Die Leistungsanpassung von Kühl- und Klimaanlagen an den tatsächlichen Bedarf ist schon seit jeher eine wichtige Herausforderung in der Kältetechnik. Verschiedene Regelkonzepte und unterschiedliche Technologien zur Leistungsregelung sind heute bereits im Einsatz. Eine Liste von gängigen Regelkonzepten und deren Funktionsbeschreibung ist in [1] zu finden.
Bisher lag der Fokus auf der zuverlässigen Regelbarkeit der Anlagen und nicht so sehr auf dem effizienten Teillastbetrieb. Dies wird zu Zeiten immer weiter steigender Energiepreise jedoch anders bewertet. Bisher wurden Kälte- und Klimaanlagen häufig nur bis zu einer minimalen Verflüssigungstemperatur von 30 °C oder gar nur 40 °C heruntergeregelt. Moderne Regelkonzepte versuchen heute die Verflüssigungstemperatur so weit wie möglich abzusenken, um eine bessere Systemeffizienz zu realisieren. Dies stellt auch neue Anforderungen an die Verdichter. Sie müssen bei geringeren Druckdifferenzen zuverlässig, länger und effizienter in den Teillaststufen betrieben werden können.
Durch die Absenkung der Verflüssigungstemperatur steigt die Kälteleistung der Verdichter, so dass die effektive Leistungsreduzierung größer ausfallen muss. Eine weiterentwickelte Schraubenverdichter-Baureihe berücksichtigt diesen Effekt. Sie ist nicht mehr nur auf beste Volllasteffizienz ausgelegt, sondern auf beste Teillastwirkungsgrade. Die neue mechanische Schieberregelung bietet einen weiten Anwendungsbereich hin zu niedrigen Verflüssigungstemperaturen und hohe Wirkungsgrade im Teillastbereich, wie sie bisher nur von Turboverdichtern erreicht wurden.
Die Effizienz dieser Schraubenverdichter übertrifft in vielen Bereichen die Werte von drehzahlgeregelten Kompaktschraubenverdichtern gleicher Kälteleistung. Dies führt zu günstigeren Investitions- und Betriebs-kosten in Flüssigkeitskühlsätzen. Durch diese effiziente Leistungsregelbarkeit der Verdichter und eine intelligente Regelung lassen sich zusammen mit der Wahl eines Kältemittels mit niedrigem GWP (z.B. R 134a) die ökologischen Einflüsse der Klima- und Kältetechnik deutlich reduzieren.
Designkriterien von Kompaktschraubenverdichtern mit mechanischer Schieberregelung
Kompaktschraubenverdichter werden überwiegend in Flüssigkeitskühlsätzen mittlerer und großer Leistung eingesetzt. Typisch für diese Anwendung sind zwei getrennte Kreisläufe mit Direktexpansions-Verdampfern. In Europa werden überwiegend luftgekühlte Systeme eingesetzt, die im Gegensatz zu wassergekühlten Systemen oder Anwendungen mit sehr geringen Umgebungstemperaturen (z.B. Nordeuropa) eine sehr hohe Temperaturspreizung auf der Hochdruckseite aufweisen (Frühjahrs- bis Hochsommerbedingungen).
Neben dieser Variante gibt es auch überflutete Systeme, die aber in Europa aufgrund der hohen Kältemittelfüllmenge in den nächsten Jahren stärker unter Druck von gesetzlichen Regelungen wie der F-Gase-Verordnung kommen dürften. Im Bereich der mittleren und größeren Flüssigkeitskühlsätze werden auch vermehrt reversible Wärmepumpen eingesetzt, die im Sommer kühlen und im Winter das Wasser für die Gebäudeheizung erwärmen.
Die Anforderungen an Wärmepumpen besonders im Temperaturprofil und der Lastverteilung sind so verschieden, dass allgemeine Definitionen von Designkriterien sehr schwierig sind. Auch die im Entwurf vorliegende prEN14825 lässt viele Variablen in der Auslegung. Allgemein gilt allerdings, dass anders als bei reinen luft- oder wassergekühlten Klimakühlsätzen, ein weiter Druckdifferenzbereich vom kältesten Tag der Heizperiode zum kühlsten Sommertag mit Klimatisierungsbedarf realisiert werden muss.
Die Anwendung von Schraubenverdichtern in wassergekühlten Flüssigkeitskühlsätzen oder Flüssigkeitskühlsätzen mit niedriger Umgebungstemperatur, wie sie in weiten Bereichen Mittel- und Nordeuropas vorkommen, ist bestimmt durch überwiegend niedrige Verflüssigungstemperaturen. Die thermodynamische Effizienz von Systemen steigt, je weiter die Verflüssigungstemperatur abgesenkt werden kann. Daher ist neben der definitionsgemäß niedrigen Verflüssigungstemperatur in den letzten Jahren auch der Trend zu immer kleineren Temperaturdifferenzen zwischen Verflüssigungstemperatur und Wärmesenke zu erkennen. Bild 1 zeigt die theoretische Leistungszahl eines R 134a Systems bei sinkender Verflüssigungstemperatur.
Die theoretische Leistungszahl (COP) bei einer Verdampfungstemperatur von to = +3 °C und tc = 30 °C beträgt 8,95 (toh = 20 °C; ohne Unterkühlung). Senkt man die Verflüssigungstemperatur auf tc = 20 °C ab, beträgt der COP 14,91, eine Steigerung um 67 %. Kann dieses Potenzial aufgrund der Umgebungstemperaturen und der Verdichtereigenschaften ausgenutzt werden, ergeben sich erhebliche Einsparungen in den Betriebskosten.
Die Bedeutung der Teillast ist ein weiterer Aspekt, der in den letzten Jahren mehr und mehr in den Fokus der Betrachtung gerückt ist. Wurden früher Flüssigkeitskühlsätze und die damit verwendeten Verdichter nur in der Volllast bei Referenzbedingungen bewertet und verglichen (wie zum Beispiel die frühere Eurovent-Zertifizierung [2]) wird heute mehr und mehr der gesamte Leistungsbereich betrachtet und die Teillast bekommt eine größere Bedeutung. Viele Anlagen werden in mehr als 95 % der Zeit in Teillast betrieben und nur für ein paar Stunden im Jahr an der kalkulierten Maximalleistung (falls überhaupt). Dies hat natürlich auch Auswirkungen auf die Entwicklung der verwendeten Verdichter und deren Möglichkeit die angebotene Verdichterleistung der geforderten Anlagenleistung anzupassen.
Eine einzige Kompaktschrauben-Serie kann diese Anforderungen nicht alle gleichzeitig höchsteffizient erfüllen. Daher wurden zwei unterschiedliche Kompaktschraubenverdichter-Serien entwickelt. Zum einen die neue CSW Schrauben-Serie für Anwendungen mit niedrigen Verflüssigungstemperaturen und zum anderen die CSH Schraubenverdichter-Serie für luftgekühlte Flüssigkeitskühlsätze und für Wärmepumpen. Die Verdichter-Serien unterscheiden sich durch weit mehr als nur eine Volumenverhältnis(Vi)-Anpassung, wie sie von vielen Herstellern angeboten wird. Am Beispiel der CSW werden im Folgenden die Designelemente dargestellt.
Anforderungsprofil an Verdichter für wassergekühlte Flüssigkeitskühlsätze
Wie bereits oben gezeigt, lässt sich die Effizienz eines Flüssigkeitskühlsatzes durch Absenken der Verflüssigungstemperatur auf einen möglichst niedrigen Wert deutlich verbessern. Bild 2 zeigt dies am Beispiel der neuen CSW Schraubenverdichter-Einsatzgrenze (rot markiert die Einsatzgrenze von am Markt verfügbaren Kompaktschraubenverdichtern).
Die Leistungszahl eines CSW8573-90Y Verdichters bei tc = 40 °C beträgt 4,70. Kann die Verflüssigungstemperatur auf tc = 30 °C abgesenkt werden, steigt die Leistungszahl auf 6,76, was einer Steigerung von 44 % entspricht. Sollte die Umgebungstemperatur ein Absenken auf tc = 23 °C ermöglichen, ergibt sich ein COP von 8,55, eine Steigerung um 82 % (Betriebsbedingungen dieses Vergleichs: to = +3 °C; Δtoh = 5 K; Δtcu = 5 K; 50 Hz). Bisherige Kompaktschraubenverdichter konnten nur bis zu einer Verflüssigungstemperatur entsprechend der roten Linie in Bild 2 betrieben werden. Das Potenzial zur Effizienzsteigerung ist klar erkennbar, wenn moderne Systemregelungen diese besonderen Eigenschaften unterstützen.
In Teillastanwendungen können diese neuen Schraubenverdichter noch weiter in der Verflüssigungstemperatur abgesenkt werden. Wenn man den obigen Vergleich in der Laststufe 25 % durchführt, ergeben sich folgende Leistungszahlen und Leistungszahl-Steigerungen:
- COP: 25 % Laststufe (tc = 40 °C): 2,93
- COP: 25 % Laststufe (tc = 30 °C): 4,55 55 % Steigerung
- COP: 25 % Laststufe (tc = 20 °C): 6,84 233 % Steigerung
Diese zusätzliche Möglichkeit, die Verflüssigungstemperatur in Teillast noch weiter abzusenken, ist besonders wichtig, da bei Teillastbetrieb häufig die Umgebungstemperatur ebenfalls ein Minimum erreicht, wie es auch in den Zertifizierungsprogrammen nach Eurovent oder ARI 550/590 [3] (siehe Teil 2) definiert ist.
Durch diese neuen Einsatzgrenzen ergeben sich deutlich verbesserte Systemleistungsdaten und damit günstige Einstufungen nach Eurovent oder ARI 550/590 Zertifizierung.
Bild 3 zeigt einen Vergleich der bisherigen Kompaktschraubenverdichter der CSH-Serie gegenüber den neuen CSW- Schraubenverdichtern nach Eurovent-Bedingungen für wassergekühlte Flüssigkeitskühlsätze. Die Abbildung zeigt die Effizienzänderung in den einzelnen Laststufen bezogen auf die Volllastwerte der CSH8571-110Y. Man sieht, dass die CSW-Verdichter in allen Laststufen besser sind als die CSH-Verdichter und ganz besonders in den Teillastbetriebspunkten, die bei den jahreszeitlichen Effizienzbetrachtungen deutlich stärker gewichtet werden. Die europäische Jahresleistungszahl (ESEER) konnte in diesem Beispiel um 23 % (nach Eurovent-Berechnung) gesteigert werden.
Die reduzierte Verflüssigungstemperatur bei den 25 % und 50 % Laststufen macht sich für die CSW besonders stark in der Kalkulation bemerkbar.
Der Absenkung der Verflüssigungstemperatur gehen technische Änderungen voraus, die diese Vorteile erst ermöglichen. Die Ölversorgung in Kompaktschraubenverdichtern erfolgt im Allgemeinen durch die Einspeisung von Öl aus dem Ölabscheider auf der Hochdruckseite des Verdichters in die Lager und das Profil. Insofern ist die notwendige Druckdifferenz zur zuverlässigen Ölversorgung eine entscheidende Größe für die Einsatzgrenze.
Die optimierte Ölversorgung
Das Ölmanagement ist ein entscheidender Faktor für die Zuverlässigkeit, Einsatzmöglichkeit und nicht zuletzt die Effizienz von Schraubenverdichtern. Bei der Entwicklung wurde schon seit jeher großer Wert auf die Zuverlässigkeit von Schraubenverdichtern gelegt und mit dem patentierten entlasteten Hochdrucklager ein wesentlicher Vorsprung bei der Lagerlebensdauer erreicht. Die hochdruckseitige Lagerkammer wurde zu diesem Zweck bei allen CSH/CSW-Schraubenverdichtern abgedichtet und wird nicht mit Hochdruck beaufschlagt, sondern ist durch die Abdichtung und die Gasrückführung in das geschlossene Rotorprofil vorentlastet. Dadurch sinkt die Kältemittelkonzentration und die Ölviskosität steigt, was zu einer verbesserten Schmierung der Lager beiträgt.
Bei dieser Konstruktion wird auch nur eine Teilölmenge in die Lager eingeleitet (nicht der volle Ölstrom). Dadurch schwimmen die Lager nicht im Öl und haben bessere Rolleigenschaften, da zum Schmieren von Rollenlagern ein Ölnebel ausreicht. Das Schwimmen der Rollen oder Kugeln führt, ähnlich dem Aquaplaning beim Autofahren auf regennasser Straße, zu undefinierten Rolleigenschaften der Lager und neben der Verringerung der Zuverlässigkeit auch zu einer Erhöhung der Leistungsaufnahme der Verdichter.
Viele Schraubenverdichterhersteller gehen mit der gesamten Ölmenge und vollem Hochdruck durch die Lager und danach in die Haupteinspritzung. Dies hat neben der höheren Belastung der Lager auch eine Begrenzung des minimalen Hochdrucks zur Folge. Die Einsatzgrenzen müssen dann auch oft mit einem Druckdifferenzschalter überwacht werden, um die Ölversorgung sicherzustellen. Die notwendige Druckdifferenz zur zuverlässigen Ölversorgung der CSW-Verdichter beträgt nur noch 2,2 bar. Dies ist die Voraussetzung, um die Einsatzgrenzen wie oben beschrieben zu erweitern. Ein zweiter wesentlicher Punkt der Entwicklung war die Optimierung der Verdichter auf den bei Flüssigkeitskühlsätzen typisch hohen Anteil der Teillast an der Gesamtbetriebszeit. Die hier beschriebene Kompaktschrauben-Baureihe ist die erste, die auf diese spezifischen Bedingungen und Betriebszustände optimiert ist.
Die Anpassung der Einsatzgrenze speziell für die Anwendung bei niedrigen Verflüssigungstemperaturen bietet noch drei weitere Möglichkeiten die Effizienz der Verdichter und Systeme zu steigern:
- Erstens der Ölmassenstrom, der normalerweise für die Kühlung des Verdichtungsprozesses bei hohen Verflüssigungstemperaturen ausgelegt ist, kann deutlich reduziert werden.
- Zweitens sinken die absoluten Lagerbelastungen. Durch diese geringere Belastung und das patentierte entlastete Hochdrucklager kann auch die Ölauswahl geändert werden.
- Drittens wurde durch die oben beschriebenen Maßnahmen auch der Ölauswurf, durch den von den CSH- Verdichtern übernommenen Ölabscheiderbereich, um 1015 % reduziert.
Die CSH-Baureihe ist bereits mit einem effizienten und durch geringen Druckabfall charakterisierten integrierten Ölabscheider ausgestattet. Dieser integrierte 3-fach Ölabscheider ist nicht nur innerhalb der Einsatzgrenze, sondern auch bei allen Leistungsstufen effizient mit Ölauswurfraten unter 0,5 %. Für überflutete Anlagen stehen darüber hinaus Sekundärölabscheider zur Verfügung. Somit ist die CSW universell in direktverdampfenden und überfluteten Anwendungen einsetzbar.
Vi-Auswahl
Die Vi-Auswahl bei Volllast spielt für diese Verdichter nur eine untergeordnete Rolle, da der Bereich der Anpassung relativ gering ist und nicht nur die Volllast betrachtet werden muss, sondern vor allem die Teillastbedingungen berücksichtigt werden müssen. Ein Flüssigkeitskühlsatz ist nur einen geringen Teil der Betriebszeit (13 %) bei voller Leistung im Einsatz. Die 75 % und 50 % Betriebspunkte sind viel bedeutsamer für die Berechnung von jahreszeitlichen Effizienzen (z.B. nach Eurovent oder ARI 550/590). Dies gilt es bei der Schraubenverdichterentwicklung und speziell bei der Vi-Auslegung zu berücksichtigen.
Bei Schraubenverdichtern mit Schieberregelung kann man mit zwei Auslassfenstern arbeiten. Das radiale Fenster sitzt auf dem Schieber und das axiale ist im Druckflansch eingebaut. In der Volllaststellung ist das auf dem Schieber angeordnete Auslassfenster bestimmend für das Vi. Wird der Schieber in Teillast bewegt (entsprechend Bild 4 nach vorne), wird das Auslassfenster im Druckflansch für das Vi bestimmend.
So lässt sich in der Teillast entsprechend der ESEER- oder IPLV-Kurven das Volumenverhältnis optimal anpassen. Für sinkende Druckdifferenzen (sinkende Verflüssigungstemperaturen bei konstanter oder steigender Verdampfungstemperatur) ergeben sich kleinere Volumenverhältnisse, die mit dieser Schiebergeometrie nachgebildet werden.
Dies ist ein besonderer Vorteil gegenüber bisher verfügbaren Kompaktschraubenverdichtern mit Frequenzumrichter (FU), die mit nur einem Vi für alle Laststufen auskommen. Dieses Vi kann nur ein Kompromiss zwischen Voll- und Teillastbedingungen darstellen. Bei den bisher verfügbaren Verdichtern mit FU wurde das Vi auf Volllast ausgelegt, um neben den Umrichterverlusten nicht noch weitere Nachteile im Volllastwirkungsgrad hinnehmen zu müssen.
Motor-Auswahl
Die Motoren wurden entsprechend der neuen Einsatzbedingungen ebenfalls neu ausgelegt. Sie sind reichlich dimensioniert, um den vollen Einsatzbereich abfahren zu können, allerdings wurden die Auslegungskriterien für den optimalen Wirkungsgrad der Motoren mehr zu den erforderlichen Drehmomenten bei Teillast verschoben. Auch hier werden die besten Wirkungsgrade von 0,93 bis 0,96 in den Einsatzbereichen erreicht, wo die meiste Betriebszeit zu erwarten ist. Neben der Effizienzsteigerung ergibt sich auch noch ein niedrigerer Anlauf- und Betriebsstrom, so dass Schütze, Kabel und Sicherungen kleiner und güns-tiger ausgewählt werden können.
Economiser-Betrieb
Der Einsatz von Economisern hat sich mittlerweile auch bei Flüssigkeitskühlsätzen mit R 134a durchgesetzt. Auch bei moderaten Druckdifferenzen, wie sie in der Klimatechnik vorkommen, liefert der Economiser ca. 20 % Kälteleistungssteigerung (bei to = 0 °C und tc = 50 °C) zu moderaten Kostensteigerungen. So konnte in vielen Fällen auch der Wettbewerbsnachteil von R 134a gegenüber R 22 in der spezifischen Kälteleistung teilweise wettgemacht werden.
Die Erweiterung der CSH-Baureihe wurde als Erste bereits vor einigen Jahren speziell für R 134a zusammen mit den Vorteilen des Economisers auf den Markt gebracht und konnte die erwarteten Effizienzvorteile klar bestätigen. Durch den im Schieber integrierten Economiser-Anschluss (Bild 5) konnte die Unterkühlung auch in der Teillast effizient betrieben werden und die mechanischen Expansionsventile hatten immer eine gleichmäßig unterkühlte Flüssigkeit.
Bei luftgekühlten Anlagen mag der Vorteil mittlerweile auf der Hand liegen der Temperaturhub ist relativ groß. Ist aber die Unterkühlung auch bei wassergekühlten Systemen mit ihrem kleinen Temperaturhub auch sinnvoll?
Betrachtet man ausschließlich den Verdichter, ist die Leistungssteigerung mit 1013 % und einer Effizienzsteigerung von ca. 6 % in Volllast (to = +3 °C; tc = +38 °C; Δtoh = 5 K; tcu mit Economiser; 50 Hz) nicht außerordentlich, aber für die Auslegung über den gesamten Verflüssigungsbereich kann der Economiser von Bedeutung sein, da die Kälteleistungszunahme des Verdichters bei abgesenkter Verflüssigungstemperatur kleiner ausfällt. Bild 6 zeigt die Kälteleistung verschiedener Verdichter und Kältemittel im Vergleich zur Systemanforderung. Die erforderliche Kälteleistung von Systemen wird bei geringerer Verflüssigungstemperatur abnehmen oder max. konstant bleiben. In Bild 6 repräsentiert Anlagentyp A eine Prozesskühlung mit konstantem Kälteleistungsbedarf und Anlagentyp B eine Komfortklimaanlage mit abnehmendem Kälteleistungsbedarf bei reduzierten Umgebungstemperaturen.
Die vom Verdichter erzeugte Kälteleistung steigt bei allen Verdichtertechnologien mit abnehmender Verflüssigungstemperatur an. Man erkennt deutlich, dass Schraubenverdichter mit Economiser relativ gesehen den geringsten Anstieg der Kälteleistung bei sinkender Verflüssigungstemperatur gegenüber dem gewählten Auslegungspunkt (to = +3 °C, tc = 50 °C) aufweisen. Dies ist ein Vorteil für die Anlagenregelung, da fast alle Systeme einen gleichbleibenden oder geringeren Kältebedarf bei sinkenden Verflüssigungstemperaturen aufweisen, wie die Linien für Anlagentyp A und Anlagentyp B in Bild 6 zeigen.
R 134a Schraubensysteme ohne Economiser und Scroll-Verdichter mit R 410A schneiden mit deutlich höheren Verdichterleistungssteigerungen ungünstiger ab. Dies bedeutet für Schraubenverdichter mit Economiser, dass man die Einzelverdichter in höheren Teillastschieberstellungen betreiben kann, um die gleiche prozentuale Reduzierung der Systemleistung zu erhalten. Dadurch können bessere Teillastwirkungsgrade des Systems erzielt werden. Die Tabelle verdeutlicht dies anhand der Schieberstellungen einer wassergekühlten Komfortklimaanlage nach Eurovent- Bedingungen.
Bei dem Vergleich wurden zwei CSW8583-110Y ausgewählt. Man sieht zunächst, dass der Verdichter mit Economiser (System B) bei diesen Betriebsbedingungen 10 % mehr Kälteleistung aufweist als ohne Economiser (System A).
Die einzelnen Teillaststufen werden dann jeweils mit deaktiviertem Economiser betrieben. Sie sind, wie in der Eurovent-Zertifizierung festgelegt, auf die jeweiligen Volllastleistungen bezogen. Im 75 %-Betriebspunkt ist aufgrund der reduzierten Verflüssigungstemperatur eine Schieberstellung von 69 % System A bzw. 76 % System B erforderlich. Diese Tendenz setzt sich durch alle Teillaststufen fort.
Im On/Off-Betrieb bei minimaler Systemleistung ist der Taktbetrieb für System B kürzer als bei System A ohne Economiser. Die minimale Kälteleistung beider Verdichter ist zwar gleich groß, da die Volllastleistung aber um 10 % im System B höher liegt als ohne Economiser, muss der Verdichter im System B weniger takten. So ergibt sich für Systeme mit Economiser nicht nur ein Effizienzvorteil in der Volllast, sondern auch in allen Teillaststufen. Dies führt insgesamt zu einer Steigerung des ESEER.
Der Economiser wurde deshalb beim CSW-Schraubenverdichter im Gehäuse integriert und ist für die Volllaststufe optimal ausgelegt. Bei Teillast kann er dann deaktiviert werden, um eine geringere Restleistung der jeweiligen Teillaststufe zu erzielen.
Ausblick
Der zweite Teil dieses Beitrags beschäftigt sich in der nächsten Ausgabe der KK mit dem Frequenzumrichter-Betrieb. Da neben der technischen Lösung der effizienten Leistungsregelung auch die Darstellung und Vergleichbarkeit mit anderen Technologien gegeben sein sollte, werden auch die Randbedingungen aktueller Zertifizierungsprogramme und internationaler Normen betrachtet.-
Literatur
[1] Bitzer, 2008, A-600-2 Kompetenz in Leistungsregelung
[2] Website Eurovent-Zertifizierung: http://www.eurovent.com
[3] ARI550/590: Performance Rating of Water-Chilling Packages Using the Vapor Compression Cycle
[4] Bitzer, 2009, SV-08-01, Eine neue Generation frequenzgeregelter Schraubenverdichter für Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen
[5] ASHRAE 90.1: Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings
Als Vortrag gehalten bei der DKV-Jahrestagung 2009 in Berlin.
Dipl.-Ing. Rainer Große-Kracht
Chief Technology Officer, Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH, Sindelfingen
