Energetische Betriebsoptimierung von Kälteanlagen am Beispiel einer Feldanlage

1 Einleitung

Der menschengemachte Klimawandel gehört zu den größten globalen Herausforderungen des 21. Jahrhunderts. Um die Erderwärmung auf möglichst 2 Grad im Vergleich zum vorindustriellen Niveau zu begrenzen, ist eine drastische Reduktion von Treibhausgasemissionen erforderlich. Zwar spielen der Ausbau erneuerbarer Energien und die Dekarbonisierung aller Sektoren eine zen­trale Rolle, doch dies allein wird im Kontext einer wachsenden Weltbevölkerung und dem Streben nach steigendem Wohlstand nicht ausreichen [2]. Neben der Umstellung auf erneuerbare Energiequellen muss der Umgang mit Ressourcen effizient erfolgen. Eine Steigerung der Energieeffizienz kann erheblich dazu beitragen, den Energiebedarf zu minimieren und vorhandene Ressourcen optimal zu nutzen. Aufgrund eines Anteils der kältetechnischen Anwendungen von ca. 14 % [3] am elektrischen Endenergiebedarf in Deutschland ist es wichtig, neben einer qualifizierten Planung und Errichtung von Kälteanlagen, diese im Betrieb zu überwachen und deren Energieeffizienz kontinuierlich zu verbessern.

Eine Möglichkeit, um geeignete Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz an realen Kältesystemen festzustellen, ist es, aus dem Betrieb aufgenommene Messdaten zu analysieren und zum Beispiel mit zugehörigen Auslegungsdaten abzugleichen. Insbesondere bei größeren Datenmengen, welche sich aus einer Vielzahl an Datenpunkten über längere Zeiträume zusammensetzen, erleichtert ein automatisierter Workflow den Umgang mit den Messdaten wesentlich. Ein derartiger Workflow zur Analyse eines Anlagensystems kann neben dem Einlesen in eine geeignete Auswerteumgebung und einer gegebenenfalls notwendigen Vorverarbeitung eine automatisierte Berechnung von zum Beispiel Energieeffizienzkennzahlen, wie diese in der VDMA 24247-7 vorgeschlagen werden, oder anderen geeigneten Größen enthalten. Die Grundlage dabei ist ein entsprechend mit wichtigen Informationen versehenes Anlagenkennzeichnungssystem (AKS) bzw. eine Datenpunktliste.

In Hudjetz et al. [4] werden neben der Visualisierung von aufgenommenen Messgrößen und berechneten Effizienzkennzahlen die hierfür notwendige Verarbeitung eines zugehörigen Messdatensatzes erläutert. Die Berechnungen werden am Beispiel eines direkten Kältesystems durchgeführt. Für ein indirektes Kältesystem aus der Verpackungsindustrie wurden in bereits durchgeführten Untersuchungen mit einem weniger automatisierten Vorgehen Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz umgesetzt und bewertet [5]. Hierbei wurde eine der zwei bestehenden Kältemaschinen im Gesamtsystem detaillierter analysiert.

Das Ziel in diesem Beitrag ist es mit Hilfe eines automatisierten Workflows zur Verarbeitung und Analyse von Messgrößen und der darauf aufbauenden Berechnung von Effizienzkennzahlen geeignete Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz einer weiteren Kältemaschine im bereits erwähnten indirekten Kältesystem zu ermitteln, umzusetzen und abschließend energetisch zu bewerten. Die Analyse basiert auf einem über mehrere Jahre aufgenommenen Messdatensatz, automatisiert berechneten Temperaturdifferenzen am Verdampfer und Verflüssiger der betrachteten Kältemaschine sowie den zugehörigen Energieeffizienzkennzahlen nach VDMA 24247-7 [1].

2 Beschreibung der Feldanlage

Das betrachtete Kälteanlagensystem aus der Verpackungsindustrie ist in Bild 1 schematisch dargestellt. Das indirekte System besteht aus drei übergeordneten Kältenutzungsgruppen: Klimakälte, Prozesskälte und Maschinenkälte.

Bei der Klimakälte (KM1) und der Prozesskälte (KM2) erfolgt die Kältebereitstellung jeweils über eine Kompressionskälteanlage. Kaltwasserseitig ist bei beiden Nutzungsgruppen ein Kaltwasserspeicher zwischen Kältemaschine und Verbrauchern integriert. Die Speicher werden als hydraulische Weichen betrieben, da das Speichervolumen im Vergleich zur installierten Kälteleistung gering ausfällt. Die Kältemaschine der Prozesskälte (500 kW_th) stellt Kaltwasser auf einem Temperaturniveau von 3 °C bereit. Im Kaltwasserkreislauf der Klimakälte (1000 kW_th) liegt die bereitgestellte Kaltwassertemperatur bei 10 °C. Die Rückkühlung beider Kältemaschinen erfolgt über drei mit einer Sprühbefeuchtung ausgestatteten Kühltürmen. Das Temperaturniveau im Kühlwasserkreis bzw. die Kühlwasseraustrittstemperatur der Kühltürme wird ganzjährig auf 27 °C konstant gehalten.

Die Kältemaschine 1 (Klimakälte) kann bei Bedarf auch in einen Wärmepumpenbetrieb wechseln. Neben der Kältebereitstellung wird dann vor allem die Abwärme zur Wärmerückgewinnung bzw. Beheizung von Büroräumlichkeiten genutzt. Die Kühlwassertemperaturen werden ausschließlich zu diesem Zweck an der Kältemaschine 1 erhöht. Als Wärmequelle dient in diesem Fall neben den Verbrauchern der Klimakälte auch die Abwärme aus der Maschinenkälte. Diese wird über einen Wärmeübertrager an den Kaltwasserkreislauf der Klimakälte übertragen.

Bei der Maschinenkälte handelt es sich um eine freie Kühlung auf dem ganzjährig konstanten Temperaturniveau von 25 °C. Die Rückkühlung bzw. Kältebereitstellung erfolgt über einen mit einer Sprühbefeuchtung ausgestatten Kühlturm auf dem Dach. Dieser ist jedoch hydraulisch von den drei Kühltürmen der Kältemaschinen getrennt. Wechselt Kältemaschine 1 (Klimakälte) in den Wärmepumpenbetrieb wird die für die Maschinenkühlung benötigte Kälte ausschließlich über den Wärmeübertrager bzw. Kältemaschine 1 bereitgestellt. Der Kühlturm ist dann außer Betrieb. Die Kaltwassertemperatur im Kreislauf der Maschinenkälte sinkt auf 23 °C.

Das gesamte Kälteanlagensystem ist zur Regelung und Überwachung mit Messtechnik ausgestattet. Die erfassten Datenpunkte sind in Bild 1ebenfalls dargestellt. Beispielsweise können so über Wärmemengenzähler bereitgestellte Kälteleistung oder über Temperatursensoren die Systemtemperaturen kontrolliert werden. Die Messdaten werden minütlich aufgelöst abgespeichert. Im Gegensatz zu den Kältemaschinen wird die elektrische Leistung einzelner Pumpen nicht erfasst. Diese sind jedoch für die in diesem Beitrag vorgenommen Effizienzuntersuchungen mit unterschiedlichen Bilanzräumen notwendig. Aus diesem Grund wurden die elektrische Leistung der Pumpen auf ­Verdampfer- und Verflüssigerseite von KM1 für unterschiedliche Betriebspunkte ­temporär mit mobiler Messtechnik gemessen.

3 Methodik

Das methodische Vorgehen umfasst den bilanzraumbasierten Ansatz zur Effizienzbewertung nach VDMA 24247-7 [1], die Erstellung eines Anlagenkennzeichnungssystems (AKS) zur eindeutigen Identifizierung von Datenpunkten und einen darauf aufbauenden Auswertealgorithmus zur Analyse von Messdaten.

3.1 Effizienzbewertung nach VDMA 24247-7

Die neun Einheitsblätter der VDMA 24247 beschäftigen sich inhaltlich mit dem Thema Energieeffizienz von Kälteanlagen. Der inhaltliche Fokus von Blatt 7 sind Regelung, Energiemanagement und effiziente Betriebsführung. Im Gegensatz zu anderen Normen und Richtlinien, welche die Energieeffizienz auf Prüfständen bestimmen, wird in der VDMA 24247-7 [1] eine systematische Effizienzbewertung von Kälteanlagensystemen im laufenden Betrieb beschrieben. Hierbei ist der Ansatz eine bessere Vergleichbarkeit der Kennzahlen durch die Definition von festgelegten Bilanzräumen zu erreichen. Die nach VDMA vorgeschlagenen Bilanzräume sind u.a.:

I Kältemaschine (KM)

II Kälteanlage (KA)

III Kälteanlagensystem (KAS)

In Bild 1 sind die Bilanzräume nach VDMA 24247-7 [1] für die in diesem Beitrag betrachtete Feldanlage dargestellt. Grundsätzlich ist festzustellen, dass die Bilanzräume aufeinander aufbauen. Somit enthält Bilanzraum II alle Komponenten des Bilanzraums I und Bilanzraum III enthält unter anderem die Komponenten des Bilanzraums II. Daraus folgt, dass nach und nach immer mehr Komponenten des gesamten Anlagensystems berücksichtigt werden.

Um Effizienzkennzahlen aus dem laufenden Betrieb bestimmen zu können, ist es notwendig das Kälteanlagensystem mit Messtechnik auszustatten und notwendige Datenpunkte zu erfassen. Die VDMA 24247-7 [1] stellt in Anhang D Messkonzepte vor. Dabei wird zwischen einer (niedrigen) Mindestausstattung, einer mittleren und einer hohen Ausstattung an Messtechnik unterschieden (siehe Hudjetz et al. [6]). Diese Systematik wurde für die Messgrößen der betrachteten Feldanlage übernommen (siehe Bild 1). Aufgrund fehlender Messausstattung in der bestehenden Feldanlage kann die Energieeffizienz der Bilanzräume II und III nicht berechnet werden. Lediglich die elektrische Leistung der Kaltwasserpumpen am Verdampfer und der Kühlwasserpumpen am Verflüssiger von KM1, auf der der Fokus dieses Beitrages liegt, wurden temporär erfasst. Der Umgang mit temporär erfassten Messdaten mit mobiler Messtechnik bei der Bewertung der Energieeffizienz, geht über den Inhalt der aktuellen Fassung der VDMA 24247-7 [1] hinaus. Allerdings wurde in Haußer et al. [5] eine vergleichbare Anlagenoptimierung mit temporär erfassten Messgrößen beschrieben. Hierbei wurde der Bilanzraum I um die jeweiligen Pumpen am Verdampfer und am Verflüssiger einer Kältemaschine erweitert:

I^+II Kältemaschine mit Kühlwasser-Pumpe am Verflüssiger (KM und Pu_c)

I^+III Kältemaschine mit Kaltwasser-Pumpe am Verdampfer (KM und Pu_o)

In Bild 1 sind diese angepassten Bilanzräume zur Integration von temporär installierter Messtechnik ebenfalls enthalten. Die grün-durchgezogene Linie umschließt Bilanzraum I. Die blau-gestrichelte Linie erweitert Bilanzraum I um die Kühlwasserpumpe (Bilanzraum I^+II) und die rot-gestrichelte Linie erweitert Bilanzraum I um die Kaltwasserpumpe (Bilanzraum I^+III).

Die VDMA 24247-7 [1] nennt zwei wichtige Effizienzkennzahlen zur Bewertung von Kälteanlagensystemen im Betrieb. Einerseits wird die Berechnung einer Leistungskennzahl Total Coefficient of Performance (TCOP) und andererseits die Berechnung einer Arbeitskennzahl Total Energy Performance Factor (TEPF) vorgeschlagen. Beim TCOP wird ein Betriebszustand zu einem bestimmten Zeitpunkt bewertet. Die Berechnung erfolgt allgemein über die nachfolgend dargestellte Gleichung (1).

Formel 1

Als Ergänzung zum TCOP wird beim TEPF die Energieeffizienz über einen definierbaren Zeitabschnitt berechnet. Die Berechnung des TEPF ist in Gleichung (2) dargestellt.

Formel 2

3.2 Das Anlagenkennzeichnungssystem

Neben der DIN 6779-12 [7] liefert vor allem Blatt 4.1 der VDI 3814 [8] Informationen zur Kennzeichnung von technischen (Gebäude-)Anlagensystemen. Knoll et al. [9] haben auf Basis dieser Quellen und mit Projektgruppen geführten Gesprächen eine systematische, datenbankorientierte Kennzeichnungsmethodik entwickelt. Ein wesentlicher Aspekt hierbei war die eindeutige Zuordnung der Bezeichnung zum entsprechenden Datenpunkt. In Anlehnung an die Bildung des Kennzeichnungssystems bei Knoll et al. [9] wurde die Systematik, wie nachfolgend beschrieben, weiterentwickelt (vgl. Tabelle 1). Das Anlagenkennzeichnungssystem besteht aus insgesamt 12 Teilen bzw. Feldern. Die ersten 11 Felder haben jeweils vier Zeichen. Das letzte Feld besteht aus sieben Zeichen. Die einzelnen Felder werden mithilfe von Unterstrichen zu einem zusammenhängenden Schlüssel kombiniert. Ist die Bezeichnung im jeweiligen Teil kürzer als die vorgeschriebene Anzahl der Stellen, wird mit „x“ auf die notwendige Zeichenzahl aufgefüllt. Die Erstellung des Anlagenkennzeichnungssystems für die in diesem Beitrag betrachtete Feldanlage erfolgt über eine mit Makros versehene Excel Tabelle.

In Bild 2 ist ein Schemaausschnitt von Kältemaschine 1 inklusive der Bezeichnungen aus dem Anlagenkennzeichnungssystem der einzelnen Datenpunkte dargestellt. Die Felder mit den AKS-Schlüsseln sind farblich an den jeweils zugehörigen Datenpunkt gekoppelt und je nach Datenpunkt entsprechend eingerückt. Die Schriftfarbe zeigt an, ob es sich um Messwerte (schwarz) oder Sollwerte (weiß) handelt. Die ersten beiden Bestandteile des AKS (Einbauort/Projektpartner und Anlage) sind bei allen dargestellten Bezeichnungen gleich und wurden aufgrund der Anonymisierung und besseren Lesbarkeit im Bild 2 weggelassen.

3.3 Der Auswertealgorithmus

Der in R^* entwickelte Auswertealgorithmus besteht aus zwei separaten Programmteilen. Ein Programmteil dient der Analyse der Temperaturdifferenzen im System. Der zweite Programmteil dient der Berechnung der in Abschnitt 3.1 vorgestellten Effizienzkennzahlen und deren Interpretation. In Bild 3 ist der Programmablauf für beide Programmteile des Auswerte-Algorithmus schematisch dargestellt. 

Die in Gelb dargestellte Datenvorverarbeitung ist bei beiden Programmteilen gleich. Neben allen notwendigen Bibliotheken, die für den Ablauf und die Funktionalität des Programms von Bedeutung sind, werden Messdaten und AKS geladen. Alle weiteren Schritte, Analysen und Auswertungen erfolgen bei beiden Programmen funktionsbasiert. In blauer Farbe ist der weitere Verlauf des Temperaturanalyse-Programms dargestellt. Grün zeigt den Ablauf des Programmteils zur Analyse der Energieeffizienz.

Über den eindeutig zuordenbaren AKS können die gewünschten Datenpunkte gefunden und Temperaturdifferenzen bzw. Energieeffizienzkennwerte berechnet werden. Für einen ersten Überblick werden zur Visualisierung Linienplots erstellt, die den zeitlichen Verlauf der gewählten Datenpunkte aufzeigen. In einem weiteren Schritt werden statische Werte, wie Median, Quantile, usw. berechnet. Diese werden grafisch mittels eines Boxplots veranschaulicht und in Tabellenform sowie optional als textliche Interpretation ausgegeben. Neben der Betrachtung des gesamten Zeitraums erfolgt die statistische Analyse und Interpretation auch monatsweise. Im Zuge der statistischen Analyse wird auch die Datenqualität, beispielsweise über Anteil von fehlenden Werten bei einem Datenpunkt, beurteilt. Insgesamt erhält man so eine aussagekräftige erste Analyse zu den Temperaturdifferenzen sowie der Energieeffizienz im betrachteten System.

In Teil 2 in der nächsten Ausgabe der KKA werden Analysen, Optimierungsmaßnahmen und Ergebnisse dargestellt.

Danksagung

Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung durch das Bundes­ministerium für Wirtschaft und Klimaschutz auf der Grundlage eines Beschlusses des Deutschen Bundestages (Förderkenn­zei­chen 03EN6003A).

Literatur

[1] VDMA 24247-7, Energieeffizienz von Kälteanlagen – Teil 7: Regelung, Energiemanagement und effiziente Betriebsführung, 2021.

[2] F. A. Dratwa, M. Ebers, A. K. Pohl, B. Spiegel und G. Strauch, Energiewirtschaft in Europa: Im     Spannungsfeld zwischen Klimapolitik, Wettbewerb und Versorgungssicherheit, Kapitel: Ohne eine Effizienzrevolution sind nachhaltige Energiesysteme nicht realisierbar (P. Hennicke), Springer Verlag, Heidelberg, 2010.

[3] G. Preuß, Energiebedarf für Kältetechnik in Deutschland - Eine Abschätzung des Energiebedarfs von Kältetechnik in Deutschlandnach Einsatzgebieten 2017, Forschungsrat Kältetechnik & VDMA, 2017.

[4] S. Hudjetz, D. Pfeiffer und M. Becker, Workflow for Assessing the Energy Efficiency of Refrigerating Systems Using Open-Source Software and an Evaluation Method Suggested in Specification VDMA 24247-7, ASHRAE, 2025.

[5] S. Hausser, S. Hudjetz and M. Becker, Application of a systematic approach to evaluate measures for increasing energy efficiency of an industrial refrigerating system, 26th IIR International Congress of Refrigeration, Paris, France, August 21-25, 2023, In Refrigeration Science and Technology Proceedings, Page 1251-1260, 10 pages, International Institute of Refrigeration IIFIIR, ISBN: 978-2-36215-056-2, ISSN: 0151-1637, DOI: 10.18462/iir.icr.2023.0213, 2023.

[6] S. Hudjetz, D. Pfeiffer, M. Becker, Assessing the energy efficiency of a low temperature refrigerating system with indirect methods, 15^th IIR Gustav Lorentzen Conference on Natural Refrigerants, Trondheim, Norway, 13-15 June, 2022, In Refrigeration Science and Technology Proceedings, 8 pages, International Institute of Refrigeration IIFIIR, ISBN: 978-2-36215-045-6, ISSN: 0151-1637, DOI: 10.18462/iir.gl2022.0208, 2022.

[7] DIN 6779-12, Kennzeichnungssystematik für technische Produkte und technische Produktdokumentation –Teil 12: Bauwerke und Technische Gebäudeausrüstung, 2011.

[8] VDI 3814 Gebäudeautomation (GA) - Blatt 4.1: Methoden und Arbeitsmittel für Planung, Ausführung und Übergabe Kennzeichnung, Adressierung und Listen, 2019.

[9] Knoll, P.; Becker, M.: Kennzeichnungssystem als Basis für zeitgemäße Gebäudeautomations-Konzepte und deren Umsetzung, HLH Bd. 69 (2018), ISSN: 1436-5103 Nr.1, S. 34-38, 2018.