Optimierte Kaltwassertemperaturen
Kaltwasser in Kälteanlagen wirtschaftlich auslegen
Kälteanlagen mit dem Medium Kaltwasser für mittlere und größere Gebäude oder Liegenschaften werden oft gewohnheitsmäßig mit der Temperaturspreizung 6/12 °C ausgelegt. Diese Temperaturen bieten die Sicherheit, nahezu alle Verbraucher versorgen zu können. Sie sind niedrig genug für Luftkühler mit Entfeuchtungsfunktion, für gewerbliche oder industrielle Anwendungen und können auch Luftkühler für sensible Kühlung in zentralen oder dezentralen Klimageräten abdecken. In vielen Fällen benötigen die Verbraucher jedoch nicht so niedrige Kaltwassertemperaturen. Im nachfolgenden Beitrag wird untersucht, welche energetischen und wirtschaftlichen Vorteile höhere Kaltwassertemperaturen haben.
Bei der Planung einer Kaltwasser-Kälteanlage steht der Planer zunächst vor einigen grundlegenden Entscheidungen. Eine davon ist die Auswahl der Kaltwassertemperaturen für Vor- und Rücklauf. Eine gewohnheitsmäßige Wahl dieser Temperaturen geht schnell vonstatten. Zeitaufwendiger wird es, wenn man das Temperaturniveau nach energetischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten ausreizt. Dann müssen zunächst die verschiedenen Verbraucher hinsichtlich ihrer Temperaturanforderungen analysiert werden. Anschließend wird das Kaltwasser-Temperaturniveau ausgewählt unter Berücksichtigung gerade noch vertretbarer minimaler Temperaturdifferenzen zwischen Verbraucher und Kaltwasser.
Doch bringt eine höhere Kaltwassertemperatur so viel energetische und wirtschaftliche Vorteile, dass derartige Überlegungen sinnvoll sind? In der Klima- und Kältebranche werden zurzeit so viele Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz von Kälte- und Klimaanlagen durch allerlei technische Raffinessen und unter Aufwendung erheblicher Investitionskosten unternommen, dass eine so elementare Betrachtung wie die nach dem Temperaturniveau allemal vorangestellt werden sollte, wenn sie sich lohnt. Dieser Frage wird im Folgenden nachgegangen.
Zunächst werden zum Verständnis der Vorgänge im Kälteprozess kurz die physikalischen Grundlagen erläutert. Leser, denen diese geläufig sind, können den folgenden Abschnitt überspringen. Anschließend erfolgt die Untersuchung zweier Kälteanlagen mit völlig unterschiedlicher Nutzung in energetischer und wirtschaftlicher Hinsicht, um die Größenordnung des Einsparpotentials auszuloten.
Energetische Situation im einstufigen Kaltdampf-Kompressionsprozess
Die physikalische Grundlage aller Kompressionskältemaschinen bildet der Kaltdampf-Kompressionsprozess, der im h–log p–Diagramm (Bild 1) dargestellt wird. Auf der Ordinate ist die logarithmische Skala des Kältemitteldruckes, auf der Abszisse die lineare Skala der Enthalpie abgetragen. Beginnen wir den Kreisprozess mit der Darstellung der Verdampferfunktion, wegen der ja die Kälteanlage errichtet wird, denn im Verdampfer nimmt die Kältemaschine die abzuführende Wärme auf, zum Beispiel aus dem zu kühlenden Wasser oder der zu kühlenden Luft. Dabei verdampft das flüssige Kältemittel, bis trockener Dampf vorliegt. Dieser Vorgang findet isobar statt, also bei konstantem Druck, und bei steigender Enthalpie. Er wird deshalb auf einer Isobare zwischen den beiden Grenzlinien des Nassdampfbereiches dargestellt (Strecke 1 – 2). Um die Wärme auf einem höheren Temperaturniveau an die Umgebung abführen zu können, wird die Kältemitteltemperatur, und infolge der Temperatur-Druck-Abhängigkeit auch der Kältemitteldruck, angehoben. Dies geschieht mittels Verdichter, z. B. Kolbenverdichter, Scrollverdichter, Schraubenverdichter oder Turboverdichter. Die Verdichtung verläuft isentrop, d.h. bei konstanter Entropie. Im Diagramm wird dieser Teil des Kreisprozesses auf den nach oben rechts ansteigenden Isentropen im Bereich des überhitzten Dampfes dargestellt (Strecke 2 – 3). Je nach energetischer Effektivität der Kältemaschine liegt die Enthalpie am Ende der Verdichtung infolge der Verdichterarbeit um ca. 20 bis 35 % höher als am Anfang. Nachdem die Verdichtungsendtemperatur erreicht ist, wird die Wärme im Kondensator an die Umgebung abgegeben. Bei dieser isobaren Kondensation wird das gasförmige Kältemittel wieder flüssig (Strecke 3 – 4). Um zurück zum Verdampfungsdruck zu gelangen, wird das flüssige Kältemittel isenthalp, d.h bei konstanter Enthalpie, in einem Expansionsventil entspannt (Strecke 4 – 1).
Meist ist die Kondensationstemperatur vorgegeben durch die Umweltbedingungen und die Art der Rückkühlung. Dagegen kann die Verdampfungstemperatur an die Bedingungen der Verbraucher angepasst werden. Je niedriger die Verdampfungstemperatur ist, desto mehr Arbeit muss der Verdichter verrichten, um die erforderliche Kondensationstemperatur zu erreichen. Im Diagramm sind zwei Fälle mit niedriger und hoher Verdampfungstemperatur dargestellt (Bild 1), um den energetischen Unterschied aufzuzeigen. Die Verdichtung bei der niedrigen Verdampfungstemperatur entspricht der Strecke 2 – 3, jene mit der höheren Temperatur der Strecke 2a – 3. Wie man sieht, ist die Verdichterleistung bei der niedrigen Temperatur (N) deutlich größer als die bei der höheren Temperatur (Na). Zur Erzielung einer energetisch optimalen Kälteanlage gilt es deshalb, die Verdampfungstemperatur so hoch wie möglich zu legen. Je höher die Verdampfungstemperatur gewählt wird, desto geringer sind die aufgenommene Leistung und somit der Stromverbrauch des Verdichters.
Energetische Situation bei der Freikühlung
In der kalten Jahreszeit kann das Kaltwasser mittels Freikühlung von den Rückkühlern, z.B. Trockenkühlern oder Hybridkühlern, direkt erzeugt werden. Dazu wird ein Kühlkreis eingerichtet, in dem eine vereisungssichere Sole aus einem Wasser-Glykolgemisch zirkuliert und in dem zusätzlich zum Kondensator der Kältemaschine ein Wärmetauscher zwischen Kühlkreis und Kaltwasserkreis angeordnet ist. In diesem Wärmetauscher überträgt das Kaltwasser seine Wärme an den Solekreis, der sie im Rückkühler an die Umgebung abgibt.
Die Freikühlung kann auf zwei Arten gefahren werden. Entweder wird sie im Umschaltmodus zwischen dem parallel geschalteten Kältemaschinen-Verdampfer und dem Freikühl-Wärmetauscher betrieben, wobei entweder der Kältemaschinenverdampfer oder der Freikühl-Wärmetauscher in Betrieb ist. Oder sie wird gleitend gefahren, dann sind Freikühl-Wärmetauscher und Kältemaschinenverdampfer in Reihe geschaltet. Dabei wird im Freikühl-Wärmetauscher das Kaltwasser mit der Sole zunächst vorgekühlt, soweit die Soletemperatur dies ermöglicht, anschließend wird im Verdampfer bis auf die gewünschte Kaltwasser-Vorlauftemperatur nachgekühlt.
Die Kältemaschinen laufen bei reiner Freikühlung nicht und bei gleitender Freikühlung nur mit verminderter Leistung, sie verbrauchen somit keine bzw. weniger Energie. Zur Erzielung einer größtmöglichen Energieeinsparung sollte deshalb so lange wie möglich frei gekühlt werden. Dazu ist eine Temperaturdifferenz zwischen dem Kaltwasser und der Außenluft erforderlich. Je höher die Kaltwassertemperatur ist, desto höher darf die Außenlufttemperatur sein, unter der frei gekühlt werden kann. Im relevanten Temperaturbereich entsprechen einem Grad mehr oder weniger Außenlufttemperatur etwa 360 Jahresstunden. Bei einem 12-Stunden-Anlagenbetrieb sind das etwa 180 Betriebsstunden freie Kühlung, das ergibt 8 bis 10 % Energieeinsparung. Auch bei der Freikühlung führen somit höhere Kaltwassertemperaturen zu einer Energieeinsparung.
Beispiel 1: Kälteanlage für ein Verwaltungsgebäude
Für einen größeren Verwaltungsgebäudekomplex soll eine Kälteanlage zur Erzeugung von Kaltwasser errichtet werden. Die Gesamtkälteleistung beträgt im Anfangsstadium 4000 kW und ist später um mehrere MW ausbaubar. Zu versorgen sind die zentralen Außenluftanlagen der Gebäude sowie Deckenkassettengeräte und aktive Kühlbalken zur Abführung der Kühllast aus den Büro- und Besprechungsräumen. Die Kälteleistung verringert sich im Jahresverlauf in Abhängigkeit von der äußeren Kühllast von der Maximalleistung 4000 kW im Sommer bis auf die Mindestleistung 600 kW im Winter.
Folgende Kältemaschinen werden eingesetzt (Bild 2):
zwei Stück Zweikreis-Schrauben-Kältemaschinen mit einer Leistung von jeweils 1000 kW
ein Stück Einkreis-Schrauben-Kältemaschine mit einer Leistung von 2000 kW
Als Kältemittel soll Ammoniak zum Einsatz kommen. Die Zweikreismaschinen haben eine hohe Leistungsziffer (EER) im Teillastbetrieb und sichern die Redundanz bei Ausfall eines Kältekreises. Aus Kostengründen sind die weiteren Kältemaschinen einkreisig. Die Folgeschaltung der Kältemaschinen wird so gestaltet, dass in jedem Betriebszustand die optimale Leistungsziffer gefahren wird. Die Rückkühlung erfolgt mit Hybridkühlern. In der kühlen Jahreszeit wird das Kaltwasser durch Freikühlung von den Hybridkühlern direkt erzeugt, ohne dass die Kältemaschinen laufen. Das Anlagenschema ist in Bild 3 dargestellt.
Die Außenluft wird ganzjährig mit einer konstanten Temperatur von 20 °C in die Räume eingeblasen. Bei einer Kühleraustrittstemperatur von ca. 18 °C vor dem Zuluftventilator ergibt sich nur eine moderate Entfeuchtung. Sie soll aus energetischen Gründen nicht so konsequent ausgelegt werden, dass ohne regelungstechnischen Eingriff Kondensation an den Kühlbalken sicher verhindert wird. Um an den wenigen Stunden im Jahr mit schwülen Außenluftzuständen die Kondensation zu verhindern, wird während dieser Zeiten die Kaltwassertemperatur leicht angehoben und eine geringe Überschreitung der Auslegungsraumlufttemperatur in Kauf genommen.
Sofern in anderen Projekten die Kondensation in allen Betriebszuständen gewünscht wird, ist eine entsprechend stärkere Entfeuchtung durch den Einsatz von Luftkühlern in Kreuz-Gegenstrom-Schaltung mit niedrigerer Kühleraustrittstemperatur technisch möglich.
Die Betriebszeit beträgt fünf Tage pro Woche von 7.30 bis 18.00 Uhr, also 10,5 h pro Tag. Untersucht werden zwei Varianten mit unterschiedlichem Kaltwassertemperaturniveau (Tabelle 1).
In Variante 1 wurden die beim Nutzer bisher üblichen Temperaturen von 6/12 °C zugrunde gelegt. Die Raumkühlung erfolgt mit Deckenkassettengeräten. Bei Variante 2 wurde das höchstmögliche Temperaturniveau aufgrund der Anforderungen von Kühllasten, Raumkühlgeräten und Zuluftgeräten ermittelt. Es beträgt 11/17 °C. Als Raumkühlgeräte werden aktive Kühlbalken eingesetzt, weil die Kühlleistung von Deckenkassettengeräten bei den höheren Kaltwassertemperaturen nicht ausreicht oder bei der Wahl von Geräten mit höheren Luftleistungen unbehaglich hohe Raumluftgeschwindigkeiten auftreten würden. Zur Versorgung der Kühlbalken werden Sekundär-Kaltwassernetze eingerichtet, deren Kaltwasser in Plattenwärmetauschern auf das Temperaturniveau 16/19 °C umgeformt wird.
Für die beschriebenen Kälteanlagen wurden die Herstellkosten und die Energiekosten ermittelt. In den Herstellkosten sind nur die für den Vergleich relevanten Komponenten berücksichtigt, wie Kältemaschinen, Hybridkühler, Raumkühlgeräte und die relevanten Teile des Rohrnetzes. Tabelle 2 und Bild 4 zeigen die Herstellkosten der beiden Varianten. Sie sind etwa gleich hoch.
Die Energieberechnung wurde über den Zeitraum eines Jahres mit den Klimadaten der DIN 4710 durchgeführt. Die Leistungsziffern (EER) der Kältemaschinen wurden für alle Lastfälle, Kondensationstemperaturen und Außenluftzustände ermittelt und in den Berechnungen berücksichtigt. Hierzu erfolgte eine umfangreiche Abgleichung und Iteration zwischen den Daten der Kältemaschinen und Hybridkühler. Für jeden Betriebsfall wurde die optimale Abstimmung zwischen Kältemaschinen und Hybridkühlern durchgeführt und berücksichtigt. So laufen z.B. die Hybridkühler mit hoher Luftleistung, wenn dies die Stromaufnahme der Kältemaschinen minimiert und insgesamt der niedrigste Stromverbrauch resultiert. Die Wasserbesprühung wird gestoppt, wenn die Wasserkosten höher werden als die Stromkosten bei Betrieb ohne Berieselung.
Die Freikühlung wird im Umschaltmodus betrieben, auf eine gleitende Freikühlung wird verzichtet, denn bei der energetischen Betrachtung der Kältemaschinen und Hybridkühler zeigte sich, dass die Hybridkühler-Ventilatoren mehr Energie verbrauchen, als die Kältemaschinen-Motoren sparen.
In den Energieberechnungen wurden die Kältemaschinen, Hybridkühler, Pumpen und bei Variante 1 auch die Ventilatoren der Deckenkassettengeräte berücksichtigt.
Das Ergebnis der Energieberechnungen ist in Tabelle 3 und Bild 5 dargestellt.
Die Energiekosten sind bei Variante 2 mit Kaltwasser 11/17 °C um 12 623 €/a oder 26 % niedriger als bei Variante 1 mit Kaltwasser 6/12 °C. Die niedrigen Energiekosten resultieren aus den besseren Leistungsziffern im Volllast- und Teillastbetrieb und aus der längeren Zeitdauer der Freikühlung. Bei nahezu gleichen Herstellkosten ist die Variante 2 mit dem höheren Kaltwasser-Temperaturniveau von 11/17 °C energetisch die deutlich bessere Lösung. Nachteilig bei Variante 2 ist, dass keine optionalen Kälteverbraucher versorgt werden können, die ein niedrigeres Temperaturniveau als 11/17 °C benötigen würden.
Beispiel 2: Kälteanlage für Motorenprüfstände
Im Gelände eines deutschen Automobilherstellers soll ein solitärer Motorprüfstand errichtet werden. Kälteenergie steht lokal nicht zur Verfügung, deshalb ist neben den lufttechnischen Einrichtungen auch eine neue Kälteanlage erforderlich. Sie ist zur Versorgung aller Verbraucher des Prüfstandes zu konzipieren. Der Prüfstand wird ausgelegt gemäß den in Tabelle 4 aufgeführten wesentlichen technischen Daten.
In Variante 1 wurde die beim Nutzer bisher üblichen Temperaturen von 6/12 °C zugrunde gelegt. Bei Variante 2 sollte das höchstmögliche Temperaturniveau aufgrund der erforderlichen Medium-Austrittstemperaturen ermittelt werden. Die erforderlichen Einzelkälteleistungen und Medium-Austrittstemperaturen der beiden Kaltwassertemperaturvarianten sind in Tabelle 5 zusammengestellt.
Bei der Verbrennungsluftanlage wird die Kühleraustrittstemperatur durch die notwendige Entfeuchtung auf die geforderte Verbrennungsluft-Absolutfeuchte bestimmt. Unter Beachtung der Regelungsabweichung wird eine Entfeuchtung auf den ungünstigsten Zustand von 24 °C/50 % r. F. vorgesehen, das entspricht einer Absolutfeuchte von 9,3 g/kg und einem Kühleraustrittszustand von 13 °C/100 % r.F. Die Zuluftanlage wird mit 16 °C Zulufttemperatur gefahren, ihre Kühleraustrittstemperatur liegt 2 K niedriger, also auf 14 °C, weil nach dem Kühler der Ventilator abgeordnet ist, der den Luftstrom um 2 K erwärmt. Die Luftaustrittstemperaturen der Umluftkühler resultieren aus der Auslegung des Herstellers.
Aus den Kühlverläufen der h-x-Diagramme für die Verbrennungsluftanlage und die Zuluftanlage sowie der Auslegung der Luftkühler geht hervor, dass deren erforderliche Luftaustrittstemperaturen mit Kaltwasser 6/12 °C problemlos erreicht werden. Bei der höheren Kaltwassertemperatur ist die niedrigste geforderte Luftaustrittstemperatur die der Verbrennungsluft mit 13 °C. Um sie zu erreichen, darf die höchste Kaltwassertemperatur 10/16 °C betragen. Damit kommen auch alle anderen Verbraucher aus. Deshalb wurde als alternative Kaltwassertemperatur das Niveau 10/16 °C gewählt.
Als Kältemaschinen sollen luftgekühlte Kaltwassersätze mit Spiralverdichtern für Außenaufstellung zum Einsatz kommen (Bild 6), das Kältemittel ist R 134a. In Tabelle 6 sind die Kälteleistungen der beiden Varianten aufgeführt, die sich unterscheiden, weil die Entfeuchtungsleistungen bei niedriger Kaltwassertemperatur größer sind als bei hoher.
Für die beschriebenen Kälteanlagen wurden die Herstellkosten und die Energiekosten ermittelt. In den Herstellkosten sind nur diejenigen Anlagenteile berücksichtigt, deren Kosten bezüglich der Varianten 1 und 2 variieren, also Verbrennungsluftgerät, Zuluftgerät, Umluftkühlgeräte für Prüfraum, Umluftkühlgerät für Messwarte und Kaltwassersatz. Tabelle 7 und Bild 7 zeigen die Herstellkosten der beiden Varianten. Die Herstellkosten der Variante 2 mit Kaltwasser 10/16 °C sind um ca. 6000 € oder 5 % geringer als die der Variante 1 mit PKW 6/12 °C.
Die Versuche werden nach vorgegebenen Leistungszyklen gefahren, bei denen die Motorleistung zeitlich moduliert. Als Durchschnittslast für die einzelnen Kälteverbraucher im Prüfstand wurden die Werte der Tabelle 8 zugrunde gelegt. In dieser Tabelle sind auch die jährlichen Betriebszeiten aufgeführt.
Die nummerische Energieberechnung erfolgte über den Zeitraum eines Jahres mit den Klimadaten der DIN 4710. Die Leistungsziffern der Kältemaschinen für die verschiedenen Außenlufttemperaturen und der ihnen zugeordneten Kühlleistungen wurden vom Hersteller abgefragt und in die nummerischen Tabellen der Energieberechnung eingesetzt. Für das Verbrennungsluftgerät und das Zuluftgerät sind nur die Elektroenergieverbräuche für die Druckverluste der Luftkühler berücksichtigt, die in den beiden Varianten abweichen. Bei der Berechnung des Elektroenergieverbrauchs der Umluftkühlgeräte im Prüfraum ist die vorgesehene Volumenstromregelung berücksichtigt. Die Kaltwasserpumpen der Varianten fördern unterschiedliche Wasserströme, weil die Entfeuchtungsleistungen infolge der verschiedenen PKW-Temperaturen unterschiedlich sind, ihre Stromverbrauchswerte wurden deshalb ebenfalls berechnet. Das Ergebnis dieser Energiekostenberechnung ist in Tabelle 9 und Bild 8 dargestellt.
Die Energiekosten sind bei Variante 2 mit PKW 10/16 °C um 1720 €/a oder 17 % niedriger als bei Variante 1 mit PKW 6/12 °C. Bei 5 % niedrigeren Herstellkosten und 17 % niedrigeren Energiekosten ist die Variante 2 mit dem Kaltwasser-Temperaturniveau 10/16 °C energetisch die deutlich beste Lösung. Die niedrigen Energiekosten resultieren aus den besseren Leistungsziffern im Volllast- und Teillastbetrieb. Nachteilig bei Variante 2 ist, dass ein zunächst optional gewünschter Verbrennungsluftzustand von 22 °C/50 % r. F. infolge der erforderlichen niedrigen Kühleraustrittstemperatur von ca. 10,5 °C nicht erreicht werden kann. Bei genauer Prüfung stellte sich jedoch heraus, dass die Versuche auch ohne diesen Zustand gefahren werden können.
Fazit
In den beiden untersuchten Beispielen führt der Einsatz von höheren Kaltwassertemperaturen zu 26 % bzw.17 % geringeren Energiekosten.
Viele Energiesparmaßnahmen im Bereich der Technischen Gebäudeausrüstung sind nur mit erhöhten Investitionskosten realisierbar.
Bei der Wahl höherer Kaltwassertemperaturen ist lediglich am Beginn der Planungsphase eine Prüfung der Verbraucher hinsichtlich ihrer maximal möglichen Kaltwassertemperaturen und die Anpassung der Kälteanlage an diese Temperaturen erforderlich. Die Investitionskosten der Kälteanlagen mit höheren Temperaturen liegen sogar leicht unter denen von Anlagen mit den Temperaturen 6/12 °C. Im Interesse einer optimalen Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit sollte deshalb die Ermittlung der höchstmöglichen Kaltwassertemperatur in der Planungsphase zur Selbstverständlichkeit werden.
Dabei wird sich zeigen, dass es Anwendungsfälle gibt, in denen das altbewährte Kaltwassertemperaturniveau 6/12 °C erforderlich bleibt. Zu diesen Fällen zählen z.B. Kälteanlagen für Verwaltungsgebäude mit gewünschter stärkerer Entfeuchtung, Umluftkühlgeräte mit hoher Kälteleistung, spezielle Kälteanlagen für Industrie und Gewerbe oder Klimaanlagen mit Zulufttemperaturen unter 13 °C. In diesen Fällen kann das Temperaturniveaus 6/12 °C selbstverständlich guten Gewissens realisiert werden.
