Die Anforderungen an die Betriebssicherheit und ständige Verfügbarkeit der Kältetechnik in Kliniken und Krankenhäusern erlauben keine Unterbrechung des laufenden Betriebs. Die Kälteversorgung ist damit ein elementarer Bestandteil der technischen Ausrüstung, gleichzeitig aber auch einer der größten Energieverbraucher. Steht ein Austausch der Kälteerzeugung an, entscheidet die richtige Dimensionierung mit über die Energieeffizienz. Maßgebend ist hierbei, bei Spitzenlast die nötige Kälteleistung bereitstellen zu können, aber auch im Teillastbetrieb die größtmögliche Wirtschaftlichkeit zu erzielen.
Neudimensionierung erforderte zuverlässige Ist-Verbrauchsdaten
In Krankenhausbauten verändert sich durch Erweiterungen, Umbauten und neue me-dizintechnische Einrichtungen und Geräte immer wieder der tatsächliche Leistungsbedarf. Im Fall der St. Marien-Klinik gGmbH in Karlsruhe mit 765 Betten stand im Herbst 2014 der Austausch der Kälteerzeugung an. Hinzu kam, dass das Potenzial der nachträglich installierten freien Kühlung so effizient wie möglich ausgenutzt werden sollte. Zur Dimensionierung der benötigten Kälteleistung konnten sich die Verantwortlichen damit nicht auf die ursprünglichen Planungen stützen, da davon ausgegangen werden musste, dass sich über die Jahrzehnte der Leistungsbedarf verändert hatte.
Außerhalb der Rohrleitung einfacher messen
Eine vorhergehende, näherungsweise vorgenommene Auslegung hatte zu einem vor-läufigen Ergebnis von 1 200 kW Kälteleistungsbedarf geführt. Um die neue Kältemaschine nach wirtschaftlichen Aspekten auslegen zu können, waren jedoch verlässlichereDaten nötig. Dies erforderte somit aktuelle Ist-Werte über den laufenden Kälteanlagenbetrieb. Die Service-Niederlassung des Kältetechnik-Herstellers Carrier GmbH in Korntal bei Stuttgart bot dem Auftraggeber deshalb an, durch die exakte Messung von Volumenstrom- und Temperaturwerten den tatsächlichen Leistungsbedarf zu ermitteln.
Zur Messung von Verbrauchsmengen und Volumenströmen in hydraulischen Systemen ist im Regelfall ein Zähler notwendig, welcher in der Rohrleitung eingebaut ist. Der nachträgliche Einbau wäre jedoch mit einem hohen Aufwand verbunden. Die dazu notwendigen Maßnahmen würden mehrere Schritte umfassen:
Außerbetriebnahme des betreffenden Leitungsabschnitts,
Entleeren und Trennen der Rohrleitung,
Herstellen von Rohrleitungsverbindungen,
Einbau des Zählers,
Wiederbefüllen des Leitungsabschnitts.
Innerhalb einer Kälteverteilung, die rund um die Uhr betriebsbereit sein muss, ist eine solche Maßnahme nur unter stark erschwerten Bedingungen durchführbar. Auch aus wirtschaftlichen Gründen, da im Fall der Kälteversorgung in der Karlsruher St. Marien-Klinik die Messung nur für einen begrenzten Zeitraum nötig war.
Für die Erfassung von Verbrauchsmengen und Volumenströmen ohne Eingriff in die Leitungsanlage gibt es Ultraschallzähler, die mittels Haltebändern einfach an der Rohrleitung befestigt werden können. Beim Projekt St. Marien-Klinik setzte die Stuttgarter Serviceniederlassung von Carrier auf die Clamp-On-Ultraschallzähler des Anbieters WDV/Molliné, der für diese Messtechnik auch einen Mietservice bereitstellt. Die Ultraschallzähler sind für die Messung von flüssigen Durchflussmedien in Rohrleitungen konzipiert und werden einfach auf das Rohr aufgespannt. Die Messung außerhalb des Volumenstroms mittels Ultraschalltechnik führt zu präzisen Ergebnissen.
Lastprofil abgebildet
Weil die Gesamtleistung für die Kälteerzeugung benötigt wurde, befestigte der Dienstleister den Clamp-On-Zähler kurz nach der Kälteerzeugung an der Hauptverteilleitung. Mit dem Ultraschallzähler wurden nicht nur die Volumenströme, sondern auch die Mediumtemperaturen und Fließgeschwindigkeiten gemessen“, berichtet Frank Lehnen, Vertriebsbeauftragter Service bei Carrier, über den Ein-satz des Clamp-On-Ultraschallzählers. Anhand der gemessenen Werte konnte in Abhängigkeit von der Außentemperatur eine Gebäudelastlinie erstellt werden. Der Ultraschallzähler war für die Dauer von acht Tagen im Einsatz, sodass über diesen Zeitraum ein aussagefähiges Profil der verschiedenen Lastsituationen gewonnen werden konnte.
Messdaten-Direktübernahme in die Auslegungs-Software
Die an der Kälteleitung erfassten Messwerte wurden automatisch durch einen Datenlogger protokolliert. Zur Dienstleistung von WDV/Molliné gehört hierbei, die Werte auszulesen und die Daten im Dateiformat an den Auftraggeber zu übermitteln. Bei Carrier hat Frank Lehnen den Datensatz in die eigene Software zur Auslegung von Kältemaschinen eingelesen. Durch die präzisen Messdaten konnte ermittelt werden, welche Anlagengröße die beste Energieausnutzung bietet“, erläutert Lehnen.
Zur Kontrolle wurden die Daten mit den Jahrestemperaturen für den Standort Karlsruhe verglichen und dabei das Lastprofil auch für die Sommermonate simuliert. Mit den Ergebnissen der Auswertung ermittelte Carrier die Minimallast des Gebäudes, die Volumenströme und die Temperaturspreizung. Mit dieser Datengrundlage wurden neben der Kältemaschine auch die freie Kühlung sowie drehzahlgeregelte Pumpen, Plattenwärmeübertrager und das Rückkühlwerk ausgelegt.
Leistungsbedarf geringer als gedacht
Nach Auswertung der Messdaten stellte sich heraus, dass die vorhergehende, auf unzureichenden Planungsgrundlagen basierende Ermittlung der Kälteleistung mit 1 200 kW viel zu hoch war. Anhand der ermittelten Ist-Werte berechnete die Service-Niederlassung von Carrier eine tatsächlich benötigte Kälteleistung von 450 kW – weniger als die Hälfte des ursprünglich angenommenen Leistungsbedarfs. So konnte eine unwirtschaftliche Überdimensionierung vermieden werden.
Die durchgeführte Messung kann somit dem Kunden gegenüber als vertrauensbildende Maßnahme interpretiert werden, weil zur Auslegung der Kälteerzeugung nicht einfach nur Erfahrungs- oder Schätzwerte herangezogen wurden“, sagt Frank Lehnen. Mit der Dienstleistung von WDV/Molliné seien außerdem neutrale Ergebnisse gewährleistet. Die Messergebnisse haben bei der Auswertung ebenfalls gezeigt, dass starke Lastschwankungen vorhanden sind. Darauf basierend konnte somit auch der Pufferspeicher passend dimensioniert werden“, berichtet Frank Lehnen weiter. Die Berechnung ergab ein Puffervolumen von 2 800 l, wodurch Verbrauchsspitzen zuverlässig abgedeckt werden können.
Genaue Daten – mehr Energieeinsparung
WDV/Molliné ist ein Anbieter von Verbrauchsmesstechnik mit einer umfangreichen Auswahl an Gas-, Strom-, Wärme-, Kälte- und Wasserzählern. Mit Dienstleistungen wie der Vermietung von Messeinrichtungen und der Auswertung erfasster Messdaten stellt das Stuttgarter Unternehmen Lösungen für Spezialanwendungen und auch für den temporären Einsatz von aufwendigen Messgeräten bereit.
Für die Messungen in der Kälteanlage der St. Marien-Klinik in Karlsruhe waren durch den Einsatz der Clamp-On-Messtechnik weder Eingriffe in die bestehende Installation noch aufwendige Investitionen erforderlich. Mit exakten Messdaten über den Ist-Verbrauch und den Leistungsbedarf können bei bestehenden Anlagen nicht nur die Kälteerzeuger richtig dimensioniert, sondern darüber hinaus auch erhebliche Energieeinsparungen bei den tatsächlich benötigten Pumpenleistungen erzielt werden“, ergänzt Frank Lehnen.
Clamp-On-Ultraschall-Messverfahren
Zur differenzierten Messung von Volumenströmen, Temperaturen und Fließgeschwindigkeiten in bestehenden Kälteanlagen sind einfach zu montierende Clamp-On-Ultraschallzähler eine praktikable Lösung. Diese Messtechnik erfüllt die Anforderungen an eine belastbare Messdatenerfassung bei gleichzeitig geringem Montageaufwand. Auf dem Display des Ultraschallmessers werden dann in der Regel die Fließgeschwindigkeit in m/s oder m³/h, die Temperatur in °C und der Energieverbrauch in MW/h oder kW/h dargestellt.
Die Ultraschalltechnik hat im Vergleich zur Flügelrad-Technik den Vorteil, dass sie unabhängig vom flüssigen Medium Volumenströme und Fließgeschwindigkeiten exakt außerhalb des Volumenstromes misst. Dabei erfolgt die Messung nach der sogenannten Laufzeitdifferenz: Zwei versetzt angeordnete Ultraschallwandler geben jeweils einen diagonal ausgerichteten, kurzwelligen Schall in das Rohr ab; reflektieren aber auch gleichzeitig das Signal des gegenüberliegenden Schallgebers.
Die Elektronik wertet die Laufzeitdifferenz aus und berechnet anhand des Mediums und Rohrdurchmessers exakt den Volumenstrom. Um die Wärmemenge zu errechnen, werden zusätzlich Temperaturfühler am Vor- und Rücklauf auf dem Rohr platziert. In den Messgeräten wird außerdem der spezifische Wärmekoeffizient des Mediums berücksichtigt. Die Messergebnisse werden durch einen Datenlogger im Minutentakt protokolliert. Durch eine optionale Bus-Anbindung können die Messdaten durch Fernauslesung oder über die Gebäudeleittechnik ausgelesen werden.
Ein Anwendungsbereich für Ultraschall-Kältezähler ist das Monitoring für die Anlagenoptimierung mit dem Ziel, den Energiebedarf zu senken. Über einen längeren Zeitraum kann damit der Verbrauch an Kälte-energie kontinuierlich erfasst werden. Anhand der Ergebnisse lassen sich dann die tatsächlich benötigten Kälteerzeugungs- und Pumpenleistungen ermitteln.
