Achtung: Waterloop!
Dezentrale Kälteerzeugungssysteme im LEH
(Teil 2: Spezielle ausführungstechnische Details)
Dieser Artikel soll allen marktteilnehmenden Unternehmern Einblicke in Technik und Merkmale geben und dazu anregen, sich über die Möglichkeiten und Herausforderungen von DC-Technik am Beispiel von Waterloop-Systemen zu informieren. Im ersten Teil wurden Begriffe, Grundlagen und Merkmale behandelt, im zweiten Teil wird auf spezielle technische Details eingegangen.
Resilienz in der Kälteerzeugung
Durch das vom Merkmal Dezentralisierung geprägte Design ist das System als „resilient“ zu bezeichnen (Resilienz ist die Fähigkeit von Systemen, bei einem Teilausfall nicht vollständig zu versagen.). Das zur Rückkühlung verwendete Wärmeträgersystem mit Wasser ist aufgrund des darin herrschenden niedrigen Druckes weniger störanfällig als ein kältemittelführendes Hochdrucksystem.
Kontinuierlicher Kältemittel-
Massenstrom
Ein wesentliches Merkmal eines innovativen DC-Waterloop-Systems sind die Komponenten schrittmotorgetriebenes elektronisches Expansionsventil und drehzahlgeregelter Kompressor mit bürstenlosem Gleichstrommotor, welche, gemeinsam mit einem intelligenten Regler, für einen kontinuierlichen Kältemittelmassenstrom sorgen. Der kontinuierliche Kältemittelmassenstrom ermöglicht niedrige Temperaturdifferenzen und verhindert ein zu häufiges Ein- und Ausschalten des Verdichters, beides Hauptfaktoren für höchste Energieeffizienz und konstante Temperatur.
In Bild 3 werden DC-Systeme mitOn/off-Systemen verglichen.
Erläuterung zu Bild 3: Auf der X-Achse (Horizontale) ist die Verteilung des Kältebedarfs einer gesamten Saison dargestellt. Die volle zur Verfügung stehende Kälteleistung von 100 % wird tatsächlich nur zu einem sehr geringen Teil (4 %) benötigt. Die Hälfte der Betriebszeit wird für eine Teillast von 50 % benötigt. Ein on/off-System hat seinen größten energetischen Wirkungsgrad im Volllastbereich, welcher aber nur einige Stunden bedient werden muss. Gleitende Systeme haben ihre größte Effizienz im Teillastbereich. Bis 75 % Teillastbetrieb sind sie deutlich besser als on/off-Systeme. Im Schnitt errechnet sich daraus eine 4-5 % bessere Energieeffizienz zu Gunsten eines durch einen Inverter betriebenen Gleichstrommotorkompressors.
Die durch diese intelligente Regelung erzielbare große Modulationsbreite ermöglicht ein Maximum an Energieeffizienz im Teillastbereich. Die Kombination von drehzahlgeregelten DC-Kompressoren und schrittmotorgetriebenen Expansionsventilen, koordiniert durch ein intelligentes Steuergerät, bringt gegenüber einem konventionellen System folgende Vorteile: Die Kompressoren werden stets in ihrem individuell besten Arbeitsbereich betrieben, die kontinuierliche Modulation ermöglicht eine optimale Anpassung an den jeweiligen Kälteleistungsbedarf und die Bedarfsabtaufunktion ermöglicht eine optimale Anpassung an die realen Arbeitsbedingungen.
Hydraulisches System
Der Rückkühlkreislauf besteht im einfachsten Fall aus einer (drehzahlgeregelten) Pumpe und aus einem Rückkühler, welche über ein Rohrsystem mit den Kälteerzeugungseinheiten zur Wärmeabführung oder Wärmerückgewinnung verbunden sind. Ein Trockenkühler hält die Wassertemperatur knapp über der Umgebungstemperatur. Bei niedrigen Umgebungstemperaturen wird die „Freie Kühlung“ genutzt, um die Energieeffizienz zu verbessern. Bei höheren Umgebungstemperatuten kann „Adiabate Verdunstungskühlung“ die Wassertemperatur unter der Umgebungstemperatur halten. Die intelligente kontinuierliche Massenstromregelung stellt Verflüssigungsdruck und Verflüssigungstemperatur der Kompressoren auf dem niedrigsten und somit energieeffizientesten und das Material schonendsten Betriebspunkt ein.
Bild 4 zeigt eine grundlegende schematische Darstellung eines Waterloop-Hydraulik-Kreislaufs.
Weitere Anlagenschemata integrieren Klima-Kaltwassersätze, Wärmepumpen, Wärmerückgewinnungs-Wärmetauscher zur weiteren Erhöhung von Energieeffizienz und Betriebssicherheit.
Zusammenfassung
Die Technik des „Waterloop“ in Verbindung mit DC-Inverter-Technologie sowie Anbindung an Data-driven-services (z.B. vorbeugende Wartung), natürlichen Kältemitteln und kontinuierlicher Regelung des Kältemittelmassenstroms ist eine absolut ernst zu nehmende Entwicklung, die gerade ihren Einzug hält. Waterloop-Systeme sind marktreif und haben das Potential konventionelle Kälteerzeugungssysteme im Discount- und Supermarktbereich (kleine bis mittlere Flächen) zu ergänzen bzw. zu ersetzen. Waterloop-Systeme erfüllen die Anforderungen der Kunden sowohl nach Betriebssicherheit, als auch nach Wirtschaftlichkeit und Zukunftsfähigkeit (Klimaschutz und Nachhaltigkeit). Kooperation und Zusammenwirken aller Marktteilnehmer ist für die konsequente Nutzung der Potentiale von Vorteil.
