Effizienz-Check für Supermarkt-Kälteanlagen

Die „Energiewende“ ist in aller Munde. In diesem Zuge werden große Anstrengungen unternommen, um erneuerbare Energien zu stärken und gleichzeitig die Energieversorgung langfristig sicherzustellen. Dabei ist die wichtigste Maxime: Die Energie, die nicht verbraucht wird, muss auch nicht erzeugt werden. Daher hat Energieeffizienz heute einen so hohen Stellwert wie nie zuvor – dies gilt in besonderem Maße auch für die Kältetechnik in Supermärkten.

Dieser Artikel beschreibt die kältetechnischen Schwerpunkte, die für energieeffiziente Supermarktkälte ausschlaggebend sind. Wärmerückgewinnung und eine Integration der Wärmetechnik, bzw. anderer Gebäudetechnik, sind nicht Gegenstand dieser Ausführungen, obwohl sich hierüber natürlich noch weitere Einsparungen erzielen lassen.

Adaptive Überhitzungsregelung

Blicken wir zunächst auf die einzelnen Kühlstellen. Diese sind auf den ersten Blick recht verschieden. Es gibt Eis- und Tiefkühltruhen, Kühlregale in verschiedenen Ausführungen und Temperaturlagen, bis hin zu Kühlräumen. Doch trotz dieser Verschiedenheit ist das Ziel einer Kühlstelle hinsichtlich minimalen Energieverbrauchs immer gleich. Es geht immer um möglichst kleine Überhitzungen. Und das, egal bei welchem Teillastfall, welcher Begehung oder Zeit, die seit der letzten Abtauung vergangen ist. Grundsätzlich kann man bei niedrigen Überhitzungen höhere Verdampfungstemperaturen fahren, was in aller Regel zu Energieeinsparungen führt. Bei Hubkolbenverdichtern und Verbunden daraus ist dies immer der Fall. Bei Verdichtertechnologien, die mit einem fest eingebauten Druckverhältnis arbeiten – wie zum Beispiel Scrollverdichter –, muss das nicht immer so sein. Bei Scrollverdichtern hängt viel vom spezifischen Optimierungspunkt ab.

Um stets kleinste Überhitzungen zu erreichen, reichen thermostatische Einspritzventile oft nicht aus. Sie können weder ihren Überhitzungssollwert noch die Nachstellzeit der Regelung anpassen, da diese durch die Fühlerfüllung fest vorgegeben ist. Danfoss-Kühlstellenregler mit elektronischen Einspritzventilen sind da flexibler und regeln sich darüber hinaus noch selbstständig ein. Die elektronische Variante hat durch die stetige Anpassung des Überhitzungssollwerts, der langsameren oder schnelleren Regelung und des immerwährenden empirischen Austestens, ob vielleicht doch noch eine kleinere Überhitzung möglich wäre, besondere Vorteile.

Saugdruckoptimierung

Bei 1:1-Systemen, also einem Verdampfer und einem Festdrehzahlverdichter in einem Kühlregal, ergibt sich durch die kleinere Überhitzung normalerweise automatisch eine höhere Verdampfung.  In einem durchschnittlichen Supermarkt mit Kühlstellen, die an Verdichter-Verbunde angeschlossen sind, ist das nicht automatisch so. Um den Saugdruck zu regeln, werden solche Systeme mit Verbundreglern ausgestattet. Verbundregler dienen dazu, die Leistung von mehreren Verdichtern, die zusammen auf einen Kältekreislauf geschaltet sind, an die aktuelle Verdampferlast anzupassen. So wird beispielsweise bei fallendem Saugdruck ein Verdichter weggeschaltet, während bei steigendem Druck ein Verdichter zugeschaltet wird. Aus diesem Grund benötigt ein Verbundregler permanent den Istwert des Saugdrucks, wie er aktuell in der Anlage vorherrscht. Um diese Information aufzunehmen, wird ein Druckmessumformer in die Saugleitung eingebaut. Ziel des Verbundreglers ist es, den Saugdruck immer möglich konstant zu halten. Fällt der Saugdruck, dann ist die Verdichterleistung für die Verdampfer zu hoch. Dieser Fall kann beispielsweise eintreten, wenn kurz zuvor mehrere Kühlstellen (über ihr Flüssigkeitsmagnetventil) abgeschaltet haben. Der Verbundregler bemerkt dies durch das Absinken des Saugdrucks und will infolgedessen einen oder mehrere Verdichter abschalten. Durch die Busvernetzung von Kühlstellen- und Verbundreglern mit einem Systemmanager ist zusätzlich eine reglerübergreifende Logik implementierbar. So bemerkt der Systemmanager beispielsweise, welches die schwächste Kühlstelle ist, und gibt diese Information an den Verbundregler weiter. Der Verbundregler kann dann genau so tief im Saugdruck fahren, dass es der Problemkühlstelle gerade ausreicht. Damit muss nicht unnötig tief im Saugdruck gegangen werden, was letztlich wieder Kosteneinsparungen bedeutet.

Nachtanhebung

Oft ist es zweckmäßig, den Saugdruck im Nachbetrieb anzuheben. In einem klassischen Supermarkt führen beispielsweise die geschlossenen Rollos bzw. Nachtabdeckungen der Kühlmöbel dazu, dass auch mit einem höheren Saugdruck als im Tagbetrieb ausreichende Kühlung gewährleistet werden kann. Da sich höhere Saugdrücke energetisch positiv bemerkbar machen, ist eine Nacht-Sollwertanhebung durch den Verbundregler sehr ratsam. Diese Anhebung kann meist ganz einfach über einen potentialfreien Kontakt realisiert werden. Schaltet der Kontakt durch, wird der Saugdruck automatisch um den vorher im Verbundregler definierten Wert angehoben. Dieser Kontakt kann beispielsweise mit der Kühlregalrolloschaltung kombiniert werden.

Bedarfsabtauung

Ein wichtiger Punkt, um Energie zu sparen, ist auch das Thema „Abtauung“. Den Verdampfer ab und an abzutauen, also vom Eis, das sich zwischen den Lamellen gebildet hat, zu befreien, ist leider bei den Verdampfungstemperaturen, die in Supermarktkälteanlagen gefahren werden, ein notwendiges Übel. Zum Glück gehören zeitabhängige Abtauung ohne Abtaubegrenzung bei Supermärkten schon der Vergangenheit an. Denn jedes Watt Heizleistung, das für die Abtauung verwendet wird, zählt quasi doppelt. Es muss zunächst als Heizleistung erzeugt, dann aber wieder durch die Kälteanlage abgeführt werden. Daher ist Bedarfsabtauung besonders effektiv. Diese adaptive Abtauung basiert auf der Überwachung der „Performance“ des Verdampfers durch den Kühlstellenregler, der zu jeder Zeit die Zu- und Rückluft des Verdampfers, die Abtaufühlertemperatur, den Öffnungsgrad des elektronischen Expansionsventils (z.B. Typ „AKV“) und den Verdampfungsdruck über den Druckmessumformer im Blick hat. Durch die Nutzung des „AKV“-Ventils als Durchflussmesser ist es möglich, die Bedingungen und Balance zwischen der Kältemittelseite und der Luftseite des Verdampfers zu vergleichen. Durch diesen Vergleich ist es möglich, den Luftdurchsatz durch den Verdampfer und damit auch den Eisansatz am Verdampfer zu ermitteln. Wenn der Eisansatz ein bestimmtes Niveau erreicht hat und es zeitlich passt, wird eine Abtauung eingeleitet. Durch dieses Verfahren werden unnötige Abtauungen ausgelassen.

Intelligente Rahmenheizung

Um Energie zu sparen, kann man die Rahmenheizung impulssteuern. Dieses Pulsen wird entweder über den Tag-/Nachtmodus oder über den Taupunkt vorgegeben. Bei Abhängigkeit von Tag und Nacht können unterschiedliche Zeiten für Tag- und Nachtbetrieb eingestellt werden.

Ebenso sind unterschiedliche Prozentanteile festzulegen, in dem die Rahmenheizung eingeschaltet ist. Im Tagbetrieb ist dies in der Regel ein höherer Prozentsatz, da nur im Tagbetrieb die Hauptaufgabe der Rahmenheizung – ein ungehinderter Blick des Verbrauchers auf die Ware – eine Rolle spielt.

Um die Rahmenheizung in Abhängigkeit vom Taupunkt zu takten, muss ein Systemmanager vom Typ „AK-SM“ verwendet werden, der den Taupunkt messen und den aktuellen Taupunkt an die Möbelregler weiterleiten kann. In diesem Fall wird der Einschaltzeitraum der Rahmenheizung auf der Basis des aktuellen Taupunkts gesteuert. In einem Kühlmöbelregler sind meist zwei Taupunktwerte einzustellen, einen mit Maximalleistung, d.h. bei 100 % relativer Feuchte und einen, bei dem nur die Minimalleistung der Rahmenheizung gefahren wird. Im Bereich zwischen den beiden Taupunktwerten wird der Rahmenheizung anteilig Leistung zugeführt. Hauptziel der Rahmenheizung ist es, dem Kunden stets einen optimalen Blick auf die Ware zu gestatten, ohne dabei zu viel zu heizen. Bei 100 % relativer Feuchte bzw. Überschreitung der Taupunkttemperatur an der Oberfläche des Möbelfensters beschlägt dieses, da die Luft nicht mehr als 100 % Wasserteilchen halten kann. Auskondensieren muss durch den geschickt dosierten Einsatz der Rahmenheizung verhindert werden, damit die optimale Präsentation der Ware stets gewährleistet ist.

Verflüssigungsdruckoptimierung

Strebt man beim Saugdruck danach, ihn immer möglichst hoch zu halten, so ist dies beim Verflüssigungsdruck genau umgekehrt – je niedriger der Verflüssigungsdruck umso besser. Endlos niedrig kann der Verflüssigungsdruck nicht abgesenkt werden, z.B. aufgrund der sinkenden Leistung der Expansionsventile; es geht aber tiefer, als allgemein in Praktikerkreisen angenommen. Der Schlüssel hierbei ist der Außentemperaturfühler. Eine Regelung, bei der sich der Sollwert des Verflüssigungsdrucks außentemperaturabhängig ändert, führt zum besten Ergebnis, zumindest wenn die Anlage einigermaßen in Balance ist. Werden hingegen häufig Verdichterstufen geschaltet und ist die Verdichterleistung oft sehr niedrig, so muss die Regelung dieser Tatsache deutlicher Rechnung tragen. Grundsätzlich führt eine außentemperaturabhängige Verflüssigungsdruckführung schon zu sehr guten Einsparungen. Im Vergleich zu vielen Kälteanlagen, die das ganze Jahr über den gleichen Verflüssigungsdrucksollwert haben, ist das bereits ein großer Fortschritt.

Fazit

Das Fazit könnte man mit „get the basics right“, sprich „mach die grundlegenden Sachen richtig“, beschreiben. Der Saugdruck soll hoch, die Überhitzung und der Verflüssigungsdruck niedrig sein. Die Rahmenheizung darf nur dann eingeschaltet sein, wenn ansonsten Kondensat am Fenster droht. Die eine oder andere Abtauung darf auch mal übersprungen werden, wenn es die Situation erlaubt und in der Nacht findet man ganz andere Verhältnisse als am Tag vor, die man energetisch ausnutzen kann.