Effizienz von Kälteanlagen

Simulation der energetischen Güte

Kälte- und Klimaanlagen tragen mit etwa 14 % zum gesamten Stromverbrauch in Deutschland bei. Durch Investitionen in neue Technologien wird versucht die Güte der Anlagen zu verbessern, um den Energieverbrauch zu senken. Das Förderprogramm der Bafa zielt in diese Richtung. Speziell das Förderprogramm für „gewerbliche Kälteanlagen“ ist für viele Betreiber eine Möglichkeit notwendige Investitionen zu erleichtern. Aber auch für den Kälteanlagenbaubetrieb ergeben sich interessante Ansätze für neue Betätigungsfelder. Dabei muss natürlich immer bei der Frage der Energieeffizienz diese auch zahlenmäßig erfasst werden. Der Auswahl des Kältemittels scheint man beim Thema Energieeffizienz besondere Aufmerksamkeit zu widmen: Immer wieder hört man, dass ein Kältemittel einen besseren COP bzw. geringeren Energieverbrauch hat als ein anderes.


In der Gewerbe- und Industriekälte werden seit einigen Jahren bevorzugt die beiden Kälte­mittel R134a und R404A/R507 eingesetzt. Immer wieder liest oder hört man Aussagen über die energetische Güte der beiden Kältemittel. R134a soll demnach energetisch besser sein, dafür würde R404A/R507 geringere Investitionskosten liefern. Hauptsächlich wird über den COP argumentiert. Der COP (Coeffizient Of Performance) ist definiert als eine Kennzahl, die angibt, wie viel Nutzen durch welchen Aufwand entsteht. Früher wurde dieser COP gerne auch als Leistungsziffer bezeichnet, im Zeitalter der Globalisierung ist dieser Begriff schon fast verschwunden. Berechnen kann man diesen COP aus der nutzbaren Enthalpie des Verdampfers geteilt durch die Enthalpieerhöhung bei der Verdichtung, bedingt durch die Leistungsaufnahme des Verdichters. Die­se Werte hängen von unterschiedlichen Faktoren ab: der Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur, der Unterkühlung vor dem Expansionsventil und der Erwärmung in der Saugleitung, um nur einige der wichtigsten zu nennen. Der COP ist demnach eine Zahl, mit der man direkt, ohne die Leistung der Anlage kennen zu müssen, die energetische Güte beurteilen kann.

Je nachdem, wie die entsprechenden Stoffdaten des Kältemittels (wie z.B. Dichte, die molekulare Masse der Moleküle und spezifische Wärmekapazität des Gases) sind, ergeben sich für die unterschiedlichen Kälte­mittel andere isentrope Wirkungsgrade. Grundsätzlich kann man sagen, das Kältemittel mit geringerem Druckanstieg, also flacher Dampfdruckkurve, weniger Antriebsenergie im Verdichter brauchen, um die gleiche Leistung zu erbringen. Also weniger Aufwand bei gleichem Nutzen, was zu besseren COP führt.

Dies lässt sich anschaulich vereinfacht darstellen: Der Verdichter muss weniger Druck aufbauen, braucht also weniger Antriebsenergie. Vergleicht man für einen Standard-Prozess mit einer Verdampfungstemperatur von to = -10 °C und einer Verflüssigungstemperatur von tc = +45 °C bei ansonsten gleichen Bedingungen (wie z.B. Überhitzung und Unterkühlung) die Daten der beiden Kältemittel, so ergibt sich ein Bild, wie in Tabelle 1 dargestellt. Damit lässt sich erkennen, dass R134a in der Tat einen besseren COP hat: Ca. 5 % weniger Energie benötigt der Verdichter bei den gewählten Verhältnissen. In Energiebedarf ausgedrückt, wird eine Anlage mit typischer Auslastung mit R134a ca. 9622 kWh Energie weniger benötigen.

Damit ist eine einfache Lösung der Frage naheliegend: Die flächendeckende Verwendung von R134a würde anscheinend 5 % Energie einsparen. Die einfache Lösung scheint in greifbarer Nähe zu sein.

Konstruktionsmerkmale und Regelverhalten | Aber die Verhältnisse sind leider nicht so einfach, wie es bislang dargestellt wurde. Kälteanlagen werden, wie fast alle technischen Bauteile, für einen bestimmten Betriebspunkt entworfen, den sogenannten Auslegungspunkt. Die meisten Anlagen laufen aber nur kurze Zeit unter diesen Betriebszuständen. Die jeweiligen Betriebszustände, die sich einstellen, hängen von der Konstruktion, den gewählten Komponenten, der Regelung und der jeweils angeforderten Leistung ab. All diese Einflussgrößen verändern den COP stetig, so dass keine klare Aussage aus der Kenntnis des Auslegungs-COP über den tatsächlichen Jahres-COP gemacht werden kann.

Je nach Konstruktion der Anlage werden sich zum Teil völlig unterschiedliche Zustände einstellen. So haben naturgemäß die Größe bzw. die gewählte Leistung von Verdampfer und Verflüssiger großen Einfluss auf den Energiebedarf. Große Wärmetauscher führen zu höheren Verdampfungs- und geringeren Verflüssigungstemperaturen – und damit auch zu anderen Drücken, die sich auf den aktuellen COP auswirken. Wünschenswert sind möglichst hohe Verdampfungs- und möglichst geringe Verflüssigungstemperaturen, da diese zu höheren COP-Werten, und damit zu geringerem Energiebedarf führen. Die Wahl der korrekten Rohrdimension hat ebenfalls großen Einfluss. Zu kleine Rohrquerschnitte führen zu Leistungsminderung, da z.B. der Ansaugzustand am Verdichter durch zu kleine Querschnitte in der Saugleitung nach unten verschoben werden kann. Die Konsequenz ist ein schlechterer COP. Entscheidend aber sind die Einflüsse der Regelung. Wie weit lässt sich über die gewählten Komponenten und die gewählte Regelstrategie die Verdampfungstemperatur erhöhen und die Verflüssigungstemperatur reduzieren.


Regelung und Auslastung der Anlage | Die Regelung einer Kältemaschine optimal zu gestalten bedeutet, die komplexen Zusammenhänge im Zusammenspiel aller Komponenten zu verstehen. Die Regelung hängt zudem auch stark vom gewählten Kältemittel ab. Eine der wichtigsten Einflussgrößen ist das Betriebsverhalten des Expansionsventils. Je nach Bauart des Drosselorgans benötigt dieses eine gewisse treibende Druckdifferenz, um den erforderlichen Massenstrom des Kältemittels regeln zu können.

Bei thermostatischen Expansionsventilen liegt diese Druckdifferenz, je nach Modell und Hersteller, im Allgemeinen bei Werten zwischen 6 und 8 bar. Elektronische Expansionsventile benötigen weniger Druckdifferenz, ca. 2 bis 3 bar, da der Druck nicht zur eigentlichen Regelung benötigt wird, da hier Magnetspulen oder Schrittmotoren die benötigte Energie bereitstellen. Damit haben verschiedene Kältemittel ein unterschiedliches Potential, anhängig von der Druckdifferenz, genügend Vordruck am Expansionsventil bereitzustellen, wenn die Verflüssigungstemperatur abgesenkt wird. Diese Druckdifferenz gibt vor, auf welchen Wert die Winterreglung eingestellt werden kann.

Die Anforderung der Kälte und die damit verbundene Verdichteransteuerung ist ebenfalls ein wichtiger Punkt. Systeme mit einfacher Ein/Aus-Regelung der Verdichter neigen bei abgesenkter Verflüssigungstemperatur zu tieferen Verdampfungstemperaturen, da naturgemäß die Leistung des Verdichters steigt. Damit wird ein Teil des besseren COP wieder zunichte gemacht. Außerdem kann dies zu stärkerer Reifbildung am Verdampfer führen, was die Abtauintervalle verkürzt und damit höheren Energiebedarf zur Folge hat. Bei Anlagen mit möglichst genauer Teillastregelung tritt dieser Effekt nicht auf, da die Verdampfungstemperatur konstant gehalten wird.

Bei Verbundanlagen mit fein abgestufter Verdichterreglung und Anlagen mit Inverter geregelten Verdichtern findet nicht nur keine Absenkung der Verdampfungstemperatur statt. Außerdem verringert sich die Temperaturspreizung im Verflüssiger im Teillastbetrieb und die Verflüssigungstemperatur und der Verflüssigungsdruck sinken. Diese beiden Effekte sind verantwortlich für bessere COP-Werte von Anlagen mit geregelten Verdichtern. Ein weiterer Punkt, der zu beachten ist, ist bei zu tiefer Verflüssigungstemperatur der minimal notwendige Massendampfanteil, auch Flashgasanteil genannt, im Verdampfereintritt. Zu geringe Werte führen zu mangelhaften Wärme­übergängen und schlechtem Regelverhalten des Expansionsventils. 


Komplexe Berechnung des Jahres-COP | Alle diese und noch zahlreiche weite­re Informationen werden benötigt, um den tat­sächlichen COP einer Anlage zu bestimmen. Bei dem gewählten Beispiel von R134a und R404A/R507 ergeben sich unterschiedliche Werte für die minimal mögliche Verflüssigungs­temperatur. Unter der Voraussetzung, dass bei beiden Kältemitteln ein thermostatisches Expansionsventil mit einer benötigten Druckdifferenz von 6 bar zu Einsatz kommt, und dass bei beiden Varianten die Druckverluste im Verdampfer und im Verflüssiger mit jeweils 1 bar Sicherheit betrachtet werden, lässt sich der Verflüssigungsdruck auf einen Wert von 8 bar über den Verdampfungsdruck absenken. Bei R134a ergibt sich damit ein Wert von 10 bar, was 41 °C entspricht, auf den die Winterregelung eingestellt werden muss. Bei R404A/R507 kann der Druck vor dem Expansionsventil auf 12,34 bar gesenkt werden, was einer Temperatur zur Winterregelung von 25 °C entspricht. Interessant sind die COP-Werte in diesen Betriebspunkten, R134a verbessert sich auf 2,91, R404A/R507 auf beachtliche 4,83 (siehe Tabelle 2). Der sich tatsächlich einstellende COP wird je nach angeforderter Leistung und nach herrschender Außentemperatur zwischen diesen Werten und den Werten der Auslegung liegen. In Bild 1 ist dies im h,log p-Diagramm anhand der Prozesse von R404A/R507 dargestellt. Hier erkennt man auch den Massendampfanteil im Verdampfer von 27 %, was durchaus noch akzeptabel ist.


Gesamtsimulation aller Einflussgrößen | Um all diese, und noch weitere Ein­flussgrößen, mit vertretbarem Aufwand erfassen bzw. verarbeiten zu können, ist die „CoolTool EnerSim“-Software entwickelt worden. In der Professional-Version können Kälteanforderungsprofile, z.B. Gewerbekälte, Industriekälte oder Klimaanlage, hinterlegt werden.

Dabei wird je nach Jahres- und Tages­zeit die zu erwartende Kälteleistung relativ zur Gesamtleistung angenommen. Zusammen mit den hinterlegten weltweiten Klimadaten lassen sich so die Betriebszustände einfach simulieren. Ferner werden konstruktionsbedingte Anlagendetails berücksichtigt. So fließen auch die Regelungen der Verdichter und Ventilatoren , Inverter, Ein/Aus etc, in die Berechnung ein. Bauteilspezifische Unterschiede bei Verdichter, Hubkolben, Schraube, offen, halbhermetisch, etc. werden ebenso berücksichtigt wie Economizerbetrieb und das Potential, das die Wärmerückgewinnung hat. Bild 2 zeigt im Jahresgang das Ergebnis einer solchen Simulation des Betriebes einer R134a-Anlage. Deutlich zu erkennen ist die über das Jahr konstante Verflüssigungstemperatur. Der Energiebedarf beträgt aufgrund der etwas geringeren Verflüssigungstemperatur 145 879 kWh/Jahr.

Bei R404A/R507 stellt sich im Jahresgang, wie in Bild 3 zu erkennen ist, je nach Außentemperatur und Kälteanforderung eine Verflüssigungstemperatur zwischen 25 und 45 °C ein. Damit kann die Anlage, insbesondere im Winterhalbjahr, mit höherem, besserem COP betrieben werden. Auch im Sommerhalbjahr, wie im Bild 4 die Simulation eines typischen Tages im Juni zeigt, lässt sich die Verflüssigungstemperatur in der Nacht, am Morgen und in den späten Abendstunden deutlich absenken. Nach der ausführlichen Darstellung der Problematik überrascht jetzt nicht mehr, dass eine Anlage mit R404A/R507 mit 104 809 kWh/Jahr einen um 41 070 kWh geringeren Energiebedarf haben dürfte als die mit R134a betriebene.


Fazit | Einfach nur den COP im Auslegungs­punkt als Auswahlkriterium für ener­gie­spa­rende Anlagen zu nehmen, reicht nicht aus. Man muss zahlreiche Einflussgrößen berücksichtigen, um eine Aussage über den zu erwartenden Energiebedarf einer Anlage treffen zu können. Diese können individuell stark unterschiedlich ausfallen. Im behandelten Beispiel führt eine optimierte R404A/R507-Anlage zu besseren Werten als eine mit R134a. Dies liegt am Ganzjahresbetrieb am Standort Berlin, wo im Winter tiefe Außentemperaturen zu erwarten sind.

Plant man einen Chiller einzusetzen, der nur im Sommer bei hohen Außentemperaturen betrieben wird, können sich die Verhältnisse umkehren. Auch die Verwendung von elektronischen Expansionsventilen wird die Verhältnisse verändern. Hier kann R134a auch gegenüber R407C oder R410A besser abschneiden. Eine individuelle Nachrechnung mit Hilfe von Simulationssoftware wie „CoolTool EnerSim Professional“ (www.cooltool-software.com) gibt Anlagenbauern wie Anlagenbetreibern Entscheidungssicherheit.

Auch für das Potential der energetischen Sanierung und Optimierung von bestehenden Anlagen ist eine vorherige Untersuchung von Vorteil. Es gibt bei vielen Bestandsanlagen ein riesiges Potential an Energieeinsparung, auch unter Berücksichtigung der Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung. Diese Option ist für viele Betreiber von zunehmendem Interesse, insbesondere vor dem Hintergrund der in den letzten Jahren stetig gestiegenen Betriebskosten.

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