Kühlstellenregler

Temperaturregelfunktion | Ein Kühlstellenregler ist in der Standardversion grundsätzlich mit einem Regelfühler ausgestattet. Dieser Fühler misst bei Einsatz in einem normalen Kühlraum die Raumtemperatur. Aus diesem Grund wird er normalerweise so platziert, dass er die Temperatur des Rückluftstroms hin zum Verdampfer aufnimmt. Diese wird dann vom Kühlstellenregler als Raumtemperatur-Istwert angezeigt und verarbeitet. Dieser Istwert wird stets mit dem Sollwert des Kühlstellenreglers verglichen. Der Sollwert kann beliebig im Regler festgelegt werden. Neben dem Sollwert kann auch noch eine Differenz (Hysterese) eingestellt werden. Die Summe aus Sollwert und Differenz ergibt den oberen Schaltwert, während der Sollwert selbst den unteren Schaltwert der Temperaturregelung darstellt. Bei Erreichen des oberen Schaltwerts wird die Kühlung (der Verdichter) ein- und bei Erreichen der Sollwerttemperatur wieder abgeschaltet. So wird die Raumtemperatur immer in diesem Bereich gehalten. Diese Temperaturregelfunktion kann bei einem Kühlstellenregler als die wichtigste Basisfunktion angesehen werden. Meist ist es zudem noch möglich, den Bereich, in dem der Betreiber den Sollwert verändern kann, einzugrenzen. So kann der Inbetriebnahmemonteur beispielsweise den Einstellbereich für das Bedienpersonal des Betreibers so einschränken, dass kein Schaden am Kühlgut entstehen kann (und dass keine zu niedrige oder zu hohe Raumtemperatur einstellbar ist).

Wird der Kühlstellenregler statt für einen Kühlraum für ein Kühlmöbel eingesetzt, so empfiehlt es sich, zwei Fühler für die Temperaturregelung zu nutzen. Der Hauptgrund dafür ist die Tag- / Nachtregelung. Bei offenen Kühlregalen unterscheidet sich der Tagbetrieb durch den deutlich höheren Wärmeeinfall gravierend vom Nachtbetrieb mit entsprechender Nachtabdeckung.  Auch eine besondere Gewichtung der beiden Regelfühler zueinander ist meist möglich und kann sinnvoll sein.

Abtaueinleitung | Die zweite Hauptfunktion neben der Temperaturregelung ist das Abtaumanagement. Zunächst stellt sich die Frage, wann eine Abtauung eingeleitet werden soll. Dies geschieht normalerweise entweder über ein fest eingestelltes zeitliches Intervall oder zu bestimmten Uhrzeiten. „Intervalle“ sind die einfachste Variante. Werden zum Beispiel acht Stunden als Intervall eingegeben, so heißt das, dass alle 8 Stunden eine Abtauung – also eine Enteisung des Verdampfers – eingeleitet wird. Verfügt der Regler über eine Echtzeituhr (diese ist ggf. optional nachrüstbar), so können die gewünschten Abtauzeiten in konkreten Uhrzeiten (z.B. 9 Uhr oder 17 Uhr) eingegeben werden. Eine Echtzeituhr ist besonders dann ratsam, wenn es bestimmte Beschickungszeiten für Neuware in dem zu regelnden Kühlraum gibt. So wird vermieden, dass ausgerechnet zur Beschickungszeit oder direkt im Anschluss daran eine Abtauung vorgenommen wird, da der erhöhte Wärmeeintrag durch Neuware und Begehung (Türöffnung) ein kühlbereites Kältesystem für den erhöhten Wärmetransport aus dem Raum hinaus benötigt. Eine weitere Möglichkeit zur Einleitung einer Abtauung ist die manuelle Einstellung am Regler selbst. Dies ist für den Kältemonteur besonders beim Serviceeinsatz hilfreich, denn so kann er direkt eine Abtauung simulieren, ohne die Abtauzeit dafür zu verstellen oder stundenlang zu warten. Außerdem gibt es die Möglichkeit, von extern über einen Eingangskontakt eine Abtauung einzuleiten. Dies kann bei Gruppen von Kühlstellenreglern sinnvoll sein, um die Abtauzeiten zu koordinieren.

Abtauung | Nachdem die Abtauung eingeleitet wurde, ist ihr Standardablauf durch entsprechende Einstellungen im Regler festzulegen. Umluftabtauung, elektrische Abtauung und Heißgasabtauung unterscheiden sich hierbei grundlegend. Bei Umluftabtauung wird die Kühlraumtemperatur, die über 0 °C liegt, zur Abtauung verwendet. Daher muss der Verdampferlüfter auch während der Abtauung weiterlaufen. Bei Heißgas oder elektrischer Abtauung ist dies nicht der Fall. Hier wird der Lüfter während der gesamten Abtauprozedur abgeschaltet, um nicht unnötig Wärme in den Kühlraum einzubringen. Das Ziel der Abtauung besteht grundsätzlich darin, wieder einen von Eis befreiten Wärmetauscher (Verdampfer) bereitzustellen, bei dem der Wärmeübergang von Raumluft zum Kältemittel nicht durch Eisansatz behindert wird. Elektrische und Heißgasabtauung unterscheiden sich unter anderem dadurch, dass der Verdichter bei elektrischer Abtauung abgeschaltet ist, während er bei Heißgasabtauung während der Abtauung in Betrieb sein kann, da das Heißgas für die Abtauung vom Kältesystem selbst geliefert werden muss. Die elektrische Abtauung ist am meisten verbreitet. Dabei sind elektrische Widerstands-Heizstäbe in den Verdampfer eingebracht. Beim Abtauvorgang wird das Abtauschütz durch den Kühlstellenregler aktiviert. Ein Abtaufühler im Verdampferpaket beendet die Abtauung, sobald die Temperatur des Verdampferpakets die am Fühler eingestellte Temperatur erreicht hat. Als Sicherheit kann im Kühlstellenregler noch eine maximale Abtaudauer eingestellt werden, die die Abtauung im Falle eines Defekts des Abtaufühlers oder ähnlicher Fehlfunktion beendet. Nach vollendeter Abtauung folgt die Abtropfzeit. Diese läuft ab, bevor der Kühlvorgang wieder eingeleitet wird. Vereinfacht dargestellt, dient die Abtropfzeit schlicht dazu, das zu Wasser gewordene Eis am Verdampfer über den Kondensatablauf abzuleiten.

Lüftersteuerung | Wird nach dem Ablauf der Abtropfzeit der Verdichter wieder gestartet, so kann eine Lüfterstarttemperatur nach der Abtauung definiert werden. Das heißt, der Verdampferlüfter startet erst dann, wenn der Abtaufühler ein Absinken der Temperatur bis zur im Kühlstellenregler eingestellten Lüfterstarttemperatur meldet. Dies ist besonders bei Tiefkühlräumen zweckmäßig, um einen „Wasserwurf“ des nassen, frisch abgetauten Verdampfers in den Raum zu verhindern, was ansonsten zu Eis und Eiszapfenbildung im Tiefkühlraum führen würde.

Einfache Kühlstellenregler sind meist für den Betrieb mit thermostatischen Expansionsventilen gedacht. Damit gibt es keine Ansteuerung des Expansionsventils aus dem Regler heraus. Komplexere Regler hingegen übernehmen zusätzlich zu den Standard-Kühlraumfunktionen auch die elektronische Einspritzregelung. So wird z.B. das elektronische Expansionsventil Typ „AKV“ direkt vom Kühlstellenregler gespeist und geregelt. Auf diesen Punkt muss speziell bei der Auslegung des Steuertrafos geachtet werden, da ein Regler, der die Versorgung eines „AKV“-Ventils übernimmt, eine deutlich höhere Stromaufnahme hat als ein Regler, der nur sich selbst versorgen muss. Weiterhin ist darauf zu achten, dass für die elektronische Einspritzregelung ein Druckaufnehmer erforderlich ist. Dieser wird für einfache Kühlstellenregler nicht gebraucht.

Bedarfsabtauung | Ist ein Kühlstellenregler mit einem elektronischen Expansionsventil ausgerüstet, so hat er meist auch eine Bedarfsabtauungsfunktion. Grundsätzlich soll die Bedarfsabtauung sicherstellen, dass keine unnötigen Abtauungen eingeleitet werden. So wird Energie gespart, denn selbst, wenn nur jede fünfte Abtauung übersprungen wird, ist dies schon ein Gewinn. Wichtig bei Bedarfsabtauung ist, dass Abtauungen trotz dieser Funktion ausschließlich zu den programmierten Zeiten zugelassen werden. Wäre dies nicht der Fall, könnte es passieren, dass die Abtauung zu ungünstigen Zeiten gestartet wird. Wie erkennt nun der Regler, ob die Zeit reif ist für eine Abtauung oder nicht? Bei elektronischer Einspritzung sinkt bei Systemen mit einem Verdichter nach der Abtauung die Verdampfungstemperatur stetig ab. Gleichzeitig verringert sich der Öffnungsgrad des elektronischen Expansionsventils nach der Abtauung immer weiter, bis wieder eine neue Abtauung durchgeführt wird. Dieser Wert dient dem Kühlstellenregler als Anhaltspunkt, ob eine Abtauung übersprungen werden kann oder nicht. Kühl­stellenregler ohne elektronische Expansionsventile haben es schwerer. Sie können aber auch durch den Temperaturverlauf am Abtaufühler feststellen, ob eine Abtauung nötig ist oder nicht.  Auch hier geht die Temperatur bei 1:1-Anlagen am Abtaufühler immer weiter zurück – und zwar je länger die Abtauung zurückliegt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Summe der Kühlzeiten zu betrachten. Nimmt diese stetig zu, dann ist von einer starken Vereisung des Verdampfers auszugehen und eine Abtauung zum nächst möglichen Zeitpunkt einzuleiten.

Fühler | Als Fühler werden bei Kühlstellenreglern gerne temperaturveränderliche Widerstände eingesetzt. PTC- wie auch NTC-Fühler sind verbreitet. PTC (positive temperature coefficient – positiver Temperaturkoeffizient) werden auch als Kaltleiter, also bei niedrigen Temperaturen gut leitend, bezeichnet. Das bedeutet, dass sich der Widerstandswert von PTC-Fühlern bei steigender Temperatur erhöht.

PT1000 sind gebräuchliche Kaltleiter-Fühler, die bei 0 °C einen Widerstand von 1000 Ohm (= 1k Ohm) haben. Bei NTC-Fühlern (negative temperature coefficient – negativer Temperaturkoeffizient) verringert sich der Widerstandswert bei steigender Temperatur. Bei dieser Fühlerart gibt es eine Vielzahl von Temperatur-Widerstands-Varianten (z.B. NTC 5 k Ohm, NTC 10 k Ohm). Dieser Punkt ist besonders für die Inbetriebnahme wichtig. Zeigt das Display eine Raumtemperatur an, die stark von der tatsächlichen Temperatur abweicht, so sollte geprüft werden, ob ein falscher Fühlertyp im Regler angewählt ist. Sind nur sehr kleine Abweichungen vorhanden – z.B. aufgrund langer Fühlerleitungen, die als solche auch einen elektrischen Widerstand darstellen, so kann in Kühlstellenreglern der Fühler in der Regel etwas nachkalibriert werden.

Alarm | Alarmfunktionen spielen bei Kühlstellenreglern eine wichtige Rolle. Speziell Fehlermeldungen wie z.B. „Temperatur zu hoch“ werden gerne als Störung weitergeschaltet. Zu diesem Zweck steht meist mindestens ein potentialfreier Alarmkontakt zur Verfügung. Dieser kann zur Ansteuerung einer Störlampe oder Hupe am Schaltschrank oder eines externen Anwahlgerätes zur Benachrichtigung des Hausmeisters bzw. einer Servicekraft verwendet werden. Natürlich sind heutzutage auch vielfältige Möglichkeiten der Integration von Kühlstellenreglern in Bus- und Fernwartungssystemen möglich. Diese Systeme sind meist modular aufgebaut und können beliebig erweitert werden. Weitere wichtige Fehlermeldungen sind „Fühlerdefekt“, „Temperatur zu tief“ und „Türalarm“. „Fühlerdefekt“ wird angezeigt, wenn sich der Widerstandswert des angeschlossenen Fühlers außerhalb eines normalen Bereichs befindet. Bei einer solchen Fehlermeldung bietet es sich an, den Fühler abzuklemmen und mit dem Ohm-Messgerät durchzumessen. Ist der Fühler unterbrochen (unendlich großer Widerstand) oder weicht der Widerstandswert sehr stark vom Sollwert ab, so muss er ausgetauscht werden. Ist er in Ordnung, so sollten die Klemmenverbindung (Übergang Fühler zu Regler) und andere Verbindungsklemmen auf sicheren Kontakt hin geprüft werden. „Temperatur zu tief“ kann zu Warenschäden führen. Bei diesem Fehleralarm ist zunächst zu prüfen, ob der Kühlstellenregler bei seiner Sollwert-Temperatur (untere Raumtemperatur) auch wirklich den Kühlausgang abschaltet oder ob dieser fälschlicherweise geschaltet bleibt. Funktioniert dies einwandfrei, so sollte geprüft werden, ob beispielsweise das Verdichterschütz (falls vorhanden) fest hängt (Last wird durchgeschaltet trotz abgefallener Spannung). Falls der Betreiber mangelnde Kälteleistung anmahnt, kann speziell der Türkontakt des Kühlraums sehr hilfreich sein. Oft ist die Anzahl der tatsächlichen Türöffnungen pro Tag um ein Vielfaches höher als ursprünglich projektiert und vom Betreiber definiert. Sollte es hier größere Unstimmigkeiten geben, so kann ein einfacher, kurz eingestellter Türalarm Abhilfe schaffen. Steht die Tür des Kühlraums zu lange offen, so gibt der Kühlstellenregler Alarm. Dies bringt das Bedienpersonal in aller Regel dazu, die Kühlraumtüre nicht der Einfachheit halber offen stehen zu lassen. 

Lichtfunktion und Rahmenheizung | Moderne Regler können auch Lichtsteuerungsfunktionen übernehmen. Auch dabei ist der letztgenannte Türkontakt gut verwendbar. So kann z.B. über diesen automatisch – unter Zuhilfenahme des Kühlstellenreglers – das Licht eingeschaltet werden, sobald jemand den Raum betritt. Mit einer kleinen Abschaltverzögerung von z.B. zwei Minuten, die auch schon in manchen Kühlstellenreglern integriert ist, schaltet sich dann nach Verlassen des Raums das Licht selbsttätig wieder ab. Kühlstellenregler, die für Kühlmöbel optimiert sind, bieten die Möglichkeit, eine Rahmenheizung anzusteuern. Rahmenheizungen sind wichtig, um in geschlossenen Kühl- und Gefriermöbeln die Fenster beschlagsfrei zu halten. Dies dient primär dazu, um die Ware im Kühlregal für den Kunden des Supermarkts gut zu präsentieren. Wären die Fenster bzw. Fensterrahmen nicht beheizt, dann würde sich Tauwasser aus der Umgebungsluft des Kühlmöbels an den Fenstern niederschlagen und man könnte nicht mehr durch die Scheiben sehen. Die Rahmenheizfunktion kann auch für die Türrahmenheizung von Tiefkühlräumen verwendet werden. Die Beheizung des Türrahmens stellt sicher, dass die Türe geöffnet und geschlossen werden kann und nicht festfriert.

Regelungsboxen | Kühlstellenregler gibt es auch komplett integriert in einer Regelbox. Die Vorteile: Der Schaltkasten wird einbaufertig mitgeliefert, Sicherungen, Steuertrafo, Überstromauslöser für den Verdichter und Schütze sind – je nach Ausführung – bereits fertig verdrahtet integriert. Ein zusätzlicher Vorteil ist die perfekte Integration des Reglers in der Schaltbox. Damit ergibt sich in der Regel ein hoher Schutzgrad und er kann sehr gut gereinigt werden. Außerdem reduziert sich die Montagezeit erheblich, besonders bei dreiphasigen Systemen mit Schützen.

Nächste Ausgabe | Das war ein grober Abriss zu Kühlstellenreglern. In der nächsten Ausgabe behandeln wir Hauptventile. Hauptventile sind für große Leistungen mit fluorierten Kältemitteln bzw. Ammoniak gedacht. Mit Hauptventilen steht dem Kälteanlagenbauer eine große Vielzahl von Anwendungsvarianten zur Verfügung. Lesen Sie dazu mehr in der nächsten Ausgabe von „Tipps für den Monteur“.