Leitfaden als Hilfestellung

Kälteerzeugung | Die Kälteanlage ist das „Herzstück“ des Kühlhauses und benötigt im Durchschnitt rund 70 % des Stromverbrauchs des gesamten Objekts. Daher ist es von besonderer Bedeutung, sich intensiv mit der Auslegung und Konzeption der Kälteanlage zu beschäftigen. Ein wichtiger Punkt dabei ist, dass bei Kühlhäusern im Laufe ihres Lebenszyklus in der Regel stark schwankende Wärmelasten anfallen, die der Kälteversorgung ein hocheffizientes Teillastbetriebsverhalten abverlangen.
Darüber hinaus muss auf Redundanz geachtet werden, um beim Ausfall einzelner Komponenten noch ausreichend Kälteleistung zur Verfügung zu haben. Ein weiteres wichtiges Ziel ist, die Kälteanlage hocheffizient zu konzipieren, d. h. mit möglichst wenig Energiebedarf möglichst viel Kälte zu erzeugen. Hierzu zählt auch, die bei der Kälteerzeugung grundsätzlich anfallende Abwärme wirtschaftlich zu nutzen.

 
Auswahl des Kältemittels | Für neu zu planende Kühlhauskälteanlagen wird grundsätzlich die Verwendung von natürlichen Kältemitteln und hierbei insbesondere die Kältemittel Ammoniak (NH₃) oder Kohlendioxid (CO₂) empfohlen. Die­se Kältemittel haben in der Kühl- und Tiefkühllogistik eine lange Tradition. Sie werden bereits seit über 130 Jahren erfolgreich eingesetzt. Sie sind wirtschaftlich, umweltverträglich und unstrittig als hocheffiziente Kältemittel anerkannt.
Im Leitfaden finden sich des Weiteren wesentliche Hinweise zum effizienten Betrieb sowie konkrete Ratschläge zur Modernisierung von Bestands- und Neukälteanlagen.

Kühlraum | Wesentliches Merkmal eines Kühlraumes ist seine kontrolliert konstant gehaltene, in der Regel unterhalb der Umgebungstemperatur liegende Innenraumtemperatur. Eine Kälteanlage entzieht dem Raum die einwirkenden Wärmeströme. Wichtig ist es deshalb, den Aufwand für die Kühlung dadurch zu minimieren, dass die Belastung durch in den Raum von außen eindringende bzw. im Raum freiwerdende Wärmeströme möglichst gering gehalten wird.
Zunächst werden deshalb alle Wärmeströme und Wärmelasten auf den zu kühlenden Bereich identifiziert und im Anschluss Vorschläge aufgeführt, wie diese Wärmelasten sowohl bei Neubauten, als auch bei Bestandsgebäuden durch technische oder organisatorische Maßnahmen minimiert oder sogar vollständig verhindert werden können.

Ein weiteres Thema ist die Sonderdienstleistung „Gefrieren von Waren“. Hier werden die grundsätzlichen Gefrierarten beschrieben und dann für die in Kühlhäusern übliche Gefriermethode, „Frosten in speziellen Gefrierräumen mittels Kaltluftstrom“, eine Reihe von Optimierungsmöglichkeiten in Bezug auf die Raumgestaltung, Luftführung und Luftkühler sowie auf die organisatorischen Abläufe aufgezeigt.

 
Kennzahlen | Der Energiebedarf von Kühlhäusern hängt von vielen technischen und logistischen Faktoren ab, die jedoch teilweise nicht oder nur gering beeinflussbar sind, wie z. B. der Warenumschlag. Dennoch soll dieser Leitfaden eine Orientierungshilfe zur Beurteilung des Energieverbrauchs eines Tiefkühlhauses unter Berücksichtigung der vorliegenden Rahmenbedingungen geben.

Die Bewertung der Energieeffizienz erfolgt in zwei Schritten, die jeweils durch die in Abbildung 2 gezeigten Energiebilanzräume bestimmt werden.

a. Bilanzraum Gesamtobjekt (globale Betrachtung des gesamten Kühlhausobjektes inkl. aller Nebenobjekte wie Büro, Außenanlagen, Werkstatt, Ladestationen usw.)

b. Bilanzraum Kälteanlage (Beurteilung der Kälteanlageneffizienz anhand eines Energieeffizienzgrades)

Kennzahl für die Beurteilung der Kälteanlageneffizienz | Die Beurteilung der Effizienz der Kälteanlage erfolgt auf Grundlage des VDMA-Einheitsblatts Nr. 24 247-2 auf Basis eines Energieeffizienzgrades. Dieser wurde von einer eigenen Facharbeitsgruppe im VDMA erarbeitet und wird „1 zu1“ in die Bewertung der Kühlhauskälteanlagen übernommen.

Der Energieeffizienzgrad ist eine Kennzahl, die eine Relation von bisher bekanntem Coefficient of Performance (COP) und Carnotwirkungsgrad (COP_Carnot) bei Nutz- und Umgebungstemperatur darstellt.

Dieser Energieeffizienzgrad bewertet somit die reale Kälteanlage in Bezug auf einen verlustfreien Kälteprozess bei Nutz- und Umgebungstemperatur.

Die Unterteilung in Einzel-Effizienzgrade für die Kälteerzeugung, für den Wärmetransport sowie für den Fluidtransport zu

η_ex = η_c ∙ η_WT ∙ η_Fluid(4)

ermöglicht

n eine differenzierte Effizienzbewertung für Kälteerzeugung, für Wärmetransport und Fluidtransport von der Planungsphase bis zur Bewertung von Bestandsanlagen.

n eine Energieeffizienz-Analyse von Kälteanlagen

n die Vorgabe von Mindest-Effizienzwerten für die Kälteerzeugung

 
Weitere detaillierte Informationen siehe VDMA Einheitsblatt 24 247 (Veröffentlichung 2010).

Beurteilung des gesamten Kühlhausstandortes | In diesem Teil werden alle wesentlichen Kriterien aufgelistet, die bei einer energetischen Effizienzbeurteilung eines Kühlhausobjektes eine Rolle spielen. Hierzu zählen neben den technischen Merkmalen (Wärmelasten auf das Objekt) auch die logistischen Einflussgrößen (Größe des Warenumschlags, Mehrschichtbetrieb, Temperatur der eingelagerten Ware, Warenfluss, Objektschäden, Verschleiß) sowie der Faktor Mensch (fachliche Qualifikation des technischen und operativen Personals am Standort).

 
Energiekennzahlen für Kühlhäuser | Vorrangiges Ziel bei der Aufstellung einer Energiekennzahl für Kühlhäuser war, diese praxisgerecht, branchennah und für die zukünftigen Nutzer leicht anwendbar zu gestalten. Als Kennzahl für die energetische Kühlhausgesamtbetrachtung wurde der Quotient aus dem jährlichen Objektstromverbrauch bezogen auf das gesamte gekühlte Volumen des Kühlhauses gewählt,
also                                                                                              

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Jeder Kühlhausbetreiber kann auf diesem Weg für sein Objekt eine erste eigene Einschätzung selbst vornehmen und diese Kennzahl als Bewertungsgrundlage für eine nachfolgende, individuelle Gesamtbetrachtung nutzen.

 
Berechnungen für eine Energiekennzahl für Kühlhäuser | Zur Ermittlung der Größenordnung der einzelnen Wärmelasten auf das Kühlhaus wurden auf Grundlage der gängigen Berechnungsmethoden die einzelnen Wärmeströme für den stationären Betriebsfall berechnet. Darüber hinaus wurden alle an einem gängigen Standard­objekt installierten, elektrischen Verbraucher erfasst. Um dem erwarteten Einfluss der Objektgröße Rechnung zu tragen, wurden diese Berechnungen für elf unterschiedliche Kühlhausgrößen und -varianten durchgeführt.

Um bei der Kennzahlermittlung eine für Betreiber nachvollziehbare Größenordnung zu bekommen, wurde aus der nachfolgenden Tabelle 1 das Objekt Nr. 7, ein mittelgroßes Tiefkühlhaus mit 72 000 m³ Kühlvolumen, ausgewählt.
Bei der Berechnung wurde für jede einzelne Position berücksichtigt, welchen gesamten spezifischen elektrischen Energiebedarf [in kWh/(m³ ∙ a)] sie insgesamt generiert.

Darin ist also enthalten

n der Energiebedarf, den die Kälteanlage zur Kompensation der ermittelten Wärmelast WL benötigt, sowie

n der elektrische Bedarf EV (sofern vorhanden), den die elektrische Wärmequelle hat (z. B. Beleuchtung, Begleitheizung).

Für einen besseren Praxisbezug wurden die einzelnen Wärmelasten und Energieverbraucher dann wie folgt zu einzelnen Energiebedarfs-„Paketen“ gruppiert:

Paket 1: „Basis“

Energiebedarf des Objektes inkl. funktionserhaltender Wärmelasten, jedoch ohne Hallenbeleuchtung, ohne Warenbelegung, ohne Umschlag

n Nur Kühlung des Objektes auf -22 °C +/- 2 K unter Berücksichtigung von Transmissionswärmelast für Wände, Boden, Kühlhausdecke, Türen zwischen Kühlraum und Umgebung (WL),

n elektrische Bodenheizung vor Türen (WL, EV),

n Sicherheitsbeleuchtung (WL, EV), Begleitheizung der Druckausgleichklappen (WL, EV),

n Stützenheizung (WL, EV),

n elektrische Unterfrierschutzheizung (EV),

n Tauwasserbegleitheizung (EV)

Gesamt:25 – 35 kWh/(m² ∙ a)

Paket 2: „Geringer Umschlag“

Zusätzlicher Energiemehrbedarf für den Betrieb des Objektes bei sehr geringem Warenumschlag

Gründe:

n Standardbeleuchtung mit 100 Lux für reine Lagertätigkeit bei 1-Schichtbetrieb (WL, EV),

n eindringende Warmluft durch kumulierte Türöffnungszeiten von 1 Std/Tür und Tag (WL),

n elektrische Abtauzusatzheizung (WL, EV)

Gesamt: 5 – 10 kWh/(m² ∙ a)

Paket 3: „Hoher Umschlag“

Zusätzlicher Energiemehrbedarf zu Paket 2 für den Betrieb des Objektes bei sehr gro­ßem Warenumschlag

Gründe:

n Verstärkte Beleuchtung mit 200 Lux für Kommissioniertätigkeit (WL, EV),

n 3-Schichtbetrieb (Spedition) mit sehr hohem Umschlag (WL, EV),

n höhere kumulierte Türöffnungszeiten von 5 Std/Tür und Tag (WL),

n wesentlich erhöhter Kühlbedarf (WL, EV)

Gesamt: 20 – 35 kWh/(m² ∙ a)

Paket 4: „Besonders niedrige Kühlraumtemperatur von -27 °C“

Zusätzlicher Energiebedarf für den Betrieb des Objektes bei niedrigeren Kühlraumtemperaturen

Gründe:

n Größere Transmissionswärmelast (WL),

n thermodynamisch bedingt niedrigere Anlageneffizienz (EV),

n erhöhter Energiebedarf aller im Kühlraum installierten elektrischen Begleitheizungen (WL, EV),

n Warentemperatur dann meist höher als die Kühlraumtemperatur (WL)

Gesamt: 7 kWh/(m² ∙ a)

Paket 5: „Dienstleistung Gefrieren von 6500 Tonnen Ware/Jahr“

Zusätzlicher Energiebedarf durch den Betrieb eines Frosters; zur einfacheren Vergleichbarkeit umgelegt auf das Kühlhausvolumen.

Berücksichtigter Energiemehrbedarf der Kälteanlage (WL, EV)

Gesamt:10 kWh/(m² ∙ a)

Paket 6: „Abweichung von der optimalen Objektnutzung durch Personal, Logistik bzw. wegen Objektmängeln“

Gründe:

n Zusätzlicher elektrischer Energiebedarf oder Kältebedarf wegen falscher Nutzung oder bautechnischer Mängel wie z. B. Tür­undichtigkeiten (WL),

n Fehlfunktionen elektrischer Verbraucher (WL, EV),

n verspätete Schadensbeseitigung (WL, EV)

Gesamt:3 – 8 kWh/(m² ∙ a)

Unter Berücksichtigung der o. g. Faktoren kann für das ausgewählte Kühlhaus mit der Größe von 72 000 m³ gekühltem Volumen je nach Warenumschlag, gewünschter Raumtemperatur (ohne Frosten) ein durchschnittlicher Energieverbrauch von ca. 65 kWh/(m³ ∙ a) ermittelt werden.
Abhängig vom Einzelfall oder der Tätigkeiten am Kühlhaus kann diese Kennzahl in ihrer Größe nach oben oder unten abweichen. Welche Größenordnung die Energiekennzahl für die anderen untersuchten Kühlhäuser einnimmt, zeigt Abbildung 3.

Hierbei ist gut zu erkennen, dass die Objektgröße einen sehr starken Einfluss auf den spezifischen Energieverbrauch des Kühlhauses hat, also je größer das Objekt ist, desto energetisch besser kann es sein.

Gründe:

n Bereich Kälteanlage: Die energetische Effizienz der Kälteanlage wird bei vergleichbarer Konzeption um so besser, je größer sie ist (siehe auch VDMA-Einheitsblatt 24 247)

n Oberflächen-Volumenverhältnis: Die durch Transmission bedingte Wärmelast wird, bezogen auf das Kühlraumvolumen, umso geringer, je größer der Kühlraum ist.

n Bereich umschlagsbedingte Wärmelast: Die erhebliche Wärmelast durch beim Warenumschlag geöffnete Kühlhaustüren verteilt sich bei großen Objekten auf ein größeres Volumen und ergibt somit bei großen Kühlhallen eine geringere spezifische Belastung.

Ein weiterer, wichtiger Einflussfaktor ist der Umfang des Warenumschlags in Verbindung mit der im Kühlraum verrichteten Tätigkeit. So bringt ein starker Warenumschlag bei Mehrschichtbetrieb in Verbindung mit Logistikdienstleistungen, die eine hohe Beleuchtungsstärke erfordern, einen erheblichen Energiemehrbedarf mit sich, der die Transmissionswärmelast erheblich übersteigen kann.

 
Vergleich der Berechnungen mit dokumentierten Verbrauchsdaten |

Die vorliegenden Berechnungsergebnisse wurden zuerst mit detaillierten Energiebedarfsmessungen mehrerer Kühlhäusern unterschiedlicher Größe verglichen. Hier war auch bei differenzierter Betrachtung eine gute Übereinstimmung festzustellen.
Darüber hinaus wurden die Berechnungsergebnisse mit dem elektrischen Jahresenergiebedarf von über 100 deutschen und europäischen Kühlhäusern, die dem VDKL vorlagen, gegenübergestellt.
Aus Gründen des Datenschutzes sowie wegen der Rücksichtnahme auf die Wettbewerbssituation der Kühlhausunternehmen untereinander wurden die Messwerte gemittelt und in drei Größenordnungen gruppiert, so für

n kleine Kühlhäuser mit einem Kühlvolumen < 10 000 m³

n mittlere Kühlhäuser mit einem Kühlvolumen von 10 000 m³ bis 60 000 m³

n große Kühlhäuser mit einem Kühlvolumen > 60 000 m³.

Auch hier ist eine gute Übereinstimmung feststellbar, wie man in der Abbildung 4 gut sehen kann.

Fazit | Der vorgestellte VDKL-Leitfaden für Kühlhäuser zeigt auf, dass die Verbesserung der energetischen Effizienz bei Tiefkühlhäusern bei der Minimierung aller auf das Objekt einwirkenden Wärmelasten und Wärmeströme beginnt. Erst im zweiten Schritt gilt es, die Kälteanlage auf den dann noch vorhandenen Kältebedarf unter Berücksichtigung der Anforderungen des jeweiligen Nutzungsprofils energetisch zu optimieren.

Die hierzu gängigen Möglichkeiten sind in der Fachliteratur beschrieben und in der Fachbranche weitestgehend bekannt, müssen jedoch auch umgesetzt werden. Spezielles Augenmerk ist auch auf die Effizienz der Kälteanlage im Teillastbetrieb zu legen, in dem die Anlagen in der Regel zu über 80 % der Betriebszeit laufen.
Der Anwender ist nun auf Grundlage der im Leitfaden festgelegten spezifischen Energiekennzahl für Kühlhäuser in der Lage selbst zu ermitteln, wo sein untersuchtes Objekt im Vergleich zum Durchschnitt aller vergleichbaren Kühlhäuser liegt. Mit Hilfe der detaillierten Empfehlungen im Leitfaden kann er dann gezielt praxisorientierte Maßnahmen einleiten, die eine Reduzierung des Energiebedarfs seines Kühlhauses ermöglichen.