15.12.2009: Energieeffiziente und Innovative Kälteanlagen

Die beste Energie ist gesparte Energie

Die Zeiten sind längst vorbei, in denen beim Kauf einer Kältemaschine allein die Anschaffungskosten entscheidend waren. Immer mehr rücken die im Laufe des Betriebslebens verursachten Gesamtkosten in den Blickpunkt. Generell betragen die Folgekosten bei einer Kälteanlage bis zu siebzig Prozent der Investitionskosten. Dabei machen die Ausgaben für Energie je nach Anwendungsfall bis zu neunzig Prozent der gesamten Folgekosten. Die Wahl einer passenden Kälteanlage hilft daher, den Energieverbrauch zu senken. Energie sparen ist deutlich komplexer, als es oft dargestellt wird. Verschiedene Maßnahmen ergänzen einander und erlauben so den optimalen Umgang mit der kostbaren Ressource. Grob lassen sich die erforderlichen Maßnahmen in fünf Punkte gliedern: bedarfsgerechte Dimensionierung, Wärmerückgewinnung, Winterentlastung durch freie Kühlung, gleitende Kondensationsdruckregelung und elektronische Drehzahlregelung.

Am Anfang steht die Auswahl einer richtig ausgelegten Kälteanlage. In vielen Anlagen finden sich noch heute überdimensionierte Antriebe, falsch dimensionierte Wärmetauscher oder es wird nicht das optimale Kältemittel für den jeweiligen Anwendungsbereich eingesetzt. Das geschieht entweder, um eine Art Leistungspuffer zu haben oder einfach, weil keine besser geeignete Kälteanlage gefunden wurde, da nur der Anschaffungspreis entscheidend war. Wer effizient mit Energie umgehen will, sollte Kälteanlagen einsetzen, die im Bereich ihres optimalen Wirkungsgrades arbeiten. Ein breites Anlagenspektrum von leistungsregulierten Schraubenverdichtern über elektronische Expansionsventile und frequenzgeregelte Pumpen und Ventilatoren, bis hin zu kundenspezifischen Ausführungen schafft die wichtigste Basis für eine energiebewusste Anlagenauswahl.

Es bestehen mehrere Möglichkeiten der Wärmerückgewinnung (WRG) aus thermischen Prozessen. Die Energieströme sollten hinsichtlich des Nutzungspotenzials der anfallenden Abwärme aus der Produktion untersucht werden, z.B. bei der Hydraulikkühlung oder einer Werkzeugkühlung. Das Temperaturniveau bei der Hydraulikkühlung liegt bei 30 bis 35 °C. Die Abwärme kann daher direkt zur WRG genutzt werden, z.B. durch Einspeisung in eine Fußbodenheizung oder zur Hallenbeheizung über speziell ausgelegte Lufterhitzer mit einer großen Wärmetauscherfläche, die bei einer geringen Vorlauftemperatur noch annehmbare Luftausblastemperaturen gewährleisten. Das Temperaturniveau bei der Werkzeugkühlung liegt bei 10 bis 15 °C und wird durch elektrisch betriebene Kälteanlagen oder Wärmepumpen erzeugt. Bei diesen Kälteanlagen bzw. Wärmepumpen wird durch den Einbau von zusätzlichen Wärmetauschern auf der Heißgasseite die zurückgewonnene Wärme zur direkten Nutzung in Heizungsanlagen und Warmwasserspeichern verwendet. Bei der Auswahl der Anlagenkomponenten muss auf die Energieeffizienz des Gesamtsystems geachtet werden. Die Leistungszahl einzelner Bausteine an sich ist nicht repräsentativ.

Die freie Kühlung (FK), auch Winterentlastung genannt, bedeutet eine Ausnutzung der Umgebungstemperatur zur direkten Kühlung des Kühlwassers. Wann immer möglich sollte die freie Kühlung für die Kaltwassererzeugung genutzt werden, da sie von allen Verfahren den niedrigsten Energieverbrauch hat. Dazu wird ein zusätzlicher luftgekühlter Wärmetauscher in den Anlagenkreislauf integriert, der ab einer Lufttemperatur, die ca. zwei Kelvin unterhalb der Rücklauftemperatur des Kühlmediums liegt, der Kälteanlage vorgeschaltet wird. Bei einer Temperaturdifferenz zwischen Vorlauf und Rücklauf von fünf Kelvin werden schon bei einer Abkühlung um nur ein Kelvin durch die freie Kühlung zwanzig Prozent Energie eingespart. Bei einer Außentemperatur von vier bis fünf Kelvin unterhalb der Vorlauftemperatur des Kühlmediums kann die gesamte Kühlung mit der freien Kühlung erzeugt werden. Je höher die Vorlauftemperatur gewählt werden kann, desto mehr Stunden stehen für die Entlastung der Kompressionskältemaschine zur Verfügung. Somit können die Betriebskosten im Vergleich zu konventionellen Kältemaschinen enorm gesenkt werden, je nach Anlagenart um 70 bis 80 Prozent.

Die gleitende Kondensationsdruckregelung

Das Verhältnis von aufgenommener zu abgegebener Wärmemenge und aufzuwendender elektrischer Arbeit ist sowohl vom verwendeten Kältemittel als auch von den vorliegenden Temperaturniveaus abhängig. Bei einer Absenkung der Verflüssigungstemperatur steigt die Kälteleistung und gleichzeitigsinkt die aufzuwendende Verdichterleistung. Beide Mechanismen tragen zu einer Steigerung des COP (Coefficient of Performance) bei. Der Wirkungsgrad beschreibt das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand. Im Normalfall beträgt die Verflüssigungstemperatur 47 °C bei 35°C Lufttemperatur. DieLage der Verflüssigungstemperatur bestimmt den Energieverbrauch einer Kälteanlage entscheidend. Man sollte deshalb größten Wert darauf legen, die Verflüssigungstemperatur so niedrig wie möglich zu halten. Der Wärmedurchgangskoeffizient im Wärmetauscher ist gerätespezifisch und sollte so hoch wie möglich sein. Je größer die Wärmetauscherfläche ist, desto niedriger kann die Verflüssigungstemperatur gewählt werden. Fast trivial ist die Tatsache, dass die Verflüssigungstemperatur direkt mit der Lufteintrittstemperatur aus der Umgebung verknüpft ist. Das verlangt natürlich, dass der Wärmetauscher mit möglichst viel Frischluft beaufschlagt wird. Inwieweit man die Verflüssigungstemperatur absenken kann ist von der Art und Bauweise des Verdichters und der Expansionsorgane abhängig. Beide haben auf die Festlegung einer minimal möglichen Verflüssigungstemperatur hohen Einfluss. Die Kombination von entsprechenden Schraubenverdichtern, optimal ausgelegten Verflüssigern, dem Kältemittel R 134a, elektronischen Expansionsventilen und der intelligenten L&R–Frigocontrol-Steuerung gewährleistet, dass die theoretisch notwendige Verflüssigungstemperatur der Lufttemperatur über den gesamten Zeitraum mit derselben Differenz folgt. Alle bisherigen Angaben zum COP einer Kälteanlage berücksichtigen als Aufwand nur die Antriebsenergie am Verdichter. Die Verwendung von Ventilatoren mit hohem Energieverbrauch kann jedoch dazu führen, dass der gesamte COP deutlich verschlechtert wird. Will man energiesparende Kälteanlagen konstruieren, sollten auch energiesparende Ventilatoren verwendet werden.
Die Bereitstellung von Wärme und Kälte während der verschiedenen thermischen Verfahren erfordert heute ein ausgeklügeltes Energiemanagement. Durch die intelligente L&R–Frigocontrol-Steuerung werden Verdichter, Pumpen und Ventilatoren bedarfsgerecht und energetisch optimal geregelt. Gerade Pumpen und Ventilatoren sind sehr gut geeignet, um Einsparungen zu erzielen. Sie gehören neben den Verdichtern zu den größten Verbrauchern elektrischer Energie bei Kälteanlagen. Idealerweise geht ihr Energieverbrauch in der dritten Potenz mit der Drehzahl zurück. Eine einfache, aber sehr effektive Methode ist daher die Drehzahlregelung. Die benötigte Kühlwassermenge ist je nach Produktionsauslastung, Jahreszeit, tageszeitlichem Bedarf und der Differenz zwischen Ist- und Solltemperatur stark unterschiedlich. Um die Versorgung mit Kühlwasser optimal und energieeffizient zu gewährleisten, werden die Pumpen abhängig vom Anlagendruck über den Frequenzumformer geregelt und zusätzlich je nach Bedarf zu- und abgeschaltet. Die Betriebsstundenzahl der einzelnen Pumpen regelt die Frigocontrol-Steuerung, so dass eine gleichmäßige Auslastung aller Pumpen gewährleistet ist. BR/ct
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Schwerpunkt 'Kältetechnik' (Teil 3): Lesen Sie hier weiter...