Optimierte Regelung

Das Fraunhofer ISE untersucht das Energieeinsparpotenzial für trocken rückgekühlte Kaltwassersätze sowohl theoretisch als auch praktisch. Der Fokus liegt auf einem einfachen, aber robusten Regelungsansatz: die drei regelbaren Aktoren (Verdichter, Kühlmediumspumpe und Ventilator des Trockenkühlers) werden über den zulässigen Bereich proportional zueinander auf die angefragte Kältelast geregelt und dabei als Strömungsmaschinen mit ähnlichem Verhalten behandelt. Dieser Regelungsansatz wird einerseits mit zwei konventionellen Regelungsstrategien (Stand der Technik) und andererseits mit einer optimalen Regelung verglichen. Im letzteren Fall berechnet ein modellbasierter Regler für jeden Zeitschritt unter den aktuellen Betriebsbedingungen die bestmöglichen Sollwerte für die drei Aktoren, um die Gesamtleistungsaufnahme zu minimieren und gleichzeitig die Lastanforderungen zu erfüllen. Die Auswertung von Simulationen und Experimenten in einer Laboranlage zeigt, dass die einfach umzusetzende Proportional-Regelungsstrategie bis zu 28% Energie gegenüber einer Regelung nach Stand der Technik einspart und damit nah an das – in der Praxis nur aufwändig erreichbare – Optimum von 35% Einsparung herankommt. Wie schwierig es ist, eine genaue modellbasierte Steuerung selbst unter Laborbedingungen zu implementieren, hat sich bei den Untersuchungen ebenfalls gezeigt.

Energieeinsparungen durch Effizienzsteigerungen leisten einen wesentlichen Beitrag zur Erreichung der Klimaschutzziele. Da Kühlprozesse rund 15 % des Stromverbrauchs in Deutschland verursachen [1], ist es unerlässlich, Optimierungspotenziale in diesem Bereich zu untersuchen. Während Luft-Luft-Geräte für die Raumklimatisierung mit geringen Leistungen üblich sind, dominieren Flüssigkeitskühler die Technologie für die gewerbliche Kühlung mit größeren Leistungen [2, 3] . Hier machen wassergekühlte Anlagen, die projektspezifisch mit einer Rückkühleinheit und Kühlwasserpumpe ergänzt werden, rund die Hälfte des Umsatzes aus [4].

Drei regelbare Aktoren: Verdichter, Pumpe, Ventilator.

Die optimierte Regelung solcher Anlagen basierend auf physikalischen Modellen oder mit Hilfe von KI-Ansätzen ist Gegenstand zahlreicher theoretischer Untersuchungen [5]. Die Ergebnisse lassen sich jedoch in aller Regel nicht wirtschaftlich auf reale Anlagen übertragen, da die Parametrisierung umfangreiche (physikalische und/oder betriebliche) Daten erfordert und die Optimierung einen erheblichen Rechenaufwand verursacht.

Daher schlagen wir in diesem Artikel eine einfache, aber robuste Regelungsmethode für die nahezu optimale Regelung von Kältemaschinen in Kombination mit Trockenkühlern vor.

Die Studie konzentriert sich dabei auf ein einfaches Kühlsystem. Es besteht aus einem wassergekühlten Kaltwassersatz (KWS), der in ein Kältenetz einspeist. Die Kondensatorabwärme wird über einen Trockenkühler, der über einen Wasserkreislauf eingebunden ist, abgeführt.

Untersuchte Regelungsansätze

Im Folgenden werden die vier untersuchten Regelungsstrategien beschrieben. Zwei Regelungsstrategien nach Stand der Technik, die als Referenz dienen, werden mit zwei verbesserten Betriebsvarianten verglichen.

Regelung nach Stand der Technik: Konstant-T und Konstant-ΔT

Die zwei Regelungsstrategien gehen von einem konstanten Kühlwasser-Durchfluss mcond zwischen dem Kondensator und dem Trockenkühler aus, wie es typischerweise in Kühlsystemen nach dem Stand der Technik implementiert ist [6, 7]. Die Pumpe läuft an, sobald der KWS aufgrund von Kühlbedarfs eingeschaltet wird. Für den Rückkühlventilator finden sind zwei Regelungsvarianten üblich. Er wird mittels eines PI(D)-Reglers geregelt entweder auf eine bestimmte Austrittstemperatur (Konstant-T) oder auf eine feste Temperaturdifferenz über der Umgebungstemperatur (Konstant-ΔT). Einfache Ein-/Aus- oder Stufenregelungen werden nicht berücksichtigt, da heute praktisch alle handelsüblichen Trockenkühler mit drehzahlgeregelten Lüftern ausgestattet sind.

Die Verdichterdrehzahl wird dann durch einen weiteren PID-Regler angepasst, um die angeforderte Kälteleistung zu liefern.

Für die nachfolgende Analyse wurde für die Trockenkühlerausgangstemperatur (und damit die Kondensatoreintrittstemperatur) bei der Konstant-T-Regelung ein Sollwert von 30 °C festgelegt. Als konstante Temperaturdifferenz (Konstant-ΔT) wurde ein Wert von 7 K über der Umgebungstemperatur festgelegt

Proportionalregelung

Als neuartig wird in diesem Beitrag eine Proportionalregelung vorgeschlagen. Bei diesem Ansatz werden die relativen Drehzahlen von Kompressor, Lüfter und Pumpe proportional zueinander geregelt, um die gewünschte Kälteleistung unter den tatsächlichen Randbedingungen (Kaltwassereintritt und Umgebungstemperatur) durch einen einzigen Regler zu erreichen.

Um diese Steuerung zu implementieren, müssen die Betriebsgrenzen der drei Aktoren definiert werden. Tabelle 1 fasst diese für das untersuchte System zusammen. Bei voller Leistung verbrauchte das Gesamtsystem 3558W Strom, davon 27 % durch den Ventilator, 9 % durch die Pumpe und 64 % durch den Kompressor. Die PI-Parameter (Proportionalverstärkung, Integrationszeit) wurden unter Anwendung der Ziegler-Nichols-Methode ermittelt [8].

Optimale Regelung

Zur Bewertung der Leistungsfähigkeit der vorgeschlagenen Proportionalregelung wurde eine komplexere Strategie implementiert, die ein mathematisches Optimum berechnet. Diese Optimal-Regelung ist in Python implementiert und wurde sowohl in experimentellen als auch in simulationsbasierten Bewertungen eingesetzt. In dieser Strategie bestimmt ein Simulationsmodell für jeden Aktor (Verdichter, Pumpe und Ventilator) das Stellsignal, das unter den aktuellen Umgebungsbedingungen bei Einhaltung der geforderten Kälteleistung die geringste Gesamtleistungsaufnahme bewirkt. Ändert sich ein Sensorwert (Umgebungstemperatur, Luftfeuchte, Kaltwassertemperatur oder Massenstrom), wird die Simulation mit den neuesten Messwerten erneut ausgeführt, und neue Stellsignale werden bestimmt und an die Aktoren übermittelt.

Experimentelle Bewertung: Versuchsaufbau

Für die experimentelle Bewertung wurde eine Testanlage bestehend aus einem wassergekühlten Kaltwassersatz, einem Trockenkühler und einer Pumpe aufgebaut. Der Trockenkühler befindet sich außerhalb eines Laborgebäudes und arbeitet somit unter realen Umgebungsbedingungen. Der Verdampfer ist an das Kältenetz des Labors angeschlossen. Er arbeitet mit konstanter Durchflussmenge, während die Temperatur je nach Auslastung anderer Testanlagen im Labor zwischen 13 °C und 19 °C schwankt. Die die Temperaturspreizung über den Verdampfer kann variiert werden, um die gewünschte Kälteleistung der Kältemaschine zu steuern.

Der in Abbildung 2 (links) gezeigte Trockenkühler wurde von der deutschen Firma Thermofin gefertigt. Er weist eine Nennkälteleistung von etwa 20 kW unter Standard-Prüfbedingungen gemäß DIN EN 1048 (40/35 °C Wasser-Ein-/Austrittstemperatur bei 25 °C Trockenkugeltemperatur) [9] auf; bei geringeren Temperaturdifferenzen zwischen Umgebung und Kühlmedium entsprechend weniger. Der Trockenkühler steht in einem windgeschützten Bereich an der Rückseite des Prüflabors.

Die Laboranlage ermöglicht Untersuchungen unter realen Wetterbedingungen.

Der in Abbildung 2 (rechts) gezeigte Kaltwassersatz wurde am Fraunhofer ISE speziell für diese Studie konstruiert und aufgebaut. Er verwendet R290 (Propan) als Kältemittel und erreicht unter typischen Betriebsbedingungen eine Kälteleistung von unter 10 kW. Die Verdichterdrehzahl ist über einen Frequenzumrichter einstellbar. Ein elektronisches Expansionsventil ermöglicht eine präzise Regelung der Überhitzung, die während der Messungen auf 7K gesetzt wurde. Das Anlagenschema ist in Abbildung 1 dargestellt. Auf der Verflüssigerseite (3), ist der Kaltwassersatz mit dem Trockenkühler verbunden; auf der Verdampferseite ist er in das Gebäudekältenetz eingebunden. Der Verdichter (2) und das Expansionsventil (4) sind Teil der Kälteanlage

Messkampagne

Die Versuchsmessungen fanden im Sommer 2024 in Freiburg statt. Niederschlagsperioden wurden aus der Auswertung ausgeschlossen, um eine verbesserte Leistung des Trockenkühlers auszuschließen. Abbildung 3 zeigt die 130 für drei Regelungsarten gemessenen quasistationären Betriebspunkte als Funktion der Außenlufttemperatur und der Kälteleistung, da andere Parameter (relative Luftfeuchtigkeit, Kühlnetzwerktemperatur, Windgeschwindigkeit) ebenfalls variieren können. Etwa die Hälfte der Punkte wurde bei einer Kälteleistung von 5500 W bewertet, die als durchschnittliche Leistung für die ersten Tests des Systems und der Regelungs-Aktuatoren in der Anfangsphase der experimentellen Bewertung ausgewählt wurde. Ein quasistationärer Punkt ist Mittelwert über ein 30-minütiges Zeitfenster, beginnend 20 Minuten nach dem Start des Systems oder nach Vorgabe einer neuen Sollkälteleistung. Diese Verzögerungszeit ist ausreichend, um das System nach einer neuen Sollleistung, einer Änderung der Regelungsstrategie oder einem kompletten Systemstart stabilisieren zu lassen.

Leider konnte die Konstant-ΔT-Strategie aufgrund der kürzeren Messperiode nicht umgesetzt werden. Die meisten Systemtests wurden mit einer Kälteleistung von 5,5 kW durchgeführt, daher die große Anzahl von Punkten für diesen Wert. Insgesamt ist bei 30 % der Punkte die Konstant-T-Strategie, bei 42 % die proportionale und bei 28 % die optimale Regelung aktiv.

Parallel zur experimentellen Bewertung wurde das gesamte System modelliert und die verschiedene Regelungsansätze simuliert. Ein objektorientiertes Skript wurde unter Verwendung von Python, pandas und der Bibliothek CoolProp zur Berechnung von Luftzustände implementiert.

Kältemaschine

Mit einem detaillierten Modell des KWS in der Software IMST-Art [24] wurde ein Kennfeld für verschiedene Kombinationen von Wassertemperaturen und Massenströmen auf Verflüssiger- und Verdampferseite sowie der Verdichterdrehzahl simuliert, um das gesamte in der Versuchsanlage mögliche Spektrum abzubilden. Die Kombinationen sind in Tabelle 3 dargestellt. Das 5 dimensionale Kennfeld umfasst 5250 Punkte. Mittels RBF-Interpolation [10] kann für jede weitere Eingangskombination im Bereich des Kennfelds der Betriebszustand des KWS (Kälte- und elektrische Leistung sowie Austrittstemperaturen) abgeschätzt werden. Im Gegensatz zu IMST-Art, das für einen Betriebspunkt einige Sekunden benötigt, erfolgt die Interpolation in unter einer Millisekunde. Diese Effizienz ist der Hauptgrund für die Wahl der Methode, da die hohe Rechengeschwindigkeit entscheidend für Optimierungsregelung ist.

Der Trockenkühler besteht aus zwei Hauptkomponenten: einem Ventilator und einem Lamellenrohrwärmeübertrager. Der Ventilator wird mit zwei polynomialen Kennlinien modelliert: einer für die elektrische Leistungsaufnahme und einer für den erzeugten Luftmassenstrom in Abhängigkeit von der Drehzahl. Beide Kennlinien wurden experimentell kalibriert. Der Wärmeübertrager wird mit der ε-NTU-Methode für eine Gegenstromkonfiguration modelliert [11]. Das Modell wurde 2023 mit umfangreichen Messdaten aus einer separaten Testkampagne kalibriert, wie in [12] beschrieben.

Das hier verwendete Pumpenmodell bestimmt aus dem Stellsignal fp den Wassermassenstrom sowie die elektrische Leistungsaufnahme. Der Wassermassenstrom steigt linear mit fp; die elektrische Leistungsaufnahme ist in Abbildung 4 dargestellt. Beide Größen werden aus einer polynomialen Kennlinie bestimmt, die durch Messungen über den gesamten Betriebsbereich experimentell kalibriert wurde.

130 quasistationäre Messpunkte bilden die Grundlage für den Vergleich der Regelungsstrategien.

Berechnung

Mit diesen Komponentenmodellen lässt sich für beliebige Kombinationen aus Umgebungsbedingungen (Lufttemperatur, Feuchte), Kältenetz (Eintrittstemperatur, Massenstrom) und Zielkälteleistung ein stationärer Betriebszustand berechnen. Das Verfahren zur Bestimmung dieses stationären Zustands ist in [5] beschrieben. Die Berechnung wurde als eine Python-Funktion implementiert.

Die Optimale Regelung nutzt den SLSQP Algorithmus aus der Open-Source-Bibliothek SciPy [29]. Ziel ist, bei Einhaltung der geforderten Mindestkälteleistung und der Komponentengrenzen (z. B. min./max. Drehzahl) die elektrische Gesamtleistungsaufnahme zu minimieren. In Experimenten werden die drei optimalen Stellsignale an die Aktoren gesendet.

www.ise.fraunhofer.de

Literaturverzeichnis

• [1] VDMA e.v.: Kältetechnik hilft Energie zu sparen. Studie zum Energiebedarf von Kältetechnik: Neue Techno-logien sind wesentlich effizienter (2020)
• [2] Pezzutto, S., Felice, M. de, Fazeli, R., Kranzl, L. u. Zambotti, S.: Status Quo of the Air-Conditioning Market in Europe: Assessment of the Building Stock. Energies 10 (2017) 9, S. 1253
• [3] IEA - International Energy Agency: The Future of Cooling (2018)
• [4] Chillers Market Size, Share & Growth | Industry Report, 2030, 2025. https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/chillers-market, abgerufen am: 05.05.2025
• [5] Chaigneau, M., Hennemann, T. u. Nienborg, B.: Proportional control of a chiller-dry cooler-combination: Efficient and robust. Applied Thermal Engineering 278 (2025), S. 127078
• [6] ASHRAE (Hrsg.): Handbook - HVAC Applications, Bd. 2007. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc
• [7] Brunner, A., Kriegers, M., Prochaska, V. u. Tillenkamp, F.: Klimakälte heute – Kluge Lösungen für ein ange-nehmes Raumklima. Faktor Verlag 2019
• [8] Ziegler, J. G. u. Nichols, N. B.: Optimum Settings for Automatic Controllers. Journal of Dynamic Systems, Measurement, and Control 115 (1993) 2B, S. 220–222
• [9] DIN-Normenausschuss Kältetechnik: Heat exchangers – Air cooled liquid coolers (’dry coolers’) – Test procedures for establishing the performance; German version EN 1048:2014 (2014)

Die Vorbereitung ist gemacht. In Teil 2 dieses Beitrags geht es weiter mit den Auswertungen.

Björn Nienborg

Fraunhofer ISE – Institut für Solare Energiesysteme