Verlässliche Kühlung für die Halle 12

Ehemals zu Heizzwecken wird seit 50 Jahren ein eigenes Hochdruckdampfnetz auf dem Gelände der Messe Frankfurt betrieben. Den Dampf erzeugte man bis 1986 in einem eigenen Heizkraftwerk. Seit 1986 speist der Versorger Mainova das Netz. Der gelieferte Dampf ist in den Sommermonaten praktisch ein Abfallprodukt. Diese Voraussetzung hat dazu geführt, dass die Messe Frankfurt zur Klimatisierung ihrer Hallen auf die Absorptionskältetechnik setzt. 

„Die Messe Frankfurt hat mit Absorptionskältemaschinen über mehrere Dekaden hinweg durchgehend positive Betriebserfahrungen gesammelt“, berichtet Stephan Hahn, als Teamleiter zuständig für die Gewerke Heizungs-, Kälte-, Lüftungs- und Sanitärtechnik bei der Messe Frankfurt, und untermauert dies mit dem folgenden Beispiel: „2004 haben wir in unsere Wirtschaftsgebäude-Dependance eine alte über mehrere Jahre eingelagerte Absorptionskältemaschine wieder eingebaut. Die arbeitet seitdem ohne Ausfall. Bei einer zum gleichen Zeitpunkt in die Dependance eingebauten neuen Kompressionskältemaschine mussten wir bereits drei Verdichter erneuern.“

Diese Ausfallsicherheit ist in Frankfurt am Main das wesentliche Argument für den Einsatz von Absorptionskälte. Denn wenn die Hallen während einer Veranstaltung mit Ausstellern und Besuchern gefüllt sind, muss auf die Kühlung unbedingt Verlass sein. „Absorptionskältemaschinen sind nicht nur wesentlich langlebiger als Kompressionskälteanlagen, sondern bieten darüber hinaus auch eine hohe Ausfallsicherheit, weil wenig bewegliche Teile in den Maschinen verbaut sind“, erklärt Stephan Hahn. „Darüber hinaus sind die notwendigen Wartungsarbeiten überschaubar und können im Gegensatz zur Kompressionskälte in großen Teilen auch von unseren eigenen Mitarbeitern durchgeführt werden. Diesen Vorteilen gegenüber stehen allerdings höhere Investitionskosten für die Maschinen und die erforderliche Rückkühlleistung, sowie ein deutlich geringerer Wirkungsgrad verglichen mit Kompressionskühlern.“

Konzept verbindet Absorptions- und Kompressionskälte

Bei einem Betrieb im Schwachlastbereich – unter 20 % der installierten Kälteleistung – kommen die Absorptionskältemaschinen an ihre Grenzen. Aus diesem Grund kombiniert das Kältekonzept der Halle 12 rund 80 % Absorptions- mit 20 % Kompressionskälteleistung. Insgesamt drei Absorptionskältemaschinen à 3 MW Kälteleistung arbeiten mit drei Kompressionskältemaschinen à 1 MW zusammen. Ist die Halle komplett ausgelastet, übernehmen die Absorber die Grundlast und die Kompressionskühler die Spitzen. Bei kleineren Veranstaltungen geht die Kompressionskälte alleine an den Start. Und auch für den Fall, dass nur einzelne Räume gebucht werden, gibt es ein eigenes Konzept für deren Klimatisierung.

„Wir haben hinter der Sammelschiene der Erzeugerkreisläufe eine hydraulische Weiche eingebaut“, erläutert Stephan Hahn. „Diese trennt zum einen die Erzeuger- von den Verbraucherkreisläufen, zum anderen ist sie auch als Pufferspeicher ausgelegt. Wenn wir beispielsweise nur ein Restaurant für eine Veranstaltung klimatisieren müssen, kühlen wir das System einmal herunter und liefern dann für den Rest des Tages die Kälte aus dem Speicher. Auf diese Weise vermeiden wir, dass die Kompressionskältemaschinen aufgrund geringer Auslastung ins Takten geraten.“ Gekühlt wird über Induktionskühler in den Deckenbereichen und 46 Lüftungsanlagen. Insgesamt 50.000 m² Lüftungskanäle sorgen für den direkten Wärmeaustausch.

Auf eine komplette Automatisierung der Kälteversorgung hat die Messe Frankfurt bewusst verzichtet. Stattdessen können verschiedene Szenarien auf der Managementbedienebene (MBE) manuell ausgewählt und bei Bedarf angepasst werden. „Je nach den inneren und äußeren Lasten am Veranstaltungstag können wir hier bestimmen, welche Art der Kälteerzeugung den Vorrang hat“, erklärt Stephan Hahn die Vorgehensweise. „Das können wir nicht der Automatik überlassen, denn die kann nicht erkennen, wie viele Besucher sich in der Halle aufhalten, wie viel Beleuchtung benötigt wird und wie sich die Lasten im Tagesverlauf entwickeln werden. Das müssen wir manuell nachsteuern.“

Verbesserter COP durch Double-Effects-Technologie

Während für die Steuerung der Kälteanlagen ein Display ausreicht, ist für ihre Unterbringung einiges mehr an Platz erforderlich. Mit einer Länge von jeweils 6.680 mm, einer Breite von 3.190 mm und einer Höhe von 3.780 mm würden die drei Absorptionskältemaschinen vom Typ ST 992 des chinesischen Herstellers Shuangliang eine 60 m² große Altbauwohnung komplett ausfüllen. „Als Betriebsgewicht inklusive dem Kältemittel Lithium-Bromid bringen die Kühler jeweils 35,8 t auf die Waage“, quantifiziert Heinz Weitkamp, zuständig für Projektierung und Vertrieb bei der Rütgers GmbH & Co.KG, Mannheim, und dort verantwortlich für die Umsetzung des Messeprojekts. Rütgers Kälte Klima ist Generalvertreter für Absorptionskältemaschinen von Shuangliang in Deutschland und hat die drei 3-MW-Maschinen für die Kälteversorgung der Halle 12 geliefert.

Das Besondere an den Maschinen ist, dass sie mit der sogenannten Double-Effekts-Technologie arbeiten. „Die Absorptionskühler sind mit einem Hoch- und einem Niederdruckgenerator ausgerüstet“, erklärt Heinz Weitkamp. „Im Hochdruckgenerator treibe ich den Wassergehalt aus der schwachen Sole mit Hochdruckdampf (5 bar) und einer Temperatur von 158,8 °C aus. Dann gelangt der ausgetriebene Wasserdampf mit ca. 145 °C in den Niederdruckgenerator. Dort wird die Sole ein zweites Mal ausgetrieben. Das heißt, wir erhalten hochkonzentriertes Lithium-Bromid.

Auf diese Weise lassen sich wesentlich höhere COP-Werte beziehungsweise Wirkungsgrade erreichen. Der COP-Wert steht für die Wärme- beziehungsweise Kälteleistung einer Maschine im Verhältnis zur dafür erforderlichen Antriebsenergie. „Bei einer Kompressionskälteanlage sprechen wir von einem COP zwischen 5 und 6“, erläutert Heinz Weitkamp. „Absorptionskältemaschinen, die mit Single-Effect arbeiten, haben einen Wirkungsgrad zwischen 0,8 und 1. Durch die Double-Effects-Technologie steigt der COP auf 1,3 bis 1,4, und bei unseren Maschinen liegt er unter den bestehenden Bedingungen bei 1,4. Darüber hinaus sinkt die erforderliche Rückkühlleistung erheblich.“

Hohe Effizienz sichert den Zuschlag

Mit diesem Plus an Effizienz konnte Rütgers bei der Ausschreibung punkten. „Wir setzen die Double-Effects-Technologie in Halle 12 zum ersten Mal ein“, erklärt Stephan Hahn. „Das liegt vor allem daran, dass wir die Technologie in dieser Form bislang nicht zur Verfügung hatten beziehungsweise mit unseren Dampfparametern nicht wirtschaftlich nutzen konnten.“ Deshalb habe man bisher einstufig gearbeitet, mit entsprechend schlechterem COP und einer Rückkühlleistung von 2,7 bis 2,8 MW für jedes Megawatt Kälte. „Bei den Double-Effects-Maschinen haben wir jetzt ein Verhältnis von 1 MW Kälteleistung zu 1,8 MW Rückkühlleistung, was die Investitionskosten erheblich senkt“, lobt Stephan Hahn. Insgesamt gehören 18 adiabat befeuchtete Rückkühlwerke der italienischen LU-VE-Group mit einer Gesamtleistung von 20,5 MW zum Kältekonzept der Halle 12. „Auf Rütgers Kälte Klima und die Absorptionskühler von Shuangliang sind wir aufmerksam geworden, weil sie von der mit dem Hallenbau betrauten Arge, bestehend aus der Engie Deutschland GmbH, der Ed. Züblin AG und Max Bögl, als Alternativvorschlag eingebracht wurden“, berichtet Stephan Hahn. „Dies machte allerdings eine ausgiebige Prüfung und Besichtigung von Referenzen erforderlich. Zudem haben wir die Shuangliang-Produktion in China besichtigt und vor der Auslieferung einen Leistungsnachweis auf dem Prüfstand durchgeführt.“

Leistungsmessung in China

Der Funktionstest in China fand im Juli 2017 unter Anwesenheit von Vertretern der Messe Frankfurt, der Engie Deutschland GmbH und Rütgers Kälte Klima statt. „Vor Ort haben wir einen der drei Kühler auf Herz und Nieren geprüft“, erinnert sich Heinz Weitkamp. „Wir haben die Maschine unter Betriebsbedingungen auf Volllast gebracht, alles dokumentiert und eine Sichtprüfung durchgeführt. Am Ende stand die Bestätigung, dass die Anlagen ihr Soll erfüllen und ihre Reise nach Frankfurt antreten können.“

Dort haben Heinz Weitkamp und sein Team im September 2017 nicht nur für den ordnungsgemäßen Einbau der drei Kühler gesorgt, sondern auch das TGA-Team der Messe Frankfurt eingewiesen. Da die Absorptionskühler erst im August 2018 in Betrieb genommen wurden, wurden Intervall-Stillstandswartungen durchgeführt, um das Vakuum in den Maschinen zu kontrollieren. „Lufteintrag bringt Korrosion“, erläutert Heinz Weitkamp. „In dieser Phase war es günstig, dass Rütgers eine Niederlassung in Frankfurt hat.“

Herausforderung ISH 2019

Seit ihrer Inbetriebnahme konnten die drei Absorptionskältemaschinen ihr Können bereits während der Fachmessen Automechanika 2018 und Intergeo 2018 unter Beweis stellen. „Ab Frühjahr ist die neue Halle 12 dann durchgehend am Netz“, berichtet Stephan Hahn. „Eins der besucherstärksten Themen ist dann die Weltleitmesse für den Verbund aus Wasser und Energie, ISH 2019. Alle großen Aussteller der Heizungsbrache werden sich dann in Halle 12 versammeln und viele Besucher anziehen. Dann werden wir sehen, wie die Kühlung unter richtigem Personendruck funktioniert. Aber wir sind guter Dinge.“