Es liegt auf der Hand, dass die Wahrung des Kühlgutnutzens die wichtigste Maßnahme zur ganzheitlichen Energiekosteneinsparung darstellt. Kühlgut, das durch eine optimal ausgelegte Kälteanlage gesichert wird, erhöht nicht nur den wirtschaftlichen Ertrag des Betreibers. Es entlastet ebenso in erheblichem Maß unsere Umwelt. Zumal, wenn wir bedenken, dass bereits die Erzeugung und der Transportweg der Produkte mit einem nicht unerheblichen Aufwand an Energie einhergehen. Zum Beispiel in der Landwirtschaft durch den Einsatz von landwirtschaftlichem Gerät, Wasser, Düngemitteln, Herbiziden und Pestiziden.
Dem Leser sei hier vergegenwärtigt: Es ist nur die Spitze eines Eisberges, die sich hier zeigt. Auf die zentralen Zusammenhänge geschaut, sind wir mehr denn je gefordert, zum Nutzen der Gemeinschaft nachhaltig energieeffiziente Kälteanlagen zu bauen. Mehr noch, wir müssen lernen, über den Tellerrand hinaus zu schauen und uns mit ganzem Herzen dem Pakt für Energieeffizienz anschließen. Nur wenn wir uns dieser Herausforderung stellen, können wir zukünftig im Kältehandwerk unseren Beitrag zur Schonung der Ressourcen leisten.
Nachhaltige Qualitätssicherung des Kühlgutes ist praktizierter Umweltschutz.
Ausgangspunkt
Als Basis zur Auslegung von Verdampfern für gewerbliche Kälteanlagen gilt üblicherweise die Berechnung der erforderlichen Kälteleistung. Neben dieser Auslegungsgröße sind aber auch die Anforderungen an das zu lagernde Warenprofil hinsichtlich der geforderten relativen Luftfeuchtigkeit und der Temperatur entscheidend und somit bei der Planung unbedingt zu berücksichtigen.
Gemeint ist hier die Auslegung des Verdampfers in Bezug auf die Temperaturdifferenz DT₁, welche sich aus der gewünschten Lufteintrittstemperatur TL1 und der Verdampfungstemperatur to ergibt. Die sich als Konsequenz des DT₁ im praktischen Betrieb einstellende Luftfeuchtigkeit ist entscheidend für den Werterhalt des lagernden Kühlgutes und bestimmt somit die Qualität der Kälteanlage.
Bild 1 zeigt als Beispiel die sich im stationären Zustand einstellende jeweilige relative Luftfeuchtigkeit in Abhängigkeit von der Temperaturdifferenz (DT₁).
Neben DT₁ ist das Zusammenspiel zwischen dem Verdampfer und seinem Expansionsventil ebenfalls von großer Wichtigkeit. Die Anlagenverfügbarkeit und Anlageneffizienz ist im Volllast- wie im Teillastbereich abhängig vom passenden Zusammenspiel zwischen Expansionsventil und Verdampfer. Entsprechend den Vorgaben der EN 328 (DIN 8955) sollte die Einhaltung des Überhitzungsverhältnisses f = DToh / DT₁, ausgehend von dem Auslegungspunkt des Verdampfers, einen Wert von 0,5 bis 0,7 im praktischen Betrieb erreichen.
Die Einhaltung des zuvor beschriebenen Überhitzungsverhältnisses kann somit als Königsparameter gelten, der die Verfügbarkeit, den Wirkungsgrad und den Energieverbrauch einer Kälteanlage entscheidend beeinflusst. Dies hat u.a. auch einen positiven Einfluss auf das Bereifungs- und Abtauverhalten von Verdampfern im praktischen Betrieb. Eine gleichmäßige Verdampferbeaufschlagung ist das positive Ergebnis, falls sich ein Überhitzungsverhältnis im Bereich von 0,5 bis 0,7 in der Praxis einstellt.
Als Konsequenz hieraus ist eine gleichmäßige Taupunktunterschreitung gegeben. Im Minusbereich ergibt sich als Folge ein gleichmäßiges Bereifungsbild. Dies führt wiederum zu einem optimalen Abtauergebnis unter minimalem Einsatz an Abtauenergie, was letztlich wiederum einen positiven Einfluss auf den energieeffizienten Betrieb einer Kälteanlage hat.
Eine Prüfung des Überhitzungsverhältnisses sollte wie nachstehend dargestellt durchgeführt werden:
a) Der Verdampfer muss während der Messung frei von Reif- und Eisbelastungen sein.
b) Die Isttemperatur der Kühlstelle sollte näherungsweise gemäß den Vorgaben a) bis auf wenige zehntel Grad, ohne weitere Störungen, im Bereich der Solltemperatur liegen.
c) Gemäß den Voraussetzungen a) und b) muss dem Beginn einer Messung eine Betriebszeit von 20 Minuten vorausgehen. Die Zeit ist erforderlich, damit das Expansionsventil sich auf die zu prüfende Verdampferstrecke ausregeln kann.
Das zuvor genannte Verfahren wiederholt sich, wenn als Ergebnis der Messung das Expansionsventil manuell nachgeregelt werden muss.
Falls die Überhitzung an thermostatischen Expansionsventilen verringert werden muss, ist unbedingt darauf zu achten, dass die Justierschraube zur Korrektur der Überhitzung, kurzfristig (max. 30 s) bis zu einer Umdrehung mehr geöffnet werden muss, als die vorausberechnete Veränderung es erfordert, damit die Feder zur Steuerung der Ventildüse, nachdem sie entspannt wurde, wieder mit einwandfreier Hysterese, eben mit der richtigen Vorspannung (Arbeitsüberhitzung) arbeitet.
Um es vorwegzunehmen, elektronische Expansionsventile dienen hier mehr dem Selbstzweck und sind oftmals wenig geeignet, Komplexitäten der vorgenannten Aufgabe adaptiv, entsprechend der sich ändernden Betriebszustände auszuregeln. Wünschenswert wäre hier ein elektronisches Expansionsventil, das vor allem in Verbundkälteanlagen nach dem Prinzip der EN 328 den Verdampfer optimal regelt.
Bild 2 zeigt den Messaufbau zur Messung des Überhitzungsverhältnisses gemäß der EN 328.
Die zuvor beschriebenen Sachverhalte gelten nicht nur für Einzelkälteanlagen, sondern im Besonderen auch für Mehrverdampferanlagen, die mit einem Verdichterverbund betrieben werden. Auf den Betrieb von Verbundkälteanlagen im Teillastbetrieb wird im Folgenden näher eingegangen.
Zur gängigen Praxis
Zunächst mag es zutreffen, dass durch den sich einstellenden, viel beschworenen Gleichzeitigkeitsfaktor an Kältebedarf in Verbundanlagen das zuvor beschriebene Überhitzungsverhältnis näherungsweise erreicht wird. Dies ist jedoch während der Teillastphase sicherlich nicht der Fall, die typischerweise zu 8090% im Verlauf eines Jahres vorherrschend ist.
Besonders in Verbundkälteanlagen ist, mit Blick auf das Warenprofil, die Nichteinhaltung des DT₁ kritisch zu betrachten. Selbst in der Volllastphase werden entsprechende Verdichterkapazitäten ohne Rücksicht auf das erforderliche DT₁ der Verdampfer, und erst recht nicht unter Berücksichtigung des Überhitzungsverhältnisses, zu- und abgeschaltet. Mit anderen Worten: Das Überhitzungsverhältnis wird nicht eingehalten. In der Teillastphase vergrößert sich das DT₁ im Kälteverbund entsprechend.
Hieraus ergibt sich möglicherweise eine nicht anzustrebende Taktfolge der oder des Verdichters. Mittels durch Verdampfungsdruck gesteuerter Frequenzumrichter kann eine Leistungsanpassung zwischen den einzelnen Verdichterstufen erfolgen. Das DT₁ hinsichtlich des Warenprofils kann allein durch den Einsatz von Frequenzumrichtern allerdings nicht eingehalten werden. Durch die Nichteinhaltung der warenspezifischen Temperaturdifferenz DT₁ während der Teillastphase ist ein optimaler Wirkungsgrad der Verdampfer in Verbundkälteanlagen nicht erreichbar. Soll doch das Überhitzungsverhältnis als Ergebnis aus dem sich einstellenden DT₁ ein Garant für nachhaltig energieeffiziente Kälteanlagen sein, und somit die Voraussetzung zum Werterhalt des Kühlgutes bilden.
In der Einhaltung einer gleichmäßigen Verdampfungstemperatur, wie zuvor beschrieben, liegt jedoch ein weiteres Problem. Steigt die Raumtemperatur einer Kühlstelle durch Begehung und Beschickung, registriert der Verdampfungsdruckaufnehmer einen steigenden Druck. Bei den üblichen Verbundsteuerungen werden Verdichterkapazitäten hinzu geschaltet und/oder durch Frequenzumrichter zwischen den Verdichterstufen die Leistung entsprechend erhöht. Das DT₁ vergrößert sich somit proportional zur Belastung der Kühlstelle. Um das DT₁ im zuvor geschilderten Fall zu wahren, werden am Verdampferausgang zusätzlich sogenannte mechanische bzw. elektronische Verdampfungsdruckregler eingesetzt.
Fazit: Verdampfungsdruckregler sind zur Lösung des geschilderten Problems wenig hilfreich, da der Verdampfungsdruck hinter dem Regler abfällt und der Wirkungsgrad des Verdichters sich erheblich verschlechtert. Die Verdichterleistung verändert sich bekanntlich mit jedem Grad steigender oder fallender Verdampfungstemperatur um ca. 34%. Ein weiterer grundsätzlicher Nachteil ist, dass sich innerhalb des Verdampfers als Ergebnis der sich ständig ändernden Massenvolumenströme ein irreversibler Prozess einstellt. Als Folge hieraus ergibt sich unterhalb der Bereifungsgrenze ein stetig wechselndes Vereisungsbild des Verdampfers.
Da aufgrund der zuvor beschriebenen Ereignisse der oder die Verdampfer nicht korrekt abgetaut werden können, ist nicht nur die Verfügbarkeit der Kälteanlage in Frage gestellt, sondern vielmehr die Qualitätssicherung des Kühlgutes, der Raum wird einfach nur kalt. Wissen wir doch nur zu genau: Verbleibt nach einem Abtauvorgang noch Resteis in einem Verdampfer, gerät die Kälteanlage in Schieflage, bedingt durch eine sich immer tiefer einstellende Verdampfungstemperatur. Als Folge daraus schaltet die Verbundsteuerung die oder den Verdichter früher als erwartet aus. Als Konsequenz weicht die Kühlstellentemperatur vom Sollwert ab.
Dies soll an nachfolgenden Beispielen verdeutlicht werden
Betrachten wir zuerst eine Einzelkälteanlage (Kältemittel R507A) mit einem Verdichter und einem Verdampfer. Die Kälteleistung im Auslegungspunkt beträgt Qo = 23 kW bei einer Verdampfungstemperatur von to = 5 °C und einer Verflüssigungstemperatur von tc = 45 °C. Für die Verdampferauslegung wurde mit einem TL1 = 2 °C und einer Temperaturdifferenz von DT₁ = 7 K gerechnet. Damit ergibt sich im stationären Betriebspunkt unter diesen Randbedingungen ein stationärer Arbeitspunkt AP1 wie im Bild 4 eingezeichnet als Schnittpunkt der Verdampfer- und Verdichterkennlinie mit der geforderten Kälteleistung von 23 kW.
Sinkt nun die Verflüssigungstemperatur z.B. aufgrund einer geringeren Außentemperatur auf 35 °C, so stellt sich ein neuer stationärer Betriebspunkt AP2 als Schnittpunkt der Verdampferkennlinie mit der Verdichterkennlinie bei tc = 35 °C ein. Dies hat unter sonst gleichen Bedingungen folgende zwei Effekte. Zum einen steigt die Kälteleistung auf 26 kW an, zum anderen steigt aber auch zwangsläufig das DT₁ auf einen Wert von 9 K an, was zu einer erheblich höheren Entfeuchtung und damit auch zu einer stärkeren Bereifung des Verdampfers führt. Bild 5 macht deutlich, dass die Entfeuchtungsleistung von 0,5 g/kg auf 0,8 g/kg steigt.
Die richtige Vorgehensweise wäre demnach, die Auslegung des Verdampfers unter Berücksichtigung der vorherrschenden Teillastphase bei einem Q
Noch gravierender stellt sich diese Situation in Verbundkälteanlagen dar, in denen der Belastung entsprechend Verdichter zu- bzw. abgeschaltet werden. In vielen Felduntersuchungen wurde festgestellt, dass gerade im Teillastbetrieb eine Verbundanlage mit einer üblichen Regelung weit entfernt vom energetischen Optimum arbeitet und bezogen auf die Kühlgutqualität unnötige Warenverluste entstehen.
Die Ursache hierfür ist im Bild 6 exemplarisch für ein Gemüselager dargestellt, für das eine Verbundanlage mit 60 kW Kälteleistung, bestehend aus drei Verdichtern mit je 20 kW und vier Lüftkühlern von je 15 kW eingesetzt wird. Die Auslegungsbedingungen waren: Verdampfungstemperatur to = 5 °C, Verflüssigungstemperatur tc = 45 °C, Raumtemperatur TL1 = 2 °C und Temperaturdifferenz DT₁ = 7 K.
Im Vergleich zu Bild 4 haben wir es nun bei einer Verbundanlage neben den verschiedenen Verdichterkennlinien jetzt zusätzlich mit unterschiedlichen Verdampferkennlinien zu tun, je nachdem, wie viele Verdampfer aktuell im Verbund aufgrund einer Kälteanforderung zugeschaltet sind. Wie man an diesem konkreten Beispiel in Bild 6 nachvollziehen kann, ist kein stationärer Arbeitspunkt mit einem festen DT₁ gegeben. Er stellt sich entsprechend den aktuellen Randbedingungen ein, womit sich auch das DT₁ und damit letztlich die Entfeuchtungsleistung bzw. die relative Luftfeuchte im Kühlraum einstellt.
Nur im Auslegungspunkt (Arbeitspunkt AP1) können wir erwarten, dass wir bei den vorliegenden Auslegungsbedingungen (Verflüssigungstemperatur, Verdampfungstemperatur) die gewünschte Kälteleistung von 60 kW bei einem gewünschten DT erhalten. In allen anderen Betriebszuständen stellen sich ganz unterschiedliche Arbeitspunkte in Abhängigkeit von der Anzahl der zugeschalteten Verdichterstufen und Verdampfer ein, die es nicht ermöglichen, ein vorgegebenes DT₁ zu halten. Je nach Bedingung führt dies zu einem zu großen DT₁ (erhöhte Entfeuchtung!) oder einem zu kleinen DT₁, das selbst von dem besten Expansionsventil nicht mehr ausgeregelt werden kann.
Dies führt dazu, dass gerade im Teillastbetrieb der Arbeitspunkt als Schnittpunkt von Verdampferleistung und Verdichterleistung energetisch und vor allem bezogen auf die Qualität der zu kühlenden Ware (DT₁, rel. Feuchte) ineffizient ist und somit für den Betreiber letztlich erhöhte Energiekosten und unnötige Kühlgutverluste entstehen.
Ein neues Regelungskonzept für Verbundanlagen
Wie kann diese Situation verbessert werden? Ziel einer optimierten Verbundanlagensteuerung muss es sein, unabhängig von den aktuellen Betriebsbedingungen bei Volllast und insbesondere bei Teillast mit einem möglichst gleichmäßigen DT₁, bezogen auf die jeweilige Kühlstelle, dem Profil der zu kühlenden Waren entsprechend Rechnung zu tragen.
Es gilt: Bei der vorausgehenden Planung einer Verbundkälteanlage sollten daher nach Berechnung der Kühllast entsprechend dem geforderten DT₁ die Verdichterstufen den zuvor festzulegenden Verdampfergruppen zugeordnet werden. Eine Grundlastumschaltung sorgt für eine gleichmäßige Betriebszeit der Verdichter.
Im Bild 7 ist dies dargestellt am Beispiel einer von Cool Expert konzipierten und in einem Gemüselager installierten Kälteanlage. Es handelt sich hierbei um eine Kälteanlage mit 4 Verdichtern mit je 20 kW und 8 Verdampfern mit je 10 kW Kälteleistung. Die Auslegungsbedingungen waren: Verdampfungstemperatur to = 5 °C, Verflüssigungstemperatur tc = 35 °C, Raumtemperatur TL1 = 2 °C und Temperaturdifferenz DT₁ = 7 K.
Im Gegensatz zu einer üblichen Verbundanlage werden jeweils zwei Verdampfer aufgrund der aktuellen Kälteanforderung dynamisch nach Bedarf einem Verdichter flexibel zugeordnet. Dieses Grundprinzip gewährleistet, dass immer mit einem passenden Betriebspunkt gearbeitet werden kann, der das vorgegebene DT einhält, wie dies im Bild 7 dargestellt ist. Voraussetzung hierfür sind dezentrale, kommunikationsfähige Kühlstellenregler, die für sich autark die ihr zugeordnete Kühlstelle bzw. Kühlzone regeln. Gleichzeitig werden die aktuellen Istwerte der jeweiligen Kühlzonen übertragen, so dass je nach Kälteanforderung die passende Verdichterleistung in Stufen zu- oder abgeschaltet werden kann.
Gleichzeitig können über dieses Kommunikationssystem auch Stör- und Alarmmeldungen übertragen und zentral ausgewertet werden, sowie umgekehrt Sollwerte für die einzelnen Kühlstellen vorgegeben werden. Dies reduziert die Wartungskosten und erhöht die Anlagenverfügbarkeit. Richtig wäre der Einsatz eines COP-Meters, um so die jeweilige Kälteanlage durch ständige Überwachung (Monitoring) energetisch objektiv bewerten zu können.
Die zuvor vorgestellte Kälteanlage mit einem Raumvolumen von ca. 500 m³ wurde im September 2006 installiert und läuft seitdem problemlos und störungsfrei. Neben einem energieeffizienten Anlagenbetrieb wurde eine gleichmäßige rel. Luftfeuchtigkeit von ca. 95 % bei ebenfalls gleich bleibender Temperaturverteilung in dem betreffenden Gemüselager erreicht, was in letzter Konsequenz zu einer hohen Kühlgutqualität führt und dem Betreiber damit einen doppelten, wirtschaftlichen Nutzen beschert.
In einer anderen Anwendung konnten in einem Obst- und Gemüselager mit einer Kühlfläche von knapp 300 m² und einer Kälteleistung von 21 kW durch eine verbesserte Regelung unter Berücksichtigung der zuvor dargestellten Zusammenhänge eine Energieeinsparung von 22 % realisiert und gleichzeitig die Warenverluste um 5 % reduziert werden. Dies bedeutet für den Betreiber bei einem Warenumsatz von 2,1 Mio. Euro p.a. einen zusätzlichen Gewinn von über 106 000 Euro p.a. bei einer Amortisationszeit von unter einem Jahr.-
Dieser Beitrag ist eine gekürzte Fassung des Vortrages von der 7. KK-Fachtagung zum Thema Pakt für Energieeffizienz am 26. Februar 2008 in Bingen.
Friedhelm Meyer,
geschäftsführender Gesellschafter der Cool Expert
Vertriebs GmbH Bruchsal
