Propan-/CO2-Kälteanlage für Supermärkte

Mit dem Deutschen Kältepreis ausgezeichnete Kältetechnik

Die Anwendung umweltneutraler Kältetechnik ist bereits seit 2008 Leitmotiv der Firma Cool Expert. Das mittelständische Unternehmen hat nach intensiver Forschungsarbeit ein neuartiges, integrales, Kühl-, Heiz-, und Klimatisierungssystem mit natürlichen Kältemitteln vorgestellt. Ein am Standort Allendorf aufgebauter Mustermarkt diente u.a. der Weiterentwicklung einzelner Komponenten und der Effizienzsteigerung durch angepasste Regelsysteme. Diese Anlage wurde in den letzten Jahren regel- und steuerungstechnisch verfeinert. Hierbei ist das „Blue Cool Concept“ entstanden, das bereits 2017 auf der EuroShop vorgestellt, und dessen erweiterte Version im Mai 2018 mit dem deutschen Kältepreis ausgezeichnet wurde.

Herausforderungen

Die Qualitätssicherung des Kühlgutes hat für die Firma Cool Expert oberste Priorität. Das betrifft das Temperatur- und Feuchtemanagement in den Kühlmöbeln und den Kühlräumen, das sich durch einen verantwortlichen Umgang mit vorhandenen Ressourcen auszeichnet. Dies wird durch den Einsatz natürlicher Kältemittel, effizienter Regelung und Steuerung, priorisiertem Störmanagement und selbstoptimierenden Regelstrategien erreicht. Hiermit will Cool Expert den zunehmenden CO2-Belastungen und den klimatischen Veränderungen mit umweltneutraler Kälte- und Klimatechnik entgegenwirken.

Die F-Gas-Verordnung (EU) Nr. 517/2014 und die darauf aufbauende Chemikalien-Klimaschutzverordnung vom 14.02.2017 schreibt bekanntermaßen die in Tabelle 1 aufgeführten GWP-Grenzwerte für die einzusetzenden Kältemittel vor.

Durch den GWP-Wert (Global Warming Potential) der Kältemittel wird das CO2-Äquivalent beschrieben, das eine Aussage über die Wirkung des betreffenden Kältemittels in Hinblick auf die Beeinflussung des Treibhauseffekts der Atmosphäre liefert.

Die festgelegten Grenzwerte für steckerfertige Kühl- und Gefriergeräte, für stationäre Kälteanlagen und für Zweikreisanlagen > 40 kW gelten ab den angegebenen Stichtagen für Neu- und Bestandsanlagen (mit Ausnahme recycelter und aufbereiteter Kältemittel).

Die Auswirkungen dieser festgelegten Grenz­werte und Stichtage sowie die Quotenregelung zum Kältemittel-Phase-down in der F-Gas-Verordnung sind an der Preisentwicklung der im Markt eingesetzten HFKW (Abb. 2) deutlich zu spüren.

Durch den zu erwartenden Anstieg des Kälte- und Klimabedarfs wird die Auswirkung der Vorgabe der Quotenregelung und dem damit verbundenen Phase-down weiter verschärft, was zu weiteren Preisanstiegen für HFKW führen wird.

Kältetechnische Zukunft der Supermärkte

Kälteanlagen für Supermärkte werden zum Teil noch mit HFKW, wie zum Beispiel R134a, betrieben. Gemäß aktueller F-Gas-Verordnung dürfen ab Januar 2022 in Supermärkten mit zentralisierten Kälteanlagen über 40 kW Kälteleistung nur noch Kältemittel mit einem GWP <  150  in der Niederdruckstufe eingesetzt werden. Hieraus folgt, dass für diese Verwendungszwecke ab Januar 2022 nur noch kaskadierte Systeme, transkritische CO2-Kälteanlagen bzw. indirekte, A3- oder A2L-(brennbare Kältemittel-)Systeme sinnvoll eingesetzt werden können. Beim Einsatz von HFO können aufgrund der Brennbarkeit und den Anforderungen an die maximal zulässige Kältemittel-Füllmenge auch nur indirekte Systeme oder direkte Systeme mit begrenzter Füllmenge bzw. bei Überschreitung der Füllmengengrenze als Einzelanlagen Anwendung finden.

Indirekte Systeme haben gegenüber direkten Systemen den Nachteil eines zusätzlichen Wärmeübergangs. Dieser Nachteil kann allerdings durch planerisches und regelungstechnisches Know-how ausgeglichen werden.

Cool Expert setzt auf eine Kombination aus Propan (R290) und CO2 (R744, subkritisch) und vereint somit zwei in ihrem jeweiligen Bereich sehr effiziente Kältemittel. Eine reine CO2-Lösung (transkritisch) schied wegen des hohen Leistungsbedarfs aufgrund hoher Druckdifferenzen und komplexer Technik für ein effizientes System aus.

„Blue Cool Concept“ basiert auf einem indirekten Propan-Kältesystem, welches ein zweites Medium (Sole) abkühlt, das wiederum die Wärme der Pluskühlung und indirekt die der Tiefkühlung (subkritische CO2-Anlage) aufnimmt.

Propan ist ein hervorragendes Kältemittel für den Bereich der Pluskühlung, welches mit einem GWP von 3 in Kombination mit einem subkritischen CO2-Aggregat für die Tiefkühlung (GWP 1) sowohl effizient als auch in Hinsicht auf die Umweltverträglichkeit langfristig zukunftsfähig ist.

Der propanbetriebene Kaltwassersatz kann sowohl innen als auch außen aufgestellt werden. Ein Be- und Entlüftungssystem stellt sicher, dass sich kein zündfähiges Gemisch bilden kann.                   

Das integrale System vereint Gewerbekälte im Plus- und Tiefkühlbereich mit Heizung und Klimatisierung des Marktes. Bei entsprechendem Heizbedarf können durch die konditionierte Wärmerückgewinnung 100 % der den Kühlstellen entzogenen Wärmeenergie zurückgewonnen werden und somit kann kostenneutral geheizt werden. Ein weiterer Verdichter stellt im Sommer die Klimatisierung des Marktes sicher und steht im Winter bei Bedarf für zusätzliche Heizleistung zur Verfügung. Die Abtauung des Wärmepumpenverdampfers im Außenbereich (Luft-Wasser-Wärmepumpe) erfolgt mit der Abwärme der Gewerbekühlung und somit zum Nulltarif.

Die in Abbildung 4 gezeigten Komponenten des Systems sollen anhand eines Supermarktes als Beispiel mit Pluskühlung, Tiefkühlung, Heizung und Klimatisierung veranschaulicht werden.

Integrales Kältesystem

Die Bereitstellung der Gewerbekälte wird über eine Propankälteanlage realisiert, deren Abwärme zur Heizung des Marktes eingesetzt wird. Bei entsprechender Heizungsanforderung kann die gesamte Abwärme aus der Gewerbekälte zurückgewonnen und so der Markt beheizt werden. Die Verdichter der Anlage sind leistungsgeregelt, sodass der aktuelle Kälte-/Wärmebedarf exakt bedient werden kann.

Rohrnetz

Dezentrale Pumpen versorgen die jeweiligen Verbraucher mit einer Sole auf der Gewerbekälteseite, sowie Wasser auf der Heizungs- und Klimatisierungsseite. Durch Wegfall von Strangregulierventilen wird jeder Wärmeübertrager ohne zusätzliche Druckverluste versorgt. Aufwändige Einstellungen entfallen somit. Die Berechnung der Leitungslängen und Rohrdimensionen erfolgt bei Bedarf durch die Firma Cool Expert. Alle Verbraucher einschließlich der Heizung und Klimatisierung werden mit einem einzigen Pumpentyp versorgt, was das Servicemanagement erheblich vereinfacht.

Speicher

Sowohl die Gewerbekälte- als auch die Heizungs- und Klimatisierungsseite können optional mit (Latent-)Wärmespeichern ausgerüstet werden. Diese bieten die Möglichkeit, die Maschinenlaufzeit flexibel zu gestalten, um elektrische Leistungspeaks zu vermeiden, indem der Markt eine gewisse Zeit aus den Speichern betrieben wird. In Abb. 5 wird deutlich, dass die elek­trischen Leistungspeaks von einem Bäckereibetrieb innerhalb des Supermarktes verursacht werden. Diese lassen sich durch den Einsatz zuvor erwähnter Wärmespeicher vermeiden und somit lässt sich die elektrische Anschlussleistung des Marktes reduzieren.

Pluskühlstelle

Die Pluskühlstellen werden über das Rohrnetz mit Kaltsole versorgt (s. Abb. 6). Bei Möbeltemperaturen ≤ 2 °C kommt die ausgezeichnete „Defro Power Pack“-Abtauung zum Einsatz. Hierzu wird ein 3-Wege-Ventil umgeschaltet und die Kaltsole über das „Defro Power Pack“ zum Zwecke der Abtauung umgeleitet und erwärmt. Mit derselben Pumpe, die während des Kälteprozesses betrieben wurde, wird nun in Verbindung mit „Defro Power Pack“ der Kühler über alle Kernrohre erwärmt und abgetaut.

Tiefkühlstelle

Die Tiefkühlstellen werden mit einem wassergekühlten subkritischen CO2-Aggregat betrieben. Auch hier wird die für die Gewerbekälte zur Verfügung gestellte Kaltsole auf der Verflüssigerseite als Transportmedium genutzt, um die aufgenommene Verflüssigungswärme zur Propankälteanlage zu transportieren (s. Abb. 6).

Der Verdampfer ist mit spezieller, patentierter Rohr-in-Rohr-Technologie (s. Abb. 7) ausgeführt. Im inneren Rohr befindet sich ein separater Solekreislauf zum Zwecke der Abtauung des Verdampfers, im äußeren Rohr verdampft im Kältebetrieb CO2. Auch hier bietet die Abtauung über alle Kernrohre immense Vorteile gegenüber herkömmlichen Abtauverfahren.

Abtauung – „Defro Power Pack“

Herkömmliche Abtauverfahren setzen mehrheitlich auf Elektroheizstäbe im Verdampfer, sodass einige Bereiche überheizt und andere nicht mit genügend Abtauwärme versorgt werden, außerdem entstehen sehr hohe Temperaturen im Bereich der Heizstäbe (250-300 °C), welche durch Abstrahlung auch da wirken, wo die Wärme unerwünscht ist, was bei gleichzeitiger Erwärmung des Kühlgutes hohe Wärmeverluste zur Folge hat.

Die Abtauung mit „Defro Power Pack“-Technologie basiert auf einem indirekten elektrischen Wärmeübertrager, welcher die zirkulierende Sole erwärmt (max. 15 °C Endtemperatur), die jedes der Kühlerrohre (inneres Verdampferrohr im Tiefkühlbereich) durchströmt. Dies erlaubt eine sehr gleichmäßige Erwärmung des abzutauenden Kühlers bei sehr niedrigen Abtauendtemperaturen. Da jedes Kernrohr durchströmt wird, wird der Kühler ohne Gefahr von Resteisbildung komplett abgetaut. Abtauprobleme – so alt wie die Kältetechnik selbst – gehören damit der Vergangenheit an. Servicearbeiten an der Abtaueinrichtung können sogar ohne Unterbrechung des Kühlbetriebs vorgenommen werden.

Heizung/ Klimatisierung/ Lüftung

Zur Heizung und Klimatisierung des Marktes werden warmes bzw. kaltes Wasser über dasselbe 2-Leiter-Rohrnetz bereitgestellt. Die Temperierung des Marktes erfolgt über Deckenkonvektoren.

Die Lüftungsanlage zur Frischluftzufuhr ist regelungstechnisch mit der Heizung/Klimatisierung verknüpft, sodass sie optimal auf den jeweiligen Betriebszustand abgestimmt ist.

Regelung

Zur Regelung der Kühlstellen kommt der „QKL“ aus dem Hause Cool Expert zum Einsatz, welcher nicht nur als einziges System zum energetisch besten Zeitpunkt abtaut, sondern darüber hinaus die Kühlstelle an einen optimalen Betriebspunkt führt, so als würde die Kühlstelle durch eine begleitende Ingenieursleistung rund um die Uhr überwacht und gesteuert. Nachweislich ist eine Energiekosteneinsparung von 20 % durch den Einsatz des „QKL e3“ möglich.

Die Regelung und Steuerung des integralen Kältesystems und der Marktklimatisierung sind ebenfalls Eigenentwicklungen aus dem Hause Cool Expert, welche auf praktischer Erfahrung in über 700 Supermärkten europaweit basiert. Strategien, wie beispielsweise lastabhängige Verflüssigungstemperaturregelung oder konditionierte Abwärmenutzung, machen das System effizient und technisch einmalig.

Monitoring/Störmeldemanagement

Alle Daten der verbauten Regelgeräte werden zu Monitoringzwecken aufgezeichnet (s. Abb. 10), so können beispielsweise die gespeicherten Daten der Kühlstellen (Möbeltemperatur, Laufzeiten, etc.) aus der Ferne über Internet ausgewertet und Parameter entsprechend angepasst werden. Sollte im Nichtregelfall ein Serviceeinsatz vor Ort nötig sein, können bereits im Vorfeld des Einsatzes über das Störmeldemanagement mit seinem Dia­gnosesystem die benötigten Bauteile lokalisiert und bereitgestellt werden. Reports, wie HACCP- oder Energieberichte, können zyklisch zusammengefasst versendet werden.

Störmeldungen können individuell für jedes Gerät eingerichtet, verschiedenen Prioritätsstufen zugeordnet, und per E-Mail oder SMS an beliebige Empfänger versendet werden.

Das Störmeldemanagement umfasst nicht nur die Störausgänge eines Regelgeräts, sondern lässt sich individuell programmieren – z.B. Störung aktiv, wenn Möbeltemperatur > 5 °C UND Kälteanforderung aktiv für > 15 Minuten (s. Abb. 11). Störbedingungen lassen sich mit anderen Bedingungen des Gerätes verknüpfen und ermöglichen so ein sehr detailliertes Störmeldemanagement.

Zusammenarbeit

Cool Expert versteht sich als Partner des Handwerks und lebt diese enge Zusammenarbeit.  Besonders in der Handhabung und beim sicheren Umgang mit natürlichen Kältemitteln steht das Unternehmen beratend und informierend zur Seite. Cool Expert bietet ein energieeffizientes, integrales Gesamtsystem aus Kälteanlage, Wärmepumpe, Regelung, Steuerung und Monitoring aller kälte-, klima-, lüftungstechnischen Geräte inkl. Fernzugriff. Das hessische Unternehmen wurde im Mai 2018 mit dem Deutschen Kältepreis für innovative Klimaanlagen und Kühlsysteme für das Blue Cool Concept ausgezeichnet. Die prämierte, BAFA-förderfähige Technologie senkt Kosten und CO2-Emissionen in Einzelhandel, Industrie und Gewerbe.

Weiterführende Informationen und Quellen

[1] www.co2online.de
[2] www.cool-expert.de
[3] www.umweltneutral-kuehlen.de
[4] Verordnung (EU) Nr. 517/2014
[5] Vortrag ZVKKW Supermarkt Symposium 2018 – Blue Cool Concept
[6] Cool Expert
[7] Ökorecherche 2018

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