Kältetechnisch optimierte Eisbahn mit dem Kältemittel-gemisch NH₃/DME (R723)

Große Einkaufszentren sind heutzutage überall auf der Welt ein wesentlicher Bestandteil des Lebensstils. Diese Liegenschaften mit großen Gebäuden und Räumen mit unterschiedlichen Anforderungen an Heizung und Kühlung stellen eine beträchtliche Herausforderung dar, da die in der Summe großen Leistungen ein hohes Einsparungspotential bieten, sowohl ökonomisch als auch ökologisch. Diese Bauwerke sind ein nicht zu vernachlässigender Verbraucher von Primärenergie, weshalb es sich lohnt, darüber nachzudenken, wie man den Betrieb solcher Einrichtungen effizienter gestalten kann.

Zudem sind Einkaufszentren bestrebt, ein möglichst breites Spektrum an Besuchern anzuziehen, um ihnen die unterschiedlichsten Annehmlichkeiten zu bieten. Schlittschuhlaufen auf künstlichen Eisflächen ist eine der Attraktionen, die angeboten ­werden.

Technischen Gegebenheiten

Im vorliegenden Fall verfügt das Einkaufszentrum über eine 30 x 15 m große Eisbahn. Sie ist eine beliebte Aktivität für Kinder und Eishockeyfans. Die Eisbahn ist nicht selten mehr als 12 Stunden pro Tag belegt. Sie befindet sich im Innenbereich des Gebäudes, oberhalb der Garagen und ist ganzjährig geöffnet. Der gesamte Bereich ist durch Glas vom Einkaufsbereich abgetrennt, was zwar einerseits die Attraktivität steigert, andererseits aber auch einen höheren Energiebedarf mit sich bringt. Die Temperatur im Umkreis der Eisbahn liegt zwischen 13 °C bis 15 °C.

Der Investor beschloss, die in die Jahre gekommene Kälteanlage zu ersetzen, da diese zudem bereits stark verschlissen war. Ziel der Renovierung war es, eine langfristig nachhaltige Lösung mit möglichst geringen Auswirkungen auf die CO₂-Emissionen zu finden. Er erwog den Einsatz einer Wärmepumpe mit natürlichem Kältemittel.

Die neue Anlage

Ein solches Projekt war eine Herausforderung für die Ingenieure. Die Kälteanlage ist im Tiefgaragenbereich unter der Eisbahn installiert. Das bringt sehr hohe Anforderungen an die Sicherheit mit sich. Deshalb wurden drei Wärmepumpen mit einer extrem niedrigen Kältemittelfüllung und dem Kältemittel R723 installiert (Bild 1). Diese kühlen die Eisfläche und erwärmen im Gegenzug das Wasser für die Umkleideräume. Zudem wird damit die ebenfalls vorhandene Rollschuhbahn beheizt und das Schneemehl in der Schneegrube
geschmolzen.

Da sich der Maschinenraum in der Tiefgarage befindet, wird er zwangsbelüftet und die einströmende Luft durch die Wärmepumpen vorgewärmt. Auch der Maschinenraum wird durch die von den Wärmepumpen entzogene Wärme gekühlt. Um die Wärme möglichst effizient zu nutzen, wurden hocheffiziente und zuverlässige Goeld­ner-Kolbenverdichter der R723-Baureihe eingesetzt (Bild 2). Die Wärme wird nicht nur aus dem Plattenverflüssiger, sondern auch aus den Zylinderköpfen (Bild 3) und teilweise direkt aus dem Heißgas (Verdichterauslass) zurückgewonnen. Um eine möglichst geringe Teilfüllmenge zu erreichen, wurde die Anlage mit drei unabhängigen Kühlkreisläufen (ein Kreislauf pro Wärmepumpe) ausgeführt. Die Wärmepumpen arbeiten nach dem Prinzip der Direktverdampfung (DX) (Bild 4) mit dem Kältemittel R723. Das elektronische Expansionsventil (EEV) spritzt das Kältemittel jeweils direkt in den vollverschweißten Plattenverdampfer ein.

Bei den Verflüssigern handelt es sich ebenfalls um vollverschweißte Plattenwärmeübertrager. Die drei Wärmepumpen sind an einen gemeinsamen Verteiler und einen Wärmekollektor mit zentralen Umwälzpumpen angeschlossen. Die Restwärme, die nicht zum Heizen verbraucht wird, wird über einen adiabatischen Kühler (Bild 5), der sich auf dem Dach des Einkaufszentrums befindet, an die Umgebungsluft abgegeben.

Der Bereich des Maschinenraums wird durch Leckage- und Raumtemperatursensoren überwacht. In Abhängigkeit von der gemessenen Konzentration wird die Belüftung des Maschinenraums ausgelöst. Wird die höchstzulässige Temperatur im Maschinenraum überschritten, wird eine Lüftungskühlung aktiviert. Reicht diese nicht aus, wird die Lüftung abgeschaltet und der Raum durch einen Gebläsekonvektor
gekühlt.

Aufgrund der technischen Auslegung und der hohen Verflüssigungstemperaturen wurde das Kältemittel R723 gewählt, das im Wesentlichen mit dem Kältemittel R717 identisch ist. Die thermodynamischen Eigenschaften von R723 gewährleisten jedoch eine hohe Effizienz auch bei sehr kleinen Füllmengen.

Vorteile

Das Konzept mehrerer kleiner Hubkolbenverdichter scheint für Eisbahnen am effizientesten zu sein. Ein richtig konzipiertes Gesamtsystem für den variablen Betrieb, das große Schwankungen im Kälte- und Wärmebedarf abfahren kann, führt zu enormen Primärenergieeinsparungen. Mit mehreren kleinen Verdichtern kann man den Kältebedarf an den Tagesverlauf, der je nach Flächennutzung, Nass- oder Trockeneisbehandlung extrem pendelt, genau anpassen. Zudem gewährleistet diese Anlagenkonstellation eine konstante Wärmequelle und erhöht die Effizienz der Gesamtanlage (Heizung-Kühlung) um ein Vielfaches. Alleine die neue Kältemaschine reduziert die Energieaufnahme um 43 % (Bild 6). Die Beheizung wird zu 70 %
entlastet.

In Zahlen: Es werden pro Jahr 290 MWh Strom und 100 MWh Heizenergie eingespart. Aber auch die Leckageverluste der Bestandsanlage von ca. 150 t CO₂ fallen weg.

Die alte Installation war eine R404A-Kälteanlage mit einem auf dem Dach installierten, luftgekühlten Verflüssiger und einem Bündelrohrverdampfer zur Kühlung des Glykol-Sole-Kreislaufs. Die alte Kältemaschine enthielt etwa 140 kg R404A, jetzt 7,5 kg des natürlichen Kältemittels R723. Allein durch den Austausch der alten Kälteanlage und der 140 kg R404A-Kältemittelfüllung wurde das Äquivalent von 549 t CO₂ eingespart. Aber auch ökonomisch lohnt sich die Modernisierung. Der Return on Invest (ROI) liegt bei 3,5 Jahren.

Schlussbemerkung

Mit dem natürlichen Kältemittel R723 lassen sich vor allem Kältelösungen im kleinen (6-100 kW) und mittleren Kälteleistungsbereich (100-500 kW) sehr effektiv realisieren – und das für unterschiedlichste Anforderungen. R723-Kältesätze und Wärmepumpen sind eine optimale Möglichkeit, Gewerbe- und Produktionsbetriebe oder (wie in diesem Fall) Eisbahnen mit einem natürlichen Kältemittel zu betreiben – sowohl in ökologischer als auch ökonomischer Hinsicht. Zudem ist eine bestmögliche Zukunftssicherheit gegenüber den synthetischen Kältemitteln gegeben.