Energetische Betriebsoptimierung von Kälteanlagen am Beispiel einer Feldanlage

4 Analyse und Optimierungsmaßnahmen

Anhand des in Abschnitt 3.3 (Teil 1) beschriebenen Algorithmus wurden die Effizienzkennzahlen nach VDMA 24247-7 [1] sowie die Temperaturdifferenzen der Klimakälte der betrachteten Feldanlage kaltwasserseitig am Verdampfer und kühlwasserseitig am Verflüssiger analysiert. Auf Basis der Datenanalyse konnten anschließend gezielt Optimierungsmaßnahmen abgeleitet werden.

4.1 Analyse

In Bild 4 sind exemplarisch von dem in Abschnitt 3.3 (Teil 1) vorgestellten Algorithmus erzeugte Boxplots für die Temperaturdifferenzen am Verdampfer (links) und Verflüssiger (rechts) von Kältemaschine 1 (Klimakälte) dargestellt. Die zugrunde liegenden Messdaten stammen aus dem Zeitraum 01.2021-09.2023 und wurden minütlich aufgezeichnet. Die Temperaturdifferenzen wurden jeweils über die Temperatur am Austritt – Eintritt berechnet. Der Boxplot wurde als Darstellungsform gewählt, da er eine kompakte Übersicht über die Streuung und Variabilität der Messdaten gibt. Diese Darstellung zeigt, dass die Temperaturdifferenzen des Kaltwassers im Verdampfer (Median liegt bei -1,1 K) und des Kühlwassers im Verflüssiger (Median liegt bei +1,9 K) sehr gering sind. Auf Basis solcher verdichteten Darstellungen und Auswertungen kann man z.B. die in Abschnitt 4.2 vorgeschlagene Optimierungsmaßnahme ableiten.

4.2 Optimierungsmaßnahme

Mit den Erkenntnissen aus der in Abschnitt 4.1 dargestellten Analyse und des in Gleichung 3 dargestellten grundlegenden Zusammenhangs zwischen Volumenstrom (V˙), Temperaturdifferenz (∆T) und thermischer Leistung (Q˙) wurde gefolgert, dass der Volumenstrom am Verdampfer bzw. Verflüssiger unnötig hoch ist. Durch eine Verdopplung der Temperaturdifferenz kann bei gleicher Kältelast der Volumenstrom halbiert werden.

Formel 3

Der Volumenstrom kann jedoch nicht beliebig reduziert werden. Vom Hersteller der Kältemaschine sind geforderte Mindestvolumenströme einzuhalten. Einerseits zum Schutz der Anlage sowie der Gewährleistung eines sicheren Betriebs und andererseits, um einen Einbruch der Kälteleistung bei zu geringem Volumenstrom zu vermeiden. Zudem handelt es sich bei der Klimakälte im Gegensatz zur dauerhaft konstanten Prozesskühlung um eine variable Last, die maßgeblich von der Witterung abhängig ist. Saisonal bedingt ist der Kältebedarf im Sommer höher als im Winter. Deshalb wird die Drehzahl bei den Pumpen auf der Verflüssiger- und Verdampferseite nur im Winter reduziert. Im Gegensatz zu der Umstellung an der Prozesskälte bei Haußer et al. [5] handelt es sich also um eine saisonale Umstellung. Die Drehzahl bzw. der Stellwert an beiden Pumpen wird daher lediglich vom 1. Oktober bis zum 30. April reduziert.

5 Ergebnisse

Die beschriebene Maßnahme zur Steigerung der Energieeffizienz wurde im Oktober 2023 umgesetzt. Dabei wurde jeweils der pumpeninterne Stellwert angepasst. Bei der Pumpe am Verflüssiger im Kühlwasserkreis wurde der Stellwert von 100 % auf 65 % und bei der Pumpe am Verdampfer im Kaltwasserkreis von 100 % auf 75 % reduziert. Bei erstgenannter Pumpe ist die Umstellung sowohl im WRG- als auch im Normalbetrieb wirksam.

Die unmittelbaren Auswirkungen der Anpassungen der Pumpenstellwerte auf deren benötigte elektrische Leistung ist in Tabelle 2 dargestellt. So konnte diese durch die Maßnahme um 58 % bis 70 % gesenkt werden. Die temporär gemessene elektrische Leistung der Pumpen wurden den Bilanzräumen entsprechend mit in die Berechnung der Energieeffizienz miteinbezogen (vgl. Abschnitt 3.1, Teil 1).

Um einen Vergleich hinsichtlich der Energieeffizienz zwischen „Ausgangszustand“ und „Nach Umstellung“ machen zu können, ist es notwendig vergleichbare Zeiträume zu finden. Die Vergleichbarkeit muss für die Betriebsart, d.h. Normalbetrieb oder WRG-Betrieb, und die tatsächlichen Betriebspunkte der Kältemaschine 1 – folglich ähnliche thermische und elektrische Leistung – gelten. Zunächst wurden geeignete Zeitabschnitte aus dem Zeitraum nach der Umstellung (mit reduzierten Pumpenstellwerten) automatisiert identifiziert. Im Anschluss erfolgte die ebenfalls automatisierte Auswahl passender Zeiträume vom Ausgangszustand als Referenz. Anhand von Kenngrößen, beispielsweise der Betriebszeit des Verdichters, und Betriebsart wird geprüft, ob eine Vergleichbarkeit der betrachteten Zeiträume vorliegt. Die Auswahl des bestmöglichen Vergleichszeitraums erfolgt anhand der mittleren Abweichung der Thermischen Leistung von Kältemaschine 1 vor und nach der Pumpenumstellung.

Der sich aus der Pumpenumstellung ergebende Einfluss auf die Energieeffizienz (im Winterbetrieb) ist in Bild 5 und Bild 6 dargestellt. Die gewählte Darstellungsform enthält neben den in Abschnitt 3 in Teil 1 erläuterten Effizienzkennzahlen Informationen zum Betriebspunkt der Kältemaschine. Diese Information wird mit Hilfe der auf der x- und y-Achse aufgetragenen thermischen und elektrischen Leistung der Kältemaschine bereitgestellt. Darüber hinaus enthält die Farbe der dargestellten Betriebspunkte die Information über den TCOP des jeweiligen Bilanzraums (TCOP_I^+II oder TCOP_I^+III). Die energiebezogenen Effizienzkennzahlen (TEPF_I^+II und TEPF_I^+III) sind in den Plots in textlicher Form enthalten und können als gemittelte TCOP_I^+II oder TCOP_I^+III interpretiert werden.

In Bild 5 ist die Energieeffizienz für den Bilanzraum I^+II (Bilanzraum I inklusive der Pumpe am Verflüssiger im Kühlwasserkreislauf) für den Normalbetrieb vor und nach der Anpassung des Stellwerts dargestellt. Die Erhöhung des TCOP_I^+II ist durch die Veränderung des Farbtons der visualisierten Punkte von gelb-orange in der Teilabbildung auf der linken Seite hin zu grün-blau in der Teilabbildung auf der rechten Seite erkennbar. Der Vergleich der TEPF_I^+II beider Zeiträume bestätigt diese Verbesserung der Energieeffizienz durch die Anpassung des Pumpenstellwerts. Vor Umsetzung der Maßnahme lag der TEPF_I^+II bei 5,5. Dieser Wert konnte auf 6,2 verbessert werden.

Der Hauptgrund für die Effizienzsteigerung ist, dass die verbrauchte elektrische Leistung der Pumpe am Verflüssiger im Kühlwasserkreislauf im Normalbetrieb von 11,0 kW auf 3,3 kW reduziert werden konnte. Weiterhin ist zu erwähnen, dass die Betriebspunkte der Kältemaschine von beiden miteinander verglichenen Zeiträumen nahe beieinander liegen. Dies zeigt sich an der ähnlichen Lage der visualisierten Punkte in den Plots. Über die Darstellung in Bild 5 hinausgehend wird darauf hingewiesen, dass die Energieeffizienz auch im WRG Betrieb verbessert werden konnte. So steigt der TEPF_I^+II von 5,3 vor der Maßnahme auf 5,7 nach der Anpassung. Die Einsparung fällt geringer aus als im Normalbetrieb. Dies liegt einerseits an der geringeren elektrischen Leistung und geringeren Einsparung bei der Pumpe am Verflüssiger im Kühlwasserkreislauf für diese Betriebsart (siehe Tabelle 2) und andererseits an abweichenden
Betriebspunkten.

Die Bewertung des angepassten Betriebs der Pumpe am Verdampfer im Kaltwasserkreislauf zeigt, dass diese Maßnahme im Bilanzraum I^+III ebenfalls zu einer Effizienzsteigerung führt (siehe Bild 6). Der Anstieg des TEPF_I^+III von 5,8 auf 6,3 ist auf die Reduktion der elektrischen Leistung der Pumpe auf der Verdampferseite von 6,2 kW auf 2,6 kW zurückzuführen. Der Anstieg fällt im Vergleich zum zuvor beschriebenen TEPF_I^+II geringer aus. Grund dafür ist der geringere Einfluss der Pumpe am Verdampfer im Kaltwasserkreislauf auf den betrachteten TEPF_I^+III aufgrund der geringeren elektrischen Leistung dieser Pumpe im Vergleich zur Pumpe am Verflüssiger im Kühlwasserkreislauf. Zudem fällt die Einsparung an verbrauchter elektrischer Leistung geringer aus
(s. Tabelle 2).

6 Zusammenfassung und Ausblick

Der automationsgestützte Algorithmus zur Kältesystemanalyse und zur Bewertung der Energieeffizienz nach VDMA 24247-7 [1] konnte an einer industriellen Feldanlage erfolgreich angewendet werden. Die im Beitrag vorgestellte Methodik und Vorgehensweise erleichtert bzw. beschleunigt die Datenauswertung und Identifikation von Optimierungsmöglichkeiten deutlich. Somit konnte festgestellt werden, dass die Stellwerte der Pumpen im Kühl- und Kaltwasserkreislauf nahe der Kältemaschine 1 (Klimakälte) saisonal angepasst werden können. Analog zu Hausser et al. [5] konnte der bilanzraumbasierte Ansatz zur Bewertung der Energieeffizienz einer Kälteanlage nach VDMA 24247-7 [1] erfolgreich auf die betrachtete indirekte Kälteanlage angewandt werden.

Aufgrund fehlender Messeinrichtungen in der bestehenden Feldanlage wurden wichtige Messgrößen mithilfe mobiler Messtechnik temporär nachgemessen. Der Bewertungsansatz der VDMA 24247-7 [1] wurde geringfügig angepasst, um die Energieeffizienzkennzahlen TCOP und TEPF für modifizierte Bilanzräume berechnen zu können. Der Vergleich von TCOP_I^+II bzw. TEPF_I^+II zeigt eine Erhöhung des TEPF_I^+IIvon 5,5 auf 6,2 durch die Reduktion des Stellwerts der Pumpe auf der Verflüssigerseite. Die Auswirkungen der Stellwertanpassung bei der Pumpe auf der Verdampferseite auf den entsprechenden TCOP_I^+III bzw. TEPF_I^+III zeigte ebenfalls einen Anstieg des TEPF_I^+III von 5,8 auf 6,3.

Aufgrund der positiven Erfahrungen bzw. Wirkung bei der Anwendung des Algorithmus zur Kältesystemanalyse ist es einerseits geplant, diesen an weiteren Feldanlagen zu testen bzw. auf weitere Feldanlagen anzuwenden und andererseits fortlaufend weiterzuentwickeln und benutzerfreundlicher zu gestalten. Beispielsweise soll für die Auswertung der Temperaturdifferenzen ebenfalls ein Datenfilter über die zugehörigen Pumpenstellwerte bzw. Volumenströme integriert werden. Zudem soll eine Report-Erstellung mit allen wichtigen Ergebnissen in einem Dokument implementiert
werden.↓

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.