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Sep 25, 2023

VRF, Mini-Split-Optionen jetzt für HVAC-Anwendungen realisierbar

VRF- und Mini-Split-Wärmepumpen sind zwar etwas irreführend, werden aber häufig verwendet

Obwohl die Bezeichnung etwas irreführend ist, werden VRF- und Mini-Split-Wärmepumpen allgemein als „kanallose Geräte“ bezeichnet. Diese Systeme sind heute viel vielseitiger als noch vor fünf Jahren.

Es ist schwer, einen guten Namen für eine Ein- oder Mehrzonen-Wärmepumpenproduktlinie zu finden, die über einen Wechselrichter mit variabler Drehzahl angetrieben wird. Der Begriff „Mini-Split“ passt nicht wirklich, da sie in den letzten 10 Jahren von Einheiten mit 9 Kbtuh auf bis zu 48 Kbtuh angewachsen sind und damit mit größeren konventionellen Geräten konkurrieren können. Auch die Bezeichnung „kanallos“ ist falsch, da mittlerweile eine große Auswahl an Kanalmodellen verfügbar ist.

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Dies führt zu einer Identitätskrise in einer Branche, die mit diesen Systemen normalerweise nicht vertraut ist. Der Name „Mini-Split“ ist wohl am treffendsten, denn unabhängig von der Kapazität ist die kompakte Größe des Geräts immer erkennbar.

Eine weitere Entwicklung der letzten fünf Jahre ist, grob gesagt, das Angebot von Mini-Split-System-Kondensationsgeräten, die über Heizbetrieb und Leistungsfähigkeit bei negativen Außentemperaturen (bis zu minus 15 °F) verfügen. Dies löste einen Quantensprung in der Anwendung in allen nördlichen Klimazonen aus.

Dann kam die Verlagerung auf umfangreichere Anwendungen. Um das Jahr 2006 herum begannen Hersteller damit, die Kompressortechnologie mit Inverterantrieb und mehreren Geschwindigkeiten auf größere Systemkapazitäten mit mehr Innenzonen und besserer Kontrolle anzuwenden. Dies führte zur Geburt von Systemen mit variablem Kältemittelfluss (VRF) auf dem nordamerikanischen Markt. Zum ersten Mal konnte ein Gebäude mit einer beträchtlichen Anzahl separater Zonen ausgestattet werden, die auf den individuellen Wärmebedarf jeder Zone (oder jedes Bewohners) reagieren, aber auch die Heiz- und Kühlkapazität auf den tatsächlichen Bedarf des Gebäudes beschränken. Dies ermöglichte dem Gebäudeeigentümer erhebliche Energieeinsparungen gegenüber Geräten mit einfacher Geschwindigkeit/einzelner Kapazität. Die Energieeinsparungen übertreffen sogar andere Arten von HVAC-Systemen mit variabler Leistung und komplexen Gebäudeautomationssystemen.

Auch die Vielfalt der Innengeräte hat enorm geholfen. Die Erhöhung der Gesamtkapazität und der Anzahl der Zonen für ein bestimmtes System; Heizbetrieb bei niedrigen Außentemperaturen; und eine Fülle von kanalisierten und kanallosen Optionen für Innengeräte haben zu einem deutlichen Anstieg der Anwendungen in Wohn- und Gewerbegebäuden geführt.

Der Mini-Split-Markt wuchs von einer Drei-Jahreszeiten-Raumlösung zu Anwendungen für das ganze Haus im Wohnbereich und für leichte Gewerbeanwendungen. Mittlerweile hat sich VRF von punktuellen Heiz- und Kühlsystemen für einen einzelnen problematischen Komfortbereich auf HVAC-Systeme für ganze Gebäude mit programmierbaren Steuerungen, Frischluftzufuhr und gleichzeitigem Heiz- und Kühlbetrieb ausgeweitet.

Heutzutage ist die Anwendbarkeit dieser Technologien im privaten und gewerblichen Bereich nahezu unbegrenzt. Dies gilt insbesondere für Gebäuderenovierungen oder historische Strukturen, die über nicht vorhandene, sehr begrenzte oder veraltete HVAC-Systeme verfügten.

Mini-Split- und VRF-Systeme erfreuen sich großer Beliebtheit in Gebäuden, in denen der Wärmeverlust oder -gewinn des Gebäudes stark schwankt, wie z. B. Hotels, Apartment-/Eigentumswohnungsgebäude, Bildungseinrichtungen und Kirchen. Diese Systeme sind eine ausgezeichnete Wahl, wenn keine vorhandenen Rohrleitungen vorhanden sind oder die vorhandene Kanalgröße nicht ausreicht.

Die Liste der Anwendungen, die für VRF nicht gut geeignet sind, wird schnell kleiner. Wäre ein Sportstadion oder ein Kongresssaal die richtige Wahl, wäre VRF aufgrund der enormen Menge an Frischluft, die benötigt wird, wahrscheinlich nicht die beste Wahl. Ideale Kandidaten für VRF wären jedoch die umliegenden Konzessionsstände, Geschäfte oder Büros. Höchstwahrscheinlich wäre ein hybrider Systemmix das beste Szenario.

Die VRF-Produktfamilie ist in zwei Systemgruppen unterteilt: Wärmepumpe und Wärmerückgewinnung. Auch wenn sie in ihren Gesamtkomponenten ähnlich erscheinen, handelt es sich doch um sehr unterschiedliche Systeme im Hinblick auf das, was sie den Gebäudenutzern bieten.

Ein VRF-Wärmepumpensystem (d. h. ein bis drei Außengeräte, die in einen einzigen Kühlkreislauf eingebunden sind) versorgt alle angeschlossenen Zonen entweder mit Heizung oder Kühlung. Das bedeutet, dass sich alle an dieses System angeschlossenen Innengeräte im gleichen Betriebsmodus befinden – Heizen oder Kühlen. Dies eignet sich gut für Gebäudeanwendungen, bei denen die Notwendigkeit, den Modus zu ändern, nicht sehr schnell auftritt oder die Auswahl der Temperatur (die einen Moduswechsel erfordert) nicht die Entscheidung des einzelnen Bewohners ist

Im Gegensatz dazu ist ein VRF-System mit Wärmerückgewinnung in der Lage, die verschiedenen Zonen gleichzeitig zu heizen und zu kühlen (wiederum von einem bis zu drei Außengeräten in einem einzigen Kühlkreislauf), und das auf wirtschaftliche Weise. Zonen innerhalb des Systems können in beiden Modi betrieben werden. Ein Wärmerückgewinnungssystem „gewinnt“ BTUs zurück, die in den Aufenthaltszonen anfallen, die Kühlkapazität benötigen, und verschiebt diese BTUs in Zonen, die Wärme benötigen, wodurch Energie gespart wird.

Wärmerückgewinnungssysteme funktionieren dort besonders gut, wo die Innenraumtemperatur von der Wahl des Bewohners abhängt, wo die Lasten innerhalb eines Gebäudes von Zone zu Zone unterschiedlich sind oder wo sich die Lasten aufgrund von Sonneneinstrahlung, Belegung usw. schnell ändern können. Beispiele hierfür Dabei handelt es sich um Mehrfamilienwohneinheiten, Hotelzimmer und Einrichtungen für betreutes Wohnen. Die Entscheidung für den Einsatz einer Wärmepumpe oder Wärmerückgewinnung basiert auf der Erwartung, dass der Endverbraucher seine Heiz- und Kühlumgebung selbst wählt.

Eine der wichtigsten Überlegungen zur gewerblichen HVAC-Gestaltung ist die Bereitstellung einer mechanischen, gesetzlich vorgeschriebenen Frischluftbelüftung für das Gebäude. In den meisten Einzelanwendungen kann Frischluft (oft als Außenluft bezeichnet) 15 bis 30 Prozent der Heiz- und Kühllast ausmachen.

Diese Last wird häufig direkt in die Rückluftkammer oder den Rückluftkanal eines Systems gesaugt. Diese Methode wird seit Jahrzehnten in der HVAC-Branche eingesetzt, vor allem weil sie die niedrigsten Anschaffungskosten bietet. Da die Energiekosten jedoch weiter steigen, erfreuen sich die Technologien von Wärmerückgewinnungsventilatoren (HRV) und Energierückgewinnungsventilatoren (ERV) zunehmender Beliebtheit.

Ein HRV tauscht die sensible Last nur zwischen der Außenluft und den „abgenutzten“ oder Abluftströmen aus. Ein ERV tauscht sowohl sensible als auch latente (Feuchtigkeits-)Lasten zwischen den beiden Luftströmen aus. In Klimazonen mit höherem Feuchtigkeitsgehalt ist ein ERV die effektivere Wahl. Die zurückgeführte oder „abgenutzte“ Gebäudeluft wird zur Temperierung der einströmenden Frischluft genutzt, was die Belastung des Heiz- und Kühlsystems reduziert. Je höher der HRV- oder ERV-Kernwirkungsgrad, desto näher kommt die Frischluft einem raumneutralen Zustand und desto geringer ist die Belastung der primären HVAC-Ausrüstung.

Daher wurde den VRF-Herstellern die Aufgabe gestellt, die Integration von HRV/ERV-Systemen so nahtlos wie möglich zu gestalten. Dazu gehört die einfache Kommunikation zwischen den Steuerungen jedes Systems und die Bereitstellung effektiver Möglichkeiten zur Frischluftzufuhr.

Bei den meisten heutigen VRF-Systemen kann Frischluft über ein Kanalsystem bereitgestellt werden oder sie kann direkt in ein kanalloses Innengerät eingeleitet werden, wenn dieses Gerät über eine Vorrichtung (Frischluftsatz) für den Anschluss an einen Frischluftkanal verfügt. Bei Fujitsu umfasst die Premium-Frischluftlösung den Einsatz eines hocheffizienten HRV- oder ERV-Systems von Ventacity Systems. Dieses System kommuniziert zusammen mit seinem proprietären Steuerungssystem mit den VRF-Systemen, um die mit Frischluft-Kits ausgestatteten Zonen oder über Rohrleitungen im gesamten Gebäude mit Frischluft zu versorgen.

Ein gutes Beispiel für die Integration eines hocheffizienten Frischluft-Enthalpiesystems mit VRF-Technologie ist in Tarrytown, New York, zu sehen, wo kürzlich ein gemischt genutztes Bürogebäude einer HVAC-Nachrüstung unterzogen wurde. Die 71.000 Quadratmeter große Anlage wurde fast 50 Jahre lang von vier 60 Tonnen schweren, erdgasbetriebenen Mehrzonen-Dachanlagen versorgt.

Bürogebäude mit VRF-Nachrüstung, Tarrytown, NY

VRF-Nachrüstung:Fujitsu General Airstage VRF-Systeme wurden in einem gemischten Bürogebäude in Tarrytown, NY, installiert.

TEAMERFOLG: Von links nach rechts: Glenn Grossman, Präsident von Blend Air; Umair Surani, Vertriebsingenieur von Fujitsu; Juan Perez, Vertriebs- und Supportspezialist von Fujitsu; und Michael Teixeira von Johnstone Supply.

CHANCENFENSTER:Eckbüros bieten einzigartige Heiz- und Kühllasten, die sich ideal für Wärmerückgewinnungsanwendungen eignen.

IM ÜBERGANG:Auf der rechten Seite sind die kompletten VRF-Systeme zu sehen, die in Phase eins installiert wurden, während auf der linken Seite das ursprüngliche System noch vorhanden ist, während der HVAC-System-Nachrüstung des Tarrytown-Bürogebäudes.

BEREIT FÜR DEN EINSATZ:Auf dem Dach eines gemischt genutzten Bürogebäudes in Tarrytown, New York, sind mehrere Fujitsu Airstage-Systeme installiert.

Nachdenken:Besprechungsräume im 71.000 Quadratmeter großen Gebäude wurden mit Deckenkassetteneinheiten individuell zoniert.

Blend Air Mechanical Corp. begann Anfang 2019 mit der Installation eines VRF-Wärmerückgewinnungssystems. Vor der Nachrüstung wurde ein externer Beratungsingenieur damit beauftragt, eine Energieanalyse des Gebäudes durchzuführen, um die Leistung des bestehenden Systems mit der der beiden neuen Systeme zu vergleichen. Code-Minimum-Dachgeräte und das VRF-System. Es wurde geschätzt, dass das Fujitsu Airstage VRF-System in Kombination mit einem Ventacity Systems ERV-System eine jährliche Strom- und Erdgaseinsparung von 224.000 kWh bzw. 38.800 Thermen ermöglichen würde. Dies führt zu einer jährlichen Kostenreduzierung von 62.000 US-Dollar. Es wurde festgestellt, dass das VRF/ERV-System das neue Mindestdachsystem um 181.000 kWh und 29.000 Thermik übertrifft, was etwa 46.000 US-Dollar pro Jahr entspricht.

Die Nachrüstung des HVAC-Systems wurde in zwei Phasen unterteilt, die jeweils eine identische Gebäudehälfte abdeckten. Bisher wurden 16 der insgesamt 32 VRF-Verflüssigungssätze installiert. Das erste ERV-System wurde im Juli 2019 installiert.

„Das ERV-System kann auf der Grundlage des CO2-Gehalts im Aufenthaltsraum betrieben werden, wir haben uns jedoch dafür entschieden, das System mit einem konstanten Luftstromvolumen zu betreiben“, sagte Glenn Grossman, Präsident von Blend Air. „An den vorhandenen Rohrleitungen wurden Änderungen vorgenommen, um die ERV-Systeme unterzubringen. Wir haben einen vorhandenen Kanal für die Abluft und einen als Frischluftkanal verwendet. Das System saugt Abluft aus öffentlichen Bereichen an, während Frischluft über angebrachte Rückluftplenums einströmt alle Luft die Handler.

„Wir haben erfahren, dass die Energiekosten für die Monate April und Mai 23.000 US-Dollar unter den Zahlen des gleichen Zeitraums im Jahr 2018 lagen“, sagte Umair Surani, Vertriebsingenieur bei Fujitsu. „Das macht nur die Hälfte des Gebäudes aus und berücksichtigt nicht die Auswirkungen des ERV-Systems. Die Zahlen sollten noch beeindruckender sein, wenn die Energieeinsparungen durch das ERV-System erfasst wurden. Die Einsparungen könnten weitere 25 Prozent betragen.“ oder mehr."

VRF-Systeme bieten Ingenieuren, Installateuren und Endbenutzern einen weiteren Vorteil: Die angeschlossene Kapazität der Innengeräte kann größer sein als die Gesamtkapazität der Außengeräte. Die Außengeräte sind die Quelle aller für das Gebäude benötigten Heiz- und Kühl-BTUs und müssen so dimensioniert sein, dass sie diesen Bedarf bei der Außentemperatur erfüllen. Dieses Kapazitätsverhältnis beträgt 100 Prozent. Allerdings kann es in einigen Innenzonen aufgrund unterschiedlicher Belegung oder interner Ausstattung zu unterschiedlichen Zeiten zu Spitzenzeiten kommen. Diese Erhöhungen treten normalerweise nicht auf, wenn die Spitzenlast des Systems auftritt, und sind in der Regel kühlungsbedingt.

Anstatt ein überdimensioniertes System zu verwenden, ermöglichen VRF-Systeme die Dimensionierung dieser Zone auf ihre Spitzenkapazität, die beispielsweise tatsächlich 120 Prozent der Außeneinheit ausmachen kann, sodass die überschüssige Kapazität, die nicht von anderen Zonen genutzt wird, genutzt werden kann die vorübergehende Spitzenzone.

Die Mini-Split- und VRF-Technologie ist in den letzten Jahren rasant gewachsen und hat sich weiterentwickelt und kann aufgrund ihrer Flexibilität, ihres Komforts und ihrer Effizienz heute als praktikable Möglichkeit für die meisten privaten und gewerblichen HVAC-Anwendungen angesehen werden. Es ist heute eine Option, die es vor einem Jahrzehnt vielleicht noch nicht gab.

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