Verbesserungspotential in Kühlräumen

In dieser letzten Ausgabe der Serie „Tipps für den Monteur“ widmen wir uns dem Thema „Kühlräume“ und zeigen die Verbesserungspotentiale dieser Anwendung auf. Ganz unabhängig davon, ob es sich um einen Neubau handelt, Kältemittelumrüstung, unbefriedigende Warenqualität bei der Lagerung, häufige Serviceeinsätze oder eine hohe Stromrechnung: Es gibt die verschiedensten Motivationen für einen Anlagenbetreiber, den Kälteanlagenbauer nach Lösungen zu fragen. Oft ist es nicht einfach, die passende Antwort parat zu haben. Der folgende Artikel gibt praxisnahe Anhaltspunkte dazu.

Thermostatische oder elektronische Expansionsventile | In den meisten Kühlräumen sind thermostatische Expansionsventile als Einspritzventile verbaut. Falls der Betreiber nun nach einer besseren Lösung sucht, bietet eine elektronische Überhitzungsregelung gleich mehrere Vorteile. Der Verdampfer wird stets optimal mit Kältemittel befüllt. Selbst bei starken Leistungsschwankungen (d.h. Teillastfällen) kann die einzuspritzende Kältemittelmenge genau dosiert werden. Dies geschieht, indem die jeweils aktuelle Überhitzung im Verdampfer über einen Druckmessumformer und einen sehr sensiblen Temperaturfühler zeitnah an den elektronischen Regler weitergegeben wird. Der Regler kann nun Maßnahmen ergreifen, um optimal kleine Überhitzungen zu erreichen. Diese adaptive Reglung der Kältemitteleinspritzung führt zu einer optimalen Nutzung des Verdampfers und damit zu den höchst möglichen Verdampfungsdrücken, die in dieser spezifischen Anlage realisierbar sind. Dies wiederum führt nicht nur zu höheren COP-Werten, sondern auch zu Energieeinsparungen, denn die Überhitzung passt sich immer dem minimal stabilen Signal (MSS-Linie) des Verdampfers an, so dass ein Abdriften in den instabilen Bereich vermieden wird.
Aber nicht nur die Stromrechnung des Betreibers sinkt. Durch den geringeren Temperaturunterschied zwischen Verdampfungs- und Raumtemperatur wird auch die Entfeuchtung der Raumluft und damit des Kühlgutes verringert. Das führt bei gleicher Konfiguration dazu, dass z.B. Gemüse bei einer Lagerung in einem Raum mit elektronischer Expansionsventilregelung des Verdampfers länger optisch ansehnlich und verkaufbar bleibt als mit thermostatischen Expansionsventilen. Darüber hinaus trocknet das Kühlgut weniger aus. Sollte die Verdampfergröße etwas knapp ausgelegt sein, so lassen sich mit einem größeren Verdampfer die Effekte „höhere Verdampfungstemperatur“ und „weniger Entfeuchtung“  noch weiter verbessern.

Drehzahlgeregelte Verdichter | Auch drehzahlgeregelte Verdichter ermöglichen es, höchstmögliche Verdampfungstemperaturen zu realisieren. Normalerweise werden Verdichter in der Kältetechnik ausschließlich für maximale Systemlast ausgelegt. Tatsächlich laufen die Systeme aber während 65 % ihrer Betriebszeit bei Teillast, so dass der Verdichter über lange Zeiträume überdimensioniert ist. Konventionelle Regelungen zum Ausgleich dieses „Leistungsüberschusses“ sind Ein-Aus-Regelung, druckgesteuerte Leistungsregler oder Heißgasbypass-Regler. Im Vergleich zu diesen Methoden bietet ein Verdichter-Frequenzumrichterpaket eine überlegene Regelgüte und ist die energieeffizientere Lösung. Die Kälteleistung eines herkömmlichen vollhermetischen Hubkolbenverdichters ist konstant, Motor und Kurbelwelle drehen mit 2900 Umdrehungen in der Minute (50 Hz, ein Polpaar). Mit einem Danfoss „VTZ Compressor Drive“ hingegen kann die Drehzahl in einem Frequenzband von 30 bis 90 Hz variiert werden. Abhängig von der notwendigen Kühllast ergibt sich somit eine Motordrehzahl zwischen 1800 und 5400 U/min. Daher ist der Verdichter in Hinsicht auf den Kühlbedarf immer richtig dimensioniert. Damit bietet der „VTZ“ die gleiche minimale Teillast wie ein 3er-Verdichterverbund. Die Regelabstufung ist aber nicht 33, 66 und 100 %, sondern stufenlos. Zusammen mit einem Druckmessaufnehmer arbeitet das Paket ähnlich wie ein Verbundregler. Der Frequenzumrichter erhält einen Druck-Sollwert, den er konstant zu halten versucht. Steigt der Druckwert an, so wird die Verdichterdrehzahl erhöht. Fällt der Druck-Istwert, so wird die Drehzahl zurückgenommen. Mit dieser Regelung kann ein sehr konstanter Saugdruck erreicht werden.
Ein direkt ans Netz angeschlossener Verdichter nimmt in der Regel während des Starts bis zum Achtfachen seines Nennstromes auf. Das kann schon bei verhältnismäßig geringen Aufnahmeleistungen zu Diskussionen mit dem Energieversorger führen, der entweder zusätzliche technische Maßnahmen zur Strombegrenzung oder aber einen erhöhten Energiebereitstellungspreis fordern wird. „VTZ Compressor Drive“ ist mit einem eingebauten Softstarter ausgestattet, der die Stromspitze während des Verdichterstarts im Vergleich zum Direktstart erheblich reduziert. Der Frequenzumrichter beginnt beim Verdichterstart mit einer sehr niedrigen Frequenz und passt diese der tatsächlichen Umdrehungsgeschwindigkeit des Rotors an. Bei einem Direktstart eines Verdichters hingegen werden direkt 50 Hz angelegt, auch wenn der Rotor noch nicht in Bewegung gekommen ist. Das führt zu Anlaufstromspitzen, die im Frequenzumrichterbetrieb in dieser Form nicht auftreten. Somit ist ein Verdichter-Frequenzumrichterpaket die Lösung zur Reduzierung der Energiekosten des Betreibers, da konsequent zu tiefe Saugdrücke und Verdampfungstemperaturen sowie Stromspitzen, wie sie mit Festdrehzahlverdichtern auftreten können, vermieden werden.

Bedarfsabtauung | Der zweite Hauptaspekt in Bezug auf den Energieverbrauch neben hohen Verdampfungs- bzw. Saugdrücken ist die Abtauung. Hier lässt sich einiges an Energiekosten einsparen. Ist ein Kühlstellenregler mit einem elektronischen Expansionsventil ausgerüstet, so hat er meist auch eine Bedarfsabtaufunktion. Grundsätzlich ist es Aufgabe der Bedarfsabtauung sicherzustellen, dass keine unnötigen Abtauungen eingeleitet werden. Kann beispielsweise nur jede fünfte Abtauung übersprungen werden, so ist dies energetisch schon ein großer Vorteil. Wichtig bei Bedarfsabtauung ist ihre ausschließliche Einleitung zu programmierten Zeiten. Ist das nicht der Fall, so könnte die Abtauung zu ungünstigen Zeiten (z.B. Beschickung mit Ware) gestartet werden. Wie erkennt nun der Regler, ob die Zeit reif ist für eine Abtauung oder nicht. Bei elektronischer Einspritzung sinkt bei Systemen mit einem Verdichter die Verdampfungstemperatur nach der Abtauung stetig ab. Gleichzeitig verringert sich der Öffnungsgrad des elektronischen Expansionsventils immer weiter, bis eine erneute Abtauung durchgeführt wird. Über diesen Wert kann der Kühlstellenregler entscheiden, ob eine Abtauung übersprungen werden kann. Kühlstellenregler ohne elektronische Expansionsventile haben es nicht so leicht. 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, je länger die letzte Abtauung zurückliegt. Eine weitere Möglichkeit ist die Betrachtung der Gesamtkühlzeit. Nimmt diese stetig zu, dann ist von einer starken Vereisung des Verdampfers auszugehen und eine Abtauung zum nächst möglichen Zeitpunkt einzuleiten. Für einen Betreiber kann sich allein die Nachrüstung eines Kühlstellenreglers mit Bedarfsabtauung schon deutlich positiv auf der Stromrechnung niederschlagen. 

4-Wegeventile zur Heißgasabtauung | In den meisten Kühlräumen sind Elektroheizungen zur Abtauung montiert. Effizienter ist jedoch eindeutig die Heißgasabtauung. Heißgasabtauung kann problemlos auch bei Einverdampfer-Kühlraumsystemen durch den Einsatz eines 4-Wege-Umkehrventils realisiert werden. Bei der Kreisumkehr von „1:1-Anlagen“ kann der Verdampfer, der nun zum Verflüssiger geworden ist, von innen her abgetaut werden. Das bedeutet, dass die Wärme nicht durch Elektroheizungen im Verdampferpaket zum Eis im Verdampfer gebracht werden muss, sondern das Heißgas direkt durch das Rohrsystem geschickt wird, an dem sich zuvor Eis angesetzt hat. Dies führt zu exzellenten Abtauergebnissen und ist in Bezug auf Abtauzeit, Energetik und gezielten Wärmeeintrag kaum zu schlagen.
Für die folgende Beschreibung stellen wir uns vor, dass der kleine (Druck) Anschluss nach oben und die drei übrigen Anschlüsse nach unten zeigen. Dabei sehen wir das kleine Pilotmagnetventil mit seiner Spule. Bei einem Standard-4-Wegeventil gibt es nur zwei Schaltpositionen – keine Zwischenstellungen.
In Schaltsituation eins liegt keine Spannung an der Spule des Pilotmagnetventils an. Das hat zur Folge, dass Heißgas mit hohem Druck von der Pilotleitung des kleinen Anschlusses (permanente Druckseite) von rechts in die Schiebemechanismuskammer eingeleitet wird. Gleichzeitig kann der Druck auf der linken Seite der Schieberkammer über den permanenten Sauganschluss durch Abströmung auf die Niederdruckseite entlastet werden. Damit schiebt sich der Schieber nach links und öffnet die Hauptpfade oben nach rechts unten und links außen zur Mitte.
In Schaltsituation zwei findet das Heißgas von oben nach links seinen Weg, wobei gleichzeitig Sauggas von rechts zur Mitte nach unten strömen kann. Dies wird erreicht, indem die Spule des Pilotmagnetventils mittels Versorgungsspannung erregt wird, und Hochdruck von links in die Schieberkammer einleitet. Der Druck auf der rechten Seite kann so auf den mittleren, unteren Hauptanschluss entlastet werden, was zur Schieberbewegung nach rechts führt. Falls thermostatische Expansionsventile im Biflowbetrieb eingesetzt werden sollen – also im Kühlfall mit Standard- und im Abtaufall in entgegengesetzter Strömungsrichtung – muss immer ein Ventil mit äußerem Druckausgleich gewählt werden. Dieser externe Druckausgleich ist stets an die permanente Saugleitung zwischen 4-Wegeventil und Verdichter anzubringen. Wird dies nicht beherzigt, kann das Ventil im rückwärtigen Betrieb nicht arbeiten, da dann Hochdruck statt Verdampfungsdruck über den externen Druckausgleich das Ventil schließt und förmlich zupresst. Durch Heißgasabtauung kann eine deutlich effektivere und schnellere Abtauung im Vergleich zur elektrischen Abtauung erfolgen. Dies spart Stromkosten und bringt gleichzeitig weniger externe Wärme in den Kühlraum. Damit entfällt der zusätzliche Abtransport dieser Wärmemenge über die Kälteanlage nach der Abtauung. 

Ende der Serie

Mit diesem Beitrag ist die Serie „Tipps für den Monteur“ abgeschlossen. Danfoss bedankt sich bei Ihnen für das Interesse an der Artikelserie.