Wie funktioniert eine Solarklimaanlage? PV, DC-Wechselrichter und Hybridstrom erklärt

Was passiert tatsächlich, wenn die Sonne auf das Panel trifft?

Eine Solarklimaanlage nutzt kein Sonnenlicht, um das Kältemittel direkt zu kühlen, und sie benötigt keine Batteriebank, um in Betrieb zu gehen. Es nimmt Gleichstrom von einer Photovoltaikanlage auf, wandelt ihn in eine kontrollierte Drehbewegung in einem Kompressor mit variabler Geschwindigkeit um und passt diese Bewegung viele Male pro Sekunde an, sodass die Kühlleistung dem gerade verfügbaren Sonnenlicht entspricht. Der Kontrolleler, die Wechselrichterbrücke, das elektronische Expansionsventil und der Außenventilator unterstützen alle diese Energieübertragung.

Drei Fakten erklären den Großteil des Verhaltens, das Sie im Feld beobachten werden. Erstens erzeugen Photovoltaikmodule Gleichstrom, und ein DC-Inverter-Kompressor ist eine Gleichstromlast, sodass der Zwischenwandlungsschritt, den ein herkömmliches netzbetriebenes Gerät durchführt, teilweise entfällt. Zweitens ist der Kompressor die einzige Komponente, die den Großteil der Energie verbraucht; Lüfter und Steuerplatinen verbrauchen zusammen normalerweise weniger als 10 Prozent der Nennleistung, weshalb die Kompressorarchitektur über das Verhalten des gesamten Systems entscheidet. Drittens ist Sonnenlicht intermittierend, daher verfügt jedes praktische Design entweder über eine zweite Stromquelle, einen Speicherpuffer oder eine thermische Massenstrategie, um Wolken und Abendstunden zu überbrücken.

Wenn eine Wolke die Anlage bedeckt, kann die PV-Leistung innerhalb von Sekunden um 60 Prozent oder mehr sinken. Ein Gerät, das mit einer Kühlleistung von 2,8 kW betrieben wurde, verfügt möglicherweise nur über 40 Prozent seiner Nenn-Gleichstromaufnahme. Was als nächstes passiert, unterscheidet ein ausgereiftes Design von einem Laborprototyp: Eine gut abgestimmte Steuerung reduziert die Kompressorfrequenz sanft und hält den Verdampfer über dem Gefrierpunkt und den Raum angenehm, anstatt bei Unterspannung auszulösen und neu zu starten.

Die praktische Konsequenz ist, dass sich eine Solarklimaanlage eher wie eine dimmbare Lampe als wie ein Ein-Aus-Schalter verhält. Die Leistung skaliert mit der verfügbaren Energie, anstatt zwischen voller Leistung und Null zu wechseln. Genau aus diesem Grund wurde die Technologie realisierbar, als die Wechselrichtersteuerung kostengünstig genug war, um sie in ein Außengerät für Privathaushalte zu integrieren.

Der vierstufige Kraftpfad, Stufe für Stufe

Verfolgen Sie die Energie von einer 6-kW-Dachanlage bis zu einem 12.000-BTU-Innengerät und Sie durchlaufen vier verschiedene Stufen. Jede Stufe hat ihren eigenen Effizienzverlust und ihre eigene Fehlersignatur, weshalb Servicetechniker in der Lage sein sollten, allein anhand der Symptome zu erkennen, welche Stufe leistungsschwach ist.

Beachten Sie, wo die Batterie sitzen würde, wenn eine solche verwendet würde: nach Stufe 2, am DC-Bus. Durch das Entfernen der Batterie entfällt nicht die Notwendigkeit, diesen Bus zu verwalten, weshalb der Controller in einer batterielosen Hybrideinheit mehr Verantwortung trägt als ein Ladecontroller in einem netzunabhängigen Stromversorgungssystem.

DC, AC und Hybrid: Drei Architekturen im Vergleich

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Käufer vereinen häufig drei verschiedene Produkte unter einem Namen. Sie sind nicht austauschbar und die falsche Angabe ist der teuerste Fehler in dieser Kategorie.

In der hybriden ACDC-Kategorie liegt derzeit die größte Nachfrage nach Wohnimmobilien, da sie eine Frage beantwortet, die Käufer tatsächlich stellen: Was passiert nachts oder während einer Woche mit Monsunwolken? Die Antwort ist, dass das Gerät mit Netzstrom mit der gleichen Effizienz wie eine herkömmliche Inverter-Klimaanlage betrieben wird und dann wieder auf Solarpriorität umschaltet, sobald die Array-Spannung wiederhergestellt ist. Es erfolgt keine manuelle Umschaltung und kein Eingreifen des Bewohners.

Die Schaltlogik verdient bei der Spezifikation eine genauere Betrachtung. Ein robustes Design überwacht die DC-Busspannung, den Array-Strom und den Kompressorbedarf gemeinsam und entscheidet dann, ob die Quellen gemischt oder vollständig umgestellt werden sollen. Geräte, die einfach auf Wechselstrom umschalten, wenn der Gleichstrom unter einen festen Schwellenwert fällt, schwanken an teilweise bewölkten Tagen zwischen den Quellen, und jeder Übergang belastet die Schütze und die Wechselrichterbrücke. Fragen Sie nach dem Hystereseband und der Mindestverweilzeit vor einem Quellenwechsel, da diese beiden Zahlen die Langzeitzuverlässigkeit genauer vorhersagen als jede Broschürenaussage.

Die Dimensionierung der AC-Fallback-Schaltung ist unkompliziert, wird aber oft vernachlässigt. Wenn das Gerät bei Nennkühlung am Netz 1,6 kW verbraucht, muss der Kreislauf für diese Dauerlast plus Anlauftoleranz ausgelegt sein, nicht für den geringeren durchschnittlichen Verbrauch, den die Solareinspeisung tagsüber ermöglicht. Eine Unterdimensionierung der AC-Einspeisung, weil „die Sonne die meiste Arbeit erledigt“, führt in der Regenzeit zu lästigen Fahrten.

Warum der Kompressor die ganze Geschichte ist

Zwei Kompressoren mit identischem Hubraum können sich auf einem Solarbus völlig unterschiedlich verhalten. Der Unterschied liegt in der Art und Weise, wie der Motor angetrieben wird.

Ein herkömmlicher Kompressor mit fester Drehzahl startet auf der ganzen Linie und verbraucht für den Bruchteil einer Sekunde das Fünf- bis Siebenfache seines Betriebsstroms. Bei einer PV-Anlage mit begrenztem Kurzschlussstrom führt dieser Einschaltstrom zum Zusammenbruch der Busspannung und der Antrieb schaltet ab. Stattdessen fährt ein DC-Inverter-Kompressor hoch, beginnend bei etwa 15 Hz und steigt nur so schnell an, wie es die verfügbare Leistung zulässt. Dies ist keine Verfeinerung; Dies ist die Voraussetzung für eine batterielose Solarkühlung.

Am unteren Ende des Geschwindigkeitsbereichs kommt es auf das Regelungsschema an. Bei der 180-Grad-Sinuswellenkommutierung folgt der Strom in jeder Phase einer glatten Sinuskurve, sodass sich der Luftspaltfluss gleichmäßig dreht und das Drehmoment in jedem elektrischen Zyklus nahezu konstant bleibt. Bei älteren 120-Grad-Systemen bleibt die nicht erregte Phase 60 Grad lang schwebend, was zu Drehmomenteinbrüchen führt, die sich als Vibrationen bei 20 bis 30 Hz bemerkbar machen, genau dort, wo eine Solaranlage einen Großteil ihrer Betriebslebensdauer verbringt. Vibrationen beschleunigen den Lagerverschleiß und lockern Rohrverbindungen, sodass die Steuerungsdetails direkte Auswirkungen auf die Wartung haben.

Feldmessungen aus dem Schwachlastbetrieb verdeutlichen dies. Eine 12.000-BTU-Hybrideinheit, die bei 22 Hz und einer Array-Leistung von 900 W betrieben wird, lieferte etwa 1,1 kW Kühlung bei einer Kondensationstemperatur, die nur 6 °C über der Umgebungstemperatur lag. Dasselbe Gerät lieferte bei der Umstellung auf 60 Hz im Netzbetrieb eine Kühlleistung von 3,4 kW bei einer Verflüssigungstemperatur von 14 °C über der Umgebungstemperatur. Ein geringerer Auftrieb bei niedriger Geschwindigkeit ist kein Trick der Messung; Es ist die thermodynamische Belohnung für die Anpassung der Kapazität an die Belastung.

Schutzverhalten rundet das Bild ab. Drei Grenzwerte dominieren: eine minimale DC-Busspannung, unterhalb derer der Antrieb aufhört zu modulieren, eine maximale Entladungstemperatur, die eine Frequenzreduzierung erzwingt, und eine minimale Ölrücklauffrequenz, die verhindert, dass der Kompressor zu lange zu langsam läuft. Eine gut gestaltete Firmware gleicht alle drei aus, weshalb sich dieselbe Hardware je nach Autor der Steuerlogik entweder flüssig oder unregelmäßig anfühlen kann.

Dimensionierung: Wie viel PV braucht eine Solarklimaanlage wirklich?

Beginnen Sie mit der Nenneingangsleistung, nicht mit der Nennkühlleistung. Eine 12.000-BTU-Hybrideinheit verbraucht bei Nennbedingungen typischerweise zwischen 1,0 und 1,4 kW. Teilen Sie das durch einen realistischen Modulertrag und addieren Sie dann eine Marge für die beiden Verluste, über die niemand sprechen möchte: hohe Modultemperatur und nicht ideale Neigung.

Ein praktikabler Planungswert für die meisten Breitengrade liegt bei 75 bis 80 Prozent der auf dem Typenschild angegebenen Array-Kapazität als tatsächliche Mittagsleistung. Eine 1,2-kW-Last benötigt also etwa 1,5 bis 1,6 kWp Solaranlage, um rund um die Mittagszeit der Sonne kontinuierlich mit voller Geschwindigkeit zu laufen. Da das Gerät moduliert, sorgt ein kleineres Array für mehr Stunden am Tag für eine nützliche Kühlung.

Drei Standortvariablen verschieben diese Zahlen stärker als jedes Spezifikationsblatt. Neigung und Azimut sind am größten: Ein Dach, das 40 Grad vom idealen Azimut entfernt ist, kann 10 bis 15 Prozent des Tagesertrags verlieren. Staub und Schmutz kosten in trockenem Klima 3 bis 8 Prozent und in der Nähe von Bauarbeiten deutlich mehr. Ab einer Stranglänge von mehr als 25 Metern kommen noch einmal 2 bis 3 Prozent Kabel- und Steckerverluste hinzu.

Vergessen Sie nicht den Ventilator des Innengeräts, der bei den meisten Hybridkonstruktionen weiterhin mit Netzstrom betrieben wird und 30 bis 60 W verbraucht. Das ist zwar ein kleiner Wert, aber er ist der Grund dafür, dass ein System auf einem Überwachungs-Dashboard so aussehen kann, als würde es „auch mittags Strom aus dem Netz verbrauchen“.

Lesen Sie die Effizienzzahlen, ohne sich täuschen zu lassen

Adsorptions- und Trocknungssysteme sind eine völlig andere Technologie, die Solarwärme anstelle von Elektrizität nutzt, und sie gehören zu einem separaten Thema. Die überwiegende Mehrheit der heute verkauften Produkte sind Photovoltaik-Dampfkompressionsgeräte, die nach den gleichen Maßstäben wie jede Klimaanlage beurteilt werden.

Saisonale Effizienzbewertungen komprimieren das Wetter eines ganzen Jahres in einer Zahl und geben Auskunft über die genauen Betriebsbedingungen von Solaranlagen. Eine hohe saisonale Bewertung, die in Regionen mit mildem Klima erzielt wird, sagt wenig über Nachmittage mit 46 °C aus, wenn sowohl der Kapazitätsverlust als auch der Kompressorstrom ihren Höhepunkt erreichen.

• Überprüfen Sie die Nennkapazität bei 43 °C oder 46 °C, nicht nur am standardmäßigen 35 °C-Testpunkt. Eine Reduzierung um 5 bis 10 Prozent ist normal; Eine Leistungsminderung um 25 Prozent deutet auf einen zu kleinen Kondensator hin.
• Vergleichen Sie die Leistungszahl bei Teillast. Die meisten Solarstunden werden zwischen 30 und 70 Prozent ausgelastet, sodass es sich lohnt, den Betriebsbereich zu optimieren.
• Bestätigen Sie das Kältemittel. R32 und R410A dominieren bei wandmontierten Hybridprodukten, während R290 in Monoblock-Wärmepumpen mit strengen Ladegrenzen vorkommt. Die Wahl des Kältemittels wirkt sich nicht nur auf die Effizienz, sondern auch auf die Servicelogistik und die zukünftige Verfügbarkeit aus.
• Erfragen Sie den Frequenzbereich des Kompressors und die Mindestkühlleistung. Eine Einheit, die nicht unter 30 Prozent des Nennwerts sinken kann, läuft an einem Nachmittag mit geringer Auslastung, wodurch der solare Vorteil verloren geht.

Vier Installationsprofile und was jedes einzelne erfordert

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Die gleiche Produktfamilie verhält sich je nach Installationsort unterschiedlich. Diese vier Profile decken die meisten Anfragen ab, die beim technischen Schreibtisch eines Herstellers eingehen.

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In unserer eigenen Produktionsgeschichte war der Übergang von Solaranlagen der dritten zur vierten Generation eher auf die Steuerung von Firmware als auf Hardware zurückzuführen. Die Entwicklung eines 180-Grad-Sinuswellen-Gleichstrom-Wechselrichterreglers im Jahr 2007 lieferte dem Ingenieurteam die algorithmische Basis, die es später ermöglichte, den Solareintrag mit der Netzversorgung ohne Batteriepuffer zu mischen. Auf dieser Plattform gebaute Einheiten wurden seit 2020 in mehr als 20 Länder verschifft, darunter Märkte in Südasien, dem Nahen Osten und Australien, wo die Umgebungstemperaturen routinemäßig 45 °C überschreiten.

In diesem Stadium werden Fertigungstoleranzen sichtbar. Eine Abweichung von 2 Prozent bei der Kalibrierung des Wechselrichtermoduls zwischen den Geräten führt zu einem deutlich unterschiedlichen Verhalten bei schlechten Lichtverhältnissen im Feld, weshalb End-of-Line-Tests unter simulierter Teilverschattung wichtiger sind als eine Katalogtoleranzzahl. Einzelheiten zum Produktions- und Testprozess sind auf unserer Seite dokumentiert Unternehmensprofilseite .

Fehlerarten, Wartung und die Fehler, die Geld kosten

Solarklimaanlagen versagen nicht auf neuartige Weise. Sie scheitern auf die übliche Art und Weise, was durch zwei Faktoren beschleunigt wird: instabiler DC-Eingang und Installateure, die die PV-Seite als Nebensache behandeln.

1. Unterspannungsauslösung bei Wolkenübergängen. Wird normalerweise durch ein Array verursacht, das für die konfigurierte Mindestbusspannung zu klein ist, oder durch ein zu kleines DC-Kabel, das zu einem Spannungsabfall führt. Abhilfe: String-Spannung bei 70 °C Zelltemperatur neu berechnen, nicht bei Standard-Testbedingungen.
2. Häufiger Quellenwechsel an teilweise bewölkten Tagen. Das Symptom ist ein Rattern des Schützes und kurze Neustarts des Kompressors. Abhilfe: Hystereseband vergrößern und in den Reglerparametern eine Mindestverweilzeit erzwingen.
3. Reduzierte Kühlung bei sauberem Filter und normaler Kältemittelfüllung. Häufig führt ein verschmutzter Kondensator in Kombination mit einer hohen Umgebungstemperatur dazu, dass die Austrittstemperatur über den Leistungsminderungsschwellenwert hinausgeht, sodass der Antrieb die Frequenz begrenzt. Abhilfe: Reinigungsplan für die Spule und Überprüfung der Lüfterflügelsteigung.
4. Geräusch bei niedriger Kompressordrehzahl. Wird häufig auf Rohrvibrationen zurückgeführt, die durch Restdrehmomentschwankungen hervorgerufen werden, oder auf eine Montagehalterung, die ihre Isolationstüllen verloren hat. Abhilfe: Steuerungsschema überprüfen und Rohrschellen prüfen.
5. Vorzeitiger Verbindungsfehler am Dach. Verursacht durch unterschiedliche Metalle und thermische Wechselwirkungen an einer Verbindung, die nie mit dem richtigen Drehmoment gecrimpt wurde.

Durch die vorbeugende Wartung einer Solaranlage kommen zwei Aufgaben zu einem herkömmlichen Zeitplan hinzu. Die Reinigung des Arrays sollte sich an den örtlichen Verschmutzungsbedingungen orientieren, typischerweise alle zwei bis vier Monate in staubigen Regionen und seltener in gemäßigten Regionen. Die Überprüfung der DC-Isolation und des Drehmoments der Steckverbinder gehört zu einem jährlichen Besuch, idealerweise vor der Kühlsaison und nicht während dieser.

Die kältemittelseitige Wartung bleibt unverändert: Überprüfen Sie die Überhitzung und Unterkühlung, stellen Sie sicher, dass das Expansionsventil auf Laständerungen reagiert, und prüfen Sie, ob die Kurbelgehäuseheizung des Kompressors funktioniert, bevor Sie bei kaltem Wetter starten. Die einzige solarspezifische Ergänzung ist eine Überprüfung der protokollierten Frequenzdaten. Ein Kompressor, der einen ganzen Sommer lang nie mehr als 45 Hz erreicht, deutet darauf hin, dass das Array zu klein dimensioniert ist oder ein String leistungsschwach ist, und dieses Muster ist bei einem einzigen Servicebesuch nicht zu erkennen.

Spezifikations-Checkliste, bevor Sie eine Bestellung aufgeben

Sechzehn Datenpunkte trennen eine praktikable Spezifikation von einer hoffnungsvollen. Fordern Sie diese schriftlich an, denn mündliche Zusicherungen zum Thema „Arbeiten mit Solarenergie“ haben keinen technischen Inhalt.

Zwei kommerzielle Fragen gehören auf die gleiche Liste. Erkundigen Sie sich, wie in Ihrer Region Ersatz-Wechselrichtermodule und Steuerplatinen vorrätig sind, und fragen Sie, wie der Firmware-Aktualisierungspfad aussieht. Eine Solarklimaanlage ist ebenso ein Leistungselektronikprodukt wie ein Kühlprodukt, und das Supportmodell sollte dies widerspiegeln.

Häufig gestellte Fragen

Funktioniert eine Solarklimaanlage nachts?

Ja, wenn es sich um ein Hybrid- oder netzgekoppeltes Modell handelt. Nach Sonnenuntergang bezieht das Gerät den Strom aus dem Stromnetz und arbeitet genau wie eine herkömmliche Inverter-Klimaanlage mit dem gleichen Wirkungsgrad. Netzunabhängige Gleichstrommodelle arbeiten nur, solange die Batteriebank geladen ist. Daher ist der Nachtbetrieb eher von der Batteriekapazität als von der Klimaanlage selbst abhängig.

Kann ich eine Solarklimaanlage ohne Batterie betreiben?

Ja. Der batterielose Betrieb ist die Standardkonfiguration für Hybrid-ACDC-Einheiten. Der Kompressor passt seine Geschwindigkeit an die verfügbare Array-Leistung an und die Netzversorgung gleicht eventuelle Defizite sofort aus. Der Nachteil besteht darin, dass die Kühlleistung dem Sonnenlicht folgt und nicht konstant bleibt, was für die meisten Tageslasten in Privathaushalten akzeptabel ist, in gewerblichen Umgebungen jedoch eingeplant werden muss.

Wie viele Solarmodule benötige ich für ein 1,5-Tonnen-Gerät?

Planen Sie für eine 12.000-BTU-Hybrideinheit, die bei Nennbedingungen etwa 1,15 kW verbraucht, 1,5 kWp des Arrays für den Betrieb mit voller Drehzahl zur Mittagszeit der Sonne ein, oder etwa 1,0 kWp, wenn Sie in den heißesten Stunden eine reduzierte Leistung in Kauf nehmen. Vier 400-W-Module decken typischerweise das erste Gehäuse ab und berücksichtigen so Neigung, Verschmutzung und Kabelverluste.

Funktioniert die Klimaanlage auch bei einem Netzausfall?

Nur wenn es sich bei dem Gerät um ein netzunabhängiges Gleichstrommodell handelt oder wenn das Hybriddesign einen dedizierten Inselmodus mit einem unabhängigen Wechselstromausgang umfasst. Standard-Hybridgeräte synchronisieren sich mit dem Stromnetz und stoppen, wenn das Netz verschwindet, da ihr AC-Fallback-Pfad keine Quelle hat. Käufer, die Ausfallsicherheit benötigen, sollten diese Anforderung explizit spezifizieren und nicht davon ausgehen.

Welche Wartung benötigt die Solarseite?

Modulreinigung je nach lokaler Verschmutzung, in staubigen Klimazonen typischerweise alle zwei bis vier Monate, zusätzlich eine jährliche Überprüfung der DC-Anschlüsse, der Kabelverschraubungsdichtung und der Stringspannung unter Last. Die Kühlseite folgt einem herkömmlichen Zeitplan: Reinigung der Spule, Überprüfung der Kältemittelfüllung und Überprüfung des Drehmoments der elektrischen Anschlüsse.

Lohnt sich eine Solar-Klimaanlage im Vergleich zu einem hocheffizienten konventionellen Gerät?

Der Vergleich ist abhängig vom Tageslastprofil und der Tarifstruktur. Eine Solaranlage verdient ihre Prämie, wenn der Kühlbedarf mit einer starken Einstrahlung zusammenfällt, was genau dann der Fall ist, wenn herkömmliche Anlagen die höchste Netzbelastung verursachen. In Märkten mit hohen Tagestarifen und langen Kühlperioden ist die Amortisationszeit in der Regel kürzer als bei einem Batteriespeichersystem mit vergleichbaren Kapitalkosten, und Batteriewechselzyklen werden vollständig vermieden.

Welches Kältemittel soll ich angeben?

Aufgrund seines geringeren Treibhauspotenzials und seiner günstigen Ladeeffizienz ist R32 heute die gängige Wahl für wandmontierte Hybridgeräte. R410A bleibt weit verbreitet und wird von Servicenetzwerken gut verstanden. R290 kommt in Monoblock-Wärmepumpenprodukten vor, bei denen die Ladegrenzen eingehalten werden können. Das praktische Kriterium ist die Servicefähigkeit vor Ort, denn ein Kältemittel, mit dem niemand in der Nähe umgehen kann, wird zur Belastung.

Wie schneidet eine Solarklimaanlage im Vergleich zu einem solarthermischen Kühlsystem ab?

Es handelt sich um unterschiedliche Technologien. Solarthermische Kühlung nutzt wärmebetriebene Absorptions- oder Trocknungsprozesse und eignet sich im Allgemeinen für große Gewerbeanlagen mit großen Kollektorflächen. Photovoltaik-Dampfkompressionsanlagen nutzen Standard-Kühlkomponenten, sind für Privathaushalte verfügbar und können nahtlos auf die Netzstromversorgung zurückgreifen. Bei den meisten Gebäuden unter 500 m² ist die Photovoltaik-Route einfacher zu installieren und zu warten.

Was passiert an einem teilweise bewölkten Tag?

Die Array-Ausgabe schwankt schnell und der Kompressor reagiert, indem er die Frequenz anpasst, anstatt anzuhalten. Ein gut abgestimmter Controller wendet eine Hysterese an, sodass das Gerät nicht alle paar Sekunden die Stromquelle wechselt. Der beobachtbare Effekt besteht in einer sanften Änderung der Kühlleistung und nicht in einer Reihe von Abschaltungen, vorausgesetzt, das Array ist richtig dimensioniert und das Gleichstromkabel ist nicht zu klein.

Kann eine Solarklimaanlage auch für Wärme sorgen?

Ja. Hybridmodelle arbeiten als Wärmepumpen mit umgekehrtem Kreislauf, beziehen in der Nebensaison Solarenergie zum Heizen und nutzen im Winter Netzstrom. Niedertemperaturvarianten erweitern den Betriebsbereich mit Kältemitteleinspritzung und verbesserter Abtausteuerung auf etwa -15 °C, sodass das gleiche Gerät ein ganzes Jahr lang und nicht nur eine einzige Saison lang einsetzbar ist.

Für Leser, die Produktfamilien ausführlicher vergleichen, bietet die technische Bibliothek Wie verschiedene Arten von Solarklimaanlagen funktionieren , einschließlich Fenster-, Kassetten- und Multi-Split-Konfigurationen.