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Einzige Fachzeitschrift für Industrie-, Gewerbe-, Klimakälte und Wärmepumpen

Energieeffizienz ist nicht nur ein Dauerthema, sie ist zu einer Daueraufgabe geworden. Sei es im Automobilbereich, bei der Beleuchtung, der Unterhaltungselektronik oder in der Gebäudetechnik. Der weltweit wachsende Kältebedarf treibt den Energieverbrauch in die Höhe und belastet auch das Klima. Darum sollten bei der Kältetechnik möglichst effiziente Technologien zum Einsatz kommen.

Im April hatten sich über 60 Teilnehmer zum Symposium in Karlsruhe eingefunden. Die Anlässe des TWK stehen für Referate mit den aktuellsten Themen und neusten Erkenntnissen aus den Bereichen Kälte-, Klima- und Wärmepumpentechnik. Die Referenten sind jeweils sehr gut ausgewählt und sorgen für einen spannenden und lehrreichen Tag. Das war auch in diesem Jahr nicht anders. Rainer Burger und Michael Stalter vom TWK führten gekonnt durch das reichhaltige Programm.

Energetische Bewertung von
Kälteanlagen

Prof. Martin Becker von der Hochschule Biberach eröffnete die Reihe der Referate und ging auf die energetische Bewertung von Kälteanlagen zur Betriebsoptimierung ein. Gemäss Becker sind die Potentiale für Effizienzsteigerung bei den Geräten und Komponenten der Anlagen hoch. Wichtig ist dabei ein optimales Zusammenwirken der Komponenten. Ein auf die Anforderungen zugeschnittenes Anlagen- und Energie-Monitoring sind ein notwendiger Baustein für eine effiziente und nachhaltige Betriebsführung von Kälteanlagen. Leider wird diesem Aspekt bei der Konzeption, Planung und Ausführung von Anlagen in der Praxis noch zuwenig Beachtung geschenkt, wusste Becker. Das speziell für Kälteanlagen geschaffene Einheitsblatt VDMA 24247-7 soll Investoren, Planern und Betreibern als gemeinsamer Leitfaden, oder Checkliste dienen. Das Blatt gibt Hinweise und Empfehlungen, wie Voraussetzungen geschaffen werden können, dass kältetechnische Anlagen energieeffizient geplant, gebaut und betrieben werden. Die Grössenordnung der möglichen Effektivitätsverbesserungen ist je nach Objekt sehr unterschiedlich und liegt zwischen 5 und 60 % mit Amortisationszeiten von wenigen Jahren bis zu 60 Jahren bei der Gebäudehülle.



«Das Einheitsblatt VDMA 24247-7 soll Investoren, ­Planern und Betreibern als Leitfaden dienen»
Martin Becker

 

Drehzahlregelungen und Lösungen am Verdichter

Jörg Saar von Danfoss nannte einige Beispiele zur Steigerung der Energieeffizienz auf der Basis des Komponentenpotentials. Der Bedarf an Kälteleistung ist in vielen Anwendungen nicht konstant, sondern häufig deutlichen prozessbedingten Schwankungen unterworfen. Die Ausgangspunkte für Verbesserungen sind die Temperaturdifferenzen an den Wärmetauschern und die Druckverluste im Kältekreislauf. Die Verdampfer-Überhitzung hat grossen Einfluss, denn je kleiner die Überhitzung ist, umso effizienter ist eine Anlage. Darum empfahl  Saar die Verwendung von elektronischen Expansionsventilen, welche automatisch den optimalen Betriebspunkt einstellen.
Bei den Verdichtern gibt es bereits verfügbare Lösungen, wie mehrere Druckventile bei Scrollverdichtern zur Gewährleistung des optimalen inneren Ausschubdruckes. Oder  Mehrverdichter-Lösungen mit nur einem geregelten Verdichter, die bedarfsgerechte Abtauung und die Steuerung des Verdampferventilators zur Reduzierung der Entfeuchtung. Pumpen haben auch häufig hohes Einsparpotential, welches durch Drehzahlregulierung erreicht werden kann. Der Spareffekt verdoppelt sich, denn gesparte Pumpenenergie muss nicht weggekühlt werden.

Energieeffiziente Anlagenkonzepte

Vilim Mergl von CoolTool Technology GmbH konzentrierte sich auf langfristig und konstruktiv bedingte Anlagenkonzepte. Neben der richtigen Auswahl des Kältemittels sind solche Fragen bedeutend, wie die Anwendung elektronischer Expansionsventile, die Leistungsfähigkeit und Flexibilität der Nebenaggregate, die Betriebsbedingungen der Wärmetauscher und die Ventilatorauswahl unter Berücksichtigung des Leistungsanstieges mit der dritten Potenz der Drehzahl, beziehungsweise des Fördervolumens.
Sehr interessant für das Auditorium war das Resultat der Potentialanalysen, welche Mergl an über 800 Anlagen durchgeführt hat:

Festgestellte Mängel im Anlagenbestand:

- 90% unzureichende Regelparameter/ Schaltpunkte Steuerung
- 80% ungeregelte AC-Lüfter
- 70% unzureichender Teillastbetrieb
- 60% Probleme mit Abtauung/Luftfeuchtigkeit
- 40% nicht optimal gewählte Bauteile, z.B. Düse E-Ventil
- 30% unzureichend gewartete Wärmetauscher
- 20% nicht optimal abgestimmte Komponentengrössen
- 20% Kältemittelmangel
- 20% zu kleine Verflüssiger
- 15% nicht optimale Werkstoffe für Leitungen/Dämmung
- 10% unnötige Erweiterungen

Über 90% der existierenden Anlagen enthielten
F-Gas mit GWP > 2500

«Daten sind das neue Gold des 21. Jahrhunderts»
Christian Ellwein



Daten sicher und sinnvoll nutzen

Christian Ellwein, Kriwan Industrie-Elektronik GmbH, äusserte sich zur sinnvollen und sicheren Nutzung der beim Betrieb der Kälteanlagen verfügbaren Daten. Sein Referat zeigte, wie die Steigerung der energetischen Effektivität neben den vorbereitenden Simulationslösungen auch von den verfügbaren Betriebsdaten abhängig ist. Die Daten helfen, optimale Betriebsbedingungen zu finden und einzuhalten. An den Beispielen Wicklungstemperatur von Verdichtern, Frequenzumrichter und Ölhaushalt wurde das deutlich gemacht. Es ist aber auch wichtig, die Daten zu schützen, so Ellwein. Das Implantieren einer Firewall, das Verschlüsseln der Kommunikation, die Verwendung eines Proxy-Servers und eines Virenscanners sowie die ständigen Updates für das Betriebssystem und für die Software sind dazu erforderlich.

Effiziente Abtauung

Friedhelm Meyer, Cool Expert GmbH, ist Spezialist für alle Fragen des Verdampferabtauens und beschäftigte sich in seinem Vortrag mit der energetischen Seite des Abtauprozesses. Luftkühler in Kühlmöbeln, Räumen, Tiefkühlstellen etc., die unter einer Lammellen-Oberflächentemperatur von −2 °C betrieben werden, bilden in Abhängigkeit der Betriebsbedingungen Reif und werden bei weiterer Wärmeaufnahme zwangsläufig vereisen. Die Einleitung einer Abtauung wird notwendig, da die Leistung eines Luftkühlers bei zunehmender Reif-/Eisbildung sinkt und somit auch der Gesamtwirkungsgrad einer Kälteanlage, berichtete Meyer. In der Praxis werden vielfach reaktive Abtauverfahren angewendet, welche aus energetischer Sicht genauso wenig zielführend sind wie Abtaueinleitungen nach festen Zeitintervallen. Wärmeverluste durch Konvektion und Strahlung sind die Folge häufiger Abtauintervalle. Die Anlagenverfügbarkeit sowie der Wirkungsgrad einer Kälteanlage werden dadurch erheblich beeinträchtigt.
Genauso bedeutsam wie die Einleitung eines Abtauvorgangs ist die Abtau-Endtemperatur, sodass kein Resteis am Kühler bleibt, der Kühler aber nicht überhitzt wird. Weiter kann nur ein gutes Abtauergebnis erreicht werden, wenn der Kühler zuvor gleichmässig vereist. Im Zusammenspiel der Kräfte ist die Zweiphasen-Strömung, unter der Berücksichtigung der EN 328, zwingend.
 

Moderne Verdichterleistungs-Regelung

Thilo Roller, Bitzer Kühlmaschinen GmbH, zeigte den Einfluss der Verdichterleistungs-Regelung auf einen effizienten Anlagenbetrieb. Am Beispiel der Schraubenverdichter belegte er den Einfluss der Regelung auf den Energieverbrauch, ausgedrückt durch das Bewertungskriterium SEPR (Saisonal Energy Performance Ratio) bzw. SEER (Seasonal European Efficiency Ratio). Der Vergleich von Schieberregelung und Drehzahlregelung führt zu dem Ergebnis, dass mit der Drehzahlregelung der Energieverbrauch um 12 % gesenkt werden kann. Dem berechneten Beispiel liegt eine Kälteleistung von 400 kW zugrunde und das Ergebnis ist spezifisch auf zwei Bitzer-Verdichter bezogen.

Eisspeicher in der Kühlperiode

Yannik Fries von der Caldoa GmbH berichtete in seinem Referat über Eisspeicher in der Kühlperiode von Luft-Wasser-Wärmepumpen mit Kühlfunktion und ihre energetische Optimierung. Während der Heizperiode nutzt die Wärmepumpe den Eisspeicher als Wärmequelle, wobei beim Phasenwechsel – von Wasser zu Eis – frei werdende latente Wärme eine zusätzliche Wärmequelle darstellt. Das in der Heizperiode aufgebaute Eis ermöglicht eine Doppelnutzung des Eisspeichers. So kann in den ersten Wochen der Kühlperiode über eine effiziente Naturalkühlung gekühlt werden. Auch hier reicht die Kapazität des Eisspeichers nicht aus, um den gesamten Kühlbedarf zu decken. Die Gebäudekühlung erfolgt über die Aktivkühlung der Wärmepumpe.
Aufgrund der hohen Standards ist in zahlreichen Gebäuden die Kühllast praktisch grösser als die Heizlast. Da die Kälteleistung der Wärmepumpe üblicherweise auf die Kühllast ausgelegt wird, kann sie in Bezug auf die Heizleistung überdimensioniert sein. Der EcoCool-Betrieb ermöglicht die Reduktion der Wärmepumpen-Kälteleistung da der komplette für den Tag benötigte Kältebedarf bereits nachts im Speicher eingelagert wird. Die Wärmepumpe kann dadurch optimal dimensioniert werden.

Innovative CO2-Systeme

Mit Jonas Schönenberger von der Frigo-Consulting AG war auch ein Referent aus der Schweiz am Symposium in Karlsruhe. Sein Thema: innovative CO2-Systeme. Ausgangspunkt ist die zunehmende Verbreitung von CO2 als Kältemittel, in den letzten Jahren auch als zweistufige Boosteranlagen mit Ejektoren. Es gibt umfangreiche Erfahrungen in vielerlei Schaltungen, die die Effektivität in gleicher Grösse oder grösser als mit den konventionellen FKW-Kälteanlagen sichern. Dazu gehören der Einsatz von Expandern, die Abwärmenutzung auf der Gaskühlerseite, die Einbindung eines Absorbers zur Abwärmenutzung und zur Unterkühlung vor dem Expansionsventil, die externe Unterkühlung und die Verwendung von Parallelverdichtern und inneren Wärmeübertragern.
Es kommt in jedem Falle darauf an, das bestmögliche System zu erarbeiten, wobei in der Regel gegenüber der Grundschaltung Verbesserungen bis 30 % möglich sind. Die nächsten Schritte bei Frigo Consulting werden sein, ein CO2-Ejektorsystem mit Eisspeicher und Unterkühler zu entwickeln, welches photovoltaische Antriebenergie zur Verfügung hat.