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VRF-Wärmepumpensystem

kühlt und heizt simultan

Wassergeführte VRF-Wärmepumpen kühlen Betriebsgebäude

Um die Versorgungssicherheit weiter zu gewährleisten, arbeitet das Unternehmen Tennet als erster grenzüberschreitender Übertragungsnetzbetreiber in Europa an vernetzten Systemen und Märkten. Dafür werden Projekte in Drehstrom- und Gleichstromtechnik in der Nordsee an Land und auf See vorangetrieben. Eines dieser Projekte ist das Netzanschlusssystem BorWin3, mit dem Tennet eine 900 Megawatt starke Gleichstromverbindung im Nordsee-Cluster 8 realisiert.

Der Rohstoff der

Zukunft heißt Strom

Gleichstrom ist vor allem auf langen Entfernungen und für große Übertragungsleistungen notwendig, beides ist bei den Netzanbindungen der Windparks auf See im Projekt BorWin3 gegeben. Auf der Offshore-Konverter-Plattform BorWin gamma wird der auf See erzeugte Drehstrom in Gleichstrom umgewandelt und mit einem 130 Kilometer langen Seekabel sowie einem 30 Kilometer langen Erdkabel zu einer Konverterstation mit Umspannwerk nach Emden/Ost übertragen. Die Grundsteinlegung für die Konverterstation wurde im Mai 2016 begangen. Die Inbetriebnahme des Projektes ist für 2019 geplant. 

In den Konverterstationen an Land wird der Gleichstrom zurück in Drehstrom umgewandelt und über das Umspannwerk ins Übertragungsnetz eingespeist. Um die optimale Versorgung bzw. Stromleistung zu gewährleisten, werden die Konverter (Umwandler) mit konventionellen Kühlsystemen mit Kaltwassersätzen gekühlt. Diesen Vorgang übernehmen Kühlwasserpumpen, deren Motoren wiederum gekühlt werden müssen, um ein Höchstmaß an Betriebssicherheit sowie ein optimales Betriebsergebnis zu erzielen. 

Die Energiewende schreitet mit großen Schritten voran. Beinahe täglich gehen neue Windenergieanlagen ans Netz und ersetzen damit alte Kraftwerke, die mit fossilen Brennstoffen arbeiteten. Zentrale Grundpfeiler zur Umsetzung der energiepolitischen Ziele sind die Steigerung der Energieeffizienz und die Realisierung von Energieeinsparmaßnahmen. In der Landkonverterstation des Projektes BorWin3, welches die Anbindung mehrerer Windparks in der Nordsee realisiert, kühlen besonders energieeffiziente VRF-Wärmepumpen das Betriebsgebäude. Parallel können von Personen genutzte Bereiche energiesparend durch Wärmerückgewinnung mit Heizwärme versorgt werden.

VRF-Wärmepumpensysteme

kühlen Kühlwasserpumpen

Die Kühlung der Kühlwasserpumpen übernehmen VRF-Wärmepumpensysteme, da mit ihnen auch kleinere Leistungsbereiche besser abgebildet werden können. Die maßgeblichen umfassenden Vorplanungen für dieses Projekt erfolgten federführend durch Martin Pape von der Siemens AG Erlangen. Im Betriebsgebäude gibt es eine große Anzahl an Räumen mit wärmeabgebenden Betriebsmitteln, welche ganzjährig gekühlt werden müssen. Die hierbei abzuführende Wärmeenergie wird somit genutzt, um die Sozialräume (Warteraum, Besprechungszimmer und Büro) und gegebenenfalls Betriebsräume ohne Kühlbedarf im Winter zu beheizen. 

Ein System,

zahlreiche Vorteile.

Die Kühlung mit VRF-Systemen bietet hier zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Kühlsystemen. Insgesamt handelt es sich um ca. 160 kW Wärmeleistung, die im Sommer bei Auslegungstemperaturen aus dem Betriebsgebäude abgeführt werden müssen“, so Pape.

Ein wesentliches Kriterium bei der Auswahl der geeigneten Systeme zur Kühlung des Betriebsgebäudes war der Platzbedarf. Da der Raum im Betriebsgebäude aufgrund der komplexen Anlagentechnik optimal ausgenutzt werden soll und gleichzeitig auf höchste Energieeffizienz auch in der Peripherie geachtet wird, kommt ein VRF-R2-System zum Einsatz, welches zahlreiche Vorteile bietet. Es vereint eine Wärmerückgewinnungsfunktion mit einer kompakten Bauweise und einer sehr hohen Energieeffizienz. 

Hohe Energieeffizienz

auf kleinstem Raum

Zur Kühlung des Betriebsgebäudes kommen wassergeführte Außengeräte der City Multi VRF-Serie zum simultanen Kühlen und Heizen des Herstellers Mitsubishi Electric zum Einsatz. Sie sind aufgrund ihrer kompakten Bauweise optimal für die Innenaufstellung geeignet und werden immer öfter dort eingesetzt, wo eine hohe Kälteleistung bei geringen Aufstellmaßen im Innenbereich erforderlich ist. Dieser Vorteil setzt sich in der Gestaltung der Anlagenperipherie fort. Hier sind lediglich zwei Rohrleitungen zum Heizen und Kühlen und kleine Rohrdimensionen – wie bei direkt verdampfenden Systemen üblich – erforderlich.

„Die wassergeführten Außengeräte erzeugen auch bei besonderen niedrigen Außentemperaturen eine relativ konstante Kälteleistung und können ohne nennenswerte Sicherheitsaufschläge dimensioniert werden. Das führt zu einem sehr gut kalkulierbarem Invest sowie geringem Platzbedarf“, erklärt Thomas Spenke, Geschäftsführer von der ausführenden Vogt Kälte-Klima-GmbH. „Der große Vorteil dieser Lösung ist, dass salzhaltige Außenluft in Meeresnähe den wassergekühlten Außengeräten wenig anhaben kann. Es entstehen zum Beispiel keine Ablagerungen auf den Wärmetauschern, wodurch die Effizienz über die gesamte Lebensdauer auf einem konstant hohen Niveau verbleibt. Auch in Regionen mit sehr hohen Außentemperaturen oder Gegenden, in denen es sehr kalt ist, werden ähnliche Konverterstationen entstehen. Hier können die wassergekühlten Außengeräte zur Innenaufstellung ihre Vorteile unabhängig von den Außenbedingungen gegenüber Luft-/Luft Wärmepumpen voll ausspielen“, so Pape.

Vier Geräte

im Einsatz

Zum Einsatz kommen hier vier Geräte vom Typ PQRY-P600YSLM-A mit jeweils 69kW Kälteleistung für die Kühlung und eine Einheit vom Typ PQRY P300 YLM-A mit 33,5 kW Kälteleistung zur Kühlung und Beheizung des gesamten Betriebsgebäudes. Die Trennung in vier bzw. fünf autarke Systeme bietet den Vorteil der Mehrfach-Redundanz. Das heißt, wenn eine Anlage zu Wartungs- oder Servicezwecken kurzfristig außer Betrieb genommen wird, ist mit den verbleibenden Einheiten eine konstante Abführung der Wärmelasten aus dem Betriebsgebäude jederzeit sichergestellt. Die wassergekühlten Varianten ermöglichen zudem eine problemlose Einbindung in die vorhandene Infrastruktur und den Einsatz bei den spezifizierten minimalen Außentemperaturen. Im Außenbereich stehen luftgekühlte Rückkühler zur Verfügung, an den die Außengeräte angeschlossen sind.

Mit VRF-R2-System

bis zu 50 % Energieeinsparung

Für die gleichmäßige und geordnete Abführung der Wärmelasten in den einzelnen Gebäudesektionen sorgen Kanaleinbaugeräte mit horizontaler Durchströmung. Da das Betriebsgebäude über keine separate Heizungsanlage verfügt, kann das R2-System zum simultanen Kühlen und Heizen seine Vorteile voll ausspielen. Die im Kühlbetrieb aufgenommene Wärmeenergie aus den Technikräumen wird in einen Pufferspeicher geführt und kann für den Heizbetrieb in Bereichen mit Personenbelegung eingesetzt werden. Bei Bedarf wird sie dann zum Heizen der Büros, des Besprechungsraumes, der Leitwarte und der Teeküche genutzt.

 Zentrale Bauteile des R2-Wärmepumpensystems sind die Kältemittelverteiler (BC-Controller), die mit dem Außengerät eine regelungstechnische Einheit bilden. Sie verteilen das Kältemittel unter verschiedenen Betriebsdrücken und Aggregatzuständen je nach Wärme- oder Kältebedarf an die entsprechenden Innengeräte. Der Einsatz der R2-Serie zum Heizen und Kühlen im Parallelbetrieb ermöglicht sowohl die Installation bei wenig Platz als auch eine besonders hohe Energieeffizienz. Durch das System der Wärmerückgewinnung sind Energieeinsparungen von bis zu 50 % möglich.

 

Zentrale Steuerung und

Überwachung der Außengeräte

Zur Bedienung und Kontrolle der Wärmepumpen-Anlagen steht das visuelle Steuerungssystem AE-200E zur Verfügung. Es ermöglicht eine zentrale Steuerung und Überwachung der Außengeräte, BC-Controller und Innengeräte. In den einzelnen Räumen werden hierzu Raumfernbedienungen PAR-32MAA eingesetzt. Als Systemanbieter stellt der Hersteller abgestimmte Produkte für die verschiedenen Anwendungen wie beispielsweise vollständige Steuerungssysteme zur Verfügung.

Fazit

Zur erfolgreichen Umsetzung der Energiewende stehen zahlreiche Technologien zur Verfügung. Neben der nachhaltigen Stromerzeugung aus Sonne, Wind und Wasser tragen moderne und hocheffiziente Systeme wie beispielsweise VRF-Wärmepumpen maßgeblich zu den hohen Energiesparzielen bei. In Kombination mit einer intelligenten Wärmerückgewinnung lassen sich Potenziale besser nutzen und die Effizienz der eingesetzten Systeme noch steigern.

Das Betriebsgebäude in Emden/Ost wird mittels VRF-Wärmepumpensystemen gekühlt. Maßgeblich für den Einsatz von wassergekühlten Außengeräten ist ihr gutes Verhältnis von Kälteleistung und Platzbedarf sowie ihre einfache Einbindung in die Infrastruktur. Die Ausführung als R2-System für den parallelen Heiz- und Kühlbetrieb steigert die Energieeffizienz und bietet den Vorteil, dass zum Beheizen für Räume mit Personenbelegung kein zusätzliches Heizsystem mehr benötigt wird.