Gegensätzliche Anforderungen in Supermärkten
Der Kältebedarf im Supermarkt hängt stark von zum Beispiel Tageszeit und Kundenfrequenz ab und variiert entsprechend. Damit die Kälteanlage zuverlässig läuft, müssen nicht nur die zulässigen Betriebsbedingungen eingehalten und der Ölkreislauf sichergestellt werden, sondern die Leistungsregelung im Parallelverbund muss auf die Anwendung abgestimmt sein: Sie muss auch geringe Lasten so abdecken, dass, vor allem beim Führungsverdichter, möglichst wenige Ein- Aus-Zyklen vorkommen und die Leistung in möglichst kleinen Stufen geregelt werden kann.
In der Praxis kommen allerdings gegensätzliche Anforderungen hinzu: Die Anlagen müssen kosteneffizient sein, mit geringer Komplexität und niedrigen Investitionskosten. Häufige Folgen sind ein ungünstiges Regelverhalten und geringere Betriebssicherheit, zum Beispiel durch:
Eine Standard-Verbundsteuerung überwacht unabhängig voneinander Hochdruck, Druckgastemperatur, Sauggasüberhitzung, Ölstand sowie Motortemperatur und bietet jeweils eine Sicherheitsabschaltung. Insbesondere die zulässige Druckgastemperatur ist jedoch abhängig von Druckverhältnis, Sauggasüberhitzung, Betriebsfrequenz, Betriebszeit und Dynamik.
Geringe Betriebsfrequenzen und hohe Sauggasüberhitzung erhöhen die thermische Beanspruchung des Verdichters und reduzieren somit seine Einsatzgrenze: In Bild 1 kennzeichnet die gestrichelte Linie 3 beispielhaft die maximal zulässige Druckgastemperatur (t max) für 25 Hz Betriebsfrequenz und 30 K Sauggasüberhitzung.
Im Fokus: Führungsverdichter der Normalkühlstufe
Ungünstige Betriebszustände für den Führungsverdichter in der Normalkühlstufe sind gekennzeichnet durch:
Dies wirkt sich indirekt auf Reibung und Schmierung des Verdichtertriebwerks aus und kann zu erhöhtem Lagerverschleiß führen. Ein zu geringer Regelbereich und deutliche Last- oder Leistungsänderungen destabilisieren das Gesamtsystem – vor allem, wenn der Regelbereich des Führungsverdichters die Leistungslücken nicht abdecken kann, die beim Ein- und Ausschalten der Folgeverdichtern entstehen. Dieser Zusammenhang wird mit der Regelgüte (CF) in % beschrieben. Sie errechnet sich aus der Differenz zwischen der Leistung des Führungsverdichters bei maximaler und minimaler Frequenz, geteilt durch die Leistung des nachfolgenden Verdichters (Quelle: ASERCOM, vgl. https://www.Bitzer.de/shared_media/html/kt-600/de-DE/index.html). Ein CF >100 % ist sehr gut, < 80 % sind nicht zu empfehlen. Die beste Regelgüte wird erzielt, wenn der Verbund den Kältebedarf durch quasi stufenloses Variieren der Kälteleistung abdecken kann.
Erhöhung der Regelgüte bei bestehenden Anlagen
Falls möglich, empfiehlt Bitzer eine Erhöhung der Regelgüte in der Normalkühlstufe: Im ersten Schritt wird der Frequenzbereich des Führungsverdichters geprüft (minimale und maximale Frequenz). Eventuell ist der zugelassene Frequenzbereich noch nicht ausgeschöpft, zum Beispiel wenn der Verdichter nur bei 30 bis 60 Hz betrieben wird statt der zulässigen 25 bis 70 Hz für Bitzer 4-Zylinder-Verdichter. In diesem Fall kann die Regelgüte einfach dadurch verbessert werden, dass der Frequenzbereich erweitert wird – sofern die thermische Belastung des Verdichters bei den auftretenden Sauggasüberhitzungen und Betriebspunkten noch zulässig ist. Bei Sternschaltung des frequenzgeregelten Motors ist auch dessen Reserve zu prüfen.
Eine weitere wirksame Methode, die Regelgüte zu verbessern, ist die Nachrüstung eines Folgeverdichters mit einer mechanischen Varistep Leistungsregelung von Bitzer (50 % / 100 %). Voraussetzung ist, dass der Verbundregler einen weiteren leistungsgeregelten Verdichter ansteuern kann. Die Abdeckung von Teillast bis hin zur Minimallast zum Beispiel durch den Führungsverdichter garantiert einen kontinuierlichen Massenstrom, stabile Saug- und Hochdrücke und stabile Sauggastemperaturen. Dies verhindert geringe Wirkungsgrade der Anlage, evtl. Nassbetrieb, verminderten Ölrücklauf, schwankende / aufschwingende Regelkreise und ungünstige Betriebsbedingungen.
Schnelle Taktung vermeiden
Besonders zu beachten ist die Häufigkeit von Ein-Aus-Zyklen der Verdichter (Taktung). Bitzer empfiehlt für seine transkritischen Verdichter maximal sechs Anläufe pro Stunde und mindestens zehn Minuten zwischen zwei Anläufen. Hohe Taktraten belasten generell den Verdichtermotor und das Triebwerk. Bei Betrieb ausschließlich mit geringer Frequenz und häufigen Ein-Aus-Zyklen besteht die Gefahr von Ölmangel. Um eine ausreichende Schmierung des Triebwerks zu gewährleisten, sollte der Verdichter beim Anlauf mindestens 10 s mit mindestens 40 Hz laufen, bevor die Regelung freigegeben wird.
Vorsicht bei der Bewertung von Anlagen im Betrieb: Erhöhte Taktraten finden sich vor allem nachts beziehungsweise außerhalb der Betriebszeiten. Allgemein sind Taktraten > 120 pro Tag kritisch, > 160 pro Tag sollten nicht zugelassen werden.
Allgemein fördert ein möglichst kontinuierlicher Betrieb mit wenig Ein-Aus-Zyklen eine gute Ölrückführung. Dies verhindert auch, dass zum Beispiel nach Abtauphasen oder unter hoher Kälteleistung kaltes, mit Kältemittel angereichertes Öl schlagartig von den Verdampfern zu den Verdichtern zurückgeführt wird. Stabile Betriebsbedingungen sorgen auch dafür, dass die Ölvorlage in den Ölspiegelregulatoren beruhigt ist und der Stand dem Niveau im Triebwerk angeglichen ist.
Bei Nachrüstung von Glastüren: Anlagenumbau erwägen
Besondere Sorgfalt ist notwendig, wenn Kühlmöbel nachträglich mit Glastüren ausgestattet werden. Die meisten Anlagen haben schon vorher eine beträchtliche Leistungsreserve. Die Türen reduzieren die erforderliche Kälteleistung dann je nach Temperaturklasse und Verdampfungstemperatur zusätzlich um 40 bis 50 %. Damit weicht die installierte Kälteleistung noch stärker von der benötigten ab – mit großen Auswirkungen auf das Teillastverhalten, zum Beispiel werden Taktraten stark ansteigen. Bei hohen Taktraten des Führungsverdichters ist zu prüfen, ob die Installation der Türen mit einem Umbau der Verbundanlage kombiniert werden kann. Eventuell kann der Führungsverdichter eine Fördervolumenstufe kleiner gewählt und der Folgeverdichter mit gestufter Leistungsregelung ausgeführt werden.
Fallbeispiel: Regelgüte verbessern und Mindestleistung reduzieren mit Varistep Leistungsregelung
Mit Fokus auf geringen Investitionskosten und Anlagendimensionen werden viele Supermarkt-Kälteanlagen wie in folgendem Fallbeispiel gebaut (vgl. Tabelle): Der Führungsverdichter ist mit Frequenzumrichter (30 bis 60 Hz) ausgestattet, zwei weitere laufen mit fester Drehzahl. Die Minimalleistung der Anlage im Winter beträgt 19,1 kW, die Maximalleistung im Sommer 88 kW. Für die Auslegung wurde ein Flashgas-Bypass-System mit folgenden Betriebspunkten gewählt:
Um das Beispiel einfach zu halten, wird die Tiefkühlstufe nicht einbezogen. Die berechnete Regelgüte (CF) beträgt nur 34 % im Winter und 36 % im Sommer (siehe Tabelle). Die vom Verdampfer angeforderte Kälteleistung wird damit nicht gut abgedeckt. Typisch für den Betrieb sind ständige Wechsel zwischen minimaler und maximaler Betriebsfrequenz des Führungsverdichters, hohe Taktraten der Folgeverdichter, stark schwankende Saug-, Mittel- und Hochdrücke sowie ein zyklischer Betrieb mit hohen und niedrigen Sauggasüberhitzungen. Für einen typischen Wintertag in Mitteleuropa während der Öffnungszeiten ist dies im Bild 2 dargestellt. (vgl. Bild 2)
Bild: Bitzer
Zur Optimierung sind die in der Tabelle dargestellten Schritte möglich:
Wie günstig sich eine kontinuierliche Abdeckung der Minimallast darstellt, zeigt Bild 3: In der Ausgangssituation vor der Umrüstung wurde der Führungsverdichter mit Frequenzumrichter betrieben. Die benötigte Kälteleistung war viel geringer als geplant, das führte zu Taktraten des Führungsverdichters zwischen 120 und 160 pro Tag im Winterbetrieb. Er stand längere Zeit still, und im Betrieb schwankten Drücke und Temperaturen zyklisch. Die linke Bildhälfte zeigt die entsprechenden Betriebspunkte in der Einsatzgrenze.
Die Varistep Leistungsregelung mit IQ Modul konnte den Betrieb stabilisieren und die Ein-Aus-Zyklen des Führungsverdichters weitestgehend vermeiden (rechte Bildhälfte). Dies zeigen auch die zeitlich gewichteten Mittelwerte der Betriebsbedingungen: Die durchschnittliche Verdampfungstemperatur lag nach der Umrüstung 2 K höher, der durchschnittliche Hochdruck 3 bar niedriger – mit positiven Folgen für den Energiebedarf.
Bild: Bitzer
Betriebspunkte vor der Optimierung (orange: Betriebspunkte, schwarz: Verdichter gestoppt).
Bild: Bitzer
Rechts: Betriebspunkte nach der Umstellung auf Varistep (blau). Die Anlage deckt die Minimalleistung erfolgreich ab, die Betriebspunkte liegen nah beieinander.
Fazit
Verbundanlagen mit CO2 sind im Supermarktbereich inzwischen Standard. Praxiserfahrungen und umfangreiche Datenanalysen zeigen allerdings, dass manche Anlagen den unterschiedlichen Anforderungen nur bedingt genügen können. Ziel muss es sein, hohe Effizienz, geringe Komplexität und niedrige Investitionskosten zu vereinbaren. Die Regelgüte und die Abdeckung der Minimallast spielen hier eine wichtige Rolle, beide lassen sich durch geeignete Leistungsregelung der Verdichter signifikant verbessern. Für die Zukunft ist mit weiteren Optimierungen zu rechnen – Bitzer trägt durch die kontinuierliche Weiterentwicklung seiner Produkte und Lösungen dazu bei.
Bild: Bitzer
Bild: Bitzer
