VRF-Systeme: "Variable Refrigerant Flow" einfach erklärt

• Das Akronym VRF steht für den englischen Ausdruck „Variable Refrigerant Flow“, was auf Deutsch so viel heißt wie: „variabler Kältemittelstrom“.
• Ein VRF-System heizt und kühlt. Und das auch gleichzeitig. Lasten können dazu einfach über das direkt in Kupferrohren fließende Kältemittel verschoben werden.
• Weil die Wärme nur zwischen Kältemittel und Luft übertragen wird, fallen die Energieverluste bei VRF-Anlagen geringer aus. Zugleich wird der Materialeinsatz und Montageaufwand reduziert.
• Moderne VRF-Systeme sind in Gebäuden vorteilhaft im Einsatz, in denen einerseits Wärmelasten abzuführen sind und zugleich (oder mit dem Wechsel der Jahreszeiten) damit die Raumbeheizung realisiert werden soll.

In Deutschland setzt man häufig auf ein dreigeteiltes Heizungs-, Kühlungs- und Lüftungskonzept. Dabei sorgt eine Anlage für das Erwärmen der Räume (Heizungsanlage), eine Anlage für das Lüften (Lüftungsanlage) und eine für das Kühlen (Klimaanlage).

Gerade in modernen Gebäuden mit z. B. großen Glasfronten offenbaren sich in der Praxis vielfach Regelungsprobleme. Denn während es z. B. im sonnenabgewandten Gebäudeteil noch kalt ist und geheizt werden muss, so gibt es im sonnenzugewandten Gebäudeteil bereits den ersten Kühlbedarf. Interne Kühllasten für Computer, Server etc. kommen als weitere Anwendung hinzu.

Gleichwohl es technisch möglich ist, das Mehr an Energie (Wärme) von dem einen Raum in den anderen mit dem Wärmebedarf zu übertragen, gelingt diese interne Verschiebung mit den getrennt ausgelegten Anlagen eher schlecht bis gar nicht. Hier greift die VRF-Technologie: Sie vereint das Kühlen und Heizen in einer technischen Anlage.

Das Akronym VRF steht dabei für „Variable Refrigerant Flow“, was sich mit „variabler Kältemittelstrom“ übersetzen lässt.

VRF-Systeme können zudem die Wärme von einer Regelzone oder einem Gebäudeteil in einen anderen transportieren. In Hotels kann z. B. überschüssige Wärme aus der Küche für den Wellness-Bereich genutzt werden und wenn dieser schließt, wird die Wärme in die Hotellobby transportiert. In Bürogebäuden kann mit Hilfe von VRF-Systeme die Abwärme aus dem Serverraum zur Beheizung der Büroräume verwendet werden.

VRF-Anlagen sind sogenannte Direktverdampfer, die bei der Energieübertragung ohne ein weiteres Wärmetransportmedium auskommen. Da der sonst übliche Wärmetransfer über einen Wärmetauscher mit Wärmeverlusten verbunden ist, spart man mittels Direktverdampfer die daraus resultierenden Wärmeverluste.

Das Kältemittel fließt dann direkt in den zugehörigen Kupferrohren von der Außeneinheit bis hin zu den angeschlossenen Innengeräten. Dabei geht weniger Energie verloren als bei wasserführenden Systemen. Zudem kann der Stromverbrauch der VRF-Anlage gesenkt werden, da auf eine extra Pumpe zum Antrieb des Wärmekreislaufs verzichtet werden kann.

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Zur VRF-Anlage gehören folgende technische Grund-Komponenten:

• eine Außeneinheit (auch Außengerät genannt),
• je nach Bedarf mehrere Inneneinheiten (auch Innengeräte genannt) und
• Rohrleitungen zwischen diesen.

Man unterscheidet dabei zwischen

• VRF-3-Leiter-Systeme
• VRF-2-Leiter-Systeme

Während man mit VRF-3-Leiter-Systemen heizen und kühlen kann, kann man mit VRF-2-Leiter-Systeme entweder heizen oder kühlen. Dafür benötigen 3-Leiter-Systeme neben einer dritten Leitung aber auch für jede Klimazone Umschalteinheiten, die vor jedem einzelnen Innengerät oder zentral montiert werden müssen. Darüber hinaus ist es bei einer Umschaltung zwischen Heiz- und Kühlbetrieb erforderlich, die VRF-Anlage herunterzufahren, um erst dann mit einer zeitlichen Verzögerung die angeforderte Wärme oder Kälte bereitstellen zu können.

Eine Zwischenlösung wurde von Mitsubishi Electric, Living Environment Systems, entwickelt. Mit dieser kann man auch mit zwei Rohrleitungen gleichzeitig heizen und kühlen. Der BC-Controller sorgt dabei für eine Phasentrennung des eingesetzten Kältemittels an einer einzigen, zentralen Position in der VRF-Gesamtanlage. Im sogenannten "Hybrid"-VRF-System (HVRF-System) zirkuliert dann das Kältemittel vom Außengerät bis zu einem Verteiler, dem sogenannten "Hybrid-BC-Controller". Dort wird die Energie über spezielle Platten-Wärmeübertrager vom Kältemittel auf Wasser übertragen.

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Die meisten VRF-Systeme sind als typische Split-Anlagen konzipiert. Diese VRF-Anlagen bestehen aus einem Außengerät und einem oder mehreren Innengeräten. Ist Letzteres der Fall spricht man auch von „Multisplitanlagen“.

Um die Leistung der VRF-Anlage zu regeln, setzt man sogenannte DC-Inverter-geregelte Kompressoren ein, also leistungsgeregelte Verdichter. Diese arbeiten mit einer variablen Spannung und Frequenz und können somit die erforderliche Leistung modulierend (siehe auch: "Modulierende Wärmepumpen"), also stufenlos, an den aktuellen Bedarf der Verbraucher – hier: die Innengeräte – anpassen. Gegenüber einer Anlage ohne DC-Inverter (dafür Standard-Verdichter mit An-/Aus-Betrieb) verbraucht ein VRF-System mit DC-Inverter weniger Strom, da sie weniger taktet.

Der Einsatz der leistungsgeregelten Verdichter in Kombination mit elektronischen Expansionsventilen in den Innengeräten der VRF-Anlage führt zu einer individuellen, bedarfsgerechten Leistungsabgabe in jedem zu klimatisierendem Raum. Die Inverterregelung stellt jeweils nur die Leistung zur Verfügung, die die Innengeräte abnehmen. Die Leistungsabgabe erfolgt stetig und wird schnell an den aktuellen Bedarf angepasst.

Neben strombetriebenen Verdichtern können VRF-Außengeräte auch mit Gas (siehe auch "Gas-Wärmepumpe") angetrieben werden. Der Hersteller Panasonic bietet z. B. die Gasmotorwärmepumpen „ECO G“ an. Bei diesen Außengeräten wird der Verdichter mit einem Stirling-Gasmotor angetrieben. Zudem nutzen die Geräte die Abwärme des Gasmotors und können damit heizen oder Warmwasser erzeugen.

Da die Pumpleistung anders als bei typischen Split-Klimaanlagenvom Verdichter geleistet wird, können die Außengeräte den Druckverlust in den Rohrsträngen nur bis zu einer gewissen Grenze ausgleichen. Bei VRF-Systemen muss daher die zu überwindende Höhe und Entfernung zu den Innengeräten berücksichtigt werden.

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Über das VRF-Innengerät lässt sich der Kältemittelstrom nach Bedarf regeln. Sie sind an den Rohrkreislauf angeschlossen und fordern je nach Bedarf Kältemittel bzw. Kälte- oder Heizleistung an. Der Bedarf wird über ein elektronisches Expansionsventil am Innengerät geregelt. So ist eine deutlich feinere Leistungsregelung möglich, als es mit einer typischen Multisplit-Klimaanlage möglich wäre, bei der jedes Innengerät eine eigene Verrohrung und Verbindung zum Außengerät benötigt. Zudem sind bei VRF-Systemen deutlich mehr Innengeräte anschließbar.

Je nach Raumgröße und -schnitt kann man unter einer Vielzahl unterschiedlicher Innengeräte wählen: So eignen sich

• Vierwege-Kassetten-Geräte z.B. optimal für quadratische Räume.
• Deckenunterbaugeräte zeichnen sich durch eine breite Luftführung in horizontaler und vertikaler Richtung aus.
• VRF-Wandgeräte sind dagegen äußerst kompakt und können sehr zielgerichtet eingesetzt werden.

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VRF-Systeme können zentral per automatisierter Anlagensteuerung oder auch ganz dezentral per Einzelraum-Fernbedienung gesteuert werden. Zwischen dem Außengerät und den Innengeräten erfolgt ein steter Datenaustausch, Informationen werden so übertragen und der Kältemittelstrom geregelt. Der Datentransfer geschieht über z. B. eine Bus-Kommunikationsleitung. Die Steuerung ist dann häufig in die Gebäudeleittechnik wie KNX, EiB, enocean alliance, Modbus, BACnet, IntesisHome usw. eingebunden.

Zur automatisierten Regelung werden Steuersignale von vielfältigen Sensoren einbezogen. Beispielsweise sind dies Infos zum Betriebszustand des VRF-Systems, darunter Infos zum Status der elektronischen Einspritzventile, Infos zur aktuellen Überhitzung und Unterkühlung am Wärmeübertrager der Innengeräte, Infos zur Lüfterstufe sowie Infos zu den derzeitigen Temperaturen in den Räumen des Gewerbegebäudes.

Das Außengerät empfängt diese Status-Infos, wertet sie aus und regelt die VRF-Anlage auf dieser Datenbasis automatisch ein, so dass ihr Betrieb möglichst energieeffizient läuft.

Hinzu kommen weitere Regel-Komponenten der VRF-Anlage, darunter

• Bedienelemente, mit deren Hilfe die einzelnen Innengeräte beziehungsweise Klimazonen geregelt werden: Zu regelnde Parameter sind beispielsweise Temperatur, Gebläsestufe oder Zeit (Timerfunktion).
• Es kommt sowohl auf die Größe (Dimensionierung) der VRF-Anlage an als auch auf deren Auslegung, wenn es um die Frage geht, ob sich die Anlage via zentrale Fernbedienungen mit Web-Funktion steuern lässt, die sich auch mit der Gebäudeleittechnik verbinden lassen.

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