VRV-Technologie – eine Erfolgsgeschichte

M it der Erfindung der VRV-Technologie (VRV = Variable Refrigerant Volume = Variabler Kältemittel-Volumenstrom) in Japan hat Daikin Anfang der 1980er Jahre Maßstäbe bei der Gebäudeklimatisierung gesetzt und eine umweltfreundliche Alternative zu herkömmlichen Heizsystemen geschaffen. Durch ihre hohe Primärenergieausnutzung ist die VRV-/VRF-Technologie (VRV ist eine von Daikin geschützte Bezeichnung) heute bereits ein wesentlicher Baustein zur Umsetzung der Energiewende im Gebäudebereich. Im September 2020 bringt Daikin die „Mini VRV 5“ mit dem klima­schonenden Kältemittel R32 auf den Markt. Ihre speziell für das Kältemittel R32 ausgelegten Sicherheitstools sind bislang einzigartig.

Historie

Als Geburtsstunde der VRV-Technologie kann die zweite Ölkrise Anfang der 1980er Jahre angesehen werden. Damals veranlassten der steigende Energiebedarf in Japan und die fehlenden eigenen Energieressourcen die japanische Regierung dazu, von der Industrie neuartige, energieeffiziente Technologien zu fordern. Das Ergebnis nach zweieinhalb Jahren Forschung war die Daikin-VRV-Technologie, die 1982 in Produktion ging. Alle wichtigen Komponenten – von der Kältemitteltechnologie bis hin zu den Kompressoren, Wärmetauschern und der elektronischen Steuerung – werden vom japanischen Wärmepumpen- und Klimaanlagenhersteller Daikin selbst entwickelt und produziert. Das ist auch heute noch so. Bereits 1983 wurde das erste große Projekt mit VRV realisiert: ein Hochhaus in Japan mit 32 Stockwerken. 1987 wurden die ersten VRV-Systeme in Europa ausgeliefert. 1991 startete der Vertrieb in Deutschland. Kurz darauf, im Jahr 1993, begann die VRV-Produktion CE-konform in Belgien. Das System hat sich vor allem in gewerblichen Anwendungen etabliert. Allein 2019 wurden in Deutschland über 12.000 VRF-/VRV-Außengeräte verkauft.

Von der „nur Kühlen“-Ausführung zum
„Total Solutions System“

Viele bestehende Gebäude verfügen über separate Systeme für das Heizen und das Kühlen. Dadurch wird eine große Menge an Energie verschwendet. Die VRV-Technologie arbeitet in beiden Bereichen energieeffizient und hat sich von der Nischenanwendung zum flexiblen „Total Solutions System“ entwickelt: Konnte die erste VRV 1982 „nur Kühlen“ und hinsichtlich ihrer Kapazität mit einem Außengerät bis zu sechs Innengeräte versorgen, so ist die aktuelle VRV-Serie eine wirtschaftliche Komplettlösung für Heizung, Kühlung und Lüftung aus einer Hand, die einen gleichbleibenden Komfort sowie eine hohe Kosteneinsparung bietet und 70 % des Energiebedarfs eines Gebäudes abdeckt. Insgesamt können jetzt bis zu 64 VRV- und/oder 32 Split-/„SkyAir“-Innengeräte unterschiedlicher Typen und Leistungsgrößen sowie Türluftschleier, Hydrobox- und Lüftungsanlagen angeschlossen werden.

Ein Blick unter das Gehäuse

Da in VRV-Systemen zu jeder Zeit lediglich die Menge an Kältemittel zirkuliert, die gerade erforderlich ist (daher der Name „Variabler Kältemittel-Volumenstrom“), können in den verschiedenen zu klimatisierenden Bereichen eines Gebäudes unterschiedliche Einstellungen für die Klimatisierung vorgenommen werden. Die Verwendung eines Kältemittels anstelle von Wasser erlaubt sehr viel kleinere Rohrleitungen; in der Regel handelt es sich um verlötete Kupferrohre, die eine hohe Flexibilität in der Anpassungsfähigkeit gewährleisten. So sind alle angeschlossenen Geräte oder Räume für sich unabhängig von der Kälteerzeugung regelbar. Diese erfolgt über drehzahlgeregelte Kältemaschinen, die immer nur die Kälte- bzw. Wärmeleistung erbringen, die in den einzelnen Räumen benötigt wird. Gleichzeitig können Gebäude, die durch VRV-Technologie klimatisiert werden, mittels dieser auch effizient und klimaschonend beheizt werden. Die VRV-Luft-/Luft-Wärmepumpe spart Energie, indem sie konsequent erneuerbare Energien nutzt. Zudem verschafft sie große Planungsfreiheit und Sicherheit. Damit ist es möglich, ein Gebäude ganzjährig sowohl zu beheizen als auch zu klimatisieren. Neben diesen VRV-Anlagen sind keine weiteren Heizungseinrichtungen erforderlich.

Wärmepumpe –
Schlüsseltechnologie für den Klimaschutz

Durch die hohe Endenergieausnutzung sind Wärmepumpen wie die VRV-Technologie als Komplettlösung für die smarte Gebäude­konditionierung ein wesentlicher Baustein zur Umsetzung der Energiewende im Gebäudebereich. Mit dem Klimaschutzpaket und der CO₂-Bepreisung von Verkehr und Wärme ab 2021 hat die Politik die Richtung vorgegeben: Strom wird in Zukunft immer günstiger werden und der Ökostromanteil wächst kontinuierlich, während die Preise für fossile Brennstoffe ansteigen werden. Bereits im ersten Halbjahr 2019 lag der Anteil an der öffentlichen Nettostromerzeugung, d.h. dem Strommix, der tatsächlich aus der Steckdose kommt, bei ca. 47 %. Neueste Berechnungen zeigen, dass der erneuerbare Anteil an der Nettostromerzeugung weiter zunehmen wird. Das bedeutet, Heiz- und Klimatechnologie basierend auf dem Wärmepumpenprinzip trägt bereits heute zu einer weitgehend treibhausgasneutralen Energieversorgung bei. Und mit strombetriebenen Systemen, wie der VRV-Technologie, sind Betreiber auf der sicheren Seite, was den CO₂-Preis angeht.

Green Buildings – Welchen Beitrag leistet die TGA
zu einer erfolgreichen Zertifizierung?

Im Zuge der Umsetzung der Energiewende im Gebäudebereich haben auch die Zertifizierungen nach „Green Building“-Standards stark zugenommen: 2018 stellten zertifizierte Gebäude mit einem Anteil von rund 22 % am gewerblichen Investitionsvolumen eine neue Bestmarke auf [1]. Und die Nachfrage steigt weiter: 86 % der Immobilienexperten berichten, dass sich zertifizierte Büro- und Gewerbeimmobilien schon heute besser vermarkten lassen, da sich eine nachhaltige Zertifizierung langfristig als Standard durchsetzen wird. Rund 70 % beobachten, dass ein grünes Label immer häufiger Voraussetzung für eine Anmietung durch große Konzerne ist [2].

Die Wahl der richtigen Gebäudetechnik ist ein essentieller Schritt auf dem Weg zu einer erfolgreichen Zertifizierung, denn: Bis zu 40 % des Zertifizierungsprozesses können durch Kälte-, Klima- und Heiztechnik positiv beeinflusst werden. Bei knapp 30 % der DGNB- sowie LEED-Zertifizierungskriterien und bis zu 40 % der BREEAM-Kriterien kann Daikin mit seinem breiten Produktportfolio bei rechtzeitiger Einbindung einen erheblichen Teil beitragen. Insbesondere das Herzstück des Daikin-Produktsortiments, die VRV-Technologie, kann diverse Bereiche der DGNB-, LEED- und BREEAM-Zertifizierungsanforderungen positiv beeinflussen.

Urbanisierung und
Nachverdichtung –
kompaktere Geräte und Innenaufstellung

Ein weiterer wichtiger Einflussfaktor auf das Gerätedesign ist die Urbanisierung.

„Wohin mit den Außengeräten?“ Vor dieser Frage stehen Planer und Installateure häufig bei Projekten in ­Innenstadtlagen. Strenge Bauvorschriften, denkmalgeschützte Fassaden oder mit Technik bereits zugestellte Dächer machen die Außenaufstellung der Systeme meist unmöglich und erfordern eine unauffällige, kompakte Lösung. Daikin hat auf diese Herausforderung mit immer kompakteren Geräten reagiert. So reduzierte sich bei Einführung der „VRV II“ im Jahr 2003 die Aufstellfläche im Vergleich zu den Vorgängermodellen um 50 %. Und auch das Außengerät der neuen „Mini VRV 5“ ist durch die kompakten Maße (870 x 1.100 x 460 mm) einfach zu transportieren und flexibel einsetzbar. Musste aufgrund steigender Nachverdichtung bei vielen Innenstadtprojekten bisher auf den Einsatz von Klima- und Lüftungstechnik verzichtet werden, bietet die Innenaufstellung eine weitere Möglichkeit, den Beschränkungen bei der Außenaufstellung zu entgehen. Hierfür hat Daikin 2015 die erste VRV für die Innenaufstellung auf den Markt gebracht: Die sogenannte „VRV-i“ besteht aus zwei getrennten Modulen, einer Verdichter- und einer Wärmeübertrager-Einheit. Beide sind für die Innenaufstellung konzipiert. Der Verdichter ist kleiner als eine handelsübliche Waschmaschine. Der Wärmeübertrager ähnelt in der Form einem Kanalanschlussgerät. Der v-förmige Wärmeübertrager mit 40 cm Höhe kann so installiert werden, dass von außen lediglich die Ausblasgitter sichtbar sind, die dezent in die Fassade oder in das Dach integriert werden können.

 

Kältemittel –
von R407 C bis R32

Neue gesetzliche Regelungen, wie die europäische F-Gas-Verordnung, höhere Anforderungen an die Energieeffizienz und Klimaverträglichkeit der Systeme haben dazu geführt, dass sich der Markt hin zu Kältemitteln mit niedrigem GWP entwickelt hat.

So wurde die erste VRV-Generation mit dem Kältemittel R407C ausgeliefert. 2003 führte Daikin die „VRV II“ ein, das weltweit erste System, das mit variablem R410A-Kältemittel-Volumenstrom arbeitete. Das „VRV II“-System war sowohl in Wärmepumpen- als auch in Wärmerückgewinnungs-Ausführung erhältlich. Der Vorteil des Kältemittels R410A, ist, dass es im Vergleich zu R407C eine höhere volumetrische Kälte­leistung aufweist und somit eine Reduzierung der Kältemittelfüllmenge ermöglicht.

Mit der Einführung einer Kreislaufwirtschaft (die „VRV IV+ Heat Recovery“ und die „Mini VRV“ sind seit 2019 mit aufbereitetem Kältemittel [R410A] verfügbar) leistet Daikin einen wichtigen Beitrag zur Reduktion fluorierter Treibhausgase. Ein weiterer Schritt ist die Entwicklung von Anlagen mit Low-GWP-Kältemitteln. Aufgrund der Zusammenarbeit mit den Tochterunternehmen Zanotti und Tewis hat Daikin auch Kälteanlagen mit CO₂ (GWP 1) und Propan (GWP 3) im Portfolio und bringt die Technik – wo sie die Anforderungen des jeweiligen Anwendungsbereichs sinnvoll erfüllt – zum Einsatz.

Die „Mini VRV 5“-Serie

Mit der Einführung der „Mini VRV 5“ für das Heizen und Kühlen kleinerer gewerblicher Anwendungen (verfügbar ab September 2020) bringt Daikin erstmals ein VRV-System mit dem klimaschonenden Kältemittel R32 auf den Markt. R32 liegt mit einem GWP von 675 und einer geringeren Füllmenge bei nur einem Drittel des marktüblichen Kältemittels R410A. Es erfüllt die Aspekte Sicherheit, Umweltverträglichkeit, Wirtschaftlichkeit und Energieeffizienz im Bereich VRV am besten. Alle bekannten VRV-Standards, wie z.B. die VRT-Technologie (variable Kältemitteltemperatur), sind auch in der kompakten Ausführung enthalten. Eine Mission von Daikin war schon immer die Reduzierung der Umweltauswirkungen der Produktion, des Energieverbrauchs der Systeme und der Kältemittel, aber auch die Entwicklung von Anlagen mit einer hohen saisonalen Energieeffizienz und die Verwendung von Kältemitteln mit einem niedrigeren Treibhauspotential (GWP). Langfristiges Ziel ist, die gesamte Daikin-VRV-Produktpalette auf das Kältemittel R32 umzustellen.

 

Besondere Sicherheitsmerkmale der „Mini VRV 5“

Einzigartig ist, dass im Vergleich zu anderen VRF-Systemen mit R32 die Sicherheitsmerkmale der „Mini VRV 5“ speziell für das Kältemittel R32 angepasst wurden. Alle sicherheitsrelevanten Features sind ab Werk integriert und müssen nicht bei der Planung oder Ausführung separat berücksichtigt werden. So verfügt das System über ein spezielles akustisches und visuelles Kältemittel-Alarmmanagement über die „Madoka“-Fernbedienung. Im seltenen Fall einer Leckage schaltet das System sofort ab und sendet einen Alarm. Auch zentrale Regelungskomponenten, wie der „intelligent Touch Manager“ (iTM) oder der „intelligent Tablet Controller“ (iTab), geben einen Alarm aus. Die Auslegungssoftware „VRV express” informiert den Planer, ob das geplante System den gesetzlichen Anforderungen in Bezug auf die zulässige Kältemittel-Füllmenge und die Raumgröße entspricht. Da alle Sicherheitvorkehrungen im System integriert sind, ist eine hohe Flexibilität mit einer Rohrleitungslänge von bis zu 300 m gegeben. Auch können unter bestimmten Auslegungsvoraussetzungen Raumgrößen bereits ab 10 m² realisiert warden.

 

Digitalisierung –
Vernetzung von realer und virtueller Welt

Die voranschreitende Digitalisierung hat nicht nur den Bauprozess verändert, sondern auch die Planung, Auslegung sowie Regelungs- und Steuerungsmöglichkeiten der Gebäude­tech­nik­sys­teme. Cloudlösungen zur Auslegung von Anlagen, intelligente Regelung oder vorausschauendes Monitoring sind Beispiele für Einsatzmöglichkeiten in der HLK. Smarte Sensoren, Algorithmen und die Kommunikationsfähigkeit der HLK-Systeme ermöglichen die Vernetzung von realer und virtueller Welt. Die meisten Daikin-Programme sind mittlerweile webbasiert. Damit sind sie immer auf dem aktuellen Stand und der Nutzer muss keine Programme lokal am PC abspeichern. Diagnose- und Monitoringtools wie der „Daikin Cloud Service“ für VRV-, Split-, Sky Air-, Gewerbekältesysteme, „VRVexpress“ oder das „Daikin on site“ für Lüftungsanlagen können somit von überall auch mobil genutzt werden.

 

Predictive Maintenance gehört die Zukunft

Predictive Maintenance ist eines der Schlüsselwörter am Bau 4.0. Im Optimalfall lassen sich damit Störungen vorhersagen, bevor es zu Auswirkungen oder Ausfällen kommt. Im Diagnose- und Monitoringtool „Daikin Cloud“ ist das jetzt möglich. Das Verfahren nutzt Mess- und Produktionsdaten von Maschinen und Anlagen für die Ableitung von Wartungsinformationen. In der Praxis generiert das System eine Fehlermeldung per E-Mail an den Anlagenbauer bevor die Leistung des Geräts vom Fehler beeinträchtigt ist. Beispielsweise dann, wenn ein Wärmefühler schon im Sommer defekt ist, dies aber erst im Heizbetrieb im Winter auffallen würde, oder wenn die Staubmenge im Filter eine Grenze überschritten hat, die den Betrieb noch nicht stört, in einiger Zeit jedoch zu Fehlern führen würde.

Durch die frühe Meldung können der Serviceeinsatz ressourcenschonend geplant und die Ausfallszeit niedrig gehalten werden. Um verlässliche Vorhersagen für die vorausschauende Wartung zu treffen, ist es erforderlich, eine große Menge von Daten zu erfassen, zu speichern und zu analysieren. Je größer die Datenbasis ist und je intelligenter, ausgefeilter die Analyse­algorithmen sind, desto verlässlicher sind die zu erhaltenden Erkenntnisse. Das „airnet“, die Datenbasis von Daikin, wird z.B. schon seit Jahren in der Praxis in Japan eingesetzt. Nutzer in Europa profitieren nun von diesen Erkenntnissen, da sie für den Betrieb der VRV-Systeme hierzulande genutzt werden können.

Auch in Zukunft: Vorteil für VRV-Technologie

Aktuell warnen Experten davor, aufgrund der Corona-Pandemie den Klimaschutz aus den Augen zu verlieren. Deutschlands langfristiges Klimaziel ist es, 2050 den Ausstoß von Treibhausgasen gegenüber 1990 um 80 bis 95 % zu reduzieren. Dem Einsatz regenerativer Systeme, wie Luft-/Luft-Wärmepumpen in Kombination mit Wärmerückgewinnungssystemen, kommt bei der Umsetzung der Energiewende im Gebäudebereich eine wichtige Rolle zu.

Das Umweltbundesamt meint dazu: „Umgebungswärme und Wärmepumpen sind unverzichtbarer Bestandteil der Konzepte, um die langfristigen energie- und klimapolitischen Ziele umzusetzen: Ein (nahezu) ‚klimaneutraler Gebäudebestand‘ oder sogar ein ‚treibhausgasneutrales Deutschland‘ können nur mit einer sehr großen Anzahl an energieeffizienten Wärmepumpen in sehr gut gedämmten Häusern erreicht werden.“ [3]

Das bedeutet, dass Anlagenbauer, Planer und Betreiber mit Wärmepumpenlösungen wie der VRV-Technologie schon heute auf die richtige Techno­logie setzen und so auf die technischen sowie gesetzlichen Anforderungen von morgen eingestellt sind.

Quellen

[1] BNP Paribas Real Estate, Market Focus 2019, Investmentmarkt Green Buildings[2] Gewerbeimmobilien-Barometer der Schwaiger Makler Lounge, 2019[3] https://www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/erneuerbare-energien/umgebungswaerme-waermepumpen#Perspektiven, Abruf am 8. Juni 2020