In der Supermarktkälte gibt es verschiedene Ansätze. unser Autor vergleicht die einschlägigen Methoden in einer Feldstudie.
Supermärkte mit steckerfertigen Kühlmöbeln verbrauchen aufgrund des hohen Klimatisierungsbedarfs in der warmen Jahreszeit mehr Strom als Märkte mit zentraler Kälteversorgung. Zu diesem Ergebnis kommt eine Studie der ZHAW School of Engineering. Zentrale Kältesysteme profitieren von einem hohen Wirkungsgrad bei der Kälteerzeugung und können die Abwärme der Kältemaschine nutzen.
Braucht ein Supermarkt mit dezentral gekühlten Kühlmöbeln und Kühlräumen weniger Energie als ein Supermarkt mit zentral gekühlten Kühlmöbeln und Kühlräumen? Das Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering IEFE der ZHAW School of Engineering hat im Auftrag des Schweizer Bundesamts für Energie (BFE) und des Schweizerischen Verbands für Kältetechnik (SVK) verschiedene Kühlsysteme für Supermärkte einem umfassenden energetischen Vergleich unterzogen. Gleichzeitig analysierten die Forschenden die Wirtschaftlichkeit der verschiedenen Systeme.
In der Studie wurde der gesamte Supermarktbetrieb mit den zahlreichen Wärmeeinträgen (Backofenwärme, Beleuchtung, Personen) und dem Energiebedarf für Kühlung und Heizung über ein Jahr simuliert. Um die klimatischen Abhängigkeiten sichtbar zu machen, wurde die Simulation für die Standorte Zürich (Mittelland), Lugano (Tessin) und Davos (Alpen) durchgeführt. Zusätzlich wurden zwei unterschiedliche Marktflächen (340 m2 und 1250 m2) betrachtet. Um den Einfluss des Strompreises auf die Wirtschaftlichkeit der Systeme besser zu verstehen, wurden zudem die Betriebskosten mit unterschiedlichen Strompreisen (20 Rp./kWh und 35 Rp./kWh) berechnet. In der Studie wurden folgende drei Kühlsysteme untersucht:
System 1: Dezentral und steckerfertig
Bei konventionellen, steckerfertigen Kühlmöbeln und Kühlräumen wird die Kälte dezentral im Kühlmöbel bzw. Kühlraum erzeugt. Die dabei entstehende Wärme wird direkt an den Raum abgegeben. Wird es im Verkaufsraum zu warm, wird die Wärme über die «Raumkühlung» abgeführt. Die Kühlung des Raumes erfolgt über eine Kälte-Wärme-Maschine. Diese kann die Wärme bei Bedarf (im Winter) z.B. zum Heizen der Büroräume nutzen. Besteht kein Wärmebedarf, wird die Wärme über einen Rückkühler an die Umgebung abgegeben. Der große Vorteil der steckerfertigen Systeme ist ihre Flexibilität - der Betreiber kann die Kühlmöbel einfach umstellen.
Es lohnt sich immer, die Systeme genau unter die Lupe zu nehmen.
System 2: Dezentral, hybrid und steckerfertig
Bei dezentralen, hybriden steckerfertigen Systemen wird die Kälte für die Kühlmöbel und Kühlräume ebenfalls dezentral erzeugt. Die Wärme wird bei Bedarf entweder direkt zur Beheizung der Verkaufsräume genutzt oder über einen Sekundärkreislauf abgeführt. Wird es im Verkaufsraum dennoch zu warm, kühlt eine Kälte-Wärme-Maschine den Raum über die «Raumkühlung» und die Wärme wird über den Rückkühler abgeführt. Besteht im Winter Heizbedarf im Supermarkt oder in den Büroräumen, werden diese mit der Kälte-Wärme-Maschine beheizt.
System 3: Zentralkälte
Beim zentralen System werden die Kühlmöbel und Kühlräume mit einer zentralen CO2-Kälteanlage gekühlt und die Wärme über einen Gaskühler abgeführt. Gleichzeitig kann die CO2-Kältemaschine den Verkaufsraum kühlen. Besteht Heizbedarf, kann die Wärme der CO2-Kältemaschine zum Heizen ausgekoppelt werden.
Wärmeabgabe im Verkaufsraum: Der kritische Effizienz-Faktor
Die Studie zeigt, dass Supermärkte mit konventionellen steckerfertigen Kühlmöbeln - also mit dezentraler Kälteerzeugung - den höchsten Stromverbrauch aufweisen. Ein Grund dafür ist der hohe Klimatisierungsbedarf in der warmen Jahreszeit. Da die steckerfertigen Kühlmöbel und Kühlräume die Wärme direkt in den Raum abgeben, besteht über weite Teile des Jahres ein Wärmeüberschuss, der mit einer zusätzlichen Klimaanlage (weg-)gekühlt werden muss. Im Vergleich zum zentral gekühlten System verbraucht die dezentrale Variante in Zürich rund 39 % mehr Strom. Aufgrund der höheren Außentemperaturen beträgt der Mehrverbrauch in Lugano (Tessin) sogar 43 %. In Davos (Alpen) hingegen, wo die Außentemperaturen tiefer sind und weniger Wärme über die Klimaanlage abgeführt werden muss, beträgt der Mehrverbrauch noch 30 %. Bei konventionellen steckerfertigen Anlagen kann der Strombedarf für die Klimatisierung deutlich reduziert werden, indem die Wärme aus den Kühlräumen mit einem Splitgerät nach außen abgeführt wird. Die richtige Einstellung der Verdampfungstemperatur an jedem einzelnen Kühlmöbel bietet ein zusätzliches Einsparpotenzial.
Zentral, dezentral oder hybrid?
Hybride Systeme: Effizientere Alternative
Hybride steckerfertige Kühlsysteme erzeugen die Kälte ebenfalls dezentral in den Kühlmöbeln und Kühlräumen. Trotzdem sind sie deutlich effizienter als die konventionellen, dezentralen Systeme, da die Wärme über ein Wassersystem abgeführt und an die Außenluft abgegeben wird. Vorteil der hybriden Systeme ist, dass sie bei Bedarf die Wärme auch im Supermarkt abgeben können. Sie können einen Beitrag an die Heizung leisten, den Gesamtenergieverbrauch senken. Doch der Mehrverbrauch eines Supermarktes in Zürich, der mit einem hybriden System ausgerüstet ist, beträgt – gegenüber einem zentral gekühlten System – noch immer rund 12 %.
Die zentrale Kälteversorgung: Energetisch die beste Lösung
Am effizientesten sind Supermärkte mit Kühlmöbeln und Kühlräumen, die von einer zentralen Kälteanlage versorgt werden. In der Studie wurde eine integrale CO2-Kälteanlage untersucht. Bei einer integralen CO2-Kälteanlage ist der Kältemittelkreislauf so aufgebaut, dass das Kältemittel auf unterschiedlichen Druckniveaus verdampft und so die unterschiedlichen Temperaturen für die Plus- und Minuskühlung bereitgestellt werden können. Darüber hinaus enthält die integrierte CO2-Kälteanlage einen zusätzlichen Verdampfer, über den der Supermarkt klimatisiert werden kann. Zudem kann bei Bedarf in der Hochdruckstufe die anfallende Wärme zum Heizen des Verkaufsraum und der Büros ausgekoppelt werden. Und ein Ejektor erhöht die Effizienz des Systems, indem er die Verdampfungstemperatur anhebt. Die Simulation zeigt, dass die zentrale Kälteerzeugung mit einer CO2-Kältemaschine die effizienteste der drei untersuchten Varianten ist. Ausschlaggebend dafür ist unter anderem, dass die Abwärme der Kältemaschine im Supermarkt genutzt werden kann.
Die Zentralkälte ist nachwievor am effizientesten.
Lohnt sich die Investition in ein zentrales System?
Die Berechnungen der Studie zeigen, dass die Investitionskosten für zentral gekühlte Systeme - unabhängig von der Größe des Supermarktes - rund 120.000 Franken höher sind als für Systeme mit steckerfertigen Geräten. Aufgrund der längeren Lebensdauer der zentral gekühlten Kühlmöbel und des deutlich geringeren Stromverbrauchs sind die Kosten der drei Systeme am Standort Zürich über die gesamte Lebensdauer jedoch gleich hoch (bei einer Fläche von 340 m2 und einem Strompreis von 20 Rappen pro kWh). Im Supermarkt mit einer Fläche von 1250 m2 sind die jährlichen Kosten für das zentral gekühlte System sogar rund 24.000 Franken tiefer, was über eine Lebensdauer von 15 Jahren einer Kosteneinsparung von über 350.000 Franken entspricht. Der Strompreis hat einen großen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit. So hat ein zentral gekühltes System eines «großen» Supermarktes - bei einem Strompreis von 35 Rappen pro kWh - über die Lebensdauer von 15 Jahren mehr als 500.000 Franken tiefere Kosten als das System 1. Aus Sicht des Energieverbrauchs und der Wirtschaftlichkeit lohnt es sich also immer, die Systeme genau unter die Lupe zu nehmen.
Bei steckerfertigen Aktionstruhen lohnt es sich immer, das EU-Energielabel zu beachten.
Das EU-Energielabel eignet sich nicht für einen Vergleich
Ein weiterer Aspekt der Analyse zeigt: Das EU-Energielabel für Supermarktkühlgeräte eignet sich zwar für den Vergleich von zwei baugleichen Kühlmöbelmodellen. Doch für einen Systemvergleich zwischen steckerfertigen und zentral gekühlten Kühlmöbeln eignet sich das EU-Energielabel nicht. Dafür gibt es mehrere Gründe:
Gemäß den Prüfnormen erhalten steckerfertige Kühlmöbel für ihren Energieeffizienzindex (EEI) generell einen Bonus von 10 %, zentralgekühlte hingegen nicht.
Die Kühlmöbel werden unter festen Umgebungsbedingungen geprüft, ohne saisonale Unterschiede zu berücksichtigen. Die zentralen und die hybriden steckerfertigen Kühlsysteme, die von der Umgebungstemperatur abhängig sind, werden dadurch schlechter eingestuft, als sie tatsächlich sind.
Zudem betrachtet das EU-Energielabel nur das Kühlmöbel. Der Energieaufwand der Klimaanlage für die Kühlung der abgegebenen Wärme des steckerfertigen Kühlmöbels wird nicht berücksichtigt.
Die Studie empfiehlt, Kühlsysteme im Supermarkt immer ganzheitlich zu analysieren und keinen Systementscheid aufgrund des EU-Energielabels zu fällen. Denn bei der Bewertung nach dem EU-Energielabel werden weder die Interaktion mit dem Supermarkt (Wärmeeitrag und Wärmeentzug) noch die unterschiedlichen Klimabedingungen über das Jahr berücksichtigt. Hat man sich für eines der drei Kühlsysteme (dezentral, hybrid, zentral) entschieden, zahlt es sich aus, bei der Auswahl der Kühlmöbel ein effizientes Modell (Klasse A) zu wählen. Und bei den mobilen, steckerfertigen Aktionstruhen lohnt es sich immer, das EU-Energielabel zu beachten und ein effizientes Modell zu wählen.
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