Frequenzumrichter steigern

die Energieeffizienz

Ventilatoren, die auf Verflüssigern oder Rückkühlern montiert sind, werden überwiegend mit Regelgeräten betrieben, die die Drehzahl über die Spannung variieren. Durch moderne Frequenzumrichter lassen sich auf einfache Art und Weise bestehende Anlagen energetisch verbessern. Durch Ersetzen der Phasenanschnittregelung gegen einen Frequenzumrichter können mehr als 50 % der Energiekosten an den Ventilatoren eingespart werden. Neben der energiesparenden Regelung der Ventilatoren kann auch der Verdichtermotor durch Frequenzumrichter geregelt werden. Dadurch ergeben sich grundsätzliche Vorteile für die komplette Kälteanlage.

Die bedarfsgerechte, stufenlose Drehzahlregelung von Ventilatoren, die auf Verflüssigern oder Kühlern eingesetzt werden, ist Stand der Technik. Durch die Anpassung der Ventilatorendrehzahl an den tatsächlichen Luftbedarf für die Kühlung wird das System energieeffizienter. Zudem erreicht man konstantere Temperatur- und Druckverläufe im System, im Vergleich zum Ein- und Ausschalten von Ventilatoren.

Es ist wichtig zu wissen, dass es auch bei der stufenlosen Drehzahlregelung unterschiedliche Verfahren gibt. Hinsichtlich der Energieeffizienz sind die Unterschiede dieser Verfahren sehr groß. Bei der Installation von neuen Anlagen werden verstärkt EC-Ventilatoren (EC = elektronisch kommutiert) eingesetzt. Hierbei handelt es sich um Ventilatoren, welche ihre Leistungs­elektronik integriert haben und mit Permanentmagneten ausgestattet sind. Durch die optimale Anpassung der Ventilatorkomponenten aneinander, Elektronik, Motor und Aerodynamik, stellen EC-Ventilatoren ein hocheffizientes System dar.

Ebenfalls sehr energiesparend sind Frequenzumrichter in Verbindung mit Standardventilatoren (Ventilatoren mit Asynchronmotoren). Üblicherweise gibt es am Kühler oder Verflüssiger einen zentralen Frequenzumrichter für eine Ventilatorgruppe. Aufgrund der auch sehr hohen Energieeffizienz dieser Lösung wird sie bei neuen Anlagen ebenfalls sehr oft eingesetzt.

Die dritte Möglichkeit der stufenlosen Drehzahlregelung von Ventilatoren ist der Einsatz von elektronischen Spannungsregelgeräten, den sogenannten Phasenanschnittgeräten. Diese werden mit spannungsregelbaren Standardventilatoren kombiniert. Da es sich hierbei um eine etablierte, seit langem bekannte Technik handelt, dürfte es bei Bestandsanlagen der Großteil sein, der nach diesem Prinzip arbeitet. Auch heutzutage findet diese Technik bei Neuinstallationen Verwendung, insbesondere dann, wenn die Investitionskosten im Vordergrund stehen. Für den Betreiber ist es nicht die effizienteste Lösung.

Vergleicht man diese drei beschriebenen Verfahren hinsichtlich ihrer Energieeffizienz, dann ist die elektronische Spannungsregelung das Schlusslicht. Bestandsanlagen bieten somit großes Potential, mit Hilfe moderner Technik Energie einzusparen.

Großes Potential für mehr Energieeffizienz steckt in bestehenden Anlagen

Wie bereits beschrieben, sind Spannungsregelgeräte, die nach dem Prinzip des Phasenanschnitts arbeiten, seit vielen Jahren als Möglichkeit etabliert, spannungsregelbare Ventilatoren in ihrer Luftleistung anzupassen. Ein großer Teil der Bestandsanlagen ist mit dieser Technik ausgestattet. Hinzu kommen Anlagen, bei denen die Ventilatoren nur ein- und ausgeschaltet werden. Auch diese Lösung dürfte noch in großer Anzahl vorhanden sein und bietet Verbesserungspotential. 

Bild 3 und Bild 4 zeigen eine typische Installation, die in dieser oder ähnlicher Form sehr oft zu finden sein dürfte. Der Verflüssiger, bzw. der Kühler, ist auf dem Dach einer Kühlhalle montiert. Im Maschinenraum des Gebäudes findet man das dazugehörende Spannungsregelgerät. Auf Bild 3 sind sehr gut die Kabelstränge zu sehen, die nach oben zu den Ventilatoren geführt sind. Bei diesen Installationen kommen ungeschirmte Standardleitungen zum Einsatz. Bei Phasenanschnittgeräten sind zum Erreichen der geforderten EMV-Werte keine geschirmten Leitungen erforderlich. Um solche Bestandsanlagen energetisch zu verbessern, gibt es grundsätzlich zwei Möglichkeiten:

Möglichkeit 1:

Umbau der Anlage auf hocheffiziente

EC-Ventilatoren

Prinzipiell ist das möglich, jedoch ist es mit großem Aufwand verbunden. Tischkühler älterer Bauart, wie in Bild 4 gezeigt, stellen bereits aus mechanischen Gesichtspunkten eine Herausforderung dar, neue Ventilatoren zu integrieren. Die Investitionskosten sind dadurch sehr hoch. Zum einen müssen die Ventilatoren getauscht werden, zum anderen muss die entsprechende Regelintelligenz zur Ansteuerung der Ventilatoren berücksichtigt und integriert werden. Eingriffe in die bestehende Regelung, zur Ansteuerung der EC-Ventilatoren, sind eventuell notwendig.

Möglichkeit 2:

Ersatz bestehender Spannungsregelgeräte durch einen modernen Frequenzumrichter

Die einfachste und preiswerteste Möglichkeit besteht darin, bestehende Spannungsregelgeräte einfach gegen moderne Frequenzumrichter zu tauschen. Anlagen, die bislang nur über das Ein- und Ausschalten von Ventilatoren geregelt wurden, können ebenso einfach durch die Installation eines zentralen Frequenzumrichters verbessert werden. Bei dieser Vorgehensweise bleiben die alten Ventilatoren in der Anlage, auch die bestehende Verdrahtung wird weiter genutzt. Lediglich für den Einsatz eines neuen, modernen Frequenzumrichters anstelle vorhandener Regeltechnik muss Geld investiert werden.

Bei der großen Auswahl von Frequenzumrichter am Markt stellt sich die Frage, ob der beschriebene Austausch bestehender Spannungsregelgeräte durch einen beliebigen Frequenzumrichter erfolgen kann. Dieses ist jedoch nicht so einfach möglich. Folgende Randbedingungen sind zu beachten:

› Bei Standard-Frequenzumrichtern sind geschirmte Leitungen zu den Ventilatoren erforderlich (EMV).

› Grundsätzlich ist zu klären, ob Motoren für den Betrieb am Frequenzumrichter zugelassen sind.

› Die bekannten Hersteller von Außenläufermotoren, die meistens in Ventilatoren für Kondensatoren oder Kühlern eingesetzt werden, schreiben üblicherweise die Verwendung von Sinusfiltern für den Betrieb der Motoren am Frequenzumrichter vor. Sinusfilter sind in Standard-Frequenzumrichtern nicht enthalten.

Aufgrund der Gegebenheiten müsste beim Einsatz eines Standard-Frequenzumrichters zusätzlich ein Sinusfilter vorgesehen werden, der entsprechend neben dem Frequenzumrichter zu installieren ist, um die ungeschirmten Leitungen zu den Ventilatoren weiter zu nutzen. Dieser ist auch erforderlich, wenn die vorhandenen Ventilatoren nicht für Frequenzumrichterbetrieb freigegeben sind. Die Installation zusätzlicher, externer Sinusfilter würde wiederum zusätzlichen Aufwand bedeuten.

Alternativ gibt es eine einfache Lösung – Frequenzumrichter mit bereits integriertem Sinusfilter:

Als Hersteller von Außenläufermotoren hat Ziehl-Abegg die Frequenzumrichter „Fcon­trol“ entwickelt, die einen allpolig wirksamen Sinusfilter integriert haben. Dadurch ist gewährleistet, dass zum einen Außenläufermotoren problemlos betrieben werden können. Zum anderen können beispielsweise auch Motoren älterer Bauart betrieben werden, die nicht speziell für Frequenzumrichterbetrieb ertüchtigt sind. Ebenso sind keine geschirmten Motorleitungen erforderlich. Die Leitungslänge zu den Ventilatoren ist nicht beschränkt. Der Einsatz der „Fcontrol“ mit ihrer sinusförmigen Ausgangsspannung hat zudem den angenehmen Nebeneffekt, dass keine elektromagnetische Anregung in den Motoren erfolgt. Beim Tausch vorhandener Phasenanschnittgeräte gegen diesen Frequenzumrichter mit integriertem Sinusfilter wird die Anlage leiser. Das typische Brummen, welches durch das Prinzip des Phasenanschnitts auftritt, ist beim Einsatz der Frequenzumrichter „Fcontrol“ nicht mehr da.

Ein konkretes Rechenbeispiel für eine Nachrüstung

Beispielhaft wird von einer Bestandsanlage ausgegangen, deren Verflüssiger mit sechs Ventilatoren ausgerüstet ist. Sehr gängige Ventilatoren für die Kältetechnik waren in den letzten Jahren beispielsweise 6-polige Axialventilatoren mit der Flügelbauform „FC“ von Ziehl-Abegg. Diese Ventilatoren haben eine elektrische Leistung von 1,4 kW und eine Stromaufnahme von 2,7 A. Die Ventilatordrehzahl liegt bei max. 900 U/min.

Gehen wir von diesem Beispiel aus, mit diesem Ventilatortyp, der in vielen Bestandsanlagen installiert ist, dann ergibt sich für den Verflüssiger eine Ventilatorleistung in Summe von 8,4 kW, 16,2 A. In unserem Beispiel gehen wir davon aus, dass die Ventilatoren bisher über einen Phasenanschnittregler in der Drehzahl geregelt wurden. Der bisherige Regler soll durch einen Frequenzumrichter „Fcontrol“, der einen integrierten Sinusfilter hat, ersetzt werden. Bei einem Bemessungsstrom der Ventilatoren von 16,2 A ist die nächste, passende Frequenzumrichtergröße ein 18 A-Gerät (Typ „FXDM18AM“). Der Listenpreis eines solchen Frequenzumrichters beträgt 2492 €. Für den Umbau werden ca. 500 € angenommen. Somit ergibt sich eine exemplarische Investitionssumme von ca. 3000,- € für die Umrüstung dieser Kälteanlage.

Leistungsaufnahme und Sparpotential der unterschiedlichen Regelverfahren:

Ziehl-Abegg hat dazu Vergleichsmessungen durchgeführt [1]. Es wurden Ventilatoren mit einem Spannungsregelgerät (Phasenanschnitt) betrieben und vergleichsweise mit Frequenzumrichter. Das Ergebnis deckt sich mit Informationen, die in der VDI-Richtlinie 6014 [2] zu finden sind. Dort ist die Leistungsaufnahme verschiedener Regelverfahren in einem Schaubild dargestellt. Vergleicht man bei einer Ventilatordrehzahl von 50 % die Spannungsregelung (Phasenanschnitt) mit der Regelung über Frequenzumrichter, dann ergibt sich Folgendes:

Bei der Regelung über Phasenanschnitt nehmen die Ventilatoren ca. 50 % ihrer Leistung auf.

Bei der Regelung über Frequenzumrichter nehmen die Ventilatoren weniger als 20 % ihrer Leistung auf.

Für das aktuelle Beispiel bedeutet das folgende Leistungsaufnahme für die sechs Ventilatoren auf dem Verflüssiger, bei angenommener Drehzahl von 50 %:

Spannungsregelung (Phasenanschnitt):             

50 % von 8,4 kW = 4,20 kW

Frequenzumrichter „Fcontrol“:                           

20 % von 8,4 kW = 1,68 kW

Für die Berechnung des tatsächlichen Sparpotentials sind noch die Festlegung einer exemplarischen Betriebsdauer und der Strompreis erforderlich. Für das Beispiel nehmen wir an, die Anlage habe eine Betriebszeit von 5000 Stunden pro Jahr. Somit hat die Anlage sogar Stillstandszeiten. Für den Strompreis werden 0,12 € pro kW/h zugrunde gelegt.

Es ergibt sich dadurch folgende Berechnung jährlicher exemplarischer Energiekosten:

Phasenanschnitt:                   

4,20 kW x 0,12 € x 5000 h = 2520,- €

Frequenzumrichter „Fcontrol“:   

1,68 kW x 0,12 € x 5000 h = 1008,- €

Einsparpotential durch Frequenzumrichter:                             1512,- € jährlich

Berechnung des Return Of Invest (ROI) bei der Investitionssumme von 3000,- €:

3000,- € / 1512,- € = 1,98 › 2 Jahre

In diesem Beispiel beträgt die mögliche Einsparung bei den Energiekosten mehr als 50 % (Basis sind die Energiekosten bei der Regelung über Phasenanschnitt = 2520,- €).

Dadurch, dass in diesem Beispiel nur der Regler getauscht wurde, bleiben die Investitionskosten für den Umbau sehr im Rahmen. Durch den im Frequenzumrichter integrierten Sinusfilter können bestehende Motorleitungen weiter verwendet werden, ebenso die Ventilatoren. Es ist kein Problem, wenn der Phasenanschnittregler mit einem Drucksensor arbeitet und selbstständig den Verflüssigungsdruck regelt. Die Frequenzumrichter „Fcontrol“ können problemlos mit den in der Kältetechnik üblichen Drucksensoren arbeiten. Hinterlegte Betriebsmodi im Gerät, die einfach auswählbar sind, ermöglichen eine schnelle Inbetriebnahme, ohne viel am Gerät einstellen zu müssen. Sollte die Regelung über ein externes Signal erfolgen, z. B. Vorgabe von 0 – 10 V aus einem übergeordneten Anlagenregler, dann kann einfach dieses Vorgabesignal vom Frequenzumrichter verwendet werden (Vorgabe über 4 – 20 mA, 0 – 20 mA, MODBUS, etc. ist ebenfalls möglich).

Die grafische Darstellung des Rechenbeispiels (Bild 6) zeigt, welche Ersparnis sich in den weiteren Jahren nach der Umrüstung ergibt. Dadurch, dass die Leistungsaufnahme des Frequenzumrichters deutlich geringer ist als die durch Phasenanschnittregelung, können bei einer Betriebsdauer von acht Jahren beispielsweise mehr als 9000 € eingespart werden. Es zeigt sich, dass die Energiekosten von Kälteanlagen die Investitionskosten für moderne Technik deutlich übersteigen. Für die Betreiber von Kühlhäusern, Supermärkten, Einkaufszentren, Schlachtereien, etc. stellt diese Art der energetischen Sanierung ihrer genutzten Anlagen eine lohnenswerte Investition dar.

Weitere Möglichkeiten der Effizienzsteigerung durch Verdichterregelung

Bisher wurde nur die Möglichkeit betrachtet, in der Kälteanlage installierte Ventilatoren bedarfsgerecht und energiesparend zu regeln, insbesondere die Ventilatoren auf dem Verflüssiger bzw. Kühler. Betrachtet man die Kälteanlage als Ganzes, zeigt sich, dass die meiste Energie vom Verdichter benötigt wird. Hinsichtlich der elektrischen Verbraucher im Kältekreislauf kann davon ausgegangen werden, dass nur ca. 20 bis 30 % der benötigten Energie für die Ventilatoren benötigt werden. Demnach werden ca. 70 bis 80 % der elektrischen Energie vom Verdichter benötigt. Es lohnt sich also, darüber nachzudenken, mit moderner Regeltechnik Einfluss auf die Energieaufnahme des Verdichters zu nehmen und diesen durch Frequenzumrichter bedarfsgerecht in seiner Leistung zu regeln.

Der im Jahr 2008 vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit herausgegebene Flyer zur „Förderung von Klimaschutzmaßnahmen an gewerblichen Kälteanlagen“ [3] (Bild 8) enthält ebenfalls interessante Informationen:

Beim konsequenten Einsatz moderner Technik wird das Potential außerordentlicher Spareffekte gesehen. Sehr großes Potential haben dabei individuell von Anlagenbauern gefertigte Einzelanlagen. Würde im Bereich der Kälteanlagen die entsprechend verfügbare Technik eingesetzt, könnten in Deutschland ca. 11 Mrd. kWh eingespart werden.

Werden Verdichter durch Frequenzumrichter stufenlos in ihrer Leistung geregelt, hat das nicht nur den Effekt der Energieeinsparung. Vielmehr ergeben sich dadurch weitere bedeutende Vorteile für die Gesamtanlage.

Vorteile für die Gesamtanlage bei stufenloser Verdichterregelung:

› Konstante Temperaturverläufe und konstante Druckverläufe im System

› Mehr Zuverlässigkeit, weniger Verschleiß gegenüber Ein/Aus-Betrieb. Weniger Druckstöße, mechanische Komponenten werden nicht so stark belastet.

› Reduzierung der Geräusche, im Vergleich mit Ein/Aus-Betrieb.

› Reduzierung des Anlaufstroms, der Antriebsmotor wird nicht voll an das Netz geschaltet, der Frequenzumrichter wirkt wie ein Sanftanlauf.

› Steigerung der Leistung, bei Verdichterbetrieb über 50 Hz. Bei dafür zugelassenem Verdichter, z. B. 60 Hz-Betrieb, über den Frequenzumrichter.

› Individuelle Saugdruckregelung, z. B. mit Frequenzumrichter „Fcontrol“ und Drucksensor, kann entsprechend dem gewünschten Saugdruck eine autarke Regelung erfolgen.

Fazit

Moderne und energiesparende Technik zur bedarfsgerechten Drehzahlregelung von Elektromotoren in Kälteanlagen ist verfügbar. Beim Aufbau neuer Anlagen wird diese in zunehmendem Maß eingesetzt. Auch bei Bestandsanlagen gibt es die Möglichkeit, mit überschaubarem Aufwand diese energetisch nachzurüsten. Eine Schlüsselfunktion dabei spielen Frequenzumrichter, die es in Verbindung mit einem allpolig wirksamen Sinusfilter zulassen, dass elektrische Leitungen und Ventilatoren in Anlagen weiter genutzt werden können.

Neben Ventilatoren, die auf Verflüssigern oder Kühlern verbaut sind, bietet es sich an, auch den Verdichter im Kältekreislauf bedarfsgerecht zu regeln. Dieser benötigt im Vergleich mit den anderen elektrischen Verbrauchern im Kältekreislauf die meiste Energie. Die stufenlose Verdichterregelung über Frequenzumrichter bringt zudem weitere Vorteile für die Gesamtanlage.

Die Vorteile eines Frequenzumrichters mit integriertem, allpoligem Sinusfilter, insbesondere als Produkt zur Nachrüstung, sind hier nochmals übersichtlich zusammengefasst: 

› Einfache und schnelle Möglichkeit der Nachrüstung, nur das Regelgerät muss getauscht werden. Leitungen und elektrische Motoren (Ventilatoren, Verdichter) können weiter genutzt werden.

› EMV-Vorschriften werden problemlos eingehalten, „trotz“ nachträglichem Einbau eines Frequenzumrichters.

› Das Geräuschverhalten der Anlage verbessert sich. Durch die sinusförmige Ausgangsspannung gibt es keine elektromagnetische Anregung von Motoren (Typisches FU-Pfeifen oder Phasenanschnittbrummen tritt nicht auf.).

› Hohe Zuverlässigkeit, da der im Frequenzumrichter integrierte Sinusfilter für einen sanften Motorenbetrieb sorgt. Es gibt keine Spannungsspitzen am Ausgang und keine Lagerströme im Motor (siehe hierzu die DIN IEC/TC 60034-17 [4] betreffend Motoren, Isolierstoffsystem und Lagerströme).

› Flexibilität bei der Installation. Frequenzumrichter „Fcontrol“ sind serienmäßig mit einem Gehäuse der Schutzart IP54 ausgestattet. Selbst die Montage im Freien ohne Schaltschrank ist problemlos möglich. Durch den Sinusfilter ist die Länge der Motorleitungen nicht beschränkt, somit könnte der Frequenzumrichter auch weiter entfernt von Ventilatoren oder dem Verdichter installiert werden.

Literaturverzeichnis

[1] Ziehl-Abegg-Flyer „Drehzahlregelung von Ventilatoren für die Kälte- und Klimatechnik“, Ausgabe 08/2007

[2] VDI 6014, Energieeinsparung durch Einsatz drehzahlsteuerbarer Antriebe in der Technischen Gebäudeausrüstung, Januar 2008

[3] Publikation des Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (BMU) „Förderung von Klimaschutzmaßnahmen an gewerblichen Kälteanlagen“, Juni 2008

[4] DIN IEC/TS 60034-17 (VDE 0530 Teil 17) Drehende elektrische Maschinen – Teil 17: Umrichtergespeiste Induktionsmotoren mit Käfigläufer, Januar 2004