Energie sparen im Supermarkt

In einer Fallstudie wurden in einem Supermarkt in Sulmona (Italien) mechanische und elektronische Expansionsventile direkt miteinander verglichen. Im Vergleich zu ähnlich großen Verkaufsstellen (~2000 m²) zeichnet er sich durch seinen Fokus auf Frischprodukte und entsprechend höheren Kältebedarf aus.

Die Supermarktanlage ist im Vergleich zu analogen Installationen komplexer aufgrund der:

› Klimabedingungen: Sulmona unterliegt beträchtlichen täglichen, aber auch saisonalen Temperaturschwankungen mit winterlichen Mindestwerten von -5 °C bis zu sommerlichen Höchstwerten von 38 °C;

› Lage: Die Verkaufsstelle liegt in einer Wohnbauzone, weshalb der durch den Verdichter- und Ventilatorenbetrieb bedingte Lärmpegel auf ein Minimum beschränkt bleiben muss;

› schwierigen Installationsbedingungen: Durch die Unterbringung der Verbundanlage und Verflüssiger im Kellergeschoss, war der Einsatz von Zentrifugalventilatoren für die Verflüssiger erforderlich.

Anlagen

Die Kühlleistungen der beiden Verbundkälteanlagen wurden aus der Anzahl der von Conad (www.conadadriatico.it) benötigten Normalkühl- und Tiefkühlverbraucher berechnet. Als dann wurden die Verdichter unter Berücksichtigung der maximalen Raumtemperatur gewählt, von der die Verflüssigungstemperatur der Verbundanlage abhängt. Die Kühlleistung eines Verdichters ist ein Funktionswert der Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur. Bei konstanter Verdampfungstemperatur steigt, wenn die Verflüssigungstemperatur sinkt, die Systemeffizienz, d.h. es erhöht sich die vom Verdichter gelieferte Kühlleistung und es sinkt gleichzeitig seine Leistungsaufnahme. Die kritischste Betriebsbedingung zeigt sich also bei höheren Verflüssigungstemperaturen, die ihrerseits von der Raumtemperatur beeinflusst werden, weil die Luft das Kühlfluid des Luftverflüssigers ist. Die Installation sieht eine R404A-Verbundkälteanlage vor, die das Kältemittel zum Verflüssiger befördert. Das kondensierte Fluid erreicht die Kälteverbraucher, die mit Expansionsventilen für die Gewährleistung der korrekten Betriebstemperatur ausgerüstet sind. Für eine Gegenüberstellung der Carel-Lösung (www.carel.com) mit den gebräuchlichsten mechanischen Lösungen wurden an den Kühlmöbelseiten zwei Expansionsventile parallel geschaltet: das klassische mechanische Expansionsventil (TEV) und das elektronische Carel-Ventil („E²V“).

Die Normalkühlanlage besteht aus:

› 23 Kälteverbrauchern mit erforderlicher Kühlleistung von 80 kW;

› einer 3-Verdichter-Verbundkälteanlage;

› einem Verflüssiger mit zwei drehzahlgeregelten Zentrifugalventilatoren.

Die Tiefkühlanlage besteht aus:

› zehn Kälteverbrauchern für insgesamt ­
16 kW;

› einer 4-Verdichter-Verbundkälteanlage;

› einem Verflüssiger mit drehzahlgeregeltem Zentrifugalventilator;

› Heißgasabtauung der Kälteverbraucher.

Für die Klimaanlage wurde eine Carel-Lösung zur außentemperaturbasierten Energieoptimierung des Brennwertkessel-Wärmepumpensystems eingesetzt, wodurch die hohe Energieeffizienz der Wärmepumpe für Raumtemperaturen über 7 °C ausgeschöpft werden konnte. Die integrierte Carel-Lösung „Retail Sistema“ erzielt die maximalen Vorteile aus den Energiesparfunktionen der verschiedenen Steuerungen für die Kälteanlagenregelung. Die Systemintegration und die fortlaufende Suche nach den besten Betriebsbedingungen garantieren die maximale Anlagenperformance und liefern gleichzeitig eine umweltverträgliche Lösung.

Systemintegration

Durch die Integration der Carel-Lösung „Retail Sistema“ sowie einer sorgfältigen Anlagenplanung und -realisierung konnte das System in seiner Performance optimiert werden. Durch die integrierte Carel-Lösung für Kälteanlagen lassen sich die Vorteile der Energiesparfunktionen der verschiedenen Steuerungen für die Kälteanlagenregelung optimal ausschöpfen. Das „PlantVisorPro“-Überwachungssystem überwacht alle Kälte-, Klima- und Heiz-Feldgeräte (auch Dritter) und tauscht Informationen zur Ansteuerung verschiedener Betriebslogiken für die höchstmögliche Energieeinsparung aus. Der Betrieb jedes Kälteverbrauchers wird damit ständig unter Kontrolle gehalten und über einen Supervisor geregelt. Außerdem können HACCP­-Daten gedruckt oder abgerufen werden. All diese Funktionen lassen „Retail Sistema“ die optimale Energieeinsparung und die nötige Einsatzflexibilität für eine umweltverträgliche Entwicklung erzielen.

Modulierende Arbeitsdrücke

der Verbundkälteanlagen

Die Leistungsaufnahme eines Verdichters ist proportional zur Differenz zwischen Saug- und Verdichtungsdruck. Kann diese Druckdifferenz geregelt werden, wird die Energieaufnahme beschränkt.

Modulierender

Verflüssigungsdruck

Auf der Grundlage der Differenz zwischen Außentemperatur und Verflüssigertemperatur kann ein dynamischer Verflüssigersollwert in Echtzeit verwendet werden. Dieses System schöpft niedrige Raumtemperaturen im Winter und die Temperaturschwankungen zwischen Tag und Nacht ohne unnütze Energieaufwände im Regelbetrieb der Ventilatoren aus. Die Verminderung des Verflüssigersollwerts führt zu einer direkten und erheblichen Senkung der Leistungsaufnahme der Verdichter. Außerdem verlängert dieser Algorithmus die Lebensdauer der Verbundkälteanlage, da der jährliche Verdichtungstemperatur-Mittelwert niedriger ist. Daraus folgt eine Steigerung des Wirkungsgrades und eine geringere Beeinträchtigung des Öls mit allgemein minderer Abnutzung der mechanischen Bauteile. Dieser Vorteil kann nur mit elektronischen Ventilen erzielt werden, die einen größeren Regelbereich als thermostatische Ventile bieten und auch bei einer geringeren Expansion im Vergleich zu den Bemessungsbedingungen gut arbeiten.

Modulierender Saugdruck

Auch der Saugdrucksollwert kann in Abhängigkeit der Güte des Anlagenbetriebs dynamisch geregelt werden. Arbeiten alle Verbraucher korrekt, kann er erhöht werden. Die Regelung erfolgt über ein Überwachungssystem, das die Informationen der einzelnen Steuerungen erfasst und den Betrieb folglich optimiert. Die Operationen werden vom Anlagensupervisor automatisch im Hintergrund ausgeführt.
Als Ergebnis dieser beiden Optimierungen arbeitet die Anlage ständig mit der von den Klima- und Wärmelastbedingungen zugelassenen Mindestdruckdifferenz. Der Einsatz der „E²V“-Expansionsventile hält Druckdifferenzen auf einem Minimum und maximiert die Ergebnisse. Der Supervisor überwacht den Ist-Verbrauch der beiden Verbundkälteanlagen anhand zweier Energieanalysatoren (einer für die Normalkühlanlage, einer für die Tiefkühlanlage).

Elektronische Ventile

Optimale modulierende Verflüssigungs- und Verdichtungsdrücke sind nur durch den Einsatz der elektronischen Expansionsventile möglich, da diese einen größeren Regelbereich als thermostatische Ventile bieten: Dies erhöht das Energiesparpotential stark (mit elektronischen Expansionsventilen durchschnittlich 25 % pro Jahr, ohne elektronische Expansionsventile durchschnittlich 8 % pro Jahr). Mechanische Expansionsventile sind für die schwierigsten Betriebsbedingungen bemessen, nämlich für den Sommer. Für einen optimierten Betrieb müssen sie außerdem manuell kalibriert werden, was vor Ort während der Inbetriebnahme der Anlage durch Anziehen oder Lockern einer Schraube erfolgt. Dieses Verfahren ist aufwendig und muss unter lastfreien Kühlmöbelbedingungen ausgeführt werden, was sicherlich keine reale Betriebssituation widerspiegelt.
„E²V“-Ventile erhöhen außerdem die Performance der Kälteverbraucher-Verdampfer sowie deren Temperaturstabilität: Dies ermöglicht wiederum eine bessere Konservierung der Lebensmittel.

Optimierung der Antibeschlagheizungen mittels Taupunkttemperatur

Kürzlich wurde eine neue Energiesparfunktion für die Kälteverbraucher eingeführt: die Leistungsregelung der Antibeschlagheizungen. Die­se Funktion kann für alle Kühlmöbel aktiviert werden, deren Scheiben oder Rahmen beschlagen. Üblicherweise arbeiten Antibeschlagheizungen rund um die Uhr, auch dann, wenn die Klimaverhältnisse eine Leistungsminderung oder sogar ein Ausschalten zulassen würden. Die Leistungsregelung erfolgt über das Überwachungssystem, welches die Raumtemperatur- und Raumfeuchtedaten austauscht und der „MPXPRO“-Steuerung die Berechnung der Taupunkttemperatur und somit die Leistungsregelung der Heizungen ermöglicht.

Frequenzumrichter

Der Frequenzumrichter regelt die Leistungsaufnahme des Elektromotors der Ventilatoren und Verdichter, optimiert deren Anlaufverhalten, stabilisiert die Verflüssigungs- und Saugdrücke und hält den Effektivwert ohne ständiges Ein- und Ausschalten auf dem Sollwert. Stabile Saug- und Verflüssigungsdrücke erhöhen den Wirkungsgrad der Kühlmöbel-Verdampfer und garantieren auch eine höhere Regelungsstabilität der elektronischen Ventile (wenngleich eine solche nicht unerlässlich ist). Diese Vorteile zeigen sich vor allem in Anlagen, die starken Temperaturschwankungen ausgesetzt sind. Die Verbundanlagen sind immer nach den schlechtesten Betriebsbedingungen bemessen, also für sommerliche Verhältnisse. Demzufolge ist die Verbundanlage für den Winter oft überdimensioniert (vor allem bei der Verwendung von elektronischen Ventilen), und die Motoren unterliegen ständigen Ein- und Ausschaltzyklen, höheren Stromaufnahmen und einer kürzeren Lebensdauer.

In der analysierten Anlage wurde der Frequenzumrichter für die Regelung der Verflüssigerventilatoren verwendet. Die Verflüssiger sind wie bereits gesagt mit Zentrifugalventilatoren ausgestattet, weil sie im Kellergeschoss untergebracht sind. Zur Verminderung der Leistungsaufnahme der Motoren und des Lärmpegels wurden zwei Frequenzumrichter eingesetzt, einer für den Verflüssiger der Normalkühlanlage, der andere für jenen der Tiefkühlanlage.

Heißgasabtauung

Eine weitere Energiesparquelle ist der Abtaubetrieb der Tiefkühlmöbel, wenn diese nicht mit den üblichen Elektroheizungen abtauen, sondern das Verdichtungsheißgas nutzen. Das Gas wird über eine dritte Leitung zum abzutauenden Verdampfer umgelenkt. Der Verdampfer des Kälteverbrauchers übernimmt in diesem Fall die Funktion des Verflüssigers. Das am Verdampferauslass kondensierte Fluid wird in die Leitung eingeführt, welche die anderen Verdampfer versorgt. Die Verwendung von Heißgas ermöglicht eine schnellere Abtauung und eine gründlichere Reinigung des Verdampfers, da es alle Leitungsabzweigungen erreicht. Eine optimale und koordinierte Abtauaktivierung ist grundlegend für diese Art der Abtauung.

 
Optimierung des Brennwertkesselbetriebs als Wärmepumpenunterstützung

Der Supermarkt wurde ebenfalls mit einer Carel-Lösung zur Optimierung des Heizsystems ausgerüstet. Die Energie des Brennwertkessels oder der Luft-Wasser-Wärmepumpe mit drehzahlgeregelten Zentrifugalventilatoren wird auf der Grundlage der Außentemperatur ausgeschöpft, um die hohe Energieeffizienz der Wärmepumpen bei Raumtemperaturen über 7 °C vollständig in Anspruch zu nehmen. Im „PlantVisorPro“-Überwachungssystem wurde hierzu eine entsprechende Steuerplatine implementiert. Außerdem sorgt der Supervisor für die Überwachung des Wärmeenergieverbrauchs. Letzteres System wurde in die Ergebnisse der vorliegenden Fallstudie nicht mit einbezogen, da für die Bewertung der effektiven Energieeinsparung eine weitere Wintersaison erforderlich ist.

Ergebnisse

Mithilfe des Supervisors wurde die Betriebslogik alle 24 Stunden geändert, das heißt es wurde von der traditionellen mechanischen Regelung (thermostatische TEV-Ventile) zur neueren, aber bewährten elektronischen Regelung umgeschaltet („E²V“-Ventile). Auf diese Weise konnten die Tage mit denselben Klima- und internen Wärmelastbedingungen verglichen werden. Im Zeitraum November 2007 bis Juni 2008 wurden jene Energieverbrauchsdaten analysiert, die für die Optimierung des Supermarktes von besonderem Interesse sind. In den Diagrammen „Arbeitsdrücke und Leistungsaufnahme“ auf der nächsten Seite sind die Umschaltung von der mechanischen zur elektronischen Technologie und die Leistungsaufnahme der Tiefkühlverbundanlage dargestellt.

Die Diagramme zeigen einen der Zeiträume mit der höchsten Menschenansammlung (22., 23. und 24. Dezember) und gleichzeitig zwei Ruhetage (25. und 26. Dezember). Der Mittelwert der untertags aufgenommenen Ist-Leistung und folglich die tägliche Leistungsaufnahme fallen im elektronischen Betrieb niedriger aus, sowohl an den Öffnungstagen (vor und nach den Feiertagen, also bei maximaler Menschenansammlung) als auch an den Ruhetagen des Supermarktes. Aus den Daten dieser Monate und in Bezug auf das Klimaprofil von Sulmona wurden die durchschnittlichen Kühlstellenverbräuche pro Tag und Monat für das ganze Jahr geschätzt.

Die Schlussergebnisse sprechen eine klare Sprache: Sowohl für die Normalkühl- als auch Tiefkühlanlage betragen die geschätzten Einsparquoten um die 20 % (siehe Diagramme rechts oben).

Natürlich fallen die positiven Ergebnisse der elektronischen Lösung im Sommer schwächer aus. Die beiden Diagramme rechts unten stellen das Klimaprofil von Sulmona mit den monatlichen Temperaturmittelwerten und die
Einsparquoten infolge des Einsatzes der elektronischen Technologie im Vergleich zur mechanischen dar.