Welke mogelijkheden bieden VRV- en VRF-systemen?

In dit artikel gaan we dieper in op koelen en verwarmen met VRV / VRF. Wat houdt deze techniek precies in en wat zijn de mogelijkheden?

Wat is VRV / VRF?

VRV en VRF zijn twee aanduidingen van eenzelfde klimaatoplossing waarmee zowel verwarmd als gekoeld kan worden. VRV is de afkorting voor Variable Refrigerant Volume en is de benaming die toegekend werd door de oorspronkelijke ontwikkelaar van de techniek. Daikin nam deze terminologie en afkorting in gebruik in 1982 en liet deze ook patenteren.

VRF staat voor Variable Refrigerant Flow. Alle andere HVAC-fabrikanten hanteren deze laatste benaming, maar bedoelen in feite een gelijkaardig proces om gebouwen mee te klimatiseren.

Er zijn verschillende uitvoeringsvormen, maar het basisprincipe van de techniek is steeds hetzelfde. Een binnen- en buitengedeelte zijn aan elkaar gekoppeld en gevuld met koudemiddel. Afhankelijk van de warmte- of koudevraag per afgiftelichaam varieert de hoeveelheid (het debiet) van het koelmiddel bij ieder binnengedeelte.

Een buitenunit en een aantal binnenonderdelen, koudemiddel… Er zijn enkele gelijkenissen op te merken met een multisplit-lucht/luchtwarmtepomp. Het verschil tussen beide is echter dat bij VRF de (elektronische) expansieventielen zich in de binnenunits bevinden, waarbij dit bij een multisplit-warmtepomp in de buitenunit zit.

Bij VRF is er daarenboven maar één leidingset die vertakt aangesloten wordt op de verschillende binnendelen, waarbij dit bij multisplit-warmtepompen telkens met een afzonderlijke leiding vanaf ieder binnentoestel tot het buitengedeelte gebeurt.

Toepassingen

VRV/VRF wordt in grotere of niet-residentiele gebouwen met veel ruimtes toegepast. Hotels, kantoren, (sport)scholen of winkelcentra zijn slechts enkele mogelijke voorbeelden.

Het systeem ontstond vanuit de beperkingen van de met water gevoede klimatisatieoplossingen. Bij VRV/VRF is de reactiesnelheid bijvoorbeeld veel hoger en er is geen nood aan een fossiele brandstof, wat bij veel met water gevulde klimaatsystemen wel het geval is.

De grootste voordelen van VRF/VRV zijn dat het een relatief energiezuinige techniek is en dat er, in sommige varianten, tegelijkertijd gekoeld en verwarmd kan worden binnen eenzelfde installatie.

Enig nadeel is dat door de aanwezigheid van koudemiddel, de installatie onderhevig is aan de F-gassenregelgeving en sowieso door een gecertificeerd installateur dient te gebeuren.

Opbouw

Tweepijpssystemen

De meest eenvoudige oplossing is het tweepijpssysteem. Deze worden soms ook benoemd als de warmtepomp-variant. Aan het buitengedeelte zijn twee koeltechnische leidingen aangesloten: één waarin het koelmiddel zich in vloeistof- en één waarin het zich in gasfase bevindt. De leidingen worden met vertakkingen aangesloten op ieder binnentoestel.

Driepijpssystemen

Bij driepijpssystemen zijn er twee gasleidingen aanwezig naast de vloeistofleiding. In de ene gasleiding is er lagere druk en ook een lagere temperatuur, in de andere gasleiding is zowel de druk als de temperatuur hoog. Het voordeel van de extra leiding is dat er hierdoor, met behulp van verdeelboxen, tegelijkertijd gekoeld én verwarmd kan worden.

Bij tweepijpssystemen is dit niet mogelijk, daarbij zijn alle binnenunits ofwel aan het verwarmen of aan het koelen. In grote gebouwen kan het bijvoorbeeld voorkomen dat er aan de zuidzijde koeling noodzakelijk is, terwijl men aan de noordkant wat extra warmte wenst.

Het driepijpssysteem wordt ook aangeduid als de heat recovery variant (warmteterugwinning) van VRV/VRF. Wanneer er zowel een koude- als warmtevraag is in een deel van de installatie, dan kan de warmte die voortkomt uit de te koelen ruimtes, gebruikt worden voor de te verwarmen ruimtes. Dit verklaart de aanduiding warmteterugwinning.

Een driepijpssysteem heeft het hoogst mogelijke rendement op het moment dat de warmte- en koelvraag in een gebouw ongeveer gelijk zijn aan elkaar. De COP-waarde ligt hoger omdat op dat ogenblik quasi alle warmte afkomstig van de te koelen ruimtes gebruikt kan worden om de lokalen met een warmtevraag op te warmen. Dit is gunstiger in de rendementsberekening dan wanneer deze warmte onttrokken zou moeten worden uit de veel koudere buitenlucht.

Verdeelbox

Bij installaties waarbij tegelijkertijd gekoeld en verwarmd kan worden, is een verdeelbox aanwezig. De functie van dit onderdeel is bij gelijktijdigheid het transporteren van warmte tussen verschillende zones in het gebouw alvorens dat warmte naar buiten wordt afgevoerd. Op een verdeelbox kunnen, afhankelijk van het type en de fabrikant, doorgaans tot een 16-tal afgiftedelen worden aangesloten.

HVRF

HVRF of hybride VRF is een variant op het eerder besproken werkingsprincipe. De buitenunit wordt nog steeds gevoed met koudemiddel, maar de binnenunits staan in contact met een waterdragend leidingnetwerk om koude- en warmteafgifte mogelijk te maken. Het koudemiddelnetwerk dient op deze manier niet tot aan elk afgiftetoestel in het gebouw te worden aangelegd. De scheiding tussen het leidingennet gevuld met koudemiddel en met water gebeurd door een platenwarmtewisselaar.

Met deze oplossing is het bovendien mogelijk om de afgiftelichamen uit te breiden met ventiloconvectoren of bijvoorbeeld vloerverwarmingskringen. Ook het bereiden van sanitair warm water is op deze manier mogelijk met een VRV/VRF-installatie. Belangrijk hierbij is echter dat de maximale watertemperatuur beperkt kan zijn en een hoge watertemperatuur een negatieve impact heeft op de COP-waarde.

Buitenunit

In de buitenunit zijn de belangrijkste onderdelen de condensor en de vierzijdige warmtewisselaar. Idealiter is de compressor inverter- of frequentiegestuurd. Dit wil zeggen dat bij een dalende koelvraag het toerental van de compressor lager wordt en het vermogen van de buitenunit dus gelijk wordt met het totaal gevraagde vermogen van de binnenunits. Doorgaans zal de koelvraag zelden de volledige capaciteit van het systeem betreffen en draait de motor van de compressor dus aan een verminderd toerental, wat de efficiëntie van de installatie ten goede komt.

Buitenunits kan zowel lucht- als watergekoeld geothermisch zijn. In het laatste geval hoeft de ‘buiten’-unit niet noodzakelijk in de buitenomgeving opgesteld te staan en is de installatie doorgaans compacter. De levensduur van dit is iets langer, een 20 tot 25 jaar, en het rendement is het hoogst.

Luchtgekoelde systemen zijn echter flexibeler. Er dient geen put geboord te worden, wat maakt dat de kostprijs ook lager ligt. Veelal wordt daarom voor luchtgekoelde buitenunits gekozen, op voorwaarde dat ze uit het zicht kunnen worden weggewerkt.

Binnenunit

Alle fabrikanten bieden diverse types binnenunits aan. Vaak voorkomend zijn de inbouwbare plafondmodellen, de zogenaamde cassette-units. In een verlaagd plafond kan dit type deels of volledig worden ingewerkt. Standaardafmetingen zijn 60 op 60 cm, 90 op 90 cm of 60 op 120 cm.

Er wordt een onderscheid gemaakt tussen eenzijdige cassettes, hierbij wordt aan één zijde lucht aangezogen en aan de andere zijde opnieuw uitgeblazen. Een andere mogelijkheid zijn de vierzijdige cassettes. Bij dit type wordt lucht in het midden aangezogen en langs de vier zijden uitgeblazen, wat zorgt voor een betere luchtverspreiding.

Eveneens vaak voorkomend zijn de wandmodellen die tegen de muur, een aantal centimeter onder het plafond gemonteerd worden. De uitblaasrichting kan met een bediening ingeregeld worden of op een variërende stand ingesteld worden. Een derde type zijn de inbouwunits, deze komen meestal voor in hotels. In mindere mate wordt dit type soms ook in kantoorgebouwen toegepast. Minder voorkomend, maar ook mogelijk zijn de staande modellen die op de vloer geplaatst zijn.

Alle binnenunits dienen voorzien te zijn van een condensafvoer. Dit is nodig omdat bij lage temperatuur van de unit condens zal optreden op het verdamperblok, die moet worden afgevoerd. Afhankelijk van het type binnentoestel is een condenspomp nodig, in ieder geval dient de leiding af te hellen naar een afvoerleiding. Het water kan op een ander DWA-circuit (grijswater) worden aangesloten. Qua leiding wordt doorgaans PVC gekozen met een diameter van 32 mm of meer.

Leidingwerk

Het leidingwerk van het systeem wordt uitgevoerd in geïsoleerde koperen leidingen die volgens de regels van de kunst gebraseerd moeten worden. Na installatie worden de leidingen eerst onder 30 tot 40 bar druk gezet om te verifiëren dat er geen lekken zijn. Vervolgens wordt het leidingnetwerk gevacumeerd en kan het met koudemiddel gevuld worden. Tot op vandaag is R410A het standaard koudemiddel voor VRF-systemen. Ook R22 werd vroeger gebruikt, beide hebben een relatief hoge GWP-waarde. Tegenwoordig wordt er bij kleinere installaties gebruik gemaakt van het iets duurzamere koudemiddel R32.

Regeling

De meest eenvoudige regeling bestaat uit een instelbare ruimtethermostaat per lokaal waarin zich een afgiftelichaam bevindt. Aan de andere kant van het spectrum zijn eveneens regelsystemen mogelijk die vanop afstand de volledige installatie kunnen aansturen.

Installatie

Voorafgaand aan de installatie is het van belang het totale systeem te dimensioneren en geschikte componenten te selecteren. Als vuistregel wordt vaak gesteld dat het totaal aangesloten koelvermogen aan binnenunits 130% van het koelvermogen van de buitenunit mag bedragen om rekening te houden met de gelijktijdigheid van koelen en verwarmen in grote gebouwen. In sommige gevallen wordt zelfs 150% voorop gesteld.

Bij de plaatsing van een luchtgekoelde buitenunit is het van belang dat deze vrijstaand geplaatst wordt, met het oog op een vlotte luchtdoorstroming. Een sokkel is eveneens nodig om te voorkomen dat condenswater ophoopt en bij aanvriezen het toestel door ijsophoping zou beschadigen. Elektrisch is dit onderdeel veelal driefasig aangesloten, in kleinere installaties is een monofasige aansluiting ook mogelijk.

Over het onder druk brengen en vacuümeren van de leidingen ging het eerder in dit artikel al. Een bijkomstig aandachtspunt bij het leidingnetwerk is de uitzetting. Door de temperatuurverschillen wanneer de installatie in bedrijf is, dient er ruimte te zijn voor inkrimpen en uitzetting. Kabelgoten of beugels zijn bijvoorbeeld geschikte opties om dit mogelijk te maken.

Wat betreft de maximale leidinglengten zijn de beperkingen doorgaans ruim. Afhankelijk van de fabrikant verschillen deze en zijn de grenswaarden opgegeven in de technische documentatie. Naast een maximale uiterste leidinglengte van de buitenunit tot aan de uiterste binnenunit, zijn er vaak ook beperkingen wat betreft het maximale hoogteverschil en het grootste toelaatbaar hoogteverschil tussen de verschillende binnenunits waarmee rekening moet worden gehouden.

Trends

VRF is niet nieuw, de techniek gaat al jaren mee. Toch blijven fabrikanten werken aan oplossingen om de efficiëntie of het comfort te verbeteren, of breiden ze hun systemen verder uit met nieuwe ontwikkelingen.

Ontdooicyclus met PCM

Net zoals bij warmtepompen, dient bij een installatie in een koud klimaat werkend in verwarmingsbedrijf gewaakt te worden over het dichtvriezen van de buitenunit. Veelal wordt er met een periodieke ontdooicyclus gewerkt. Hierbij wordt de werking van het systeem tijdelijk gedurende een tiental minuten omgekeerd. Het nadeel van deze werking is dat periodiek het buitenelement wordt verwarmd, terwijl aan de binnenomgeving koude wordt afgegeven, met een ongewenste verlaging van de binnentemperatuur tot gevolg. Sommige fabrikanten lossen dit technisch euvel op door een energiebuffer in te bouwen met een PCM, een phase changing material. Op regelmatige basis laat het PCM zijn energie vrij om de buitenunit op te warmen, zonder dat dit invloed heeft op het binnenklimaat in het gebouw.

Renovatie van VRF-installaties

Tot slot staat de regelgeving rond de F-gassen niet stil. In nieuwe systemen wordt de shift gemaakt naar koelmiddelen met lagere GWP-waardes. Bij bestaande installaties die worden gerenoveerd, kan men tegenwoordig echter ook het leidingnet waar het koelmiddel in zit behouden, soms voorafgegaan met een reinigingstechniek, om er vervolgens een koudemiddel met een lager GWP in te plaatsen. Dit gaat meestal gepaard met het vervangen van de binnen- en buitenunits. In veel situaties kan ook de databekabeling en de voedingen worden gerecupereerd.

Met dank aan: Mitsubishi Electric, Thercon / General