Fallstudie: Simulation der Leistungsminderung eines Systems
Auswirkungen von leistungsschwachen Gaskühlern/Verflüssigern
auf Supermarktanwendungen
Bild: Eurovent Certification (Quellen: [1] & [2])
Bild: Eurovent Certification
Bild: Eurovent Certification
Bild: Eurovent Certification
Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3
Tabelle 4
Tabelle 5
Tabelle 6
Tabelle 7
Tabelle 8
Das Whitepaper „Über die Broschüre hinaus : die Realität unzureichender Leistung von Kühlprodukten erkennen” (www.t1p.de/KKA5-26WP) von Eurovent Certification präsentiert aktuelle Forschungsergebnisse, die auf Tests an ausgewählten Gaskühlern/Verflüssigern basieren, darunter auch Produkte, die zum Zeitpunkt der Tests nicht nach einem unabhängigen Zertifizierungssystem zertifiziert waren. Die Studie zeigt, dass in bestimmten Klimazonen die von den Herstellern angegebenen Leistungswerte und die im Labor gemessenen Werte erheblich voneinander abweichen können. Tatsächlich ergaben Tests an nicht zertifizierten CO2-Gaskühlern, dass die gemessene Wärmeabfuhrleistung in mittel- und nordeuropäischen Regionen bis zu 53 % unter den angegebenen Werten und in warmen Klimazonen bis zu 37 % unter den angegebenen Werten liegen kann.
Auf der Grundlage der Daten aus der Gaskühler-Studie und der Ergebnisse früherer Untersuchungen zur Leistung von luftgekühlten HFKW-Verflüssigern bewertete Eurovent Certification mithilfe von Simulationssoftware die potenziellen Auswirkungen von leistungsschwachen HFKW- und CO2-Wärmeabfuhrkomponenten auf ein gesamtes Supermarktsystem. Dies sind die Ergebnisse dieser Simulationen.
Ziele der Fallstudie
Das Ziel war:
1.) Die potenziellen Auswirkungen einer Leistungsminderung in Bezug auf folgende Aspekte zu ermitteln:
Zusätzlicher Energieverbrauch
Zusätzliche Betriebskosten
Zusätzliche CO2-Emissionen.
2.) Eine Leistungsminderung in unterschiedlichem Ausmaß zu simulieren, um die Auswirkungen über einen Zeitraum von 1 Jahr, 10 Jahren und 15 Jahren (gesamter Lebenszyklus) zu bewerten.
Methode
Mithilfe von Simulationssoftware wurden die Auswirkungen von leistungsschwachen Gaskühlern/Verflüssigern anhand von zwei typischen technischen Lösungen für eine Supermarktanwendung berechnet:
System 1: Transkritische CO2-Anlage
System 2: HFC-Anlage mit mittlerer Temperatur (MT) und niedriger Temperatur (LT).
Beide Systeme wurden einer Reihe von Simulationen unterzogen, um die Auswirkungen der Leistungsminderung auf der Grundlage der folgenden Konfiguration zu berechnen:
Anlagengröße:
Normalkühlung (NK):
Teva = -8 °C; Qeva = 180 kW
• 112 kW aus Kühlregalen -62 %
• 68 kW aus Kühlräumen -38 %
Tiefkühlung (TK):
Teva = -30 °C; Qeva = 50 kW
• 23 kW aus Schränken -46 %
• 27 kW aus Kühlräumen -54 %
Basis Temperaturspreizung: 2 K zwischen der Austrittstemperatur des Verflüssigers bzw. Gaskühlers und der Umgebungstemperatur.
Klimaprofil [1]: München (D)
Aggregattypologie: CO2-Booster und R448a
Emissionsfaktor [2]: 338 gCO2/kWh – Durchschnitt von 2020–2023
Stromkosten: 0,18 €/kWh
Fallstudie System 1: Transkritische CO2-Anlage
In diesem System erfolgt die Wärmeabgabe über einen CO2-Gaskühler. Im Rahmen der Whitepaper-Studie wurden CO2-Gaskühler unter fünf Marktbedingungen getestet, wobei die größte Abweichung bei den Bedingungen 3 und 4 auftrat (Tabelle 1).
Für diese Fallstudie wird die Leistung anhand der in Tabelle 2 aufgeführten verschiedenen Bedingungen bewertet, die auf der durchschnittlichen Leistungsminderung aus der Untersuchung des Whitepapers basieren.
Die Leistungsminderung wird in den Simulationen als erhöhte Temperaturspreizung gegenüber der Basis Temperaturspreizung ausgedrückt, welche die verlorene Leistung in eine verringerte Temperaturänderung über den Gaskühler übersetzt. Dies führt zu einer deutlich höheren Temperatur am Ausgang, was zu erhöhtem Hochdruck und einem höheren Energieverbrauch des Verdichters führen sowie die Gesamtleistung und den Wirkungsgrad des Systems verringern kann.
Der CO2-Gaskühler arbeitet bei Umgebungstemperaturen von ≤ 18 °C als Verflüssiger im subkritischen Betrieb. Bei Umgebungstemperaturen > 18 °C wird er als Gaskühler im transkritischen Betrieb betrieben.
Ergebnisse
Die Systemleistung wurde sowohl unter Bedingung 3 als auch unter Bedingung 4 simuliert, wobei die im subkritischen Modus (Bedingung 5) auftretende Leistungsminderung berücksichtigt wurde. Die Simulationen bewerteten den zusätzlichen Energieverbrauch, die zusätzlichen Betriebskosten und die zusätzlichen CO2-Emissionen über einen Zeitraum von 1 Jahr, 10 Jahren und 15 Jahren (Tabellen 3 und 4).
Fallstudie System 2: HFC-Anlage
In dieser Fallstudie erfolgt die Wärmeabfuhr über einen Verflüssiger mit dem Kältemittel R448a bei einer Leistungsminderung von 32 %. Die 32 %ige Leistungsminderung basiert auf einer früheren Studie zu HFC-Verflüssigern. Dies führt unter der für diese Simulation verwendeten Annahme zu einer Erhöhung der Verflüssiger-Austrittstemperatur um +3,5 K über das gesamte Jahr.
Ergebnisse
Die Simulation ergab den in Tabelle 5 dargestellten zusätzlichen Energieverbrauch, sowie die dieser Tabelle aufgelisteten Betriebskosten und die CO2-Emissionen über einen Zeitraum von 1 Jahr, 10 Jahren und 15 Jahren.
Sowohl bei HFC- als auch bei CO2-Systemen führen ineffiziente Gaskühler/Verflüssiger zu einem zusätzlichen Energieverbrauch von über 43.000 kWh pro Jahr, was unter den in den Fallstudien zugrunde gelegten Annahmen Kosten von mehr als 7.800 € pro Jahr und mindestens 14,7 Tonnen CO2-Emissionen verursacht (Bild 2).
Messung unterschiedlicher Leistungsabweichungsraten
Die oben genannten Fallstudien veranschaulichen die Leistungsabweichungen von Verflüssigern und Gaskühlern anhand einer Auswahl von Systemen, die die größten Leistungsabweichungen aufweisen, die in den von Eurovent Certification analysierten Studien beobachtet wurden. Um einen umfassenderen Überblick über die Auswirkungen auf Kälteanlagen bei unterschiedlichen Leistungsabweichungsraten zu geben, wurden die folgenden Szenarien zu Vergleichs- und Veranschaulichungszwecken simuliert:
S1-Fall: Kältemittel CO2, -10 % Abzug = +0,5 K Austrittstemperatur in der transkritischen Phase (Gaskühler) und +2,5 K in der subkritischen Phase (Verflüssiger).
S2-Fall: Kältemittel CO2, -20 % Abzug = +1 K Austrittstemperatur in der transkritischen Phase (Gaskühler) und +3 K in der subkritischen Phase (Verflüssiger).
S3-Fall: Kältemittel CO2, -30 % Abzug = +1,5 K Austrittstemperatur in der transkritischen Phase (Gaskühler) und +3,5 K in der subkritischen Phase (Verflüssiger).
S4-Fall: Kältemittel R448a, -10 % Abzug = +2,5 K Verflüssiger-Austrittstemperatur das ganze Jahr über.
S5-Fall: Kältemittel R448a, -20 % Abzug = +3 K Verflüssiger-Austrittstemperatur das ganze Jahr über.
S6-Fall: Kältemittel R448a, -30 % Abzug = +3,5 K Verflüssiger-Austrittstemperatur das ganze Jahr über.
Die Ergebnisse wurden über einen Zeitraum von 1 Jahr, 10 Jahren und 15 Jahren simuliert, um den Lebenszyklus von HFKW-Verflüssigern und CO2-Gaskühlern nachzubilden.
Die Ergebnisse (Bilder 3 und 4, Tabellen 6, 7 und 8) zeigen, dass selbst eine geringe Leistungsminderung große Auswirkungen über den gesamten Lebenszyklus eines Produkts haben kann.
Fazit
Eurovent Certification konnte die potenziellen Folgen einer Leistungsminderung von Gaskühlern/Verflüssigern für eine CO2- und eine HFKW-Supermarktanwendung berechnen. Über einen Lebenszyklus von 15 Jahren können beide Arten von leistungsmindernden Gaskühlern/Verflüssigern:
mindestens 650.000 kWh an zusätzlicher Energie verbrauchen,
Betriebskosten von über 117.000 € verursachen und
über 219 Tonnen vermeidbare CO2-Emissionen verursachen.
Dabei sind die zusätzlichen potenziellen Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Systems noch nicht berücksichtigt, da die Komponenten unter diesen simulierten Bedingungen stärker beansprucht werden, um die erforderliche Wärmeabgabe zu gewährleisten. Kurz gesagt: Die Analyse ergab, dass die Leistungsminderung über das einzelne Gerät hinausging und potenziell den Betrieb des gesamten Kühlsystems beeinträchtigte.
Quellen
[1] JRC Photovoltaic Geographical Information System (PVGIS) - European Commission (Kurzlink: www.t1p.de/KKA5-26PVGIS)
[2] Greenhouse gas emission intensity of electricity generation, country level | Greenhouse gas emission intensity of electricity generation in Europe | European Environment Agency (EEA) (Kurzlink: www.t1p.de/KKA5-26EEA)
