Ein praxisnahes Rechenmodell

Eine sinnvolle Beurteilung der Effizienz eines Kühlschrankes ist durch das bekannte Energielabel schon lange möglich. Der Käufer kann darauf erkennen, was ihn erwartet: „A“ oder besser „A+“ bescheinigt einen niedrigen Energieverbrauch, „D“, „E“ oder gar „F“ zeugen von Energiefressern. Bei gewerblichen und industriellen Kälteanlagen sind die Verhältnisse allerdings wesentlich komplizierter. Die vielfältigen Anwendungs- und Aufstellungsbereiche und der weite Leistungsbereich machen pauschale Aussage nicht so ohne Weiteres möglich. Trotzdem ist man in der Branche fieberhaft auf der Suche nach einer einfach zu bestimmenden Kennzahl – um eine schnelle Aussage über die Energieeffizienz  machen zu können.

Die Klassifizierung auf dem Energielabel für Weißwaren wird nach einen standardisierten Mess- und Prüfverfahren vergeben, die den Energiebedarf innerhalb von 24 Stunden misst. Die Bauformen der kommerziell verfügbaren Geräte sind mittlerweile recht ähnlich geworden, unterscheiden sich aber in der Wahl des Kältemittels, der Stärke der Dämmung und der Größe bzw. Qualität der Wärmetauscher. Hier beeinflusst der mögliche zu erzielende Kaufpreis über die konstruktiven Details, und damit die Einstufung in eine Energieeffizienzklasse. Ein standardisiertes Prüfverfahren ist auch sinnvoll, da Kühlschränke fast immer in einer Umgebung von 21 bis 26 °C aufgestellt werden. Diese Umgebungstemperatur brauchen sie auch, um zuverlässig zu funktionieren. Stellt man einen Kühlschrank aus Platzgründen auf den Balkon, so wundert man sich, dass dieser in der kalten Jahreshälfte nicht mehr zuverlässig funktioniert: Im Tiefkühlfach wird die Pizza ziemlich lappig werden. Ursache dafür ist, dass der Kälteprozess eine bestimmte Verflüssigungstemperatur bzw. einen bestimmten Verflüssigungsdruck braucht, um zuverlässig zu funktionieren. Die benötigten Temperaturniveaus liegen bei ca. +4 °C im Kühlfach und bei etwa -20 °C im Gefrierfach. Sinnvolle Kälteleistungen liegen in der Regel bei einigen hundert Watt. Bei der Auslastung bzw. Kälteanforderung ergeben sich zwar Unterschiede zwischen einem Singlehaushalt und einer Großfamilie. In der Praxis wird es aber kaum zu extrem starken Unterschieden im Verbrauch führen. Insgesamt wird sich der Verbrauch bei intensiverer Nutzung als bei der genormten Messung nur verschieben. Bei Geräten der Effizienzklasse „A+“ genauso wie bei Geräten der Klasse „F“, nur bei den letzteren deutlich höher. Dies wird auch auf dem Label mit dem Hinweis „Der tatsächliche Verbrauch hängt von der Nutzung und vom Standort des Gerätes ab.“ auch berücksichtigt.

Komplexe Zusammenhänge bei gewerblichen Anwendungen

Bei gewerblichen und industriellen Kälteprozessen sind die Verhältnisse wesentlich komplexer. Die meisten Anlagen sind standortgefertigte, individuelle Lösungen, die nicht einfach nach einen standardisierten Verfahren durchgemessen werden können. Die Aufstellungsbereiche können sehr stark variieren, von der Innenaufstellung von Kühlzellen bis zur großen Industrieanlage mit externen Verflüssigern. Die Leistungsbereiche können von einigen wenigen Kilowatt bis hin zu mehreren Megawatt reichen. Grundsätzlich ergeben sich zwar ähnliche Temperaturanforderungen wie bei den Weißwaren, allerdings reichen diese weiter nach oben, in den Klimabereich hinein, und weiter nach unten in den Bereich extremer Tiefkühlung. Konstruktiv sind gewerbliche und industrielle Anlagen naturgemäß wesentlich komplexer und individueller aufgestellt als steckerfertige Weißwaren. Hier gibt es unzählige Möglichkeiten, Komponenten miteinander zu kombinieren. Und insbesondere die große Artenvielfalt der Kältemittel führt zu unterschiedlichsten Anlagenkonzepten. Die Wahl des Kältemittels entscheidet dabei maßgeblich die Konstruktion der Anlage. Alle diese sich ergebenden unterschiedlichen Lösungen müssen in ihrer Energieeffizienz  bewertet werden.

Steigerung der Energieeffizienz durch Wartung, Instandhaltung und Konstruktion

Bei einem Haushaltskühlschrank ist eine regelmäßige Wartung eigentlich nicht nötig. Da die heutigen Geräte alle hermetisiert sind, d.h. keine lösbaren Verbindungen haben, ist Kältemittelmangel fast ausgeschlossen. Nur regelmäßiges Abtauen ist notwendig, um den Verdampfer von einer allzu großen Eisschicht zu befreien. Die beweglichen, verschleißanfälligen Komponenten sind auf den Verdichter reduziert. Bei gewerblichen und industriellen Kälteprozessen ist die Wartung ein wichtiger Faktor für den effizienten Betrieb. Insbesondere findet sich eine große Anzahl von beweglichen, verschleißanfälligen Komponenten in den Anlagen. Neben dem Verdichter sind dies diverse Lüfter und Pumpen, ferner verschiedene regel- und strömungstechnische Vorrichtungen, die die Anlage für eine ordnungsgemäße Funktion benötigt. Die Komplexität weit verzweigter Anlagen erhöht das Risiko von Kältemittelverlusten, die seit einigen Jahren mit regelmäßigen Dichtheitskontrollen gemindert werden sollen. Außerdem muss an den entscheidenden Stellen, insbesondere an der Saugleitung, die Dämmung intakt sein, damit die Anlage mit größtmöglicher Effizienz laufen kann.

Konstruktiv hat man durch die große Anzahl von Freiheitsgraden bei der Wahl der Komponenten den größten Einfluss auf die Effizienz. Hier werden sich durch die Wahl des Kältemittels, die Dimensionierung der Rohrleitungen, der Größe der Wärmetauscher und die Wahl der Verdichterbauart große Unterschiede in der Effizienz ergeben. Die Dimensionierung der Rohrleitungen hat dabei energetisch nur eine Bedeutung: Zu kleine Rohrdimensionen und damit hohe Druckverluste verschlechtern die Anlage, zu große Rohrleitungen können diese aber nicht verbessern! Großen Einfluss haben die Wärmetauscher: Große Verdampfer lassen die Verdampfungstemperatur um einige Kelvin steigen, große Verflüssiger bringen Druck und Temperatur auf der Hochdruckseite runter, beides ein wichtiger Beitrag zur Steigerung der Effizienz. Ferner haben die verschiedenen Verdichterbauformen unterschiedliche Wirkungsgrade. Offene Verdichter haben insgesamt einen besseren Wirkungsgrad als halbhermetische oder gar vollhermetische. Und Schraubenverdichter haben bessere mechanische Wirkungsgrade als die anderen Bauformen.

Leistungszahl oder COP als einfaches Kriterium für die Effizienz

Dabei wird traditionell die Leistungszahl, das Verhältnis zwischen Nutzen und Aufwand, benutzt, um eine Aussage über die Effizienz einer Anlage in einem bestimmten Betriebspunkt zu machen. Diese Leistungszahl wird dabei häufig als COP – Coefficient of Performance – bezeichnet, ein Attribut an die Globalisierung.

Die verschiedenen Kältemittel haben bei ansonsten gleichen Bedingungen wie Verdichterbauart, gleicher Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur auch schon unterschiedliche COP-Werte. Dies ist eine Folge der unterschiedlichen Dampfdruckkurven, Drucklagen, Enthalpien und Molaren Massen. Dadurch entstehen unterschiedliche thermodynamische Eigenschaften, die insbesondere über den Polytropen Wirkungsgrad des Kältemittels die Effizienz der Verdichtung beeinflussen. Bislang war der COP-Wert bei einem Punkt des Vergleichsprozesses, im Allgemeinen der Auslegungspunkt der Anlage, eines der wichtigsten Kriterien, um Aussagen über die Effizienz zu machen. Dabei schneidet beispielsweise R134a besser ab als R404A oder R410A. Dies wurde schon in Teil I dieses Beitrages (KKA 3/2010, S. 32) behandelt. Dabei stellte sich auch heraus, dass dieses Modell nur für konstante Betriebsbedingungen geeignet ist, z.B. Prozesskühlung mit wassergekühltem Verflüssiger und damit konstanter Verflüssigungstemperatur. Hier wird R134a stets günstigere Werte für den COP liefern. Dabei kommen die konstruktiven Unterschiede, wie die Wahl der Verdichter, direkt zum Tragen, wie es in Tabelle 1 im direkten Vergleich für vier Kältemittel dargestellt ist. Wie dort zu erkennen ist, verhält sich der COP verkehrt zur Drucklage der Kältemittel, je höher die Drücke des Kältemittels, desto niedriger der COP. Für die Betrachtung wurde ein Prozess mit -10 °C Verdampfungstemperatur und 45 °C Verflüssigungstemperatur herangezogen. Bei CO₂ wurde abweichend, da hier bei 35 °C Außentemperatur ein transkritischer Prozess vorliegt, mit 38 °C Gaskühleraustrittstemperatur bei 95 bar Gaskühlerdruck die Betrachtung durchgeführt. Ferner ist hier die Schaltung innerhalb der Anlage anders, da über einen Mitteldruckbehälter das transkritische Fluid entspannt wird. Hier zeigt sich, dass der transkritische Prozess von CO₂ energetisch im direkten Vergleich mit den anderen Kältemitteln deutlich schlechter abschneidet.

Kälteanlagen werden aber nicht ausschließlich in ihrem Auslegungszustand betrieben. Dieser Zustand wird nur für wenige Stunden erreicht und beschreibt den „Worst Case“ – hier soll die maximale Leistung bei maximalen Außenbedingungen bereitgestellt werden. Insbesondere bei Temperaturen unterhalb der Auslegungstemperatur, in Mitteleuropa gilt derzeit ein Wert von 35 °C Außentemperatur als Stand der Technik, kann die Anlage durch Ansteuern der Verflüssigerlüfter tiefer verflüssigen, bis hin zum tiefsten eingestellten Wert. Ein typischer Erfahrungswert für diesen, auch Winterreglung genannten, Wert ist t_cmin=38 °C. Die neuen Randbedingen ergeben neue COP-Werte, die noch mit der Anforderung der Kälteleistung kombiniert werden müssen. Durch die entsprechende Gewichtung, wann die Anlage mit welchem COP angefordert wird, und die Summierung des Energiebedarfs ergibt sich ein mittlerer Wert für den COP, hier Jahres-COP (J-COP) genannt.

Die bisherigen Betrachtungen basierten nur auf unterschiedlichen Wirkungsgraden beim Wärmeentzug bzw. bei der Erzeugung der Kälte: den verschiedenen Wirkungsgraden der Verdichter sowie den Enthalpiedifferenzen und den polytropen Wirkungsgraden der verschiedenen Kältemittel. In Tabelle 2 sind die Ergebnisse für diese erste Simulation aufgeführt. Alle Werte für den J-COP sind günstiger als der COP im Auslegungspunkt, obwohl nun auch der Energiebedarf für Nebenaggregate wie Lüfter und Pumpen mit hineingerechnet wurde. Insgesamt erkennt man aber, dass sich die Werte nur verschoben haben.

Optimierung: Kältemittel mit unterschiedlichem Potential für die Regelung

Ein pauschaler Wert für die Winterreglung von t_cmin=38 °C ist die Ursache für die Verschiebung. Dies wird dem Potential vieler Kältemittel nicht gerecht, die bedingt durch ihre hohe Drucklage tiefere Temperaturwerte für eine optimale Winterreglung haben können. Der optimale Wert ergibt sich aus vielen verschiedenen technischen Zusammenhängen, wie minimaler Massendampfgehalt im Verdampfer oder Einsatzgrenzen des Verdichters, die immer mit betrachtet werden müssen.

Ein wesentlicher Wert für diese Einsatzgrenzen ist die Veränderung der Leistung des Expansionsventils mit der Änderung der Druckdifferenz. Diagramm 1 zeigt den Zusammenhang am Beispiel von  R134a und R404A. Mit fallender Verflüssigungstemperatur t_c ändern sich die Leistungen der Komponenten. Die Leistung eines Verdichters wird für beide Kältemittel relativ gesehen größer, während sich die Leistungskurven der Expansionsventile stark unterscheiden. Die Leistung eines Expansionsventils wird beeinflusst durch die treibende Druckdifferenz und die nutzbare Enthalpie des  Kältemittels. Dabei gilt, dass bei einer Druckdifferenz von mehr als 6-8 bar die Leistung eines Expansionsventils relativ konstant bleibt. Darunter wird die Leistung stark von denen anderer Komponenten abweichen, in diesem Fall der des Verdichter. Je nach Kältemittel, Komponententyp und Regelungskonzept ergeben sich hier unterschiedliche Potentiale für eine minimale Verflüssigungstemperatur.

Abhängig vom Standort und der Auslastung

In Bild 1 sind die Randbedingungen, die für den Vergleich innerhalb dieses Beitrages zugrunde gelegt wurden, dargestellt: eine Gewerbekälteanlage, Standort Bern in der Schweiz, mit ganzjähriger Kälteanforderung zwischen 100 % und 50 % der installierten Leistung von 100 kW. Die Tages- und Nachttemperaturen stellen statistische Mittelwerte dar, die aus den klimatischen Daten der letzten 20 Jahre ermittelt wurden. Sie besagen, welche Temperaturen wahrscheinlich zu erwarten sind. Für den Monat April kann man an dem Standort mit Tagestemperaturen von 12,3 °C rechnen, nachts wird es sich wahrscheinlich auf 4,6 °C abkühlen.

Bei einer Ganzjahresauslastung mit klimatisch bedingter Veränderung der Außentemperatur können die bisherigen Verhältnisse anders aussehen. Hier muss die Veränderung des COP in Abhängigkeit von den tagesaktuellen Bedingungen einzeln erfasst werden. Die zusammengefassten Ergebnisse können dann als (Jahres) J-COP, wieder nach entsprechender Gewichtung, wann die Anlage mit welchem COP angefordert wird, und der anschließenden Summierung, dargestellt werden. Hier zeigt sich das Potential für die Hochdruckkältemittel in diesem Fall: Die bes­ten J-COP-Werte weist jetzt R410A auf, wie in Tabelle 3 zu erkennen ist. Hier sind die thermodynamischen Eigenschaften und die Absenkung der Verflüssigungstemperatur am besten miteinander zu verbinden. Einen gewaltigen Sprung nach vorne hat CO₂ gemacht. Durch die bisherige Bewertung bei hohen Verflüssigungs- bzw. Gaskühlertemperaturen war es ins Hintertreffen geraten. Nun können im Ganzjahresbetrieb die Vorteile dieses Kältemittels zum Tragen kommen, insbesondere durch die tiefe Verflüssigungstemperatur von 0 °C.

Weitere konstruktive Optimierung der Komponenten

Neben der Absenkung der Verflüssigungstemperatur können noch weitere Komponenten Einfluss auf die energetische Güte der Anlage haben. Hier sind drehzahlgeregelte Lüftermotoren und/oder Pumpen eine Möglichkeit, den COP zu verbessern. Ferner wurde hierbei eine Inverterregelung des Verdichters mit berücksichtigt. Diese führt im Teillastbetrieb zu einer permanenten Reduzierung der Verflüssigungstemperatur, was sich wiederum günstig auf den aktuellen COP auswirkt. Diese wird zwar mit einer gewissen Blindleistung des Inverters erkauft, die aber im ausgeprägten Teillastbetrieb des Verdichters deutlich kleiner ist als der Vorteil bei der Erhöhung des COP.  Tabelle 4 zeigt die Veränderung des J-COP durch diese Maßnahme. Hier kommt die Optimierung von Verdichtern und Lüftern bei allen Kältemitteln ähnlich gut zum Tragen, es findet wieder eine Verschiebung statt.

Als letzte Möglichkeit, die Anlagen zu optimieren, werden die Komponenten in ihrer Größe den Anlagenparametern angepasst. Bedingt durch andere Wärmeübergänge bauen Verdampfer für R134a etwas größer als bei R404A oder R410A. Die Wärmetauscher für CO₂ hingegen werden kleiner. Um die Energieeffizienz zu steigern, kann man aber bei gegebenen Einbaugrößen die Verdampfungstemperatur anheben. Dadurch lassen sich in Kühlräumen oder Kühlmöbeln bei gleicher Einbaugröße geringere Temperaturspreizungen am Verdampfer erzielen. Und damit wird ein positiver Effekt auf die Energieeffizienz erzielt. Bei CO₂ ist das Potential durch sehr gute Wärmeübergänge in Verbindung mit sehr kleinen Rohr- und Wärmetauscherdimensionen am größten. Durch die Anhebung der Verdampfungstemperatur müssen aber auch die minimalen Verflüssigungstemperaturen t_cmin leicht angehoben werden, um die Druckdifferenz für das Expansionsventil konstant zu halten. Unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Potentiale ergeben sich in der dritten Stufe der Optimierung weitere Vorteile für CO₂, wie in Tabelle 5 zu erkennen ist. Inwieweit dies auch bei der Realisation von Anlagen umgesetzt wird, ist natürlich eine Entscheidung des Endkunden.

Ganzjahressimulation liefert belastbare Ergebnisse

In Bild 2 und Bild 3 ist anhand von zwei Beispielen deutlich zu erkennen, wie das Regelverhalten der verschiedenen Anlagen an einem Tag im April aussieht: In den Nachtstunden beträgt die Verflüssigungstemperatur bei der R401A-Anlage konstant 18 °C, um den notwendigen Vordruck am Expansionsventil zu gewährleisten. Am Tage steigt die Verflüssigungstemperatur parallel zur Außentemperatur. Die CO₂-Anlage kann hier durch die höheren Systemdrücke wesentlich tiefer verflüssigen. Auch in der Nacht verläuft die Verflüssigungstemperatur parallel zur Außentemperatur. Dabei können Werte von unter 10 °C für die Verflüssigung realisiert werden. Der COP steigt dabei während der Nachtstunden auf Werte von 9 an.

Kälteanlagen richtig zu erfassen und zu beurteilen, stellt nach wie vor eine Herausforderung dar. Lediglich die effizientere Kälteerzeugung als Summe aller Wirkungsgrade in einem Punkt zu betrachten, ist nicht sehr aussagekräftig. Verdichter unterscheiden sich zwar in ihrem Wirkungsgrad, der Summe des elektrischen und des mechanischen Wirkungsgrades, um einige Prozent. Auch Inverter können die Anlageneffektivität um einige Prozent beeinflussen, im Positiven wie im Negativen. Erst die Betrachtung aller wichtigen Einflussfaktoren macht eine Aussage möglich, wie ein Anlagenkonzept in Relation zu einem anderen zu bewerten ist. Würde man nur die Wirkungsgrade der Kälteerzeugung in die Waagschale werfen, wäre bei dieser Betrachtung eine R134a-Anlage mit Schraubenverdichter die beste Lösung gewesen. Wird die Anlage als komplexes Gebilde betrachtet, kommt man bei diesem Vergleich mit CO₂ zu einem um über 130 % besseren (Jahres)  J-COP gegenüber der R134a-Anlage. Um eine objektive Aussage treffen zu können, ist ein Vergleich zweier oder mehrerer Anlagenkonzeptionen mit gleichen Parametern notwendig. Bei einem anderen Anwendungsfall, wie z.B. bei einer Klimaanlage für den Standort Dubai, wäre eine R134a-Anlage mit Schraubenverdichter sicherlich die beste Lösung. Dies macht deutlich, dass verwertbare Aussagen nur über eine gesamtheitliche Betrachtung aller Einflussfaktoren gemacht werden können.

Oder ganz einfach gesagt: Der Haupteinfluss auf den Energiebedarf eines Kälteprozesses liegt in der Ausnutzung des Potentials der Regelbarkeit des Kältemittels bezogen auf die Kälteanforderung am jeweiligen Standort der Anlage unter Berücksichtigung der Effizienz bei der Kälteerzeugung.