Wärmerückgewinnungssysteme dienen dazu, Kühlung bereitzustellen und gleichzeitig Abwärme zur Wiederverwendung zurückzugewinnen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Klimaanlagen, bei denen Kältemaschinen Wärme an die Atmosphäre abgeben (über Luft oder geothermische Quellen), fangen Wärmerückgewinnungssysteme diese Energie auf und verwenden sie wieder. Die zurückgewonnene Wärme kann dann für verschiedene Anwendungen genutzt werden, z. B. zur Erzeugung von Warmwasser, zur Unterstützung der Raumheizung oder zur Deckung anderer Wärmebedürfnisse in einem Gebäude oder einer Industrieanlage.

Arten von Wärmerückgewinnungslösungen bei Daikin-Kältemaschinen

Im Gegensatz zu Wärmepumpen, die die Kompressorleistung je nach Heiz- oder Kühlbedarf anpassen, moduliert eine Wärmerückgewinnungskältemaschine ihre Leistung immer auf der Grundlage des Kühlbedarfs. Die Heizleistung ist ein Nebenprodukt des Kühlprozesses, was bedeutet, dass die Menge der rückgewinnbaren Wärme direkt von der Energie abhängt, die dem Kaltwasserkreislauf zugeführt wird. 
Wärmerückgewinnungskühler können in zwei Hauptkonfigurationen betrieben werden: partielle Wärmerückgewinnung und vollständige Wärmerückgewinnung. Beide Ansätze basieren auf dem gleichen Prinzip der Rückgewinnung von Kondensatorwärme, unterscheiden sich jedoch hinsichtlich der zurückgewonnenen Wärmemenge und deren Anwendung. 

Daikin bietet eine umfassende Palette an Wärmerückgewinnungslösungen mit Leistungen von 16 kW bis 2 MW, die sowohl für kleine als auch für große Anwendungen geeignet sind. Das Portfolio umfasst luftgekühlte Geräte wie die Serien EWYT-CZ, TZ-D und EWAT-B-C sowie wassergekühlte Geräte wie die Serien EWWL/H/T Q und VZ. Mit diesen Lösungen lassen sich die Energieeffizienz optimieren, Nutzwärme zurückgewinnen und die Umweltbelastung Ihrer Systeme reduzieren.

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Regulatorischer Rahmen in Europa für die Wärmerückgewinnung in HLK-Anlagen 

In der gesamten EU begünstigt die aktuelle Politik eindeutig die Wärmerückgewinnung in HLK-Anlagen. Die überarbeitete Energieeffizienzrichtlinie (EU) 2023/1791 verpflichtet die Mitgliedstaaten, eine effiziente Heizung und Kühlung zu planen und Abwärmequellen in Netzen zu nutzen. Die Leitlinien der Kommission aus dem Jahr 2024 legen darüber hinaus fest, wie Abwärme identifiziert und in Kosten-Nutzen-Analysen bewertet werden soll. Die Neufassung der EPBD (EU) 2024/1275 verschärft die Anforderungen an technische Gebäudesysteme und digitale Steuerungen (BACS) und schafft damit einen starken Anreiz für einen überwachten, hocheffizienten Betrieb, anstatt eine bestimmte Technologie vorzuschreiben. Nationale Vorschriften verstärken diesen Trend: In  Deutschland müssen neue Heizsysteme mindestens 65 % erneuerbare Energien oder unvermeidbare Abwärme liefern, und das kommunale Wärmeplanungsgesetz verlangt die Erfassung und Integration des lokalen Abwärmepotenzials. In Frankreich verschärft RE2020 die Leistungsanforderungen für Neubauten, und die BACS-Verordnung schreibt die Automatisierung in Nichtwohngebäuden >290 kW (2025) und >70 kW (2027) vorschreibt, was eine kontinuierliche Optimierung der Wärmerückgewinnungsleistung ermöglicht. In Italien erkennen das Gesetzesdekret 199/2021 und das Qualifizierungsverfahren der GSE eine effiziente Fernwärme- und Fernkälteversorgung durch Abwärme an, was den regulatorischen Wert von Rückgewinnungslösungen signalisiert. 

Wie funktioniert Wärmerückgewinnung?

Teilweise Wärmerückgewinnung 

Ein mit einem Enthitzer ausgestatteter Kühler ist ein Kühlsystem mit einer zusätzlichen Wärmerückgewinnungsfunktion. Der Enthitzer ist ein Wärmetauscher, der dem überhitzten Kältemittelgas, das den Kompressor verlässt, Wärmeenergie entzieht, bevor es in den Kondensator gelangt. Diese zurückgewonnene Wärme kann wiederverwendet werden, beispielsweise zur Erzeugung von Warmwasser, wodurch die Gesamtenergieeffizienz des Systems verbessert wird. Der direkt in den Kühlerkreislauf integrierte Enthitzer senkt die Temperatur des Kältemittels, während es sich noch im gasförmigen Zustand befindet, näher an seinen Kondensationspunkt. Unter günstigen Bedingungen kann die zurückgewonnene Wärmemenge bis zu 20 % der gesamten Wärmeabgabe erreichen, abhängig von Faktoren wie Umgebungstemperatur, Betriebsbedingungen des Verdampfers und Wassertemperatur im Enthitzer. 

Bei luftgekühlten Kältemaschinen ist der Enthitzer in der Regel ein gelöteter Plattenwärmetauscher, der in Reihe mit dem Luftteil installiert ist. 
Bei wassergekühlten Kältemaschinen kann es sich entweder um denselben Typ eines gelöteten Plattenwärmetauschers handeln oder um einen direkt in den Kondensator integrierten Wärmetauscher, wenn dieser vom Rohrbündeltyp ist. Im letzteren Fall wird ein spezielles, kleineres Rohrbündel innerhalb des Kondensators für den Teilwärmerückgewinnungskreislauf verwendet. 
In beiden Konfigurationen regelt der Kühler selbst die Heizleistung nicht aktiv. Die Wärmerückgewinnung wird stattdessen einfach durch das Aktivieren oder Deaktivieren des Wasserflusses durch den Enthitzer gesteuert. 

THR in luftgekühlten Kältemaschinen 

Total Heat Recovery (THR)-Kältemaschinen sind Systeme, die darauf ausgelegt sind, nahezu die gesamte während des Kühlzyklus entstehende Abwärme zu erfassen und zu nutzen, anstatt nur einen Teil davon. Durch die Rückgewinnung der während des Betriebs der Kältemaschine entstehenden Wärme maximieren diese Systeme die Energieeffizienz und können die Wärme für andere Zwecke, wie z. B. die Warmwasserbereitung oder die Raumheizung, umleiten. In einem Hotel, in dem sowohl die Gästezimmer gekühlt als auch Warmwasser für Duschen bereitgestellt werden muss, kann ein THR-Kühler beispielsweise gleichzeitig gekühltes Wasser für die Klimatisierung liefern und die zurückgewonnene Wärme für die Warmwasserversorgung nutzen, wodurch die Gesamtenergieeffizienz verbessert und die Betriebskosten gesenkt werden. 
Diese Konfiguration kann je nach Gerätetyp und spezifischen Anwendungsanforderungen variieren, z. B. THR in luftgekühlten Kältemaschinen und THR in wassergekühlten Kältemaschinen. 

THR in air-cooled chillers 

In Luftkältemaschinen kann die vollständige Wärmerückgewinnung (THR) entweder in Reihe mit dem luftgekühlten Kondensator oder in einer parallelen Anordnung konfiguriert werden. 

Wärmerückgewinnungskonzepte für luftgekühlte Kältemaschinen 

In der Parallelkonfiguration wird der THR-Luftbereich während des Wärmerückgewinnungsbetriebs umgangen, wodurch der Kältemittelfluss innerhalb des Kreislaufs erheblich erhöht wird. Da der Wärmerückgewinnungswärmetauscher ein viel geringeres Volumen hat als der luftgekühlte Hauptkondensator, muss das überschüssige Kältemittel in einem Flüssigkeitsbehälter gespeichert werden, um Hochdruckauslösungen aufgrund von Überfüllung zu verhindern. Dies erfordert auch zusätzliches Kältemittel im System. 
Während des Wärmerückgewinnungsbetriebs hängt die verfügbare Wärmemenge ausschließlich von der Kühllast ab, da es keine unabhängige Steuerung der Heizleistung gibt. Die gesamte zurückgewonnene Wärme wird an den Warmwasserkreislauf abgegeben. Wenn der Heizbedarf geringer ist als die verfügbare Wärme, schaltet der Kühler zwischen Wärmerückgewinnung EIN und AUS um, was zu einem instabilen Betrieb, einer verringerten Effizienz und einer erhöhten Belastung kritischer Komponenten wie Kompressoren, Ventilatoren und Ventile führt. 

Belastung vs. Kapazität im Zeitverlauf 

In der „Serienkonfiguration“ fließt das Kältemittel immer sowohl durch den Wärmerückgewinnungswärmetauscher als auch durch den luftgekühlten Abschnitt. Die Verteilung der Wärme – entweder zum Wärmerückgewinnungskreislauf oder zum Luftabschnitt – hängt von der Temperaturdifferenz zwischen den beiden ab. Wenn kein Wärmebedarf besteht, wird der Luftstrom des Kondensators maximiert, um die Kältemitteltemperatur zu senken und Wärme an die Atmosphäre abzugeben. Umgekehrt wird bei Wärmebedarf der Luftstrom reduziert, um die Kältemitteltemperatur zu erhöhen, sodass Wärme an den Warmwasserkreislauf abgegeben werden kann. 

Betrieb der Wärmerückgewinnung in Reihe 

Die Reihenschaltung ermöglicht eine kontrollierte Abgabe der zurückgewonnenen Wärme. Die maximal verfügbare Wärme hängt zwar weiterhin vom Kühlbedarf ab, aber im Gegensatz zur Parallelschaltung ist es möglich, die zugeführte Wärmemenge an den tatsächlichen Bedarf anzupassen. Dies wird durch die Regelung des Kondensatorluftstroms erreicht, der die Kältemitteltemperatur und damit die an den Warmwasserkreislauf abgegebene Wärme steuert. 

 Belastung vs. Kapazität im Zeitverlauf 

Dadurch sorgt die Reihenschaltung für einen ruhigeren Betrieb als die Parallelschaltung, wobei die Komponenten des Kältemaschine weniger belastet werden und eine höhere Stabilität erreicht wird, was zu einer höheren Gesamteffizienz führt. Da das Kältemittel immer durch den Luftbereich fließt, wird ein Teil der Wärme zwangsläufig an die Umgebung abgegeben, sodass die Menge der rückgewinnbaren Wärme in der Regel etwa 80–85 % der gesamten Wärmeabgabe beträgt. Obwohl für die serielle THR weiterhin ein Flüssigkeitsbehälter erforderlich ist, ist der zusätzliche Kältemittelbedarf im Vergleich zur parallelen Anordnung geringer. 

THR in wassergekühlten Kältemaschinen 

Die Wärmerückgewinnung bei wassergekühlten Kältemaschinen kann je nach verwendeter Technologie und Größe der Anlage unterschiedlich konfiguriert sein. 
Die gängigste Lösung für mittlere und große Anlagen, die mit Rohrbündelkondensatoren ausgestattet sind, ist ein Doppelrohrbündelkondensator. Der Kondensator ist in zwei Abschnitte unterteilt: einen für den Quellkreislauf und einen für die Wärmerückgewinnung. Das Kältemittel fließt immer in die gleiche Richtung, und der Wärmerückgewinnungsmodus wird einfach durch Aktivieren der Pumpe im Wärmerückgewinnungskreislauf und Deaktivieren der Pumpe im Quellkreislauf aktiviert. 

Der Kühler selbst hat keine direkte Kontrolle über die Pumpen; deren Aktivierungs-/Deaktivierungsfunktion wird vom Benutzer über einen Thermostat am Heizkreislauf gesteuert. Wenn die Anschlüsse im Heizkreislauf Wärme benötigen, wird die Pumpe am Wärmerückgewinnungskreislauf aktiviert, während die Pumpe am Quellkreislauf deaktiviert wird. 
Die Leistung und die Menge der zurückgewonnenen Wärme hängen von der Konstruktion des Kondensators ab, insbesondere von der Größe und der Anzahl der Rohre, die dem Quellbündel im Vergleich zum Wärmerückgewinnungsbündel zugewiesen sind. Der Quellkreislauf und der Wärmerückgewinnungskreislauf bleiben auf der Wasserseite vollständig getrennt. 

Hochtemperatur-Wärmerückgewinnung: die Templifier-Anwendung 

Eine weitere mögliche Konfiguration für die vollständige Wärmerückgewinnung in wassergekühlten Kältemaschinen ist als „TEMPLIFIER” bekannt. Der Begriff steht für „Temperature Amplifier“ (Temperaturverstärker) und bezieht sich auf Situationen, in denen die Temperatur der zurückgewonnenen Abwärme nicht hoch genug ist, um direkt wiederverwendet zu werden. In solchen Fällen erhöht (oder „verstärkt“) das System die Temperatur der zurückgewonnenen Wärme, sodass sie für praktische Anwendungen geeignet ist.

Die Wasser-Wasser-Wärmepumpe (WWHP) entzieht dem Kühlkreislauf des Kältemaschinen die Wärmeenergie und überträgt sie an den Heizkreislauf. Dadurch arbeitet der Kühlturm mit reduzierter Leistung, da er weniger Wärme an die Umgebung abgeben muss. Im Gegensatz zu einer Wärmerückgewinnungskältemaschine moduliert die WWHP ihren Kompressor auf Basis der Warmwasserversorgungstemperatur. Dadurch kann sie ihre Leistung entsprechend dem Heizbedarf anpassen (entlasten) und so eine bessere Regelung der Fördertemperatur gewährleisten. 
In dieser Konfiguration ist die WWHP vollständig vom Kühlkreislauf getrennt und liefert nur Heizenergie. Die Energie gilt als „zurückgewonnen“, da sie die Wärmeenergie aus dem Quellkreislauf des Kältemaschine nutzt, die sonst über den Kühlturm an die Atmosphäre abgegeben würde. 

Daikin-Wasserwärmepumpe für Templifier-Anwendungen 

Der wassergekühlte Inverter-Kühler EWWH-VZ von Daikin ist mit einer Hochtemperatur-Option erhältlich, die mit dem Kältemittel R-1234ze mit niedrigem Treibhauspotenzial ausgestattet ist. Diese Konfiguration ermöglicht es dem Gerät, Warmwasser mit Temperaturen von bis zu 90 °C zu liefern, wodurch sein Betriebsbereich erheblich erweitert wird und es für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet ist, von industriellen Prozessen bis hin zu Fernwärmenetzen. Die Fähigkeit, derart hohe Wassertemperaturen zu erreichen, ist von entscheidender Bedeutung, da die EWWH-VZ dadurch Wärmerückgewinnung und Templifier-Anwendungen effektiv unterstützen kann, bei denen Abwärme aufgewertet und für die Heizung oder Warmwasserbereitung wiederverwendet werden kann. Dies maximiert die Energieeffizienz und trägt zur Senkung der Betriebskosten und zur Verringerung der Umweltbelastung bei.

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