Kälte im Krankenhaus

Der Kältebedarf in Krankenhäusern und Kliniken wird vorrangig über Kaltwassernetze gedeckt, denn damit lassen sich Wärmeenergien auf einfachem Weg zusammenfassen und bedarfsabhängig regeln. Betrachtet man den Kältebedarf allgemein, so lässt er sich in „Jahresgang abhängig“ und „Jahresgang unabhängig“ unterteilen.

In den ersten Bereich, den Jahresgang abhängigen Kältebedarf, fällt die Humanklimatisierung. Dieser Kältebedarf ist im Jahresgang von der Gebäudestruktur – also von Standort, Ausrichtung, Verglasung oder Beschattung – abhängig. Bei entkoppelten, hydraulisch unabhängigen Netzen lässt sich die Vorlauftemperatur in Jahreszeiten mit geringerem Kältebedarf anheben und somit ein Energieeinsparpotential nutzen. Zum zweiten Bereich, dem Jahresgang unabhängigen Kältebedarf, zählt die Klimatisierung von OP-Räumen und Intensivstationen sowie von EDV-Räumen. Dieser Kältebedarf ist von der Krankenhausauslastung abhängig und bildet damit den wichtigsten Teil des Kältebedarfs, den Grundlastbedarf. Gerade in diesem sensiblen Bereich stellen Krankenhäuser hohe Anforderungen an die Betriebsicherheit und Verfügbarkeit der Kälteversorgung. Um sowohl den jahresabhängigen als auch -unabhängigen Kältebedarf energieeffizient abdecken zu können, ist es erforderlich, die Kaltwassererzeugung den Teillastbereichen anzupassen.

Schwankungen verhindern | Kältemaschinen, die nur geringe Anlaufströme benötigen, sind erforderlich, um Überlastungen des Stromnetzes zu vermeiden und sensible Teilnehmer am Stromnetz zu schützen. Bei der Erstellung eines passenden Kühlungskonzeptes für ein Krankenhaus sind auch der entstehende Körper- und Luftschall zu berücksichtigen: Technikräume von Krankenhäusern sind zwar in der Lage einen gewissen Körper- und Luftschall zu kompensieren. Dies bedeutet jedoch „Stress“ für alle angrenzenden Bauteile. Deshalb ist bei der Wahl der Kaltwassererzeugung auch auf die Minimierung von Körper- und Luftschall zu achten.

Anforderungen an das Konzept der Gebäudekühlung kommen jedoch nicht nur von bautechnischer Seite, sondern auch von den Trägern des Krankenhauses. Kliniken und Pflegeeinrichtungen stehen zunehmend unter wirtschaftlichem Druck. Da ein Krankenhaus rund um die Uhr in Betrieb ist, wird auch für die Kaltwassererzeugung maximale Effizienz bei maximaler Bestandsdauer gefordert.

Neben technischen und wirtschaftlichen Anforderungen gilt es eine Reihe gesetzlicher Bestimmungen für die Kältetechnik zu berücksichtigen. So sind für die Herstellung von Kältemaschinen grundlegende Verordnungen wie zum Beispiel die Maschinenrichtlinie, VDE-Richtlinie, Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), Europäische Norm EN378, PED (Druckgeräterichtlinie) oder das Produkthaftungsgesetz von Bedeutung. Für den Betreiber von Krankenhäusern gelten zusätzliche Richtlinien zur Einhaltung der Hygiene, der EMV, der Körper- und Luftschallpegel, zur Reduktion von CO₂-Emissionen und damit auch seit Juli 2007 verbindlich die Reduktion der Kältemittelemissionen – entsprechend der Europäischen Norm EN842-2006.

Mit der EN842 werden die Betreiber von Kälteanlagen verbindlich aufgefordert, die Kältemittelverluste festzuhalten. Diese Aufgabe kann entweder das krankenhauseigene, qualifizierte Personal, ein Dienstleister oder ein darauf spezialisiertes Unternehmen übernehmen. Eine entsprechende Dokumentation der Kältemittelverluste ist insbesondere bei der Gestaltung neuer Kältekonzepte zu berücksichtigen. Dabei spielt die zentrale Kaltwassererzeugung eine entscheidende Rolle. Zudem sollten Rohrnetze, die Kältemittel führen, vermieden werden.

Umweltfreundliche Anlagen bevorzugt | Zur Qualifizierung von Kältemaschinen und -konzepten nach deren Umweltverträglichkeit kann der TEWI-Wert (Total Equivalent Warming Impact) herangezogen werden. Der TEWI-Wert ist die Summe des CO₂-Ausstoßes aus Leckagen, Recycling-Verlusten und des Energieverbrauchs pro Jahr. Er beschreibt den Treibhauseffekt, den eine Kälteanlage im Verlauf ihrer Betriebsdauer verursacht. Mit diesem allgemein gehaltenen Wert können Kältemaschinen und Anlagen mit unterschiedlichen Kältemitteln wie R134a oder R407C verglichen werden. Ein geringerer TEWI-Wert zeichnet dabei eine umweltfreundlichere Anlage aus.

Betrachtet man das Lastprofil der Kälteerzeugung, so kann je nach Größe eines Krankenhauses eine minimale Teillast von 100 kW bis zur einer maximalen Volllast von mehreren 1000 kW erreicht werden. Für diesen Leistungsbereich kommen in Kältemaschinen oftmals Schrauben- und Turboverdichter zum Einsatz. Beide Verdichter sind jedoch in Teillast nicht ausreichend effizient. Dieser Umstand kann durch eine intelligente Lastregelung über die Drehzahl ausgeglichen werden, sodass die Kältemaschine für die sich stetig ändernde Last gerüstet ist. Die damit steigende Effizienz in Teillast sorgt zusätzlich für die Reduktion des Energieverbrauchs und für eine Minderung des TEWI-Wertes.

Hinsichtlich der Verdichterart bietet die Turbo-Technologie Vorteile: Turbo-Verdichter sind berührungslose Strömungsmaschinen mit vernachlässigbaren Schwingungen. Im Verdichtungsprozess sind keine Schmierung und kein Öl erforderlich. Da die Schwingung am Verdichter quasi entfällt, ergibt sich weniger „Stress“ für die Bauteile in der Kältemaschine und das Gebäude, in dem sich die Kältemaschine befindet. Dies sorgt unter anderem auch für eine höhere Standzeit für Rohrleitungen und Wärme­übertrager.

Aus Gründen der Betriebssicherheit und Verfügbarkeit sollte eine geeignete Kältemaschine über mehrere Verdichter verfügen, die parallel zum Einsatz kommen. Dadurch sind Wartungen auch während des Kältemaschinenbetriebes möglich. Eine entsprechende Berechnung und Auslegung der Komponenten sowie deren Dokumentation sind ebenfalls ein Ausdruck für eine gute industrielle Qualität und signalisieren eine hohe Standzeit.

Öl- und schwingungsfreie Anlagen | Berücksichtigt man die genannten Anforderungen bei der Wahl einer passenden Kältemaschine, so haben sich drehzahlgeregelte Turbo-Verdichtermaschinen, wie etwa der „Quantum“ von Axima Refrigeration (www.axima.de), als vorteilhaft erwiesen: Der Körperschallpegel liegt an der Spürbarkeitsgrenze, während der Luftschallpegel mit einer Kreiselpumpe vergleichbar ist. Ein drehzahlgeregelter Turboverdichter arbeitet dabei nur mit der erforderlichen Drehzahl, die er für die geforderte Leistung bei dem herrschenden Druckverhältnis benötigt. Damit steigt die Effizienz in der Teillast deutlich. Zusätzlich ist dieser Verdichter halbhermetisch und benötigt damit keine Wellenabdichtung. Des Weiteren ist die Welle des Verdichters und des Antriebs magnetisch gelagert, wodurch sich weitere Energieeinsparungen erzielen lassen. Aufgrund der magnetischen Lagerung ist es möglich, in der Kältemaschine ohne Öl auszukommen. Aufstellungseinschränkungen aus dem Wasserhaushaltsgesetz müssen somit nicht berücksichtigt werden.

Die Kältemaschinen sollten die Verdichter im Verbund auf einem überfluteten Verdampfer fahren. Dadurch lässt sich die gesamte Kältemaschinenlast stetig regeln und zwar ohne dass Kältekreisläufe mit Verlust der Wärmeübertragerflächen abgeschaltet werden müssen. Laufen die geregelten Verdichter an, sollten sie eine Stromaufnahme von weniger als 5 A benötigen. Schwankungen im Stromnetz durch Anlaufstromspitzen lassen sich so verhindern.

Energie sparen und Umwelt schonen | Setzen Krankenhäuser Verdichter mit überfluteter Verdampfung ein, stehen ihnen einfache, komponentenarme Kältemaschinen zur Verfügung. Damit wird die Leckage-Rate der Gesamtmaschine gesenkt, was zugleich zur Reduktion der Kältemittelemission beiträgt. Erfahrungen und Vergleichsrechnungen zeigen, dass Krankenhäuser, die drehzahlgeregelte Turbo-Verdichter verwenden, auf den Einsatz von Eisspeichern für die Abdeckung im Spitzenlastbereich verzichten können. Bei maximaler Kaltwassertemperatur lässt sich der Kältebedarf effizienter decken. Insgesamt können durch die „Quantum“-Technologie die Energiekosten für die Gebäudekühlung um bis zu 50 % reduziert werden.