Digitalisierung in der wassergeführten Kältetechnik

Durch Digitalisierung die Effizienz verbessern und Kosten sparen

Jederzeit das richtige und notwendige Maß an Kälte in einen bestimmten Gebäudeteil oder einzelne Räume zu bringen, ist eine Aufgabe der Gebäudetechnik. Hierfür müssen Aktoren, Sensoren, Ventile und Antriebe optimal zusammenarbeiten, um Effizienz, Wirtschaftlichkeit und Komfort sicher zu stellen. Doch nur wer weiß, wo genau wieviel Kälte oder Wärme gebraucht wird, und versteht, was aktuell im Gebäude abläuft, kann die Performance des Gebäudes verbessern. Daher ist es notwendig, dass die eingebauten Komponenten Daten über verschiedene Ist-Zustände erfassen und zur Verfügung stellen können. Wenn alle Anlagensysteme digitalisiert und vernetzt sind, können die gesammelten Daten auch sinnvoll genutzt werden.

Besonders in der Kältetechnik (Bild 1) wird bisher nur ein kleiner Teil der Daten für Optimierungen im Gebäudebetrieb erfasst. Zur Regelung und Steuerung von HLK-Anlagen bietet Belimo entsprechend ausgerüstete Komponenten an, um die Vorteile der Digitalisierung zu nutzen und die Energie-Transparenz eines Gebäudes deutlich zu verbessern.

Mehr Information auch sinnvoll nutzen

Ein Gebäude kann beim Einsatz intelligenter Feldgeräte in der Kältetechnik rund um die Uhr an 365 Tagen im Jahr Daten liefern, sammeln, verknüpfen und damit nutzbar machen. Die Daten werden über verschiedene Protokolle (z.B. BACnet, MP-Bus und Modbus) der Gebäudemanagementsoftware zur Verfügung gestellt. So können z.B. aktuelle Kälteverbrauchsprofile ausgegeben, gesteuert, optimiert und automatisierte Benachrichtigungen oder Warnungen ausgegeben werden. Auch Wartungs- und Instandsetzungsintervalle lassen sich dadurch an die tatsächlichen Verschleiß- und Verbrauchsdaten anpassen.

Durch diese Daten bzw. ihre Auswertung und Nutzung, kann die Energie-Effizienz eines Gebäudes verbessert werden. So zirkulieren zum Kühlen oder Heizen große Wassermengen im Gebäude. Und da macht es schon einen erheblichen Unterschied, ob diese Volumenströme bedarfsgerecht von entsprechenden Pumpen dorthin befördert werden, wo sie gebraucht werden, oder, ob die Pumpen immer mit voller Leistung arbeiten und das Wasser zum Teil ungenutzt durch die Leitungen bewegen. Anderes ­Beispiel: Bei drei Außenkühlern auf dem Gebäudedach, die bei hohem Kältebedarf parallel betrieben werden, wäre es doch vernünftig nur einen zu nutzen, wenn aktuell nur wenig Kälte gebraucht wird, die durch die Leistung nur eines Außenkühlers erbracht werden kann. Das spart beispielsweise elektrische Energie für die dort integrierten Ventilatoren.

Transparenz ist Voraussetzung

Um bedarfsgerecht die Kälte zu verteilen, ist es notwendig zu wissen, welche Volumenströme wo aktuell strömen und ob diese angepasst werden müssen, um einerseits die gewünschten Temperaturen in einzelnen Gebäudebereichen oder Räumen zu gewährleisten und andererseits keine Energie zu verschwenden. Hier kommt das Belimo Energieventil (Bild 2) ins Spiel. Dass Energieventil vereint fünf Funktionen in einer Einheit: Volumenstrommessung, druckunabhängige Regelung, automatischer hydraulischer Abgleich, luftblasendichte Schließung und Monitoring. Durch die permanente Volumenstrommessung besteht die Möglichkeit der direkten Leistungsregelung, unabhängig von Differenzdruck und Wassertemperatur, bzw. der Leistungsberechnung. Wenn die Vor- und Rücklauftemperaturen (ΔT) und der Volumenstrom bekannt sind, kann die Leistungsabgabe berechnet werden. Kommt noch der Faktor Zeit hinzu, kennt man den Energieverbrauch. Werden diese Werte nun zusammen mit den Daten in einer modernen Gebäudeleittechnik betrachtet, ist eine sinnvolle und effektive Regelung möglich. Die automatische Durchflussregelung des Energieventils liefert immer den geforderten Durchfluss, unabhängig von Differenzdruckschwankungen. Das Ventil lässt nur die Wassermenge durch, die eingestellt ist. Durch den luftblasendicht schließenden Regelkugelhahn im Energieventil entstehen keinerlei Leckagen bei geschlossenem Ventil. Das bedeutet, es strömt tatsächlich nur Wasser durch das Ventil, wenn es strömen soll. Das ist besonders aus Energiespar- und Kostengründen wichtig.

Volumenströme sinnvoll begrenzen

Kälteregister oder Wärmeübertrager haben eine bestimmte Leistungsfähigkeit. Wenn z.B. das Kälteregister mit mehr Wasser beliefert wird, als es aufgrund seiner Leistung „verarbeiten“ kann, wird nicht mehr Kälte produziert, aber unnötig Strom für die Pumpen im Kältekreislauf verbraucht. Mit dem Energieventil kann das nicht passieren. Es verfügt nämlich über eine integrierte Delta T-Limitierung (Bild 3). Der Delta-T Manager stellt selbsttätig sicher, dass ein einstellbarer Differenztemperaturgrenzwert nicht unterschritten wird. Damit wird die Pumpenenergie reduziert und man arbeitet immer im optimalen Bereich des Verbrauchers. Rechnet man den Volumenstrom in elektrische Energie um, ergibt sich bei 50 % mehr Volumenstrom das Zweifache an zusätzlicher elektrischer Energie, was für die Betriebskosten ein nicht unerheblicher Faktor ist. Durch die Delta T-Limitierung werden die Volumenströme sinnvoll begrenzt und elektrische Energie gespart.

Ein weiterer großer Vorteil des Energieventils ist der automatische hydraulische Abgleich. Der bei den Gewindearmaturen integrierte Ultraschallzähler übermittelt permanent die Messdaten an den ebenfalls integrierten Regelkreis. Die Ventile werden elektronisch angesteuert und eingestellt. Hierfür ist nur eine Person notwendig und der Abgleich ist in wenigen Sekunden pro Strang durchzuführen – eine drastische Zeitersparnis zu einem klassischen manuellen Abgleich und extrem einfach und schnell in der Anpassung, auch erforderlich bei Umnutzungen.

Eine ebenfalls wichtige Funktion des Energieventils ist die Glykol-Überwachung. Sobald wasserführende Komponenten des Kälte- oder Wärmekreislaufs außerhalb des Gebäudes z.B. auf dem Gebäudedach installiert sind, besteht immer die Gefahr, dass das Wasser bei niedrigen Außentemperaturen einfriert. Um das zu verhindern, wird dem Wasserkreislauf Glykol zugemischt. Da Glykol nicht den gleichen Wärmeübertragungskoeffizient hat wie Wasser, leidet die Effizienz des Systems, wenn zu viel Glykol beigemischt wird. Um hier das richtige Maß zu finden, damit einerseits das Wasser nicht einfriert und andererseits die Effizienz möglichst hoch bleibt, überwacht im Belimo Energieventil ein auf Ultraschall-Laufzeittechnologie basierender Durchflusssensor den Glykolgehalt im HLK-System. Er misst automatisch die Glykolkonzentration und kompensiert die sich stetig verändernde Viskosität und Wärmekapazität des Kälte- bzw. Wärmeträgers. So wird der Glykolgehalt in der Anlage optimal geregelt und die Effizienz sichergestellt.

Alles im Blick

Das Energieventil sorgt für die notwendige Transparenz im Kälte- und Wärmenetz. Neben einem integrierten Volumenstromsensor messen zwei weitere Sensoren die Flüssigkeitstemperaturen im Vor- und Rücklauf. Damit werden zahlreiche Anlagedaten – wie beispielsweise Differenztemperatur, Durchfluss, Leistungsabgabe am Wärmeübertrager oder Energieverbrauch – laufend gemessen und im Ventil gespeichert. Aktuelle Werte lassen sich jederzeit vor Ort mit einem Laptop oder über das übergeordnete Gebäudeleitsystem abrufen. Der im Energieventil integrierte Webserver (Bild 4) zeichnet alle Anlagendaten der vergangenen 13 Monate auf. Diese lassen sich einfach am PC auswerten und somit auch Optimierungspotenziale erkennen. Außerdem kann das Energieventil auch Daten zur Leistungsfähigkeit von im Kreislauf installierten Komponenten wie z.B. Wärmeübertragern und Kälteregistern sammeln und ausgeben. Damit kann deren Effizienz über die Zeit dokumentiert werden und ein notwendiger Service rechtzeitig angezeigt werden.

Im Vergleich zu einer konventionellen Regelventil-Lösung ermöglicht der Einsatz des Energieventils mit seinen vielfältigen Funktionen einen Zusatznutzen, den eine konventionelle Lösung in diesem Umfang nicht leisten kann. Außerdem ist es einfach zu installieren und durch die digitale Ansteuerung des Ventils ist der Verkabelungsaufwand wesentlich geringer.

Alles digital

Das Energieventil ist eine IoT-fähige Komponente (IoT – Internet of Things) mit Anbindung an die Belimo Cloud. Diese ermöglicht u. a. den einfachen Zugang zu allen Daten über den gesamten Lebenszyklus des Ventils und bildet damit die Grundlage für die Optimierung des Systems. Das Cloud-Reporting ermöglicht eine komplette Übersicht zu den aktuellen und bisherigen Leistungsdaten wie Durchflüsse, Energieverbrauch, Strombedarf und Delta-T, wobei die wichtigsten Leistungsindikatoren in Diagrammen dargestellt werden. Die Benutzeroberfläche ermöglicht mit intuitivem Installations-­Setup für die Inbetriebnahme in nur wenigen Schritten. Der Cloud-Support hilft bei der Inbetriebnahme und optimalen Einstellung des Energieventils in allen Betriebsphasen. Zudem helfen erfahrene Techniker von Belimo den Benutzern beim Lösen technischer Probleme und bei der Verbesserung von Systemleistung und -stabilität. Der Zugriff auf die Online-Services erleichtert dem Anwender die Arbeit und gibt ihm die Sicherheit, die Geräte immer mit den optimalen Einstellungen zu verwenden.

Auch über die Assistant App lassen sich alle Zustandsdaten per Smartphone anzeigen und die Anlageneffizienz beurteilen. Dank NFC-Schnittstelle wird das Smartphone so zur drahtlosen Vor-Ort-Bedieneinheit für Klappen- und Ventilantriebe und ermöglicht eine effiziente Inbetriebnahme, Parametrierung, schnelle Funktionsprüfung im Betrieb, Fehlerbehebung und Instandhaltung (Bild 5).

Mit zertifizierter Energiemessung und -abrechnung

Belimo arbeitet stetig an der Weiterentwicklung seiner Produkte, um die Anforderungen bezüglich Technik, Bedienung, Komfort und unterstützender Services zu verbessern. So bündelt das neue Sortiment von Energieventilen und thermischen Energiezählern die Energiemessung und -abrechnung. Sie messen und überwachen den Durchfluss und den Energieverbrauch in Kühl- und Heizsystemen und bieten eine direkte IoT-basierte Kostenabrechnung. Besonders nützlich ist diese Kombination bei Gebäuden mit Räumen und Bereichen mit unterschiedlichen Nutzern bzw. Mietern, wie z.B. in Shopping Malls oder Coworking-Spaces, wo kleinere Einheiten mit öfter wechselnden Nutzern energiemäßig abgerechnet werden müssen.

Die neuen thermischen Energiezähler sind nach EN 1434/MID zertifiziert und ermöglichen IoT-basierte Direkt- oder Fernabrechnung. Sie sind nach MID für die Wärmemessung in Reinwasseranlagen zugelassen. Die Integration des Energieventils und der thermischen Energiezähler lässt sich über PoE durchführen. Damit können die Gerätespeisung und die Datenübertragung gleichzeitig über ein Ethernet-Kabel erfolgen. Dies vereinfacht die Installation, vermeidet Verdrahtungsfehler und macht eine lokale Spannungsversorgung überflüssig. Durch das Nutzen eines digitalen Zwillings des Energieventils in der Cloud können autorisierte Benutzer direkt mit den Daten interagieren und Gerätebesitzer einen Drittanbieter mit Abrechnungs- oder gar Analysediensten beauftragen.

Digitalisierung nützt allen

Durch die zügige Digitalisierung im Bereich der Gebäudetechnik und damit auch der Kältetechnik könnten 2030 laut Bitkom im Bereich Gebäude immerhin 21 Millionen Tonnen CO2 pro Jahr eingespart werden. Doch nicht nur das Klima profitiert von der Digitalisierung. Durch die Digitalisierung in der Gebäudetechnik werden Prozesse vereinfacht, sicherer und erhöhen den Komfort für Betreiber und Nutzer.

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