Digitale Leistungsregelung für Supermärkte

Welche Möglichkeiten bieten moderne Komponenten und Regelkonzepte, um in Supermärkten das Teillastverhalten zu optimieren? Mit dieser Frage beschäftigte sich die Entwicklungsabteilung von Emerson Climate Technologies im tschechischen Entwicklungslabor in Mikulov. Die ersten Ergebnisse zur Leistungsaufnahme, zum Saugdruckverhalten und zum Verhalten des Wirkungsgrades der gesamten Anlage sind vielversprechend.

Emerson Climate Technologies (www.emersonclimate.eu) untersuchte den Einfluss der Leistungsregelung bei Supermarktkälteanlagen. Verschiedene Konzepte wurden verglichen, wobei ein besonderes Augenmerk auf dem Unterschied zwischen konventioneller (Zu- und Abschalten einzelner Verdichter oder Verdichterbänke) und quasi kontinuierlicher Regelung lag. Letztere meint das schnelle Zu- und Abschalten einer einzelnen Verdichterbank, bekannt unter der von Emerson verwendeten Bezeichnung „Digital“. Zum Einsatz kamen Copeland-Hubkolbenverdichter der neuen „Stream“-Baureihe. Die Untersuchungen wurden nicht an einer realen Supermarktanlage, sondern mit einer Laboranlage durchgeführt, die das Verhalten eines Supermarktes simuliert.

Versuchsanlage und
Versuchsparameter

Bild 1 zeigt die Versuchsanlage. Der untersuchte Verdichterverbundsatz besteht aus zwei Hubkolbenverdichtern, ausgeführt jeweils für unterschiedliche Regelungskonzepte. Obwohl immer nur zwei Verdichter in Betrieb waren, sind insgesamt drei Verdichter installiert. Dies ermöglichte den schnelleren Wechsel der Anlagenkonzeption, was die gesamte Versuchszeit verringerte und den Einfluss sich ändernder Umgebungsbedingungen reduzierte. Die Anlage wurde mit R134a zur Normalkühlung ausgeführt. Ihre nominelle Kälteleistung beträgt rund 38 kW (bei –10/45 °C). Ein Dixell-Regler sorgte in Verbindung mit einem speziellen Regler von Emerson Climate Technolgies für die Ansteuerung der bzw. des „Digital“-Verdichters.

Für die Erzeugung der benötigten Kälteleistung wurde statt der im Realfall eingesetzten Kühlmöbel als Ersatzkältelast ein Verdampfer installiert und mit dem Kühlwasser der Versuchsanlage im Labor in Mikulov betrieben. Auf diese Weise konnte der Leistungsbedarf von 25 auf 100 % entsprechend 38 kW gesteigert werden.

Zur Untersuchung kamen vier Regelungskonzepte des Verbundsatzes:

1) zweimal Ein/Aus

2) Blocked-Suction und Ein/Aus

3) Digital und Ein/Aus

4) Digital und Zylinderbankabschaltung (ZBA).

Bild 2 zeigt exemplarisch das Regelungskonzept für die Version Digital und ZBA. Dabei wurde Verdichter 1 als Digitalverdichter ausgeführt, bei dem eine Zylinderbank normal betrieben und die zweite als Digitalkopf ausgeführt waren. Verdichter 2 hatte eine Zylinderbank in Normalausführung und zur Leistungsregelung eine Zylinderbank mit Zylinderbankabschaltung. Je nach Lastbereich erfolgte die Ansteuerung der einzelnen Verdichter und Zylinderbänke unterschiedlich. Im Lastbereich 50 bis 75 % wurde beispielsweise die erste Zylinderbank des Verdichters 1 kontinuierlich betrieben, während die zweite mit hoher Zyklenzahl zu- und abschaltete. Die Zylinderbank 2 des zweiten Verdichters kam nicht zum Einsatz, während die erste Zylinderbank durch Ein-/Ausschalten des zweiten Verdichters zu- bzw. abgeschaltet wurde. Diese Betriebsweise regelte die gelieferte Kälteleistung kontinuierlich zwischen 51 und 75 %.

Bild 3 veranschaulicht die Zu- und Abschaltung einzelner Verdichter und Zylinderbänke über den Saugdruck. Wenn kein Digitalverdichter eingesetzt war, schalteten einzelne Verdichter oder Zylinderbänke zu, sobald sich der Saugdruck im roten Bereich befand. Im anderen Fall schalteten einzelne Verdichter ab, wenn der Saugdruck im blauen Bereich unterhalb des unteren Limits lag. Zusätzliche Regeleingriffe gab es beim Einsatz eines Digitalverdichters. Konkret wurde zwischen unterer und oberer Saugdruckgrenze am Digitalzylinderkopf versucht, den Saugdruck im angestrebten Nominalbereich zu halten.

Mit allen vier Regelungskonzepten gab es jeweils zwei Versuchsreihen. Zunächst mit kontinuierlicher Laststeigerung, dann bei zeitlich konstanten Lastverhältnissen. Die erste Versuchsreihe verglich das zyklische Verhalten bei unterschiedlichen Lastbereichen. Die zweite Versuchsreihe sollte die Leistungsdaten der Anlage und insbesondere den Gütegrad ermitteln. Bild 4 zeigt den Versuch mit schrittweiser Leistungssteigerung von 17 bis 38 kW durch eine Massenflusssteigerung am Ersatzlastverdampfer. Während dieser Versuchsdauer blieb die Umgebungstemperatur nahezu konstant.

Ermittlung des Saugdruckverhaltens

Bild 5 beschreibt das Saugdruckverhalten zweier Leistungsregelungskonzepte bei unterschiedlichen Lastprofilen. Im Fall Digital plus ZBA stellte sich für alle drei Lastbereiche ein fluktuationsarmer Verlauf ein. Außerdem verblieb der Saugdruck über den gesamten Versuchszeitraum hinweg im Wesentlichen innerhalb des Zielkorridors. Im Gegensatz dazu zeigten sich für den Fall ZBA und Ein/Aus teils sehr große Saugdruckfluktuationen durch das Zu- und Abschalten einzelner Verdichter. Trotzdem gibt es eine Zone, in der der Saugdruck sehr gut im Zielkorridor verbleibt und mit nur geringen Fluktuationen behaftet ist. In diesem Fall stimmt die Abstufung der gelieferten Kälteleistung sehr gut mit dem Kälteleistungsbedarf überein. Nennenswerte Regelungseingriffe sind dann überflüssig. Allerdings ist dies nur für eine sehr eingegrenzte Spanne des Leistungsbedarfs der Fall.

Bild 6 veranschaulicht das Saugdruckverhalten für den Versuch mit konstanter Last und allen vier unterschiedlichen Regelkonzepten im Lastbereich zwischen 50 und 75 %. Es wird deutlich, dass sich schmalbandige Saugdruckverläufe nur dann einstellen, wenn ein Digitalverdichter läuft. In den anderen beiden Fällen zeigen sich teils sehr große Schwankungen im Saugdruckverhalten. Die zeitlichen Mittelwerte des Saugdrucks (rot dargestellt) sind bei allen Konzepten sehr unterschiedlich. Es gelingt dem Regler nicht in allen Fällen, diesen Mittelwert in den Zielkorridor zu bringen. Während der Versuche wurde auch darauf verzichtet, durch Anpassung der Regelparameter den mittleren Saugdruck immer in den Zielkorridor zu bringen.

Die Versuche nach diesem Schema ergaben Mittelwerte des Gütegrads, der Leistungsaufnahme und der Kälteleistung. Aus den unterschiedlichen Mittelwerten ergab sich jedoch, dass ein solcher Vergleich nicht einfach durchzuführen ist, weil sich die Betriebsbedingungen auch bei konstanten Kondensationsdrücken doch unterscheiden.

Korrektur der Ergebnisse

Damit nun ein Vergleich dieser verschiedenen Konzepte in Hinblick auf den Anlagengütegrad möglich ist, wurden die Ergebnisse korrigiert. Genauer bedeutet dies, dass sowohl Verdichterkälteleistung als auch Leistungsaufnahme auf einen gleichen mittleren Saugdruck hin angepasst wurden. Die dafür notwendigen Korrekturwerte leiten sich aus dem Volllastverhalten des Verdichters ab. Dabei handelt es sich um ein grobes Korrekturverfahren, das insbesondere den Einfluss des Teillastbetriebs auf das Verdichterverhalten vernachlässigt. Unberücksichtigt bleibt außerdem die Veränderung des Teillastpunkts durch den geänderten Saugdruck. 

Bild 7 zeigt die Mittelwerte des Anlagegüte­grads aller Regelungskonzepte mit und ohne Korrektur bei gleichem mittleren Saugdruck für drei Lastfälle. Dargestellt sind auch die Korrekturen der Saugdrucksättigungstemperatur. Diese waren bei drei der vier gezeigten Konzepte erforderlich, um auf einen der gewählten mittleren Saugdrücke hin zu korrigieren. Je nach Lastfall betrugen diese erforderlichen Korrekturen bis zu sechs Kelvin. Die unkorrigierten Anlagegütegrade zeigen für alle drei Lastfälle und die jeweiligen Regelungskonzepte kein konsistentes Bild, während die korrigierten Gütegrade relativ dicht beieinanderliegende Werte für die verschiedenen Regelungskonzepte ergaben. Für die Lastfälle 50 bis 75 % und 75 bis 100 % zeigt sich ein leichter Vorteil im Anlagegütegrad für die Betriebsweise mit Digitalverdichter.

Schlussfolgerungen

Die Ergebnisse dieser Versuche zeigen, dass eine kontinuierliche Regelung mit Digital-Verdichtern zu einer erheblichen Verringerung der Saugdruckschwankungen führt. Verringerte Start-/Stopzyklen bedeuten außerdem positive Auswirkungen auf die gesamte Verbundanlage. Die Korrektur der Anlagegütegrade mittels grober Methode deutet das Potential höherer Gütegrade durch eine kontinuierliche Regelung bereits an. Eine nennenswerte Steigerung des Gütegrads durch kontinuierliche Leistungsregelung wird möglich durch eine genauere Regelung und das Anheben des mittleren Saugdrucks.