Möglichkeiten der energetischen Optimierung von Luftkühlern
Rohre, Ventilatoren und Lamellen
Angesichts des allgemein steigenden Umweltbewusstseins in der Kältebranche durch Verwendung erneuerbarer Energien, Reduzierung von Emissionen, Energieeinsparungen und die damit verbundene angestrebte Effizienzsteigerung an Kälteanlagen und deren Komponenten ist es wichtiger denn je, energetische Optimierungen auch im Bereich der Luftkühler durchzuführen. Herausforderungen stellen sich hierbei u. a. an Ventilatorsysteme für Luftkühler und die zu erfüllende ErP-Vorschrift, an die Luftführung am und innerhalb des Wärmeübertragers sowie die Erfüllung von optimalen Energieeffizienzklassen des Luftkühlers nach Eurovent. Verschiedenste Untersuchungen im Labor zeigen, wo und wie energetische Optimierungen möglich und wirtschaftlich umsetzbar sind.
Hintergrund/Motivation
ErP 2015
Mit der ErP-Richtlinie 2015 (Energy-Related-Product-Directive) hat die EU verbindlich den Mindestwirkungsgrad für das Ventilatorensystem bestehend aus Motor, Flügel und Volldüse von Luftkühlern festgelegt. Das betrifft sämtliche Leistungsklassen mit einer Stromaufnahme von 0,125 bis 500 kW. Lüfter mit einer geringeren Aufnahmeleistung (unter 125 Watt) sind noch ausgeklammert. Hier wirkt noch eine Schonfrist bis 2020. Erst dann greift die Verschärfung. Die ErP-Richtlinie, meist besser bekannt unter dem Stichwort Ökodesign-Richtlinie, soll den CO2-Ausstoß nachhaltig senken, in dem der Stromverbrauch der jeweiligen Komponenten reduziert wird. In Zukunft werden also nur noch effiziente Motoren dem Markt zur Verfügung stehen.
Bafa-förderung (bundesamt für wirtschaft und ausfuhrkontrolle)
Gefördert werden: Kompressions-Kälteanlagen mit 5 bis 150 kW elektrischer Leistungsaufnahme, Kompressions-Klimaanlagen mit 10 bis 150 kW elektrischer Leistungsaufnahme und Sorptionsanlagen mit 5 bis 500 kW Kälteleistung aus Kraft-Wärme-Kopplung, Prozesswärme oder Kälteanlagen. Die Basisförderung liegt bei bis zu 100.000 Euro, die Bonusförderung bei bis zu 50.000 Euro bei Kältemitteleinsatz mit einem GWP<2500 (Weitere Infos zu Förderanträgen gibt es unter www.bafa.de).
Ziel ist, dass nur noch energieeffiziente und umweltfreundliche Anlagen gebaut und installiert werden. Bei der Gesamtbetrachtung wird die Anlage in vier förderfähige Teilsysteme untergliedert: Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und das Zusammenspiel der Einzelkomponenten als System. Der Fokus liegt bei Verdampfern und Verflüssigern auf dem Energieeffizienzwert „R“ nach Eurovent. Bei den Verdichtern und dem Gesamtsystem liegt er auf der Regelung und der Art des Verdichters.
So gut, richtig und notwendig der Erlass ist, um den Energieverbrauch nachhaltig zu senken, so lückenhaft ist die darauf abgestimmte Förderkulisse des Bundes. Sie ermöglicht auch eine Einstufung für nicht Eurovent-zertifizierte Wärmeübertrager. Damit wird die Aussagekraft der Energieeffizienz verwässert und bringt dem Kunden keinerlei Gewissheit mehr.
Strompreise
Eine weitere Motivation für energetische Optimierung sind Betriebskosteneinsparungen. Die Strompreise steigen kontinuierlich. Am Beispiel Industriestrom wird deutlich, dass wir in Deutschland von 2008 bis 2015 einen Preisanstieg von rund 30 % hatten (Info: Statistisches Bundesamt, Wiesbaden).
Energieeffizienzklasse für Luftkühler
Die Energieeffizienzklasse nach Eurovent lässt sich wie folgt berechnen:
Capacity SC2 wet:
Kälteleistung (feucht) nach Normbedingung 2 (EN 328) in [Watt]
Lufteintritt tL1= 0 °C; Verdampfungstemperatur t02= -8 °C
Überhitzungsverhältnis Δtsup/DT1= 0,65
mit Δtsup Überhitzungstemperatur und
Eintrittstemperaturdifferenz DT1= tL1-t02 (TLufteintritt-TVerdampfung)
Fan power cons:
Aufnahmeleistung des Ventilators/ der Ventilatoren in [Watt]
Fin spacing:
Lamellenabstand in [mm]
Das Ergebnis der obigen Gleichung (Energieeffizienzwert) kann nun einer Energieeffizienzklasse zugeordnet werden.
R≥73 = A+
47≤R<73 = A
35≤R<47 = B
25≤R<35 = C
Die Effizienzklassen wurden derart eingeteilt, dass die am Markt befindlichen Luftkühler nur weniger als:
1 % die Klasse A+
5 % die Klasse A
15 % die Klasse B und
30 % die Klasse C erreichen.
Alle übrigen Energieeffizienzklassen teilen sich die restlichen 50 % des Marktanteils.
Die Grenzwerte sollen in regelmäßigen Zeitintervallen überprüft und gegebenenfalls neu festgelegt werden.
Möglichkeiten der energetischen Optimierung
Allgemeine Ansätze
Greifbare Ansätze energetischer Optimierung sind folgende:
1. Energetische Optimierung am Ventilatorsystem: Das heißt die Leistungsaufnahme des Ventilatorsystems zu reduzieren. Optimierung der Düsengeometrie, der Flügelgeometrie, der Steuerelektronik und/oder des Motors selbst.
2. Optimierung am Wärmeübertrager selbst: Dies kann im Allgemeinen durch Verbesserung der Wärmeübergänge geschehen. Zum Beispiel durch Verbesserung der Luftanströmung am Lamellenpaket, Verbesserung der Strömungsform des Kältemittels im Rohr, Optimierung der Geometrie des Wärmeübertragers (Breite zu Höhe) und den Einsatz von Materialien mit guten thermodynamischen Eigenschaften.
Der Kelvion-Ansatz
Vereinigung von Kernkompetenzen durch Entwicklung neuer Ventilatorsysteme zusammen mit dem Hersteller: Das Ergebnis ist eine deutlich reduzierte Aufnahmeleistung (-30 %) bei gleichzeitig höherer Wurfweite. Hier wurde vor allem auf die Optimierung der Flügel- und Düsenform sowie des Luftleitapparates (Gleichrichter) geachtet. Diese erfüllen natürlich die Vorschriften der ErP 2015 und werden inklusive optimierter Düse in den Luftkühler integriert.
Neben dem Ventilatorsystem spielt auch die Lüftführung durch den Wärmeübertrager eine wichtige Rolle. Durch die Ausnutzung der gesamten Wärmeübertragerfläche, also eine möglichst konstant gleiche Luftgeschwindigkeit an der Gesamtlamellenoberfläche, ist nicht nur eine höhere Kälteleistung zu erwarten, sondern auch ein gleichmäßiges Bereifungsbild und folglich auch ein besseres Regelverhalten mit höherer Standzeit.
In Abb. 2 wurde mit Hilfe eines Prüfstandes die Luftführung am Lufteintritt eines auf dem Markt erhältlichen Luftkühlers mit einer Nebelmaschine visualisiert.
Es ist deutlich zu erkennen, dass die unterste Rohrlage und die Lamellenoberfläche, hier im unteren Teil rot markiert, nicht oder nur teilweise mit Luft beaufschlagt wird. Dies führt nicht nur zu Minderleistung durch die „verlorene“ Lamellenoberfläche, sondern kann auch zu einem schlechteren Regelverhalten führen.
Hierzu sei nochmals auf das im Abschnitt „Energieeffizienzklasse für Luftkühler“ gezeigte Überhitzungsverhältnis hingewiesen. Die Überhitzungstemperatur nach dem Verdampfer in der Saugleitung setzt sich aus den Einzelüberhitzungen der einzelnen Verteilerstränge zusammen. Ein Optimum von 100 % Kälteleistung ist bei einem Überhitzungsverhältnis von 0,65 (siehe Abb. 3) gegeben. Durch eine ungleiche Luftbeaufschlagung, wie in Abb. 2 gezeigt, kann unter Umständen ein Verteilerstrang weniger überhitzen bzw. teilweise flüssiges Kältemittel führen. Dies bewirkt automatisch eine geringere Gesamtüberhitzung und somit ein geringeres Überhitzungsverhältnis und zwingt das Expansionsventil seine aktuelle Öffnungsstellung zu minimieren, bis wieder das gewollte Überhitzungsverhältnis bzw. die gewollte Überhitzungstemperatur vorherrscht. Eine Minimierung des Kältemittelmassenstroms führt folglich zu einer Kälteleistungsreduzierung.
Bei Normbedingung SC2 nach EN328 ist bei einem Überhitzungsverhältnis von 0,65 die Überhitzungstemperatur des Kältemittels toh bei -2,8 °C.
Es wurden weiter Luftanströmungen an unterschiedlichsten Geometrien untersucht und ausgewertet.
Durch konstruktive Veränderungen des Zwischenblechs und der Tropfwanne unter dem Lamellenpaket ist es gelungen, eine Optimierung der Luftströmung am Lufteintritt zu erzielen.
Die Luftführung wurde, wie in Abb. 4 zu sehen ist, auch auf den unteren Teil der Lamelle hin optimiert.
Diese Konstellation führt neben einer Leistungserhöhung von rund 5 % (abhängig von der zuvor nicht beaufschlagten Lamellenoberfläche) auch zu einem besseren Regelverhalten des Luftkühlers.
Der Lufteintritt im oberen Teil des Wärmeübertragers ist maßgeblich vom Wandabstand abhängig.
Hierzu gilt folgende Faustregel:
Wandabstand ≥ berippte Rohre der Lamellen
Die durch Messungen im Labor entstandenen Erkenntnisse werden in Neuentwicklungen sowie durch kontinuierliche Verbesserungsprozesse in bestehenden Luftkühlern umgesetzt und tragen somit auch zu einer Effizienzsteigerung bei.
Einen weiteren großen Einflussfaktor auf die Leistung und das Regelverhalten von luftbeaufschlagten Wärmeübertragern hat die Lamelle. Neben Material, Materialstärke und Beschichtung spielt hier die Geometrie eine wichtige Rolle.
Die Lamelle soll im Wesentlichen drei Aufgaben erfüllen:
Wärme zwischen umgebender Luft und dem mit Kältemittel beaufschlagten Rohr transportieren
Wenig Widerstand gegenüber der Luftdurchströmung bieten (minimaler luftseitiger Druckabfall)
Reif möglichst so anzulagern, dass dieser den Wärmeübergang und die Luftdurchströmung über einen längeren Zeitraum nicht wesentlich beeinflusst
Um die Oberfläche der Lamelle zu vergrößern, kann eine Oberflächenstruktur eingeprägt werden. Diese Struktur sorgt zusätzlich für eine turbulente Luftströmung und somit für einen erhöhten Wärmeübergang zwischen Luft und Lamelle. Zugleich wird aber nachteilig der Druckverlust durch die Beeinflussung der Luftströmung erhöht. Die Aufgabe liegt nun darin, einen möglichst optimalen Wärmeübergang und eine gute Wärmeleitung bei geringem luftseitigen Druckverlust zu erzielen.
In Abb. 5 ist die „HFE“-Lamelle von Kelvion zu sehen. Die dargestellte Struktur wurde neben Messungen am Prüfstand mittels CFD-Analysen entwickelt und erfüllt die gegebenen Anforderungen.
Neben der gezeigten Strukturgebung werden auch geschlitzte Lamellen für Luftkühler am Markt angeboten. Diese sind auf den ersten Blick eine gute Alternative und versprechen einen verbesserten Wärmeübergang im Gegensatz zur strukturierten Lamelle. Bei Schmutz, aber vor allem bei Reifansatz, der sich hier durch kleinere Lamellenoberflächen schneller aufbaut, setzen sich die Schlitze in kürzester Zeit zu und blockieren somit die Luftströmung. Die Folgen sind Leistungseinbußen und kürzere Standzeiten (Betriebszeit zwischen zwei Abtauungen).
Weiteres Potential zur energetischen Optimierung bietet das Rohr. Der innere Wärmeübergang zwischen Kältemittel und Rohrinnenoberfläche ist hier eine der Stellschrauben. Durch sogenannte RF-Rohre (Ripplefin), also innenberippte Rohre, kann neben der inneren Oberflächenvergrößerung auch eine positive Beeinflussung der Kältemittelströmungsform stattfinden. Durch die Helix, mit der die Innenberippung in das Rohr gebracht wird, kann die Entstehung einer sogenannten Ringströmung unterstützt werden. Diese sorgt grundsätzlich dafür, dass ein Kältemittelfilm entlang der Innenseite des Rohres anliegt und dort das Kältemittel verdampft wird.
Abb. 6 zeigt für die im Diagrammtitel genannten Parameter vorherrschende Strömungsform nach Massenstromdichte und Dampfgehalt des Kältemittels. Durch den Einsatz von RF-Rohren wird die Grenze zwischen SW und A herabgesetzt. Die Strömungsform des Kältemittels ändert sich somit bei geringerer Massenstromdichte bereits in die gewollte Ringströmung A und der Verdampfer besitzt somit eine höhere Kälteleistung.
Die bis jetzt aufgezeigten Möglichkeiten der energetischen Optimierung befassen sich größtenteils mit der Steigerung der Kälteleistung durch verbesserte Wärmeübergänge oder der Reduzierung der elektrischen Aufnahmeleistung der Ventilatoren.
Weitere wichtige Aspekte finden sich aber auch bei optimierten Wärmeübergängen bei der Abtauung als auch der Reduzierung von anderweitig eingebrachter elektrischer Leistung.
Abb. 7 zeigt den Einsatz von Wärmeleitrohren im Lamellenpaket. Hierdurch wird eine größere Berührfläche des elektrischen Heizstabes geschaffen.
Weiter wurde auch für die Neuentwicklung des „Küba Market SP“ und des „Küba SG Commercial“ eine energiesparende Lösung zur Ventilatorringbeheizung gesucht. Das Ergebnis ist eine in die Düse integrierbare Wandringheizung, die zum Vorgängermodell ein Ersparnis von über 80 % ergab. Durch intelligente Regelung, vergrößerte Auflagefläche sowie ein integriertes Wärmeleitblech konnte diese Effizienzsteigerung erzielt werden.
Zusammenfassung
Die Entwicklungsarbeit ist noch nicht zu Ende: Es gibt weiterhin Potential zur Verbesserung der Energieeffizienz von Luftkühlern: Materialien, Oberflächenbeschichtungen, effiziente Ventilatoren, optimierte Düsengeometrien, angepasste Wärmeaustauschergeometrien werden auch zukünftig weiterentwickelt und verbessert. Gleichsam spielt auch die Qualitätssicherung im Haus eine wichtige Rolle.
Entscheidend aber ist, dass Luftkühler optimal für das Einsatzgebiet und die Umgebungsbedingungen ausgelegt sind. Hier schlummert das größte Einsparpotential. Falsch ausgelegte Verdampfer – mögen sie noch so effizient sein – belasten die Energiebilanz und treiben den Stromverbrauch unnötig in die Höhe.
Kelvion wird die energetische (Weiter-)Entwicklung bestehender und künftiger Baureihen vorantreiben. Durch eigene Forschung & Entwicklungsabteilungen sowie eigener Labore und Prüfstände ist hier der Grundstein für zukünftige Entwicklungen gelegt. Dazu wird die bereits bestehende Zusammenarbeit mit Lieferanten, Universitäten und Forschungseinrichtungen intensiviert. Um die Wissensvernetzung weiter auszubauen, engagiert sich Kelvion im Forschungsrat Kältetechnik, bringt sich bei der Erarbeitung von Normen und Regelwerken ein und tauscht sich darüber mit dem DKV auf Verbandsebene aus.
