlosen Kühlbetrieb und dies mit sehr fein regelbaren Zulufttemperaturen. Auch der Abtauprozess der Monoblock-Wärmepumpe im Heizbetrieb führt zu keiner Unterbrechung der Erwärmung der Zuluft, weil die Energie für beide Prozesse mit Heizwasser aus dem Pufferspeicher bereitgestellt wird. Zur Leistungserweiterung bietet sich auch hier die Möglichkeit einer Kaskadierung an. Wenngleich diese Variante die kostenintensivste Option darstellt, bietet sie im Betrieb durch die Vielzahl der möglichen Betriebsmodi viele Vorteile:

• Heizen, Kühlen und Entfeuchten
• bedarfsgerechte, variable Luftvolumenströme
• Umluftbetrieb
• keine Betriebsunterbrechung oder Zusatzmaßnahmen für den Abtaubetrieb der Wärmepumpe erforderlich
• keine Einschränkungen bei der Auswahl des Wärmerückgewinnungssystems
• kein Kältemittel im Lüftungsgerät.

In der Planungsphase für die Kombination eines RLT-Geräts mit einer externen Monoblock-Wärmepumpe (Wasserkühlsatz) mit Pufferspeicher muss berücksichtigt werden, dass ein geeigneter Aufstellort erforderlich ist. Es muss auf eine ausreichende Außenluftversorgung der Kälteanlage und auf die Mindestabstände für den Schallschutz geachtet werden.

Die Verdichterauswahl

Elementar für den Betrieb eines RLT-Geräts mit einer Wärmepumpe ist jeweils die Ausführung des Verdichters. Kriterien wie Preis, Laufruhe, Leistungsbereiche, Effizienz, Baugröße und Regelbarkeit entscheiden über die beste Lösung. Im Lüftungsgerätebereich dominieren sogenannte Scroll- und Hubkolbenkompressoren den Markt. Die für den Anwender wichtigsten Technikparameter sind die Effizienz und der individuelle Regelbereich. Oft muss man hier Kompromisse schließen, um ein Optimum an Kundenzufriedenheit zu erreichen.
Die Verdichterleistung kann zum Beispiel mit hoher Energieeffizienz über einen drehzahlgeregelten Antriebsmotor in einem typischen Bereich von 20 bis 100 % reguliert werden. Wie zuvor beschrieben, bietet ein größerer Leistungsbereich (Teilleistungsbereich) auch mehr Komfort und Konstanz zum Erzeugen der Zulufttemperatur. Um den Modulationsbereich einer Wärmepumpe bis auf etwa 10 bis 100 % zu erweitern, wird nicht mehr die Drehzahl, sondern die Kompression über Ventile mit PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) geregelt. Das bedeutet im Gegenzug, dass durch die dauerhaft hohe Drehzahl der Wirkungsgrad im Teillastbetrieb sinkt.
Eine weitere Möglichkeit für größere Modulationsbereiche oder kleinere Mindestleistungen ergibt sich analog zum System 3 (Klima-Split Lösung) durch die Kaskadierung von mehreren (kleineren) Verdichtern. Damit lassen sich kleinste Leistungsuntergrenzen und höchste Effizienz unter einen Hut bringen. Im Gegenzug ist diese Lösung aber auch mit entsprechend hohem Aufwand und Kosten verbunden.

Fazit

Die Option, mit Hilfe einer Wärmepumpe aus frei verfügbarer Umweltenergie und 1 kWh Strom bis zu 5 kWh Heiz- oder Kühlenergie zu generieren, zeigt sowohl in der Heiztechnik als auch im Lüftungsgerätebereich den Weg in die Zukunft auf. Eine allgemein gültige Ausführungsempfehlung für Wärmepumpen im Klima-/Lüftungsbereich gibt es bisher nicht. Anhand der zuvor beschriebenen Merkmale, Besonderheiten und Einschränkungen der verschiedenen Systeme kann im Abgleich mit den jeweiligen Kundenanforderungen ein geeignetes System zusammengestellt werden.

Der Beitrag wurde von der Wolf GmbH, Mainburg, für cci Wissensportal zur Verfügung gestellt. (Stand Oktober 2023)

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