Komplexe, modellbasierte Regelungsstrategien sind nicht zwingend nötig, um Kühlsysteme effizienter zu machen. Im zweiten Teil des Artikels zu optimierten Regelungen zeigt die Auswertung der Simulations- und Messergebnisse, wie eine einfach umsetzbare Proportionalregelung von Kompressor, Pumpe und Ventilator herkömmliche Standard-Strategien deutlich übertreffen kann.
Da das Kaltwassernetz auch andere Prüfstände im Labor versorgt, variiert dessen Temperatur während der Messungen. Für die Auswertung wurden die während aller Experimente aufgezeichneten Daten daher nach ähnlicher Kälteleistung und Kaltwassertemperaturen gruppiert. Abbildung 5zeigt einen Vergleich von drei Regelungsstrategien für zwei dieser Gruppen mit einer akzeptablen Anzahl an Datenpunkten. Wie in beiden Grafiken zu erkennen ist, führt die konstante-T-Strategie systematisch zu einer geringeren Systemeffizienz als die beiden anderen. Die optimale Strategie erweist sich gerade bei niedrigeren Umgebungstemperaturen jedoch nicht als effizienter als die proportionale Strategie. Drei mögliche Ursachen sind:
Die schwankende Kaltwassertemperatur (Verdampferseite), die die Effizienz der Kältemaschine beeinflusst.
Unsicherheiten in den Komponentenmodellen, insbesondere beim Trockenkühler und niedrigen Umgebungstemperaturen [5], können zu suboptimalen Steuerbefehlen führen.
Abweichungen der gemessenen Eingabewerte von den tatsächlichen Werten (zum Beispiel kann die Umgebungstemperatur durch Sonneneinstrahlung und/oder Wind beeinflusst werden, obwohl sie mit einem Strahlungsschutz ausgestattet ist) können zu suboptimalen Sollwerten der modellbasierten optimalen Regelung führen. Die Bewertung der Simulation zeigt,dass die proportionale und die optimale Regelung relativ nah beieinander liegen, was bedeutet, dass ein kleiner Fehler ihre Effizienz leicht verändern kann.
Die Bewertung der saisonalen Effizienz basiert auf dem SEER und SEPR.
Simulationsergebnisse
Die Validierung der Komponenten- sowie des Systemmodells erfolgt ebenfalls mit quasistationären Betriebspunkten. Das Gesamtmodell liefert gute Ergebnisse mit einer mittleren Abweichung von 5,2 % bei der Kälteleistung und 3,4 % beim EER. Bei hohen realen EER Werten wird der EER tendenziell unterschätzt, bedingt durch eine Überschätzung der elektrischen Leistung der Kältemaschine bei niedriger Last. Die Kälteleistung wird im Mittel leicht überschätzt, bleibt jedoch unter 10 %.
Auf der Komponentenseite zeigen sich höchsten Abweichungen beim Trockenkühler und Ventilator. Wie in [5] beschrieben, wurde das Trockenkühlermodell ein Jahr vor der Messkampagne kalibriert: es kann sich daher seitdem Verschmutzung angesammelt haben. Obwohl der Ventilator bei niedriger Leistung hohe Fehler aufweist, ist sein Beitrag zum Gesamtverbrauch dort gering. Die Simulation der Kältemaschine, die auf der Interpolation eines Leistungskennfelds basiert, zeigte durchschnittliche Abweichungen von 3,4 % bei der Kälteleistung und 4,7 % bei der elektrischen Leistung, was die Zuverlässigkeit dieses Ansatzes belegt.
Vergleich der saisonalen Wirkungsgrade
Die Bewertung der saisonalen Effizienz basiert auf dem SEER (Seasonal Energy Efficiency Ratio) und SEPR (Seasonal Energy Performance Ratio). Diese Werte sind Schlüsselmetriken zur standardisierten Darstellung der Energieeffizienz von Kälteanlagen gemäß der aktuellen EU-Ökodesign-Richtlinie [13]. Beide werden durch die Kombination von Energieeffizienzverhältnissen (EER) für vordefinierte Kombinationen von Kältemaschinenlasten, Kühlmedium- und Kaltwassertemperaturen sowie anwendungsspezifischen Temperaturklassen berechnet. Der SEER ist für Komfortkühlung ausgelegt, während der SEPR für Prozesskühler bestimmt ist.
Da der SEER die Komfortkühlung bewertet, die stark außentemperaturabhängig ist, werden Kältelasten zwischen 20 % und 100 % bei Außentemperaturen ab 17 °C berücksichtigt. Bei dem SEPR variiert die Last dagegen kaum mit der Außentemperatur (zwischen 80 % und 100 %), zudem besteht ganzjährig Kältebedarf.
Die Ergebnisse sind in Abbildung 6 dargestellt. Dabei wurden die Werte für eine feste Konfiguration in zwei unterschiedlichen Auslegungsleistungen ( 7 und 9 kW) ermittelt. Für den SEER ist die proportionale Regelung nur 3 % bis 5 % schlechter als die optimale für beide Nennleistungen, während die Strategien nach Stand der Technik 12 % bis 26 % schlechter abschneiden. Dabei erzielt die Konstant-ΔT deutlich bessere Ergebnisse als die Konstant-T-Regelung. Bei niedrigeren Nennleistungen verringert sich die Effizienz aller Strategien im Vergleich zur optimalen leicht.
Im Fall der Prozesskühlung (SEPR) hebt die Konstant-ΔT-Regelung sich noch deutlicher von der Konstant-T-Regelung ab und zieht bei der 9kW Auslegung mit der Proportionalregelung gleich. Letztere kommt auch bei dieser Anwendung bis auf weniger Prozent an das Optimum heran.
Die größte Herausforderung bei der Umsetzung in realen Anlagen ist oft nicht technischer Natur.
Einfluss des Solltemperatur bei der Konstant- ΔT Strategie
Bei der Konstant-ΔT-Regelstrategie hat der Sollwert der Kaltwassertemperatur einen wesentlichen Einfluss auf den SEER bzw. SEPR des Systems. Abbildung 7 zeigt die Variation von SEER und SEPR für unterschiedliche Werte von ΔT. In allen Fällen gibt es ein Maximum, also einen „besten Wert“. Dieser unterscheidet sich jedoch nach Anwendung (Komfortkühlung oder Prozesskühlung) und Auslegungspunkt.
Der große Vorteil der proportionalen Regelung liegt in ihrer Einfachheit.
Einfluss des Stromverbrauchs von Pumpe und Ventilator
In dem vorgestellten System entfallen bei Volllast rund 27 % des gesamten Stromverbrauchs auf den Ventilator und 9 % auf die Pumpe. Diese Anteile können in realen Systemen stark variieren: muss der Trockenkühler etwa in größerer Entfernung zur Kältemaschine installiert werden, ist eine leistungsstärkere Pumpe erforderlich. Ebenso sind Trockenkühler in unterschiedlichen Energieeffizienzklassen erhältlich, was sich in sehr unterschiedlichen Stromverbräuchen niederschlägt. Um die Sensitivität der saisonalen Effizienz bei unterschiedlichen Regelungsansätzen auf unterschiedlichen Systemauslegungen zu untersuchen, wurden der Stromverbrauch von Ventilator und Pumpe variiert und SEER sowie SEPR für alle Szenarien berechnet.
Die nominale Leistungsaufnahme des Ventilators wurde dabei um +/- 50 % variiert, die der Pumpe um + 100 % bzw. 200 %. Die Ergebnisse für den SEER sind in Abbildung 7 dargestellt. In allen Szenarien liegt die proportionale Strategie nahe am Optimum. Beim SEPR sind die Ergebnisse etwas differenzierter. In allen fünf Szenarien mit Ausnahme von zwei ist die proportionale Strategie besser als die beiden Stand-der-Technik-Strategien. Eine Erhöhung des Ventilatorverbrauchs begünstigt eher die Konstant-ΔT-Strategie. Dies liegt vermutlich daran, dass die Konstant-ΔT-Strategie den Einsatz des Ventilators tendenziell begrenzt, insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen, die bei der SEPR-Berechnung ein relativ hohes Gewicht haben [13]. Dennoch ist der Unterschied zur Proportionalregelung gering (1%).
Bei der Komfortkühlung erzielt die Proportionalregelung eine Energieeinsparung von 9 bis 12 Prozent.
Zusammenfassung
In diesem Artikel wurde eine effiziente – und dennoch einfach umsetzbare – Regelungsstrategie für Kombinationen aus Trockenkühler und Kältemaschine umfassend mit zwei regelungstechnischen Strategien auf dem aktuellen Stand der Technik sowie dem theoretischen Optimum verglichen. Im Gegensatz zur unabhängigen Regelung des Kompressors, der Kühlmittelkreislaufpumpe und des Trockenkühlerventilators, basiert sie auf einer abgestimmten proportionalen Steuerung dieser drei Akteure.
In der simulativen Bewertung wurden die normativen Leistungskriterien SEER und SEPR verwendet. Bei der Anwendung für Komfortkühlung führte die effektive Anpassung der proportionalen Regelung an die hohe Variabilität der Kälteleistung zu einer Energieeinsparung von 9 % bis 12 % im Vergleich zu den Strategien auf dem Stand der Technik. Dies liegt nahe an der optimalen Strategie, die Leistungsniveaus von 13 % bis 17 % über den herkömmlichen Methoden erreichte.
Bei der Prozesskühlung gibt es über das Jahr hinweg deutlich weniger Variationen in der Kälteleistung. Daher kann eine richtig parametrisierte konventionelle Regelung mit konstantem Temperaturunterschied zwischen der Umgebungstemperatur und der Austrittstemperatur des Trockenkühlers auch nahe ans Effizienzoptimum herankommen. Die Ergebnisse zeigen jedoch, dass die Proportionalregelung auch hier unabhängig von der Systemauslegungen mit geringem Implementierungsaufwand Effizienzen nahe dem Optimum ermöglicht.
Zusammenfassend liegt der Vorteil der proportionalen Regelung in ihrer Einfachheit: Ihre Implementierung erfordert lediglich die Mindest- und Höchstwerte des zulässigen Regelbereichs der drei Aktoren sowie einen PI(D)-Regler. Im Gegensatz dazu erfordert die modellbasierte Optimale Strategie sehr genaue Modelle der Komponenten und erhebliche Rechenressourcen. Zusätzlich zeigt die Modellvalidierung, dass es selbst mit Messdaten in Laborqualität schwierig ist, ein ausreichend genaues Modell zu erreichen.
Zukünftige Arbeiten sollten sich auf die Implementierung der proportionalen Regelung in realen Anlagen konzentrieren. Eine nichttechnische Herausforderung in diesem Zusammenhang könnte die notwendige Zusammenarbeit zwischen verschiedenen Gewerken (z. B. HVAC-Installateuren, Klempnern, Regelungstechnikern) sein. Zusätzlich müssen die notwendigen Schnittstellen zwischen den Komponenten und einem zentralen Steuerungssystem geschaffen werden. ■
Die R 290-Wärmepumpe dient für den Versuchsaufbau als Kältemaschine.
Bild: Fraunhofer ISE
Abbildung 5: Gemessener EER von den drei Regelunsstrategien für zwei verschiedene Kälteleistungen und Kaltwassertemperatur im Bereich 16°C ± 1.5K
Bild: Fraunhofer ISE
Abbildung 6: SEER (links) und SEPR (rechts) von den 4 verschiedenen Regelungsstrategien und für 2 Kälte-Nennleistung (Simulation).
Bild: Fraunhofer ISE
Abbildung 7: SEPR und SEER der Constant ΔT Strategie (rechts) für zwei unterschiedliche Nennkälteleistungen.
Bild: Fraunhofer ISE
Abbildung 8: Variation des Stromverbrauchs von Ventilator und Pumpe – Einfluss auf den SEER. Kälteleistung auf 9 kW gesetzt (Simulation).
Bild: Fraunhofer ISE
Abbildung 9: Variation des Stromverbrauchs von Ventilator und Pumpe – Einfluss auf den SEPR. Kälteleistung auf 9 kW gesetzt (Simulation).
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)
[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)
[11] Stabat, P. u. Marchio, D.: Simplified model for indirect-contact evaporative cooling-tower behaviour 2003 (2003)
[12]Rohrer, S., Kao, T.-H., Morgenstern, A. u. Nienborg, B.: Verschmutzungsdetektion an Trockenrückkühlern. Laboruntersuchungen und Anwendung auf Bestandsanlagen. Deutsche Kälte- und Klimatagung 2023 (2023)
[13] European Commission: COMMISSION REGULATION (EU) 2016/2281, Bd. 2016. 2016
Björn Nienborg
Fraunhofer ISE – Institut für Solare Energiesysteme
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