Semi-Plug-in-Technologie in der Energiekrise?
Vorteile von Propan-SPI und Vergleich mit CO2-Verbundanlage
Seit Jahren hält sich hartnäckig die Meinung, die Semi-Plug-in-Technologie (SPI) sei weniger energieeffizient als Remote-Technologie. Doch gerade im Spannungsfeld der heutigen Herausforderungen hinsichtlich Energieversorgung und Fachkräftemangel hat sich gezeigt, dass diese Technologie gerade jetzt die zukunftsorientierteste und sicherste Lösung für gewerbliche Kälteanlagen ist. In den letzten zwölf Jahren wurden mehrere Tausend Semi-Plug-in-Kälteanlagen oder sogenannte Waterloop-Anlagen in unterschiedlichen Klimazonen sowie für diverse Kühlungs- und Heizungsanforderungen im Lebensmitteleinzelhandel erfolgreich errichtet und mit hoher Ausfallsicherheit betrieben. Nicht zuletzt zeigte sich auf der EuroShop 2023 eine deutlich gestiegene Nachfrage und verstärkte Anbieterschaft von SPI-Anlagen. Daher soll dieser Artikel einige Aspekte dieser Technologie erneut aufgreifen und unter heutigen Rahmenbedingungen neu beleuchten.
Die heute zumeist als Propan-Semi-Plug-in-Anlagen ausgeführten Kälteanlagen (SPI) bestehen primär aus Kühlmöbeln und Kühlraumaggregaten mit in sich hermetisch geschlossenen Kältekreisläufen, die mit dem klimafreundlichen Kältemittel Propan R290 betrieben werden. Deren Prozessabwärme, definiert durch die Summe an Verflüssigerleistungen, wird durch einen gemeinsamen Kühlwasserkreislauf mit einem Polypropylen-Glykol-Wassergemisch (auch als Waterloop bezeichnet) abgeführt. Diese Wärmeenergie steht bei Bedarf direkt für Wärmerückgewinnungszwecke zur Verfügung. Der Temperaturarbeitsbereich dieses Rückkühlkreislaufes ergibt sich physikalisch aus dem verwendeten Kältemittel R290 und liegt in der Regel zwischen +9 °C und +48 °C. Diese Abwärme ist für sommerliche Höchsttemperaturen wie auch für winterliche Heizzwecke mit z.B. Betonkernaktivierung bestens geeignet.
Jahrelange Erfahrung bei Tausenden von Anlagen haben gezeigt, dass diese Systeme nicht nur betriebssicher laufen, sondern auch im absoluten Energievergleich mit synthetischen oder natürlichen Kältemitteln gleichauf liegen oder sogar bessere Leistungsdaten aufweisen können. Die unbestrittenen Vorteile der Semi-Plug-in Technologie liegen in:
Flexibilität beim Ladenbau – Veränderung jederzeit ohne großen Aufwand möglich
Einfache und schnelle Installation, geringe Anforderung an die Vor-Ort-Installation
Zuverlässigkeit bei Blackout und hohe Anlagenredundanz – automatischer Neustart auch nach langen Stromausfällen
minimale Leckageraten sowie geringe Kältemittelfüllmengen (siehe Bild 2)
sicherer Einsatz natürlicher Kältemittel entsprechend IEC60335
kein Maschinenraum bzw. kein Verbundsatz nötig
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Zusätzlich rücken nun folgende Vorteile in den Fokus:
Sehr gute Energieeffizienz bei gewerblichen Kälteanlagen des Lebensmitteleinzelhandels (LEH)
Insbesonders bei Wärmerückgewinnung (WRG) konzeptionelle Vorteile gegenüber allen Vergleichssystemen (siehe Bild 3)
Einfache Technik und damit eine Möglichkeit, dem zunehmenden Fachkräftemangel zu begegnen
Einfache Erweiterung an Klimatisierung und Heizungskomponenten und damit die Erstellung einer gesamten One-Stop-Shop-Lösung für verschiedenste Anwendungen
Zentrale Elemente der SPI-Kälteanlage sind das Verkaufskühlmöbel und der Lagerkühlraum. Aktuelle SPI-Kühlmöbel verfügen nicht zuletzt zur Erfüllung der ERP-Richtlinie über höchst optimierte Kältesätze, da die Dimensionierung der Komponenten durch die genau definierten Betriebsbedingungen optimal angepasst werden können. Eine sogenannte On/Off-Regelung eines Verdichters führt bei einer Kühlregalstrecke von 10 Stk. L8/375 zu einer Leistungsmodulation in 3,33 % Schritten. Durch die integrierte Kühlmöbelregelung werden die einzelnen Stufen je nach Sollwertabweichung zugeschaltet und erreichen eine stufige Leistungsregelung, die der einer drehzahlgeregelten ziemlich nahekommt. Unter Berücksichtigung der stabilen optimierten Verdampfungsverhältnisse pro Kältekreis kann die Energieeffizienz im Vergleich zu saugdruckschwankenden Verbundanlagen höher sein.
Die zu erwartende Anhebung der maximal zulässigen Kältemittelfüllmenge in der IEC60335 auf maximal 500 g führt zu einer Vergrößerung der Freiheitsgrade in der Komponentenauswahl. Derzeit gilt noch die 150 g Grenze als bestimmende Größe. Mit dieser Anhebung wird eine deutliche Effizienzsteigerung von 20-30 % am Kälteaggregat zu erreichen sein.
In mehrere Kreise unterteilte Verdampfer können auch bei Ausfall eines der Kältekreise die Warentemperatur in den meisten Betriebsfällen halten und sorgen im Störungsfall für noch mehr Anlagensicherheit. Die Regelung der Kühlmöbel bzw. Kühlstellen erfolgt über einzelne Kühlstellenregler, die zwar dezentral betrieben und betriebssicher gelegen dennoch eine übergeordnete Leittechnik bzw. Überwachung mit Daten versorgen.
Der „Waterloop“ mittels Glykol-Wasser-Gemisch transportiert die Abwärme durch hocheffiziente, drehzahlgeregelte Umwälzpumpen im Vergleich zu Supermarkt-Verbundanlagen mit R134a sparsamer, da kein Druckabfall in der Saugleitung überwunden werden muss. CO2 Anlagen können diese Druckdifferenz bisweilen ohne zusätzlichen Aufwand erbringen, aber die erforderliche Aufmerksamkeit auf den Öltransport und Mindestgeschwindigkeiten in den Saugleitungen bleibt weiterhin bestehen. Der hydraulische Abgleich der einzelnen Verbraucher am Wärmeverbund (Glykol-Wasser-Kreislauf) wird durch selbstregelnde Differenzdruckventile präzise und selbsttätig erledigt.
Die Rückkühler und deren hocheffiziente EC-Ventilatoreinheiten werden von einer Steuerung mit einer außentemperaturgeführten Sollwertschiebung geregelt. Damit stellt man sicher, dass an wärmeren Tagen die Ventilatoren nach der erreichbaren Sole-Austrittstemperatur nicht für einen unerreichbaren Sollwert weiterlaufen müssen. Das spart Energie und vor allem reduziert dies die luftseitige Verschmutzung am Rückkühler enorm.
Energieeinsparung durch Wärmerückgewinnung
Wärmerückgewinnung ist in einem Supermarkt nur eine von zahlreichen Möglichkeiten, Energie einzusparen. Wesentlich ist dabei, dass das Temperaturniveau der Abwärme auf das Temperaturniveau des Heizsystems und umgekehrt angepasst wird. Unabhängig davon, ob es sich um ein Remote- oder ein SPI-System handelt, ist das nicht ganz ohne Energieeinsatz möglich. Die bei jedem SPI-System vorhandenen Grundkomponenten und die ausreichend große Menge an Wärme in der Trägerflüssigkeit ermöglichen jedoch eine direkte Wärmerückgewinnung mit geringer zusätzlicher Investition.
Ein speziell entwickelter Regler sorgt bei der Hydraulikstation dafür, dass der Solekreislauf (Primärkreislauf) immer auf der für das Heizungssystem optimalen Temperatur betrieben wird. Reicht die Abwärme nicht für die Beheizung des Gebäudes aus oder benötigt das Heizungssystem aufgrund der Außentemperaturen eine zu hohe Vorlauftemperatur, dann wird das Zusatzheizungssystem aktiviert. Es kommen in der Regel reversible Luft-Wasser-Wärmepumpen zum Einsatz, die im Sommer auch eine Klimatisierung mit der gleichen Installation ermöglichen.
Fußbodenheizung, Betonkernaktivierung und Wandflächenheizungen
Ein SPI-System ist zur Anbindung an eine Fußbodenheizung besonders geeignet, da diese durch ihre große Oberfläche auf einem niedrigen Temperaturniveau arbeitet (ca. 25 °C bis 35 °C). Hierbei ist eine direkte Auskopplung der Abwärme aus dem SPI-System ohne zusätzlichen Energieaufwand möglich. Besonders vorteilhaft gestaltet sich die Teilung eines leistungsstarken SPI-Systems in zwei Rückkühlkreisläufe, da hier auch bei direkter Wärmeauskopplung nur einzelne Anlagenteile zur Deckung des Heizbedarfes für die geforderten Heiztemperaturen angepasst werden müssen (siehe Bild 4).
Radiatoren
Neu geplante Heizungsanlagen mit Radiatoren kommen zunehmend mit geringen Vorlauftemperaturen zurecht und können mit den Wärmerückgewinnungssystemen von SPI-Anlagen ebenfalls direkt kombiniert werden.
Gebläsekonvektoren und zentrale Lüftungsgeräte
Gebläsekonvektoren und zentrale Lüftungsgeräte können auch an ein Energierückgewinnungssystem angebunden werden, wenngleich die geringere Oberfläche am Wärmeübertrager üblicherweise höhere Medium-Temperaturen (>40 °C) erfordert. Bei erhöhtem Wärmebedarf muss im Bedarfsfall die Wassertemperatur mit einer zusätzlichen Heizung, vorrangig Wärmepumpe, erhöht werden. Dieses System bietet den Vorteil, dass damit bei Verwendung eines geeigneten Zusatzheizungssystems, wie z.B. einer reversiblen Wärmepumpe, im Sommer auch eine Klimatisierung erfolgen kann.
Das benötigte Temperaturniveau des Heizungssystems kann bei SPI-Anlagen auf zwei Arten erreicht werden:
1. durch gezielte Anhebung der Temperatur im Solekreislauf
2. durch Zwischenschaltung einer Sole-Wasser-Wärmepumpe
Mit der höheren erzielbaren Temperatur auf der Verdampferseite der Wärmepumpe ermöglicht diese eine Anpassung der Übergabetemperatur an die höheren Vorlauftemperaturen des Heizungssystems. Um zum Beispiel eine Wärmeleistung vom 100 kW auf einem Temperaturniveau von 40 °C bereitzustellen, ist im Falle einer Wärmerückgewinnung bei einer AHT SPI-Anlage eine zusätzliche Energiemenge von ca. 12 kW erforderlich. Diese resultiert aus der Differenz der Energieverbräuche bei den unterschiedlichen Betriebstemperaturen des SPI-Systems und ergibt damit einen theoretischen COP von 8,2. Mit einer Wärmepumpe und einem angenommenen COP von 3 bis 5 könnten in diesem Falle nur 36 kW bis 60 kW an Wärmeleistung bereitgestellt werden. Bei fossilen Brennstoffen ist der Energieeinsatz von 100 kW mit entsprechenden Kosten verbunden und es sind CO2-Emissionen anzusetzen.
Zu berücksichtigen ist jedoch, dass bei einem Kältekreislauf die Menge an Abwärme und der Zeitpunkt ihrer Verfügbarkeit nur bedingt beeinflussbar sind und daher ein Pufferspeicher die Gesamteffizienz des Gebäudes wesentlichen steigern kann. Ein abgestimmtes Gesamtkonzept ist daher nicht nur von Vorteil, sondern zwingend erforderlich.
Gegenüberstellung SPI-Propan
(R290) und Verbundkälteanlage
mit CO2
Bei der Dimensionierung der Anlagenkomponenten für CO2-Anlagen ist es einerseits wichtig, die maximalen Betriebsbedingungen (z.B. Volllast und hohe Außentemperatur) zu betrachten und andererseits die Teillast und Schwachlastbedingungen zu berücksichtigen. Werden Komponenten nicht passend zum System konfiguriert, kommt es unweigerlich zu ungünstigen Betriebsbedingungen, die sich z.B. in unnötig tiefen Verdampfungstemperaturen und damit höheren Energiekosten zeigen. Der jährliche Energiebedarf kann z.B. durch Berechnungen auf Jahresstundenbasis unter Berücksichtigung von Außentemperaturen und Kühllastprofilen erfolgen.
Aufgrund des systemimmanenten Verhaltens der Semi-Plug-in-Anlage mit Propan als Kältemittel sind die Leistungen und Betriebsbedingungen pro Kühlstelle optimiert. Damit ist ein sehr effizientes Teillastverhalten nicht nur möglich, sondern bei den gebauten Anlagen auch nachweisbar. Jede Kühlstelle läuft leistungsgeregelt und auf ihrem optimalen Verdampfungsdruckniveau. Alle Kältekreise geben die Abwärme in ein gemeinsames Wärmeverbundsystem und stellen so die optimalen Bedingungen für die Wärmerückgewinnung.
Bei CO2-Anlagen kann auch ein sehr gutes Teil- und Volllastverhalten erreicht werden. Dabei werden bei den Kälteverbundsätzen diverse Sonderoptimierungsmaßnahmen ergriffen. Diese sind beispielsweise parallele und mehrstufige Verdichtungen, Gas-Ejektoren, Liquid-Ejektoren oder wie bei ECO2SMART die aktive Unterkühlung des Gaskühler-/Verflüssiger-Austrittsmediums, um möglichst lange eine optimierte Betriebsweise zu erhalten. Diese stellt sich im transkritischen Zustand ein, wenn der Druck des Kältemittels innerhalb eines vorgegebenen Bereichs der Austrittstemperatur Taus so gesteuert wird, dass er z.B. oberhalb Pmin = 2,77 bar/°C x Taus -18,29 bar liegt. Eine aktive Unterkühlung verlängert jahreszeitlich gesehen diese optimierte Betriebsweise enorm.
Allen Optimierungsmaßnahmen bleibt gemein, dass hierzu technischer Aufwand betrieben werden muss, der geplant, gebaut, gewartet und notfalls auch repariert werden muss. Bei SPI-Anlagen mit Propan ist dies nicht erforderlich.
Der SPI-Solekreis als Zwischenkreislauf und die damit verbundene Pumpenleistung führen zu einem zusätzlichen Energieverbrauch im Vergleich zu CO2-Systemen. Die adaptiv drehzahlgeregelten ECM-Hauptumwälzpumpen regeln die erforderliche Umwälzmenge über ein hinterlegtes Proportionalband. So kommt man für die Wärmeübertragung von einer 120 kW Kälteanlage mit einem Energiebedarf von etwa 10-20 kWh pro Tag aus. Ein Mischventil zwischen Vorlauf und Rücklauf sorgt auch im stärksten Wintersturm für die Einhaltung der Mindesttemperatur der Sole, damit die einzelnen Kältekreisläufe genügend Flüssigkeitsvordruck für die Drosselorgane haben und Komponenten wie Verdichter nicht außerhalb der Anwendungsgrenzen betrieben werden.
Durch die im Sinne einer gesamtheitlichen Gebäudebilanz zunehmende Anwendung von Wärmerückgewinnungssystemen muss die Energiebedarfsbetrachtung durch den Wärmerückgewinnungsbetrieb ergänzt werden. Diese Betriebsform stellt bei energetischen Vergleichen von Gesamtsystemen eine zuweilen unbeachtete Größe dar, verdeutlicht aber die klaren Vorteile in der Energieeffizienz der Propan-SPI-Anlagentechnik. Hierbei besitzt die SPI-Technik einfach in Summe eine höhere Energieeffizienz.
Elektro-Energieverbrauch im Supermarkt
In der folgenden Darstellung werden eine Propan-SPI und eine CO2-Gesamtanlage für den Lebensmitteleinzelhandel im größeren Mittelflächenbereich an zwei winterlichen Kalenderwochen miteinander verglichen.
Für beide Anlagen kommen sehr ähnlich Rahmenbedingungen zu tragen, sodass eine gute Vergleichbarkeit gegeben ist. Beide Filialen sind in etwa mit folgender kältetechnischer Einrichtung ausgestattet:
Ca. 60 lfm Kühlregal
Ca. 27 lfm Tiefkühlregal
Ca. 12 lfm TK-Truhen
Ca. 12 lfm TK-Überbauschränke
Ca. 10 lfm Plug-in-Bedientheke
Ca. 67 m² NK-Kühlraumfläche
Ca. 10 m² TK-Kühlraumfläche
Rahmenbedingung:
Geringe Unterschiede in Umsatz und Kundenfrequenz.
Beide Filialen haben in etwa gleiche geografische Lage der Filialen (<10 km).
Beide Filialen haben eine etwa gleich große Verkaufs-/Lagerfläche.
Beide Filialen werden von einem gemeinsamen Eigentümer betrieben.
Die Darstellung der Energiewerte wurde aus Datenschutzgründen normiert (siehe Bild 6).
Bei der SPI-Anlage entschied man sich für eine Zweikreisanlage, um folgende Vorteile zu nutzen:
Beide Kreise haben unterschiedliche Rückkühlleistungen. Dadurch können außentemperaturgeführt wahlweise ein oder zwei Kreise in den WRG-Betrieb geschaltet werden.
Redundanz und Sicherheit der Kälteanlage.
Flexible und leichte Anordnung, da kleinere Außengeräte.
Einsparung bei Installationskosten durch kostengünstigeres Installationsmaterial.
Anhand der Darstellung kann man eine höhere Energieeffizienz der SPI-Anlage erkennen und dies nicht nur bei hohen Außentemperaturen, sondern ganz besonders auch bei winterlichen Bedingungen in Verbindung mit dem WRG-Heizungsbetrieb. Da die Verdichter dieser Anlagentechnik bei sommerlichen Temperaturen ebenfalls in leicht beherrschbaren Druckverhältnissen laufen, erntet man auch dann eine gute Betriebseffizienz. Die hohe Anzahl an SPI-Anlagen unterstreicht die Wettbewerbsfähigkeit dieser Technologie und ist ein Beweis für einen ökonomischen Ganzjahresbetrieb.
Fazit
Die SPI-Kälteanlagentechnik ist nicht nur eine Alternative zu CO2, sondern bietet für viele Applikationen auch exzellente Vorteile. Dieser Artikel bietet dem Fachmann Detailwissen, um diese Vorteile individuell zu beurteilen und das nächste Projekt aus Überzeugung mit SPI-Technik zu realisieren.
Propan als natürliches Kältemittel, die Einfachheit und Zuverlässigkeit der Technik selbst haben der Lösung immer mehr Marktanteile gesichert. Kühlmöbelhersteller wie auch Komponentenhersteller erweitern sukzessive Ihr Produktportfolio um flüssigkeitsgekühlte Versionen und decken heute nahezu alle Anwendungsfälle im LEH ab.
Mit einer standardisierten und auf eine Gesamtoptimierung aller Komponenten abgestimmten Automatisierungstechnik in Verbindung mit der standardisierten Bauart der Produkte ist SPI eine einfache ökonomische Technologie zur Erfüllung aller umweltpolitischen Aufgaben.
