Der Kälte auf der Spur

Im Landeskriminalamt Baden-Württemberg in Stuttgart stand jüngst die Erneuerung einer Kältemaschine zur Kaltwassererzeugung an. Die zeitgemäße Anlage mit 200 kW mehr Leistung als die ursprünglich installierte gehört nun zu einem Verbund von insgesamt drei Kältemaschinen, welche die Hauptkerne des Gebäudekomplexes mit Kaltwasser versorgen. Die Büro- und Laborflächen betragen insgesamt 30 000 m², davon werden ungefähr 10 000 m² gekühlt. Vor allem im Labor und im EDV-Bereich müssen ganzjährig kühle Temperaturen herrschen.

Die Gesamtkälteleistung beträgt dabei 550 kW bei einer Kaltwassertemperatur von 12 °C Eintritt und 6 °C Austritt am Wärmetauscher. Der Kaltwassersatz hat zwei separate, unabhängige Kältemittelkreisläufe mit Verdampfer und Verflüssiger als Plattenwärmetauscher, die aufgrund der beengten Platzverhältnisse zum Einsatz kommen. Die Maschine benötigt nur 2,4 m² Aufstellfläche, bei einer Höhe von 1,9 m. Zusätzlich bieten die zwei getrennten Kreisläufe im Sinne der Betriebssicherheit eine 50%-ige Redundanz. Dieses Kriterium war wichtig, da sensible Laborbereiche und Serverräume sicher versorgt werden müssen. Um die Ganzjahreskühlung kostengünstig bereitzustellen, ist diese Kälteanlage zusätzlich noch mit einer Freikühlung ausgerüstet.

Anlagenmontage in zwei getrennten Modulen | Der Maschinenraum befindet sich im obersten Stockwerk, ungefähr 20 m über Geländeniveau, mit direktem Zugang zum Dach des Gebäudes. In diesem Bereich wurde der Rückkühler platziert. Da die Tür zum Maschinenraum sehr geringe Abmessungen hat und zudem noch 40 cm über dem Boden des Maschinenraums liegt, musste die Anlage in zwei getrennten Modulen geliefert und montiert werden. Im unteren Bereich des Grundrahmens befinden sich die zwei ölfreien, magnetgelagerten Turboverdichter. Oberhalb davon sind die vier Plattenwärmetauscher angeordnet. Die Gesamthöhe dieses Moduls beträgt insgesamt nur 1,6 m. Der Schaltschrank als Standschrank wurde als zweites Modul separat eingebracht und dann vor der Stirnseite der Maschine direkt auf dem Betonboden verschraubt. Die Anschlusskabel der Kompressoren, sowie die der Ventile und der Fühler, sind im Werk schon auf die passende Länge vorkonfiguriert worden, so dass sie nur noch mit dem Schaltschrank der Kältemaschine verbunden werden mussten.

Förderung direkt ins Kaltwasser­netz | Der Plattenwärmetauscher in verschraubter Ausführung für die „Freie Kühlung“ wurde mit Pumpe und Regelventil rechts von der Kältemaschine aufgebaut. Die neuen Rohranschlüsse und Verteiler auf der Kalt- und Kühlwasserseite innerhalb der Technikzentrale waren ebenfalls im Planungs- und Lieferumfang der opk Kälte- und Klimatechnik AG (www.opk.de) aus Neckartailfingen enthalten. Alle drei Kältemaschinen fördern direkt in das Kaltwassernetz, das als Puffer und Verteiler gleichzeitig wirkt. In den jeweiligen Gebäudekernen wird die Wassermenge erfasst und über die Fühler ausgelesen. Die Leittechnik entscheidet dann nach mehreren vorgegebenen Kriterien, welche Kältemaschine die Freigabe erhält. Wenn das Kaltwassernetz (jetzt als Pufferspeicher betrachtet) in allen Gebäudeabschnitten die gewünschte Solltemperatur erreicht hat, schalten sämtliche Kältemaschinen ab.

Automatische Regelung | Im Winter findet die Abkühlung ohne Kältemittelverdichterarbeit durch „Freie Kühlung“ statt. Sie wird über einen Freikühlwärmetauscher erzeugt, der über ein Wasser/Glykolgemisch als Medium die Außentemperatur ab +4 °C nutzt, um eine Kaltwasservorlauftemperatur von +8 °C zu erzeugen. Diese Betriebsart kann über ca. 40 % der gesamten Jahresbetriebsstunden gefahren werden, da dann die Temperaturhäufigkeit von 4 °C oder kleiner nach DIN 4710 für den Standort auftritt. Im Freikühlbetrieb sind zur Übertragung der Wärme lediglich die Ventilatormotoren des Rückkühlers erforderlich. Bei steigender Temperaturdifferenz werden diese automatisch drehzahlgeregelt, das heißt nochmals Energie- und Betriebskosteneinsparung.

Gute Durchmischung des Netzes | Dann besteht über die Gebäudeleittechnik die Möglichkeit, die Fließrichtung des Netzes umzukehren und durch frequenzgeregelte Pumpen über Bypass (jetzt sozusagen Sekundärpumpen) die Verbraucher direkt zu versorgen, sprich, den „Pufferspeicher Netz“ zu entladen. Durch diese Maßnahme wird eine sehr gute Durchmischung des Netzes erreicht. Weiterhin ist in allen Gebäudekernen ein ständiger Wasserdurchsatz vorhanden, welcher entsprechend gut erfasst werden kann. Steigt die Wassertemperatur und die Wassermenge im entsprechenden Gebäudekern wieder an, so erhält die erste Kältemaschine die Feigabe zur Kühlung. Die Fließrichtung wird über die konstant gefahrenen Primär-Kaltwasserpumpen wieder geändert. Durch die Regelung des Kaltwasservolumenstromes entstehen so kaum Temperaturschwankungen im weitläufigen Kaltwassernetz.

Stufenlose Leistungsanpassung durch SPS-Steuerung | Sobald die Freigabe an die opk-Kältemaschine erfolgt ist, regelt die dafür bei opk speziell entwickelte SPS-Steuerung die stufenlose Leistungsanpassung. Die Leistungsregelung findet im Wesentlichen von 85 bis 550 kW statt, wobei intern der zweite Verdichter erst bei ausreichender Leistungsanforderung dazu geschaltet wird. Durch die verwendeten magnetgelagerten Turboverdichter werden im Teillastbetrieb COP-Werte von deutlich über 7 gemessen.

Fazit | Durch den Einbau ergeben sich für den Betreiber einige Vorteile. So kann zur besseren Umweltverträglichkeit ein Kältemittel eingesetzt werden, dass die Ozonschicht nicht schädigt, die Verwendung der magnetgelagerten Turboverdichter und die optimale Regelung und Ausnutzung der freien Kühlung ermöglicht eine erhebliche Reduzierung der Betriebskosten. Zusätzlich verursacht der Einsatz der ölfreien „Turbocor“-Verdichter geringere Wartungskosten.