Erfolgreiches „Fachforum Kältetechnik“

Im Fachforum Kältetechnik wurden die Hauptkomponenten einer Kälteanlage in den Fokus gerückt. Und hier waren mit Bitzer (Verdichter), Güntner (Verdampfer/Verflüssiger), ebm-papst (Ventilatoren) und Wurm (Regeltechnik) namhafte Hersteller an Bord, die über Grundlagen und neueste Entwicklungen bei den wichtigsten Komponenten eines Kältesystems informieren konnten. Und mit der Firma Combitherm war ein weiterer Partner vertreten, der die Komponenten zu einem funktionierenden Gesamtsystem zusammenstellte und aus Sicht eines Anlagenbauers schilderte, welche Anforderungen an zukunftssichere Kältesysteme zu stellen sind. Ergänzt wurde das Programm durch Vorträge von Betreibern von großen Kälteanlagen – hierbei wurden von Stefan Winkelmann, Leiter Technisches Gebäudemanagement NürnbergMesse, und von Horst Harbusch-Geier, Leiter Technische Gebäudeausrüstung Koelnmesse, die Kältekonzepte der Messestandorte in Nürnberg und Köln sowie von Jens Pruszynski, Leiter Team Facility bei Beiersdorf Manufacturing Hamburg, die Kältetechnik bei einem Hersteller von Hautpflegeprodukten erläutert.

Combitherm-Geschäftsführer Steffen Klein eröffnete den Reigen der Vorträge und legte den fachlichen Grundstein für das Fach­forum. Er zeigte auf, in welcher Größenordnung und in welchen Teilbereichen einer Kälteanlage Effizienzsteigerungen möglich sind. Auf Grundlage einer Studie des Forschungsrats Kältetechnik benannte er folgende Potentiale der Effizienzsteigerung: Verdichter 3 %, Wärmetauscher 12 %, Regelung und Betriebsführung 10 %, Anlagenoptimierung 8 %, Einsparung Kältebedarf 7 %. Im Folgenden konnten die Referenten aufzeigen, dass diese Potentiale auch tatsächlich gehoben werden können.

Optimale Verdichterauslegung und -konfiguration

Den Anfang machte Andreas Riesch, Vertriebsleiter Deutschland und Schweiz bei Bitzer, mit seinem Vortrag „Optimale Verdichter­auslegung und -konfiguration für zukunftssichere Systeme“. Bei der Auswahl einer Kälteanlage bzw. der richtigen Komponenten gilt es verschiedene Anforderungen zu berücksichtigen, deren Einhaltung nicht immer in gleicher Weise möglich ist. Dies sind in erster Linie: Steigerung der Energieeffizienz, um Betriebskos­ten und CO₂-Emissionen zu senken, Verringe­rung der Schall­emissionen, Reduzierung der Abmessungen und des Gewichts, niedrige Investitionskosten, Ausfallsicherheit. Die sichere und vor allem sinnvolle und durchdachte Kombination der einzelnen Komponenten einer Kälteanlage ist dabei entscheidend für den Erfolg und die Zukunftssicherheit. Nach Auffassung von Andreas Riesch ist daher die wichtigste Aufgabe zu Beginn eines Planungsprozesses eine genaue Definition der Anwendungsgebiete. Luft- oder wassergekühlt? Prozess- oder Komfortkühlung? Heizen und/oder Kühlen? Wärmerückgewinnung? Volllast- oder Teillastoptimierung? Ganzjahresbetrieb oder nur zu Spitzenzeiten? Sind Bestandsanlagen vorhanden? Bevor diese Fragen nicht geklärt sind, lässt sich keine Kälteanlage bzw. kein Verdichter optimal auswählen. Wichtig ist in der Folge auch, dass man bei der Auswahl verschiedener System nicht Äpfel mit Birnen vergleicht. Gerade bei der Betrachtung von Leistungszahlen sei besondere Aufmerksamkeit geboten, betonte Andreas Riesch. Hier gebe es eine Fülle von Varianten wie COP, EER, IPLV oder (E)SEER, die man exakt verwenden und bewerten müsse. So bezeichnet der EER das Verhältnis von erzeugter Kälteleistung zur eingesetzten elektrischen Leistung. Meist ist dies aber eine Momentaufnahme bei Maximallast des Verdichters und der EER hat nur eine begrenzte Aussagekraft über das tatsächliche Verhalten der Anlage. Der Betrieb bei Teillast ist oft der Regelfall und die Volllast ist die Ausnahme. Berücksichtigt werden saisonale Unterschiede des Betriebsverhaltens durch die saisonale Leistungszahl (E)SEER, bei der prozentuale Gewichtungen der Laufzeiten im Jahr vorgenommen werden. Die saisonale Leistungszahl wird künftig noch höhere Bedeutung erlangen, da sie bei der Bewertung von Flüssigkeitskühlsätzen und Kaltwassersätzen im Rahmen der Ecodesign-Richtlinien anzuwenden ist. Nach Inkrafttreten der Richtlinien müssen die in den sogenannten „Lots“ geregelten Produkte Mindesteffizienzkriterien einhalten; sonst dürfen sie nicht in der EU verkauft werden.

Wie wählt man nun den geeigneten Verdichter aus und wie regelt man ihn optimal? Bitzer hat hierfür in seiner Auslegungssoftware alle erforderlichen Parameter hinterlegt, um eine verlässliche Auslegung zu ermöglichen. Zur Leistungsregelung bei Schraubenverdichtern werden vor allem die beiden Varianten Drehzahlregelung und Schieberregelung verwendet. Wird der Verdichter vor allem unter Volllast betrieben, spielt der schiebergeregelte Verdichter (z.B. der „CSH“-Schraubenverdichter von Bitzer) seine Stärken aus, bei Teillast ist der über einen angebauten Frequenzumrichter drehzahlgeregelte Verdichter (z.B. die „CSVH“-Schraube von Bitzer) nicht zu toppen. Die genaue Anwendungsanalyse im Vorfeld und die Berechnung und der Vergleich in der Auslegungssoftware sind daher zwei Punkte, die bei der Verdichterauswahl immer berück­sichtigt werden sollten.

Optimierte Wärmeüber­trager

Nach der Verdichtertechnik behandelte Heinz Jackmann, Leiter Produktmanagement bei Güntner, das Thema „Betriebssicherheit und Energieeinsparung durch optimierte Wärmetauscher“. In seinem Vortrag be­han­delte er die Aspekte, die für die Zukunftssicherheit der Pro­dukt­gruppe Wärmetauscher relevant sind. Um die Energieeffizienz bei einem Verdampfer oder Ver­flüs­siger zu verbessern, sollte man, wie hinlänglich bekannt, die Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen Verdampfungs- und Raumtemperatur bzw. zwischen Kondensations- und Umgebungstemperatur so gering wie möglich halten. Gelingt es, die Verflüssigungstemperatur um ein Grad zu senken, bzw. die Verdampfungstemperatur um ein Grad zu heben, so erzielt man damit im Schnitt eine Verbesserung des EER um 3 %. Auf der kalten Seite sind dies auch immer 3 % Energieeinsparung, auf der warmen Seite gibt es Grenzen, weil die Umgebungstemperatur – im Gegensatz zur Raumtemperatur – schwankt. Das ΔT lässt sich allerdings nicht beliebig reduzieren, um die Energieeinsparung zum Optimum zu bringen. Die Betriebsart der Kälteanlage gibt hier Grenzen vor. So lässt sich beim Verdampfungsprozess bei Einsatz eines thermostatischen Expansionsventils das ΔT nur auf ca. 8 K reduzieren, bei elektronischen Expansionsventilen liegt die praktische Grenze bei ca. 5 K und bei überflutetem Betrieb bei ca. 3 K. Eine weitere Absenkung des ΔT gelingt nach Auffassung von Heinz Jackmann nur unter Laborbedingungen.

Ein wichtiger Trend in der Kältetechnik ist der Versuch, die Kältemittel-Füllmengen in einem System zu reduzieren. Es gibt mehrere Gründe bzw. Vorteile, die sich aus einer Füllmengenreduzierung ergeben:

Eine mögliche Antwort von Güntner hierfür ist der Micro­channel-Wärmetauscher („microox“), der komplett aus Aluminium gefertigt wird. Er ist um bis zu 50 % leichter als herkömmliche Lamellen-Rohr-Wärmeübertrager und bietet eine bis zu 78 % geringere Füllmenge im Vergleich zum 12 mm-Rohr.

Wie bei den Verdichtern ist auch bei den Verflüssigern die Leistungsregelung ein Gebot der Stunde. Heinz Jackmann empfahl in diesem Zusammenhang die Verwendung von EC-Ventilatoren, die man über die Drehzahlregelung perfekt an den tatsächlichen Leistungsbedarf des Kältesystems anpassen kann. Oft werde beim Einsatz mehrerer Verflüssiger nur einer drehzahlgeregelt, es sei aber viel effektiver, alle Ventilatoren gleichzeitig in ihrer Drehzahl zu regeln, betonte Jackmann. Ein Beispiel: Senkt man die Luftmenge eines Verflüssigers auf 75 % durch Reduzierung der Drehzahl aller Ventilatoren, so sinkt die Energieaufnahme der Ventilatoren auf 50 %; die Leistung des Verflüssigers sinkt jedoch nur auf 86 %. Empfehlenswert ist auch die Verwendung des Güntner Motor Managements (GMM), einem intelligenten Regelsystem für Verflüssiger. Das GMM verfügt u.a. über eine menügeführte Programmierung der Ventilator-Drehzahl, eine Speicherung der Parameter aller Ventilatoren, eine Losrüttel-Funktion (bei Eis und Schnee) und eine Modbus/Profibus-Schnittstelle.

Ein Herzensanliegen von Heinz Jackmann waren auch seine Hinweise zur optimalen Aufstellung von Verdampfern und Verflüssigern. Hierbei werde viel Energie verschwendet, weil z.B. Verflüssiger auf der Sonnenseite eines Gebäudes stehen, bauliche Hindernisse auf dem Gebäudedach oder falsch gelagerte Ware im Kühlraum zu Luftkurzschlüssen führen oder generell nicht genügend Abstand eingehalten wird für den erforderlichen Luftaustausch.

Ein letzter Hinweis zur Reinigung von Verflüssigern rundete den Vortrag ab. Verflüssiger verschmutzen über das Jahr, was zu einem Anstieg des luftseitigen Druckverlusts, zu einer Verringerung des Wärmeübergangs und damit verbunden zu höheren Verflüssigungstemperaturen führt. Dies erfolgt vor allem in den Monaten April bis August. Aus Sicht von Güntner ist daher vor allem Ende August eine Reinigung dringend erforderlich, um nicht den ganzen Herbst und Winter mit den verdreckten Verflüssigern zu arbeiten.

Einfluss von Ventilatoren auf die Systemeffizienz

Die Komponente Ventilator findet sich im Kältekreislauf in Verdampfern, Verflüssigern, in Verflüssigungssätzen und Kühlmöbeln. Bernd Kistner, Markt-Manager Kältetechnik, und Johannes Dierolf, Projektingenieur, beide beim Ventilatorenhersteller ebm-papst tätig, beleuchteten in ihrem Vortrag die applikationsoptimierte Ventilatorenauswahl als Voraussetzung für optimale Systemeffizienz.

Ein EC-Ventilator besteht aus einem Motor, der Strömungsmaschine und einer Elektronik; der Gesamtwirkungsgrad eines Ventilators ergibt sich aus der Multiplikation der Einzelwirkungsgrade dieser Teile. Ein geringer Teilwirkungsgrad zieht somit den Gesamtwirkungsgrad nach unten, was bedeutet, dass alle Komponenten eines Ventilators „stimmen“ müssen. Motoren und Elektronik sind – zumindest bei ebm-papst – sehr nahe am technischen Maximum. Das größte Optimierungspotential steckt noch in der Strömungstechnik. Hier kann man zum einen Schaufelform und -winkel sowie die Düsenform und -länge variieren, zum anderen lässt sich die Performance durch Anbauteile verbessern. Beispiele aus der ebmpapst-Forschung hierfür sind der sogenannte „AxiTop“ und der „FlowGrid“. Hinter „AxiTop“ verbirgt sich ein Diffusor, der auf den Ventilator (auch nachträglich möglich) aufgebaut wird. Mit ihm lassen sich die Austrittsverluste der Luft reduzieren, was zu einer Erhöhung der nutzbaren statischen Luftleistung und zu einer Senkung des Energieverbrauchs führt. Gleichzeitig sinken die Geräusch­emissionen. In einer Kundenanwendung, bei der der Diffusor nachgerüstet wurde, konnte eine Energieeinsparung von 27 % und eine Geräuschminderung um 7,2 dB(A) erreicht werden. Der „FlowGrid“ ist quasi ein „Luft-Gleichrichter“, der die Zuströmung zum Ventilator optimiert. Bei nicht idealen Zuström­bedingungen entstehen akustische Probleme, die man durch ein Vorleitgitter in den Griff bekommen kann. Gerade besonders unangenehme Frequenzen können mit dem Gleichrichter reduziert werden.

Wie bei den Verdichtern und Wärmetauschern ist die richtige Komponentenauswahl auch beim Ventilator das A und O. Bei der Auswahl ist es unbedingt erforderlich, den Arbeitspunkt des Ventilators genau zu bestimmen, denn selbst der beste Ventilator kann eine schlechte Wahl sein, wenn das Wirkungsgradoptimum zu weit vom realen Betriebspunkt entfernt ist. Neben der Effizienz­verbesserung gilt es aber auch die Geräuschemissionen zu reduzieren. Das Optimum eines Ventilators in Bezug auf Effizienz und Geräuschentwicklung liegt dabei nicht unbedingt im gleichen Arbeitspunkt, so dass man je nach Anforderungen Kompromisse eingehen muss. Hier unterstützt ebm-papst seine Kunden in der ganz individuellen Suche nach dem bestmöglichen Produkt.

Bernd Kistner und Johannes Dierolf stellten in ihrem Vortrag auch die Vorteile der EC-Technik bei Ventilatoren vor. Ein EC-Motor ist ein bürstenloser Synchronmotor mit Permanentmagneten und elektronischer Kommutierung, der in der Kälte- und Klimatechnik bereits sehr erfolgreich Einzug gehalten hat. Im Zuge der weiteren Revision der Ecodesign Verordnung (327/2011) gibt es bereits erste Vorschläge für eine weitere Verschärfung der Mindesteffizienzanforderungen für Ventilatoren ab 2020, die die Verwendung von bisherigen Ventilatoren in AC-Technik nahezu unmöglich machen und diese nur noch ausschließlich in EC-Technik erreichbar sein werden. Für die AC-Technik wird daher die Luft spätestens ab 2020 im wahrsten Sinne des Wortes sehr dünn. EC-Ventilatoren haben aber noch weitere Vorteile:

Regelung und Anlagen-monitoring

Der Ventilator, der Verdichter und der Wärmetauscher können für sich gesehen noch so gut sein, ohne die abgestimmte Re­geltechnik kann keine Kälte­anlage optimal laufen. Mit der Firma Wurm und deren Re­ferenten Alexander Schütz, technischer Vertrieb, und Matthias Kordon, Leiter Produktmanage­ment, war ein Spezialist in Sachen Regeltechnik mit von der Partie, der Wissenswertes zum Thema „Regelung und Monitoring“ vermittelte. Bis heute hat die Firma Wurm bereits in 20 000 Projekten Regelgeräte im Einsatz und seit 25 Jahren Erfahrungen mit der Datenfern­übertragung gesammelt. Die Regelungstechnik ist erforderlich, um Qualitätssiche­rung, Überwachung, Anlagen­sicherheit, Umweltschutz, Energie­effizienz und Automatisierung von und bei Kälteanlagen zu managen, ja diese überhaupt zu ermöglichen.

Vor der Auswahl der Komponenten steht die Anwendungs­analyse. Was muss alles geregelt werden? Welche Regelaufgaben sind erwünscht? In welcher Umgebung steht die Anlage? Wie muss die Sensorik beschaffen sein? Sind Erweite­rungen absehbar? Die Regelungstechnik sollte möglichst alle Aufgaben erledigen, ohne dabei aber übers Ziel hinaus zu schießen. Großen Wert sollten Kunden bei der Auswahl eines Regelsystems auch auf die Zukunftssicherheit legen. Bauteile sollten auch in vielen Jahren noch verfügbar sein, es müsse eine Kompatibilität zu bestehenden und künftigen Systemen bestehen und sowohl die Inbetriebnahme als auch die Bedienung sollten nach Möglichkeit nicht nur von Experten möglich sein.

Neben der Sensorik, der Aktorik und Regelung der Kälteanlage und der einzelnen Komponenten ist die übergeordnete Daten­übertragung, -speicherung, -auswertung und vor allem auch die Datenvisualisierung von entscheidender Bedeutung, um ein Kältesystem optimal zu betreiben. Nach Auffassung von Wurm sollte man dabei auf ein einheitliches Gesamtsystem setzen, um Schnittstellenprobleme nach Möglichkeit zu eliminieren. Dabei sollte man auch einen Spezialisten im Bereich Kältetechnik wie die Firma Wurm auswählen, denn neben der elektrotechnischen Kompetenz eines Regeltechnikanbieters sei auch das Gesamt-Know-how rund um die Kälteanlage wichtig.

Die Datenerfassung allein genügt jedoch nicht, um ein Kältesystem zu beherrschen. Bei der Fülle an Daten, die eine Anlage liefert, verliert man sich als Betreiber sonst in Zahlenwüs­ten. Daher legt Wurm großen Wert auf eine möglichst komfortable und leicht verständliche Darstellung der Messergebnisse, die sich aus einer kontinuierlichen Übertragung und Auswertung der Anlagendaten ergeben. Die Firma Wurm betreibt eine eigene Server­farm, in der die Daten von 6000 Projekten gesammelt und ausgewertet werden. Über 175 Mrd. Datensätze liegen auf den Servern, jede Nacht kommen ca. 120 Mio. Datensätze hinzu. Die Serverfarm steht in Deutschland und wird von Wurm selbst betrieben, um die Datensicherheit im Griff zu haben und den ungewollten Zugriff auf Kundendaten ausschließen zu können.

Kältesystem der Zukunft

Zum Abschluss des Fachfo­rums übernahm wieder Steffen Klein von Combitherm das Zepter. Er berichtete über die Anforderungen an Kältesysteme der Zukunft. Ein Schlagwort in diesem Zusammenhang ist „Flexibilität“. Steffen Klein machte deutlich, dass es in Zukunft nicht mehr nur um die Effizienz eines (Kälte-)Systems geht, sondern dass Maschinen und Elektrogeräte auch energieflexibel sein müssten, um sich an kurzfristige Änderungen des Energiemarktes anpassen zu können. Die Firma Combitherm ist Mitglied im Forschungsverbund „Forenergy“, der sich mit der Erarbeitung von Konzepten für eine energieflexible Fabrik beschäftigt – Energiespeicher, energieflexible Anlagentechnik und intelligente Steuerungen werden dabei untersucht.

Die kältetechnische Antwort von Combitherm auf diese Anforderungen des Marktes ist das „ANSOR“-Konzept – eine Komplettlösung mit dem Schwerpunkt Effizienz und Flexibilität, die sich besonders für Prozesse mit schwankenden Bedingungen eignet. Die Kältemaschinen mit einer thermischen Leistung je Aggregat von 250 bis 2500 kW sind modular aufgebaut, werden stufenlos geregelt (Verdichter, Ventilatoren und auch Pumpen), sind besonders geeignet für schwankende Bedingungen (optimiert für Teillast) und sind Smart Grid-fähig. Konkret setzt Combitherm auf Kompakt-Schraubenverdichter mit integriertem Frequenzumformer, Plattenverdampfer mit dualer Einspritzung, Kondensator als Plattenwärmeübertrager oder Luftverflüssiger mit EC-Ventilatoren, hydraulische Pumpen mit Frequenzumformer, elektronische Expansionsventile und ein Touchpanel zur Bedienung. Letzteres ist eine Besonderheit, denn die Regelungstechnik und die entsprechende Visualisierung bieten deutlich mehr als viele marktübliche Geräte. Combitherm hat aufwändige Regelalgorithmen entwickelt, die sämtliche Anlagendaten berücksichtigen. So liefert allein der Verdichter ca. 70 Einzeldaten, aber auch alle Betriebsdaten der Pumpen, der Verflüssiger, der Ventilatoren etc. werden erfasst, ausgewertet und anschaulich dargestellt.

Ein weiterer Schwerpunkt des Vortrags war die freie Kühlung. Wann immer sich die Freikühlung anbietet, empfiehlt er diese seinen Kunden, denn mit ihr ist der – zumindest teilweise – Verzicht der Kälteerzeugung durch Kompressionskältemaschinen möglich. Ziel ist die Reduzierung des Energieeinsatzes durch Ausnutzung des Exergiepotentials von Umgebungsluft und -wasser. Kriterien für den sinnvollen Einsatz der Freikühlung sind:

Sind zwei dieser Kriterien erfüllt, lohne es sich den Einsatz von freier Kühlung zu bedenken, empfahl Steffen Klein. Bei allem Ehrgeiz von Ingenieuren und Anlagenbauern, das technisch Machbare auszureizen und umzusetzen, müsse man sich aber immer klar machen, dass die Befriedigung der Kundenbedürfnisse und die langfristige Zuverlässigkeit einer Kälteanlage im Mittelpunkt der Bemühungen stehen müssen.

Die Befriedigung der Bedürfnisse der Teilnehmer des Fachforums Kältetechnik gelang allen Referenten jedenfalls in hervorragender Weise, wie die exzellenten Bewertungen zeigen. Auf die Frage, ob die Teilnehmer an einem weiteren Fachforum Kältetechnik teilnehmen würden und ob ihre Erwartungen erfüllt worden seien, antworteten bei allen fünf Veranstaltungen jeweils über 95 % mit „Ja“, zweimal gab es sogar 100 % Zustimmung.