Alles auf einen Blick:

• Das Kreislaufverbundsystem ist eine Wärmerückgewinnungsanlage, bei der die Rohre der Ab- und Zuluft getrennt sind.
• Diese Eigenschaft unterscheidet KVS von anderen raumlufttechnischen Anlagen und bietet die Möglichkeit für höchste hygienische Anforderungen bei der Erwärmung und Kühlung eines Raums.
• Um die beiden Luftströme zu verbinden, wird beim Betrieb ein sogenannter Wärmeübertrager benutzt, der die im Wärmetauscher gespeicherte Wärme der Abluft zur Zuluft befördert.
• Durch den Betrieb nutzen Sie die Wärmeenergie nicht nur effizienter und sparen Kosten, das System sorgt auch für schadstofffreie, frische Luft.

Aufgaben

Das Kreislaufverbundsystem garantiert aufgrund der strikten Trennung der Luftströme während der Wärmerückgewinnung saubere Zuluft in einem Zimmer. Daher eignet sich die Anlage für Luft, die hygienisch und sicherheitstechnisch hohen Anforderungen entsprechen muss, wie beispielsweise im Krankenhaus oder Labor.

Was ist ein Kreislaufverbundsystem?

Das Kreislaufverbundsystem, auch KV-System oder KVS, ist eine Wärmerückgewinnungsanlage. Es ist nach der VDI Richtlinie 2071 Teil des regenerativen Systems einer Wärmerückgewinnung. Dabei sind die Luftströme – genauer die Ab- und Zuluft – komplett voneinander getrennt, was sie von anderen raumlufttechnischen Anlagen unterscheidet.

Welche Aufgaben hat ein KV-System?

Ein KV-System bereitet die Zu- und Abluft bei der Wärmerückgewinnung getrennt auf und entspricht so sicherheitstechnischen und hygienischen Anforderungen an die Raumluft. So fließt saubere Luft in den Raum – ohne Schadstoffe, Feuchtigkeit, Keime oder Gerüche aus der Abluft.

Sie leistet aufgrund Ihres Aufbaus auch einen Beitrag zu wohldosierten Temperierung der Zuluft. Denn gerade in industriell genutzten Räumen kann das Kühlen oder Erwärmen auf eine bestimmte Temperatur zwingend notwendig sein. Egal ob Sie einen Raum erwärmen oder kühlen wollen: Die Lüftungsanlage nutzt jeweils den Energiegehalt der abfließenden Luft, um die Zuluft entsprechend zu temperieren. In der kalten Jahreszeit wird die Zuluft erwärmt, im Sommer gekühlt.

Zudem können Lüftungsanlagen Feuchtigkeit aus Räumen ausleiten und für Luftzirkulation sorgen, um Schimmelbildung vorzubeugen. Dies ist gerade in Neubauten, die von einem Vollwärmeschutz ummantelt sind, empfehlenswert.

Wo werden KV-Systeme eingesetzt?

Das Energie-Rückgewinnungs-System mittels verbundenem Wärmetauschers in einem KV-System wird in Gebäuden genutzt, wenn die räumlichen Gegebenheiten keine zusammenführenden Luftströme in eine gemeinsame raumlufttechnische Anlage ermöglichen. Es wird auch eingesetzt, wenn aus hygienischen oder sicherheitstechnischen Gründen diese Zusammenführung nicht erlaubt ist.

Das Einsatzgebiet sind hochsensible Räume, beispielsweise:

• Krankenhaus (damit keine kontaminierte Luft in die Außenluft gelangt)
• Labore für Pharma- und Lebensmittel
• Lackierfabrik
• öffentliche Gebäude mit großem Personenverkehr, beispielsweise Konzerthallen

Funktionsweise

Ein Kreislaufverbundsystem besteht aus mindestens einem Wärmeübertrager. Dieser ist mittels eines hydraulischen Kreislaufs mit den Ab- und Zuluftleitungen verbunden. Als Wärmeträger wird meist ein Glykol-Wasser-Gemisch eingesetzt.

Wie funktioniert ein Kreislaufverbundsystem?

Bei der Wärmerückgewinnung (WRG) ersetzen Lüftungssysteme die verbrauchte Abluft durch frische Außenluft. Dabei wird die in der Abluft enthaltene Wärme zur Temperierung der Zuluft genutzt. Genauer gesagt, wird die Differenz des Wärmeinhalts zwischen der wieder nach außen strömenden Fortluft und der angezogenen Außenluft nutzbar gemacht.

Diese Wärme wird auf die Zuluft mittels eines Wärmetauschers übertragen, der in Form von Kupferrohren mit Aluminiumlamellen jeweils in der Außenluft- und Fortluftrohrleitung liegt. Der Wärmetauscher speichert die Wärme der Abluft. Ein Wärmeübertrager – meist Wasser-Glykolgemisch – transportiert per Pumpe die Wärmeenergie mittels Rohrleitungen von Abluftrohr zu Zuluftrohr.

Das Rohrsystem, das im KVS die beiden Luftrohre verbindet, erlaubt die ortsunabhängige Installation der Ab- und Zuluftrohre im Gebäude. Zudem ist so beim Betrieb gewährleistet, dass keinerlei Schadstoffe, Feuchtigkeit, Pollen oder Schmutz aus der Abluft in die Zuluft gelangen.

Positiver Nebeneffekt: Für die Erwärmung der Zuluft muss weniger Energie aufgewendet werden, wodurch die Kosten gesenkt werden.

Was sind die Vorteile eines Kreislaufverbundsystems?

Das KVS bietet folgende Vorteile:

• Hoher Wirkungsgrad
• Geringer Platzbedarf: Die Geräte sind durchschnittlich jeweils circa 1,60 bis 2 Meter hoch und breit und bis zu 90 Zentimeter tief.
• Nachrüstung von Altanlagen möglich
• Integrierte Funktion zur Leistungsregelung

Gegenüber anderen raumlufttechnischen Anlagen bestehen insbesondere folgende Vorteile :

• Effizientere Energierückgewinnung durch das Prinzip der Wärmerückgewinnung:
  In Kombination mit dem Hydraulikmodul des KVS kann die Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Raumluft reduziert und damit die Leistung für Heiz- und Kälteenergie reduziert werden. So senken Sie die Kosten für Heizung und Kühlsysteme.
• Reduzierung der Schadstoffemissionen:
  Durch die Trennung der Luftströmungen gelangen keine Schadstoffe und keine Feuchtigkeit aus der verbrauchten Luft über die Zuluft in den Raum. Die Raumluftqualität steigt.
• Frische, gesunde und temperierte Luft:
  Trotz bisweilen zu starker Isolierung der Gebäudefassaden erfolgt eine Regulierung der Temperatur, wodurch bei Hitze kühlere Luft in einen Raum gepumpt wird. Somit wird die sich anstauende Raumluft gesenkt.
• Dezentrale Aufstellung der Ab- und Zuluft:
  Die Trennung der beiden Luftströmungen hat den positiven Nebeneffekt, dass die Leitungen nicht nebeneinander liegen müssen wie bei anderen Lüftungssystemen.

Was sind die Nachteile eines Kreislaufverbundsystems?

Zu den Nachteilen gehört, dass das Kreislaufverbundsystem zu den teureren raumlufttechnischen Anlagen gehört. Ein Punkt, der Mehrkosten verursacht, ist der erforderliche Hydraulikkreis. Zudem müssen Sie bei Kälte mit Vereisung rechnen. Eine regelmäßige Überwachung der Rohrleitungen ist daher unumgänglich.

Fazit

Das Kreislaufverbundsystem ist eine Wärmerückgewinnungsanlage, bei der die Rohre der Ab- und Zuluft getrennt voneinander verlaufen. Im Vergleich zu herkömmlichen raumlufttechnischen Anlagen können diese Anlagen damit noch höheren hygienischen und sicherheitstechnischen Anforderungen gerecht werden.

Dafür wird die Energie der Abluft genutzt und so die Außenluft in der Anlage erwärmt oder gekühlt, bevor sie als Zuluft in den Raum geblasen wird. Der Energieaustausch im System findet im Wärmetauscher statt. Als Wärmeüberträger dient ein Wasser-Glykol-Gemisch.

Die Vorteile des KVS liegen insbesondere in der schadstofffreien, frischen Luft, die durch die Trennung der Luftströmungen gewährleistet ist, und in der örtlich unabhängigen Installation der Luftrohre.

Alles auf einen Blick:

• Natürliche Kältemittel sind die umweltbewusste Alternative zu FCKWs und FKWs.
• Neben der hohen volumetrischen Kälteleistung, die eine kompakte Bauweise des Klimageräts erlaubt, weisen die Mittel für Anlagen zur Kältetechnik auch eine hohe kritische Temperatur auf.
• Ammoniak, Propan, Butan und Kohlendioxid sind die bekanntesten. Aber auch Wasser kann als Kühlmittel genutzt werden.
• Die unterschiedlichen Substanzen finden ihre Anwendung je nach räumlicher und technischer Anforderung.

Arten und Einsatzgebiete

Natürliche Kältemittel sind Substanzen, die in der Natur vorkommen. Dazu gehören unter anderem Ammoniak, Wasser und Kohlendioxid, auch Kohlenstoffdioxid genannt. Eingesetzt werden sie je nach individuellen Eigenschaften in Klima- und Kälteanlagen in verschiedenen Bereichen, um Kälte zu erzeugen.

Was sind natürliche Kältemittel?

Ein Kältemittel ist nach der DIN EN 378 ein Fluid, das zur Wärmeübertragung in einer Kälteanlage eingesetzt wird und bei niedriger Temperatur und niedrigem Druck Wärme aufnimmt. Es grenzt sich ab vom Kühlmittel, das nur innerhalb eines Kühlzyklus die Wärmeenergie zur Kühlung transportiert. Das Kältemittel hingegen trägt die Wärmeenergie vom Kühlgut in die Umgebung.

Natürliche Kältemittel sind in der Natur vorkommende Substanzen, die nicht künstlich produziert werden müssen. Sie setzen sich aus Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff und Wasserstoff zusammen.

Welche Arten von natürlichen Kältemitteln gibt es?

Ammoniak, Kohlendioxid, Luft, Kohlenwasserstoff und Wasser sind die bekanntesten und verbreitetsten natürlichen Mittel.

Wo werden sie eingesetzt?

Natürliche Kältemittel kommen in geschlossenen und offenen Kälteanlagen, Klima- und Kühlanlagen zum Einsatz. Dabei ist das Spektrum vielfältig. Beispielsweise werden sie in der Lebensmittelindustrie, Gebäudetechnik, Logistik, chemischen Industrie, Freizeitindustrie oder im Gesundheitswesen eingesetzt. Je nach Anwendungsfall eignet sich ein bestimmtes Mittel.

In Fahrzeugen wird neben Kohlendioxid aktuell vor allem noch Tetrafluorpropen (R-1234yf) eingesetzt. Es gibt aber Bestrebungen, vermehrt Luft für die Produktion von Kälte zu nutzen.

Eigenschaften

Natürliche Kältemittel sind nicht schädlich für die Ozonschicht und erhöhen auch nicht den Treibhauseffekt. Bestenfalls weisen sie eine hohe volumetrische Kälteleistung, Wärmeleitfähigkeit und kritische Temperatur auf. Letztere bildet den Übergang von flüssig zu gasförmig. Doch damit nicht genug.

Was ist der Unterschied zu synthetischen Kältemitteln?

Synthetische Kältemittel sind solche, die künstlich hergestellt werden, also nicht in der Natur vorkommen. Dazu gehört Fluorchlorkohlenwasserstoff, kurz FCKW, das ein sogenanntes halogeniertes Kältemittel ist. Diese künstlich produzierten Substanzen bestehen aus Kohlenwasserstoffen, bei denen Wasserstoffatome durch Halogene, Chlor und Fluor ersetzt werden.

Was sind die Eigenschaften von natürlichen Kältemitteln?

Zu den physikalischen Eigenschaften zählen die hohe kritische Temperatur und volumetrische Kälteleistung, die eine kompakte Bauweise der Geräte ermöglicht. Daneben sind noch folgende Eigenschaften im Vergleich zu FCKWs entscheidend:

• umweltverträglicher aufgrund der geringeren Ozonschichtbelastung und des geringeren Treibhauspotenzials
• sofort in unbegrenzter Menge verfügbar
• relativ preiswert
• nicht giftig
• nicht korrosiv

Was sind die Nachteile von natürlichen Kältemitteln?

• geringerer Brandschutz als FCKWs
• Kompatibilität nicht zu jeder Kühlanlage gegeben
• teilweise sehr starker Geruch
• Wasser und Luft sind für spezielle Anwendungen geeignet, bedürfen aber noch weiterer Forschung, um kommerziell großflächig nutzbar zu sein.

Wann ist welches natürliche Kältemittel sinnvoll?

Das perfekte Kältemittel verbindet folgende Eigenschaften:

• gute physikalische und thermodynamische Eigenschaften wie hohe volumetrische Kälteleistung, Wärmeleitfähigkeit und hoher kritischer Punkt
• chemisch-strukturelle Stabilität
• kein Einfluss auf das Klima
• leicht verfügbar

Allerdings gibt es keine Substanz, die alle Punkte erfüllt. Daher muss bei jeder Anwendung das passende System samt Kältemittel ausgewählt werden. So sind der Aufstellungsort sowie die technischen und preislichen Anforderungen neben den Umweltaspekten bei der Auswahl wichtige Kriterien.

Ammoniak, Propan und Co.

Die unterschiedlichen natürlichen Substanzen verbinden verschiedene Eigenschaften. Ammoniak, Propan, Butan und Kohlendioxid sind für unterschiedliche Anwendungsgebiete geeignet. Falls Sie sich nach dem Durchlesen der Vor- und Nachteile weiterhin unsicher sind, sollten Sie einen Klimatechniker zurate ziehen.

Was sind die Eigenschaften von Kohlendioxid?

Das Kürzel von Kohlendioxid, auch Kohlenstoffdioxid genannt, ist R-744, die chemische Formel CO2.

Vorteile:

• große volumetrische Kälteleistung: Dadurch wird nur geringer Volumenstrom notwendig, wodurch wiederum eine kompakte Bauweise mit kleinen Rohrleitungen des Kühlgeräts möglich ist
• ungiftig
• unbrennbar
• verhältnismäßig geringer Treibhauseffekt
• exzellente Wärmeübertragung

Nachteile:

• reaktionsträge
• relativ hoher Betriebsdruck erforderlich (mehr als 80 bar), wodurch eine robuste Bauweise nötig wird
• schwerer als Luft
• bei einer Konzentration von 2,5 Prozent tödlich
• geruchlos, wodurch ein Leck schwer zu erahnen ist

Anwendung:

Kohlendioxid kann bei Temperaturen zwischen -55 und 30 Grad Celsius genutzt werden. In diesem Bereich sind mit CO2 ausgestattete Systeme effizienter als herkömmliche Systeme mit synthetischen Kältemitteln.

Kohlendioxid ist insbesondere für Wärmepumpen und zur Wärmerückgewinnung sowie für Fahrzeug-Klimaanlagen geeignet.

Was sind die Eigenschaften von Ammoniak?

Die chemische Formel ist NH3, das Kürzel R-717. Zu den Vorteilen zählen:

• vielfältig verwendbar
• kein Treibhauspotenzial
• keine Ozonschichtbelastung
• leichter als Luft
• geruchsstark: Der bekannte Geruch dient als Art Frühwarnsystem, ist er doch ab 20 ppm wahrzunehmen. Eine gesundheitsschädigende Wirkung entsteht allerdings erst bei über 1000 ppm.
• hoher Wärmeenergiekoeffizient

Nachteile:

• giftig
• korrosiv bei Kupferwerkstoffen
• brennbar bei 15 bis 28 Prozent Konzentration in der Luft
• explosiv, aber erst bei einer Zündtemperatur von 650 Grad Celsius

Anwendung:

Ammoniak ist ideal für Kälteanlagen ab einer Leistung oberhalb von 500 Kilowattstunden und wird beispielsweise in Brauereien, Schlachthäusern oder Tiefkühlhäusern und Messehallen verwendet.

Was sind die Eigenschaften von Kohlenwasserstoff?

Beim Kohlenwasserstoff gibt es mehrere Varianten. Propan und Butan sind die gängigsten für Kältemittel genutzten Substanzen. Das Kürzel für Propan ist C3H8, die Formel R-290. Butan hat die chemische Formel C4H10 und das Kürzel R-600a.

Die Vorteile sind insbesondere:

• gute Energieeffizienz (Propan im Vergleich zu FCKWs wie Chlordifluormethan (R22) und Tetrafluorethan (R134a)
• niedriger Druck und damit besseres Betriebsverhalten (Butan: bei 40 Grad Celsius hat Butan 5 bar, R134a 10 und R404 18 bar)
• geringes Treibhauspotenzial

Als Nachteil muss vor allem die leichte Entflammbarkeit aufgeführt werden. Sie führt zu erhöhten Sicherheitsvorkehrungen. Am besten ist es daher, die Zündquellen bereits bei der Planung zu eliminieren.

Anwendung:

Kohlenwasserstoff ist in industriellen Kälteanlagen seit Jahren erprobt und wird vor allem in der Wärmepumpentechnik und für Haushaltsgeräte wie Kühlschränke eingesetzt.

Allgemein sind Kohlenwasserstoffe nicht in ein Muster zu packen. Sie weisen zwar alle eine Wärmeenergie von circa 200 Kilojoule pro Kilogramm auf, aber Butan ist sehr leicht entflammbar, während Bromtrifluorethan gar nicht entflammbar ist. Auch bezüglich Ozonschicht und Treibhauseffekten können große Unterschiede bestehen.

Bei allen drei Parametern gilt: Je höher die Zahl, desto besser. Die Tabelle zeigt aber auch, dass die verschiedenen Kältemittel unterschiedliche Vor- und Nachteile haben. Je nach Anwendungsgebiet, technischen Anforderungen und sicherheitsrelevanten Umsetzungen ist die eine oder die andere Substanz geeignet.

Was sind die Eigenschaften von Wasser R178?

Die chemische Formel für Wasser ist H2O, das Kürzel für dieses Kältemittel R178. Sinnvoll ist dieses Material dann, wenn große Mengen Eiswasser oder pumpfähiger Eismatsch benötigt wird. Dies ist beispielsweise in der Lebensmittelindustrie oder der Fernkälte der Fall.

Vorteile:

• hohe Wärmespeicherfähigkeit
• energiesparend
• ungefährlich
• nicht belastend für Treibhauseffekt und Ozonschicht

Nachteile:

• großer Volumenstrom des Wasserdampfs notwendig, wodurch teure Turbokompressoren notwendig werden
• nur über 0 Grad Celsius nutzbar
• dichte System erforderlich, da der Betrieb nur im Vakuum funktioniert.

Gesetze

Im Laufe der Jahre hat sich die Verwendung verschiedener Substanzen für Anlagen in der Kältetechnik verändert. Nach der Effizienz im 20. Jahrhundert legten Betreiber – gezwungenermaßen – immer mehr Wert auf klimaneutrale Kältemittel. So ist mittlerweile nicht nur die Belastung der Ozonschicht ein Kriterium, sondern auch der für Treibhausgase relevante GWP-Wert.

Wie hat sich der Gebrauch von Kältemitteln entwickelt?

Anfang des 20. Jahrhunderts wurde oft mit Ammoniak hantiert. Als herauskam, dass es giftig ist, wurden neue Mittel gesucht. Dann kamen die Fluorchlorkohlenwasserstoffen (FCKWs) auf den Markt. Deren Einsatz wurde ab 1996 verboten, um das Ozonloch einzudämmen. Es folgten teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe, die FKWs, darunter das bekannte Tetrafluorethan R134a.

Diese FKWs oder HFKWs beinhalten kein Chlor mehr. Allerdings wurde auch deren Gebrauch ab 2014 untersagt, um den Treibhauseffekt zu verringern. Seit 2015 dürfen teilhalogenierte FKWs nur noch in bestehenden Anlagen verwendet werden – und nur ohne Eingriff in den Kältemittelkreislauf. Daher sind mittlerweile die natürlichen Substanzen immer mehr im Kommen.

Welche Gesetze gelten bei den Kältemitteln?

Um das Ozonloch weiter zu schützen, die CO2-Emissionen und den Treibhauseffekt zu verringern, werden synthetische Kältemittel immer mehr aus dem Verkehr gezogen.

Seit Anfang 2020 sind keine neuen ortsfesten Anlagen für Kältetechnik mehr erlaubt, wenn sie einen GWP-Wert von über 2500 aufweisen. Der halogenierte Fluorkohlenwasserstoff R404a mit einem Wert von knapp 4000 beispielsweise darf gar nicht mehr genutzt werden.

Ab 2022 werden gewerblich genutzte Kühl- und Gefriergeräte mit dem Kältemittel Tetrafluorethan (R134a) nicht mehr verkauft. Weitere Produkte mit Fluorgasen (F-Gase) sollen schrittweise bis 2030 vom Markt verschwinden, sodass dann nur noch 20 Prozent der Verkäufe auf teilfluorierte Kohlenwasserstoffe (HFKWs) entfallen.

GWP: Was ist das?

Der GWP-Wert (global warming potential) ist das Treibhauspotenzial eines Kältemittels. Er ist der Wert, der das relative Treibhauspotenzial in Bezug auf CO2 bestimmt. Der Wert beschreibt dabei die Wirkung der Erwärmung über einen definierten Zeitraum.

Während alle natürlichen Kältemittel keine Belastung für die Ozonschicht darstellen, haben Kohlendioxid und insbesondere Kohlenwasserstoffe wie Propan Einfluss auf den Treibhauseffekt. Allerdings ist die Auswirkung um ein Tausendfaches geringer als bei FCKWs.

Fazit

Ob in der Industrie oder im Privathaushalt: Verschiedene Produktionsprozesse benötigen Kälte. Abhilfe schaffen Anlagen für Kältetechnik, die wiederum ein Kältemittel benötigen. Seit einigen Jahren sind aufgrund eines immer größer werdenden Umweltbewusstseins natürliche Kältemittel immer mehr auf dem Vormarsch. Ammoniak, Kohlendioxid und Co. haben nicht nur wenig bis keine Auswirkungen auf die Ozonschicht und den Treibhauseffekt, sondern besitzen auch noch eine hohe volumetrische Kälteleistung. Diese erlaubt eine kompakte Bauweise des Klimageräts. Ebenfalls wichtig für die Bestimmung des optimalen natürlichen Kältemittels ist die spezifische Wärmeenergie und der Übergang des Aggregatszustandes von flüssig zu gasförmig.

Je nach technischen Anforderungen der Anlage und den räumlichen Gegebenheiten sind unterschiedliche Substanzen geeignet. So besitzt Kohlendioxid eine sehr hohe volumetrische Kälteleistung, wird aber schon bei 31 Grad Celsius gasförmig, während Ammoniak erst bei 132 Grad Celsius seine Konsistenz zu gasförmig wechselt.