Per Knopfdruck auf den Mount Everest

Das Umweltsimulationssystem terraXcube in Bozen

Von Schneestürmen auf den höchsten Gipfeln bis zur Hitze in Wüstengebieten: Der im November 2018 eröffnete terraXcube ist eine weltweit einmalige Umweltsimulationseinrichtung, die die extremen klimatischen Bedingungen des Planeten Erde künstlich, per Knopfdruck für Forschungszwecke simulieren kann. Temperaturen von - 40 °C bis + 60 °C, künstliche Sonneneinstrahlung, 60 mm Regen pro Stunde, 5 cm Schnee pro Stunde, Windgeschwindigkeiten von bis zu 108 km/h sowie simulierte Luftdruck- und Sauerstoffgehaltbedingungen von bis zu 9.000 m Meereshöhe – künstlich geschaffene Klimabedingungen, mit denen in Bozen ein neues Zeitalter der industriellen, medizinischen und ökologischen Forschung gestartet werden kann.

Beeindruckendes Umweltsimulationssystem

Der im Bozener NOI-Techpark angesiedelte terraXcube besteht aus mehreren Simulationskammern, den sogenannten Cubes. In diesen Cubes, die sich in Größe und Ausstattung unterscheiden, werden Klimabedingungen simuliert, mit dem Ziel den Einfluss dieser Bedingungen auf den Menschen, auf ökologische Prozesse sowie Materialien und Maschinen zu untersuchen.

Vor allem für die Forschungsgebiete der alpinen Notfall- und Höhenmedizin und der alpinen Ökologie bietet diese Infrastruktur einen enormen Wert, da der terraXcube die Möglichkeit gewährt, Real-Szenarien zu reproduzieren und das in einer sicheren und überprüfbaren Umgebung. Zudem können verschiedene Umweltparameter gleichzeitig repliziert werden, wodurch es möglich ist, Ökosysteme mit einer Genauigkeit zu untersuchen, wie sie nur modernste Labore gewährleisten. Des Weiteren gewährt der terraXcube für die Industrie umfassende Möglichkeiten Produkte, Materialien und Maschinen extremen Bedingungen auszusetzen, um Haltbarkeit und Funktionalität zu prüfen und gegebenenfalls zu verbessern. 

Herzstück des Large Cubes im Erdgeschoss ist der 360 m³ große Simulationsraum, der sich für komplexe Tests mit viel Platzbedarf und höchsten technischen Ansprüchen anbietet. Bestehend aus einer Testkammer, Ambulatorium, Kontrollraum sowie einem Schleusenraum mit sanitären Anlagen für die Probanden bietet dieser Simulationsbereich genügend Raum, um humanmedizinische Studien mit bis zu 15 Personen durchzuführen. Es wird dabei über einen Zeitraum von bis zu 45 Tagen ein klinisches Real-time-Monitoring jeder Person gewährleistet, um die körperliche Reaktion auf außergewöhnliche klimatische Bedingungen exakt untersuchen zu können. Die Klimakammer kann aber auch dazu verwendet werden, um Anlagen und Aggregate mit großen Abmessungen extremen Umweltbelastungen auszusetzen und ihre Leistungen unter besonders schweren Umweltbedingungen zu testen – beispielsweise Schneeraupen oder ähnlichen alpines Equipment.

Der Small Cube im Untergeschoss besteht aus vier kleineren, unabhängigen Simulationskammern, von denen jede die Umweltbedingungen des Alpenraums simulieren kann. Die Testkammern, die über einen gemeinsamen Schleusenraum zugänglich sind, sollen vorwiegend für Langzeitexperimente mit einer Dauer von bis zu sechs Monaten und als Labore für die Vorbereitung und Analyse organischer Proben genutzt werden. Hauptsächlich werden die Simulationskammern jedoch für die Agrarforschung eingesetzt. Die Simulationskammern des terraXcube werden somit in Zukunft eine Vielzahl an Erkenntnissen für die Medizin, Landwirtschaft und Industrie liefern.

Eurac Research ist die Institution, die hinter der Testinfrastruktur steckt. Das private Forschungszentrum mit Hauptsitz in Bozen wurde 1992 als privater Verein mit zwölf Mitgliedern gegründet. Heute beschäftigt es über 400 Forscher verschiedenster Disziplinen, die sich mit den Herausforderungen unserer Zeit befassen: lebenswerte Regionen zu schaffen, zu einer gesunden Gesellschaft beizutragen und Vielfalt – sozial, kulturell, wirtschaftlich und ökologisch – zu bewahren und zu gestalten. Die Forschungsarbeit knüpft an lokal wichtige Belange an, um dann Lösungen auszuarbeiten, die auch anderswo auf der Welt Anwendung finden können. So entstand die Idee zum terraXcube, dem wohl außergewöhnlichsten Labor des Forschungszentrums.

Das einmalige Projekt wurde von der Firma regineering mit Sitz im bayrischen Preith, im Auftrag der Eurac Research, realisiert. regineering verantwortete die Detailplanung, Auslegung und den Bau der gesamten Anlage. Im Juni 2017 wurde begonnen den Rohbau zu errichten und bereits im November 2018 wurde die Anlage pünktlich eröffnet.

Das bayrische Unternehmen ist spezialisiert auf Planung und Verwirklichung von anspruchsvollen Sonderprüfständen und Klimakammern. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Konzeption und Realisierung von hochspezialisierten, individuellen Umweltsimulationsanlagen aller Art. Um Projekte wie den terraXcube zu realisieren und Anlagen dieser Art zu bauen, besteht regineering aus einem hochspezialisierten und diversifizierten Team aus Ingenieuren, Physikern, Planern, Technikern und Monteuren.

„[CF]“-Verbund-Systemlösung für Temperaturen und Luftdrücke wie auf dem Mount Everest

Um den komplexen und individuellen Anforderungen und Zielen des Auftraggebers Eurac Research hinsichtlich der Kühlung gerecht zu werden, greift regineering neben seinen spezialisierten Experten aus den verschiedensten Bereichen auf externe Partner mit hoher Expertise zurück. So arbeitete regineering im Bereich der Kälte-Systemtechnik vertrauensvoll mit dem [CF] Systems-Geschäftsbereich der Christof Fischer GmbH zusammen. Gemeinsam entwickelte regineering und das Team von [CF] Systems ein individuelles Anlagenkonzept – abgestimmt auf die spezifischen Anforderungen des terraXcube, den baulichen Gegebenheiten des NOI-Techparks in Bozen sowie dem Umstand, dass die zum Einsatz gebrachten Luftkühler der Verbundanlage extremsten Drucklagen ausgesetzt sein könnten.  

Die Verbundsysteme – das Herzstück der Kältetechnik

Die drei Verbundsysteme im terraXcube wurden von Fischer Kälte-Klima im Stuttgarter Werk anschlussfertig gebaut und während des Bauprozesses von KKR – Kälte Klima Röhler aus Bozen gemeinsam mit regineering eingebracht. Zum Einsatz kommen im Kältesystem des terraXcube neben einem auf halbhermetischen Bitzer-Schraubenverdichtern basierenden R449A-Sole-Kühlsatz mit Kelvion-Plattenwärmetauscher zwei subkritische CO2-Anlagen mit halbhermetischen GEA Bock-Verdichtern.

Bei der Projektierung der Verbundanlagen mussten die speziellen Anforderungen der Klimakammer explizit berücksichtigt werden. Das Wechselspiel zwischen unterschiedlichen Drücken und Temperaturen in der Klimakammer beeinflusste vor allem die Auslegung des Luftkühlers entscheidend. So wurden in intensiver Zusammenarbeit der Teams von [CF] Systems und dem Hersteller Walter Roller GmbH sonderangefertigte Verdampfer-Blöcke gefertigt und in der Klimakammer verbaut. Generell wurde ein großes Augenmerk auf die Optimierung der Auslegung der Komponenten gesetzt, um ein besonders effizientes Anlagendesign sicherzustellen.

Im Sole-Kühlsatz mit einer Kälteleistung von 470 kW bei t0 = -14 °C wurden zum besseren Teillastverhalten der Anlage zwei Bitzer-Schraubenverdichter des Typs „HSK 8551-110“ sowie ein weiterer Bitzer-Schraubenverdichter des Typs „HSK 7471-90“ anstelle einer Einzel-Verdichter-Lösung verbaut. Höchste Effizienz der NK-Anlage wird durch den Einsatz eines Economizer-Systems bestehend aus einem Plattenwärmetauscher und elektronischem „e2v“-Expansionsventil von Carel sichergestellt. Durch die Schrittmotorventile von Carel und die eingesetzten „EVD evolution“-Regler kann die Überhitzung sehr genau gesteuert werden und somit Regelschwankungen, die sich negativ auf die Verdampfungstemperatur auswirken, vermieden werden. Die Soletemperatur des verwendeten Wärmeträgers „Antifrogen KF“ wird durch den Flüssigkeitskühlsatz von -7 °C auf -12 °C gesenkt. Besondere Wirkkraft durch die optimierte Auslegung des Verdampfers als Plattenwärmetauscher zeigt sich bei der Temperaturdifferenz von nur 2 K zwischen Verdampfungstemperatur (-14 °C) und der Soleaustrittstemperatur (-12 °C).Durch die niedrige Temperaturdifferenz von 2 K ist es möglich, eine hohe Verdampfungstemperatur gegenüber der Soletemperatur zu erzeugen. Dadurch muss weniger Energie aufgewendet werden als bei einer niedrigen Verdampfungstemperatur. 

In den beiden subkritischen CO2-Verbundanlagen kommen jeweils vier halbhermetische Bock-Vierzylinder-Hubkolbenverdichter mit sauggasgekühltem Motor zum Einsatz, davon wird jeweils der erste Verdichter mittels Frequenzumrichter drehzahlgeregelt werden. Zur Verflüssigungsdruckregelung der CO2-Anlagen wurden zwei 3-Wege-Motorventile vom Siemens Typ „VXF 40“ verbaut.

Die TK-Verbundanlage mit einer Kälteleistung von 80 kW bei t0 = -38 °C dient zur Kühlung der Simulationskammern des Small Cube. Der Flüssigkeitskühlsatz ist sowohl auf der Kondensatorseite wie auf der Verdichterseite mit Kelvion-Plattenwärmetauschern ausgestattet. Auf der Verdichterseite wird in einem weiteren Sole-Kreislauf die Temperatur der Sole „Antifrogen KF“ von -26 °C auf -30 °C reduziert. Gleichzeitig kondensiert die Anlage gegen den Sole-Kreislauf der R449A-Anlage.

Der zweite subkritische Verbundsatz mit Direktverdampfung und einer Kälteleistung von 110 kW bei einer Verdampfungstemperatur von t0 = -48 °C ist mit drei Kelvion-Plattenwärmetauschern ausgestattet. Die angeschlossenen Plattenwärmetauscher dienen dabei als innerer Wärmetauscher, zur Stillstandskühlung sowie als Verflüssiger, wobei die beiden zuletzt genannten in beiden Anlagen im Thermosiphon-Prinzip angeschlossen worden sind. Von dieser CO2-Anlage abgehend, kommen die für die komplexe Anwendung speziell ausgelegten Roller-Hochleistungsverdampferpakete zum Einsatz.

Die drei Verdampferpakete wurden ohne Blech und Lüfter geliefert und in der Decke des Large Cube in Lüftungsschächten der Umweltsimulationsanlage montiert. Die 60 bar-Verdampfer sind mit jeweils vier parallelen Kältekreisläufen versehen und werden durch vier elektronische Expansionsventile von Carel in jedem Wärmetauscher geregelt. Trotz der extremen Druck- und Temperaturunterschiede im Klimasimulator, von bis zu 80 kPa und 100 K, sind diese Spezialanfertigungen von Roller in der Lage, die maximal geforderte Leistung in jedem Anwendungsfall zu erbringen.

Regelungstechnik

Die Steuer- und Regeltechnik zu den Verbundanlagen wurde ebenfalls von Fischer Kälte-Klima geliefert. Für die Regelung der R449A-Anlage, die für die Sole-Kühlung der zwei subkritischen CO2-Anlagen zuständig ist, sorgt der Verbundregler „pCO5 large“ aus dem Hause Carel. Die Expansionsventilregelung übernehmen zwei „EVD evolution“ ausgestattet mit LCD-Bedienteil und „Ultracap“-Modul, welches für das sichere Schließen der Ventile bei Spannungsausfall sorgt und die Kältemittel-Verlagerung unterbindet.

Die jeweils ersten Verdichter der R744-Anlagen sind mit „Vacon“-Frequenzumrichter ausgestattet. Durch die optimale Abstimmung der zwei Reglersysteme „pCO5 large“ und der Erweiterungsmodule „pCOe“ wird ein bestmögliches Regelverhalten an allen Betriebspunkten sichergestellt, welches wesentlich zur Effizienzsteigerung beiträgt. 

Neben den insgesamt drei Reglersystemen, die jeweils durch ein Bedienterminal „pGD1“ gesteuert werden, sowie der verbauten Notrufalarmanalage „coldWatch“ werden alle Regelungssysteme durch das übergeordnete Carel-Monitoringsystem „boss Standard“ überwacht. Die benötigte hohe Regelungsqualität der Verdampferpakete wird durch zwölf „EVD evolution“ sichergestellt, die mit zwölf LCD-Bedienteilen sowie zwölf „UltraCaps“ ausgestattet sind.

Einzigartiges Projekt

Der terraXcube ist ein hochambitioniertes Projekt, das in der Zukunft weitreichende Erkenntnisse für die Medizin, Landwirtschaft und Industrie liefern soll. Dem zukünftigen erfolgreichen Betrieb steht nach erfolgreicher Detailplanung, Auslegung und Bau der gesamten Anlage durch das Experten-Team von regineering sowie der Expertise von [CF]Systems im Kälteanlagen-Verbundbau sowie den perfekt auf die Anforderungen abgestimmten Komponenten nichts im Weg. Der terraXcube wird sich damit in der Zukunft zu einem europäischen Referenzzentrum und zum Bezugspunkt für öffentliche und private Einrichtungen entwickeln.

Daten und Fakten zum terraXcube

Anforderungen: Gleichzeitige Kombination der Umweltparameter, um komplexe multifaktorielle Szenarien zu simulieren.
– Simulierte Maximalhöhe: bis 9.000 m mit entsprechendem Luftdruck und Sauerstoffgehalt
– Temperaturbereich: -40 °C bis + 60 °C
– Wind: bis zu 108 km/h
– Niederschlag: Regen bis zu 60 mm/h und Schnee bis zu 50 mm/h
– Beleuchtung: Tag/Nacht-Simulation bis zu 1.000 lux
Bauherr: Eurac Research, Drususallee 1, 39100 Bozen
Planung, Auslegung und Bau: regineering GmbH, Am Dörrenhof 13a, 85131 Preith Systemlieferant Kältetechnik: Christof Fischer GmbH, Augsburger Straße 289-293, 70327 Stuttgart
Kälteanlagenbauer: KKR – Kälte Klima Röhler, Via E.-Fermi-Straße 4, 39100 Bozen Fertigstellung: 30.November 2018
Investitionskosten: ca. 5 Millionen Euro

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