Schraubenverdichter in Wasserkühlsätzen

Seit 1972 entwickelt die Combitherm GmbH am Stammsitz der Firma in Fellbach bei Stuttgart Kaltwassersätze und Wärmepumpen. Die Anlagen werden projektorientiert und kundenspezifisch ausgeführt und weltweit vertrieben, wobei der Marktfokus aufgrund der geographischen Nähe auf Süddeutschland liegt. Die Anwendungsgebiete erstrecken sich dabei mit ca. 50 % auf die Kühlung von Produktionsprozessen in der Industrie, 20 % auf die Gebäudeklimatisierung, 20 % auf die Heizung mit Wärmepumpen und die restlichen 10 % auf Spezialgebiete wie Rechenzentrumskühlung oder Tiefkälte für Teststände.

Anfang der 1980er Jahre entwickelte die Fa. Bitzer (www.bitzer.de), Sindelfingen die erste Serie ihrer Schraubenverdichter für Kälteanwendungen. Zu diesem Zeitpunkt bestand schon eine enge Lieferkette, die auch einen intensiven Austausch an Informationen beinhaltete. Combitherm (www.combitherm.de) gehörte zu den ersten Kunden, die sich zu Feldtests bereit erklärten und aktiv an der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Schraubenverdichter mitarbeiteten. In diese Pionierperiode fällt der Einsatz des ersten mit Frequenzumformer geregelten Schraubenverdichters bei einem Energieversorger und eine Wärmepumpe mit zweimal fünf Verdichtern in je einem Verbundkreislauf mit 2000 kW Heizleistung für die Abwärmenutzung von Motorprüfständen in einer Automobilproduktion. Beide Anlagen mit Schraubenverdichtern der „HSK“-Serie sind über 25 Betriebsjahre gelaufen. Auch in den Folgejahren war Combitherm eng in die Entwicklungen der Fa. Bitzer eingebunden und steuerte u.a. Markteinschätzungen und Bedarfsanalysen bei.

Entwicklung des Schraubenverdichters | Als Hersteller von Kaltwassersätzen unterliegt Combitherm einem starken internationalen Wettbewerbsdruck, welchem in Deutschland nur mit stetigen Innovationen und einem hohen Anspruch an Zuverlässigkeit und Betriebssicherheit begegnet werden kann. Kernstück hierbei ist der Verdichter als Herz einer Kälteanlage. Der Sprung von der „HSK-Schraube“ zum kompakten „HSKC-Verdichter“ mit integriertem Ölabscheider stellte hierbei einen ersten Meilenstein dar. Mit dieser Verdichtergeneration verschob sich bei Combitherm der Produktionsschwerpunkt von Kaltwassersätzen mit Kolbenverdichtern hin zu Schraubensätzen.

Nächster Schritt der Entwicklung war die Einführung der „CSH“-Baureihe, welche die „HSKC“-Serie ablöste. Neben kompakteren Abmessungen, größerer Laufruhe und hoher Zuverlässigkeit war vor allem die sukzessive Ausweitung der Baugrößen bis 1120 m³/h Fördervolumen ein Vorteil, welcher der Fa. Combitherm erlaubt, mit vergleichsweise geringem Aufwand in Megawatt-Leistungsbereiche vorzustoßen und luftgekühlte Kaltwassersätze bis 1500 kW sowie wassergekühlte bis 2500 kW Kühlleistung zu produzieren. Die Grenzen sind dabei nicht mehr unbedingt die Verdichtergröße, sondern die Transportkapazitäten, da die Geräte bis zu 15 m lang werden können und nicht selten 15 t Gewicht auf die Waage bringen.

Warum die „CSW“-Schraube? | Bei der Entwicklung der „CSH“-Serie war Combitherm neben anderen OEM in der Konzeptionsphase mit eingebunden. Seinerzeit war sich der Markt einig, dass nur ein Verdichter mit breitbandigem Anwendungsspektrum sinnvoll sei. Dies umfasst den Bereich der wasser- und luftgekühlten Anlagen ebenso wie Wärmepumpenanwendungen. Der Gedanke war, durch Reserven im Einsatzbereich einen hohen Schutz gegen abweichende Betriebsbedingungen und damit höchste Sicherheit für sensible Anwendungen speziell bei Produktionsbetrieben zu haben. Dass dieser Gedanke auch heute noch richtig ist, zeigt sich in langen heißen Sommern, wo luftgekühlte Kaltwassersätze selbst mit verschmutzten Verflüssigern bei hohen Außentemperaturen „klaglos“ ihren Dienst versehen.

In den ersten Jahren des neuen Jahrhunderts ergaben sich aber gesellschaftliche Entwicklungen, welche die Prioritäten zusätzlich zur Betriebssicherheit auf andere Ziele bei der Konzeption von Kälteanlagen legte. War der Fokus der öffentlichen Diskussion bis dahin auf den Kältemitteln und der in den Anlagen enthaltenen Füllmenge (Montreal-Protokoll), rückte die Treibhaus-Problematik zunehmend in den Vordergrund. Plötzlich war der lange vernachlässigte Energieverbrauch von Kälteanlagen nicht nur Thema in Expertenkreisen, sondern auch bei Gesprächen mit Planern und Betreibern. Damit wurden Preis oder Betriebssicherheit als bisherige Hauptkriterien bei einer Auftragsvergabe zunehmend durch Energieeffizienz und damit verbundene reduzierte Folgekosten erweitert. Auf diese Änderung der Prioritäten reagierte Bitzer im Jahr 2009 mit der Entwicklung eines Verdichters, der spezieller an die energetischen Anforderungen von wassergekühlten Kaltwassersätzen angepasst ist. Damit stehen Anlagenbauern wie Combitherm neben der bewährten „Alleskönnerin CSH-Schraube“ nun zusätzlich die „Spezialistin CSW“ für niedrigere Verflüssigungstemperaturen zur Verfügung. Die Erkenntnisse, welche bei dieser Entwicklung gewonnen wurden, konnten übrigens direkt in die Mitte 2010 überarbeitete „CSH3“-Serie eingebracht werden, so dass es hier zu einer wechselseitigen Befruchtung kam.

Besonderheiten der „CSW-Schraube“ | Die „CSW-Schraube“ wurde speziell für niedrige Druckverhältnisse kon­struiert, also tiefe Verflüssigungstemperaturen und/oder hohe Verdampfungstemperaturen, wie sie für wassergekühlte Kaltwassersätze oder aber auch Niedertemperaturwärmepumpen charakteristisch sind. Typisches Kältemittel für diese Anwendung ist R134a. Allein durch Absenken des minimalen Kondensationsdrucks bei Kaltwasseranwendungen auf +20 °C gegenüber +27 °C bei der „CSH-Schraube“ lassen sich – ausschließlich bezogen auf den Energieverbrauch des Verdichters – Einsparungen von über 20 % generieren.

Vorrangiges Entwicklungsziel war die Verringerung des Energiebedarfs für die anvisierten Anwendungen speziell im Teillastbereich, also nicht nur bei Volllast.

Erreicht wurde dies durch ein Bündel von Maßnahmen wie z.B. Reduzierung der verdichterinternen Druckverluste sowie auch der Druckverluste in den Absperrventilen oder der komplett überarbeiteten, 3-dimensionalen Geometrie des Austrittsfensters mit Teilintegration des Auslassfensters in den Leistungsschieber.

Diese Maßnahmen verbessern die Teillast­effizienz enorm und reduzieren somit den Energiebedarf von Kälteanlagen maßgeblich. Beachtlich dabei ist, dass dieser Effekt nicht nur bei Teillast und niedrigen Verflüssigungstemperaturen auftritt wie bei Turboverdichtern, sondern auch bei Teillast und höheren Verflüssigungstemperaturen. Das Fehlen einer Pumpgrenze, welche Turbos im Teillastverhalten einengen, sichert der Schraube ein breites Betriebsfeld. Damit erweitern sich die Einsatzmöglichkeiten, gerade hinsichtlich Wärmepumpen bis 45 °C Heizwassertemperatur, wie sie bei Geothermie oder Schwimmbadanwendungen typisch sind.

Bei der Optimierung ergab sich ein weiterer positiver Nebeneffekt: Die „CSW-Schraube“ ist leiser geworden. Messungen bei Combitherm ergaben 3 bis 5 dB(A) geringere Schallpegel gegenüber der bisherigen Serie. Die gewonnenen Erkenntnisse sorgen auch hier dafür, dass Bitzer die „CSH3“-Generation schalltechnisch weiter optimieren konnte. Damit liegen die Schallwerte auf Augenhöhe mit Verdichtern ohne mechanische Lagerung.

Umsetzung im Anlagenbau | Maßnahmen zur Effizienzsteigerung am Verdichter allein genügen aber nicht, um eine Kältemaschine oder Wärmepumpe wirtschaftlicher zu machen. Die Gesamtkonzeption mit Wärmetauschern, Expansionseinrichtung und Kältemittelauswahl muss stimmig sein. Auch die Regelstrategie spielt eine Rolle. Dies ist die operative Aufgabe von Anlagenerstellern.

Wenn von Kundenseite eine Entscheidung für ein Konzept gefallen ist, das die Anwendung eines „CSW-Schraubensatzes“ vorteilhaft erscheinen lässt, beginnt die Auswahl der anderen Komponenten. Das Kältemittel R134a mit dem niedrigsten GWP (1300) der aktuell verfügbaren Sicherheitskältemittel ist folgerichtig. Elektronische Expansionsventile sind bei Combitherm aufgrund der größeren Regelbandbreite und der schnelleren Reaktion seit vielen Jahren Standard. Schwieriger gestaltet sich die Auswahl der Wärmetauscher. Hier ist die Frage: überflutete oder trockene Verdampfung? Bei überfluteten Wärmetauschern lassen sich eine geringere Grädigkeit und damit strukturell bessere Leistungszahlen erreichen. Dem gegenüber steht eine bis zu 5-mal höhere Kältemittelfüllmenge, was bei größeren Kaltwassersätzen mehrere Hundert Kilogramm Kältemittel ausmachen kann und bei einer Gesamtbetrachtung der Treibhaus-Wirkung oft die Einsparungen auf der Energieseite überkompensiert. Combitherm geht hier einen Mittelweg mit trockener Verdampfung, also möglichst geringen Kältemittelfüllmengen. Die beim Kältemitteleinsatz gesparten Kosten werden in großflächige Wärmetauscher und interne Kreislaufverbesserungen gesteckt, so dass der energetische Nachteil im niedrigen einstelligen Prozentbereich liegt. Insgesamt bietet die „CSW-Schraube“ eine Energieperformance, die keinen Vergleich mit allen am Markt erhältlichen Technologien zu scheuen braucht.

Einsatz von Frequenzumformern? | Wie schon erwähnt, hat die Combitherm bereits Anfang der 80er Jahre Schraubenverdichter mit Frequenzumformern ausgerüstet. Damals standen nicht energetische Überlegungen im Vordergrund, sondern die Möglichkeit zur kontinuierlichen Leistungsregelung. Nachdem die stufenlose Regelung über einen mechanischen Leistungsschieber bereits mit der Kompaktschraubenverdichter-Generation Standard wurde, fiel dieses Argument für den Frequenzumformer (FU) bei Schraubenverdichtern weg.

Heute werden oft andere Argumente für den Einsatz genannt, häufig natürlich für Kolben- oder Scrollverdichter, die von Haus aus über keine stufenlose mechanische Regelung verfügen und somit nur die Möglichkeit der elektronischen Leistungsanpassung haben.

Die Reduzierung von Anlaufströmen wird häufig ins Feld geführt, jedoch lässt sich dies – sofern überhaupt notwendig – einfacher und günstiger über Sanftanlaufschaltungen realisieren.

Mit dem FU lassen sich höhere Drehzahlen und damit kleinere Verdichterbauformen erreichen, per Saldo stehen den Einsparungen am Verdichter in der Regel aber deutlich höhere Kosten beim Frequenzumformer gegenüber.

Bleibt das häufig angeführte Argument der Energieeinsparung. Dieses lässt sich im Vergleich zu stufigen Anlagen gut darstellen, da die kontinuierliche Regelung in der Lage ist, ineffiziente Sprünge in den Anlagenzuständen zu vermeiden. Bei standardmäßig quasi-kontinuierlich geregelten Schraubenverdichtern ist dies schwieriger, da der FU eine Verlustleistung von ca. 3 bis 6 % hat, welche im ersten Schritt aufgeholt werden muss. Hier ist noch einiges an Entwicklungsarbeit zu leisten. Ob sich der FU der Schieberregelung als überlegen erweisen wird, ist momentan noch fraglich. Der FU stellt eine zusätzliche Komponente mit einer zusätzlichen Ausfallwahrscheinlichkeit dar. Die Betriebssicherheit einer Kältemaschine kann dadurch per se nur sinken. Auch hier ist wieder eine Abwägung verschiedener Zielsetzungen erforderlich, die der Anlagenbauer gemeinsam mit dem Planer oder Betreiber abstimmen muss. Combitherm rät bei Schraubenverdichtern im jetzigen Entwicklungsstadium zu selektivem Einsatz von Frequenzumformern.

Gesamtenergiebetrachtung von Kaltwassersätzen | Zur Beurteilung der Energieeffizienz von Kaltwassersätzen gibt es viele Ansätze. Einige beanspruchen normativen Charakter, eine rechtlich verbindliche – aber verkürzende – Vorschrift wie bei Wärmepumpen gibt es glücklicherweise nicht. Combitherm hat vor Jahren eine Simulationsrechnung entwickelt, welche in der Lage ist, über die Jahrestemperaturverteilung, die Teillastcharakteristik und den prognostizierten Lastgang beim Kunden eine zu erwartende Jahresarbeitszahl abzuschätzen. Diese Simulationsrechnungen in Verbindung mit Sensitivitätsanalysen bei veränderten Parametern waren auch Grundlage für den Vergleich von Kältesystemen mit „CSW-Schrauben“ und anderen am Markt verfügbaren Technologien. Es ergaben sich bei wassergekühlten Maschinen signifikante Vorteile mit Energieeinsparungen teilweise im deutlich zweistelligen Bereich.

Unter Zugrundelegung gängiger Teillast-Berechnungsmethoden wie ESEER ließe sich auch bei luft- und glykolgekühlten Systemen ein Vorteil errechnen. Hier ist allerdings der eingeschränkte Einsatzbereich bei hohen Kondensationstemperaturen zu beachten, der speziell bei hohen Außentemperaturen zu Lastabschaltungen führen kann und damit die Betriebssicherheit tangiert. Bei Klimaanwendungen und entsprechender Vorgabe des Kunden mag die eingeschränkte Verfügbarkeit zu Gunsten einer höheren Energieeffizienz vertretbar sein.

Bei Produktionsanlagen mit typischerweise geringem Teillastanteil ist der Einsatz von „CSW-Schrauben“ in luft- oder glykolgekühlten Anlagen schwer vertretbar, hier ist die neu entwickelte „CSH3-Schraube“ die bessere Variante.

Gesamtenergiebetrachtung von Kältesystemen | Für die Analyse der Vorteilhaftigkeit eines Kältesystems taugt der alleinige Vergleich von Kälteaggregaten verschiedener Bauart und Herkunft natürlich nicht. Verkürzte Berechnungen, welche das eigene Produkt unter eigens konstruierter Parametern vorteilhaft erscheinen lassen, dienen dem Verkaufserfolg des jeweiligen Vertriebsmitarbeiters, aber nicht zwingend dem Nutzen des Kunden. An dieser Stelle sei noch mal darauf hingewiesen, dass der Energieverbrauch eines Kälte- oder Wärmepumpensystems nur ein Planungsziel neben Betriebssicherheit, Langlebigkeit, Betreuungsaufwand und Investitionskosten ist. Die „CSW-Schraube“, als Entwicklung aus einem bewährten Verdichterkonzept, gibt an dieser Stelle das beruhigende Vertrauen, das Effizienzziel ohne Kollision mit einem anderen Ziel zu erreichen.

Es sei ferner angemerkt, dass die Energieeffizienz als Ziel zur Reduzierung des Energieverbrauchs alleine nicht ausreichend ist. Vielmehr muss man die Energieeffektivität ins Bewusstsein rücken. Jeder kennt Fälle, wo bei laufender Kühlung die Fenster geöffnet sind oder Kälteanlagen zur Gebäudeklimatisierung, mit denen über den ganzen Winter ein Kaltwasserspeicher geladen wird. Trotz visionärer Regelstrategien wurde vergessen, die Kälteanlage über einen Außentemperaturfühler abzuschalten. Hier helfen dann aufwändige Vergleichsrechnungen auch nicht mehr.

Zurück zur energetischen Analyse von Systemen: Neben der Kältemaschine fließen hierbei auch der Energieverbrauch von Nebenantrieben wie Pumpen, Ventilatoren sowie Schaltschrankverluste mit ein. Ist die Lastcharakteristik der Kältemaschine mit zugehöriger Leistungsaufnahme über den Jahresverlauf vom Hersteller ordentlich ermittelt, ergibt sich der Gesamtbedarf des Systems durch einfaches zusätzliches Aufaddieren der Nebenverbraucher. Pumpen auf der Verdampfer- oder Verflüssigerseite laufen sinnvollerweise mit konstanter Drehzahl und haben somit im Jahresverlauf eine gleichbleibende Leistungsaufnahme. Ventilatoren an Kühltürmen oder Trockenkühlern werden stufenlos oder mehrstufig drehzahlgeregelt und unterliegen somit Schwankungen im Lastverlauf und über die Jahresaußentemperaturen. Um die verbesserten Leistungszahlen des Verdichters – speziell der „CSW-Schraube“ – bei niedrigen Kondensationstemperaturen auszunutzen, lässt man Ventilatoren bis zum Erreichen der Mindestkondensation auf voller Drehzahl laufen und regelt sie erst dann zurück. Zu beachten ist, dass es unter Umständen energetisch besser ist, vor Erreichen der minimalen Kondensationstemperatur den Ventilator herunterzuregeln. Auch das lässt sich mit einer Simulationsrechnung erfassen. Besonders bei Radialventilatoren kann der Effekt einer reduzierten Ventilatordrehzahl die Einsparung einer geringeren Druckdifferenz am Verdichter überwiegen. In jedem Fall ist der negative Effekt einer erhöhten Ventilatordrehzahl zur Kondensationsdruckminderung von der Verbesserung der Effizienz am Verdichter abzuziehen. Per Saldo sollte eine Energieeinsparung übrig bleiben.

Fazit | Die Komponenten in der Kältetechnik werden immer spezifischer an den jeweiligen Anwendungsfall angepasst. Dies erfordert von den Herstellern eine größere Produktbandbreite und Flexibilität. Der Anlagenbauer erhält damit mehr Möglichkeiten, aber auch mehr Verantwortung, auf Kundenwünsche einzugehen und energieeffektivere Kältemaschinen und Wärmepumpen zu errichten. Die Aufgabe, für betriebssichere Anlagen zu sorgen, wächst in dem Maße, in dem es mehr Kombinationsmöglichkeiten bei der Komponentenauswahl gibt.

Der von der Fa. Bitzer gewählte Ansatz, bewährte Verdichter sukzessive an verschiedene Einsatzbedingungen anzupassen, vereint die Forderungen nach hoher Wirtschaftlichkeit und Betriebsicherheit – für die Fa. Combitherm die ideale Konstellation für die Verdichterauswahl. Die bisherigen Erfahrungen mit der „CSW-Schraube“ haben in dieser Hinsicht die Erwartungen erfüllt und zeigen, dass der eingeschlagene Weg in die richtige Richtung führt.

Seriöse energetische Systembetrachtungen durchzuführen bleibt eine Herausforderung, an der noch weiter geforscht werden muss. Grundlagen sind vorhanden, aber noch werden zu oft Äpfel mit Birnen verglichen.