Energie wird immer teurer. Der rasante Kostenanstieg trifft neben Privathaushalten vor allem Unternehmen, deren Geschäftsmodelle von Haus aus einen höheren Energiebedarf haben: Zum Beispiel, wenn bestimmte Räumlichkeiten oder Herstellungsprozesse rund um die Uhr klimatisiert werden müssen – etwa in der Lebensmittelbranche, Rechenzentren oder wenn es um Arzneimittel geht. Bei solchen Unternehmen rückt das Thema Energieeffizienz auf der Agenda besonders weit nach oben. Ob aus rein wirtschaftlichen Gründen oder mit dem vorrangigen Ziel, unser Klima zu schützen: Der Handlungsdruck wächst.
Unternehmen, die ohne die Klimatisierung ihrer Rohstoffe, Prozesse oder Endprodukte nicht wettbewerbsfähig sind, sind zunächst gut damit beraten, auf modernere Lösungen für die Wärme- und Kälteerzeugung umzusteigen. Neue Maschinen und Technologien arbeiten in der Regel energieeffizienter und stoßen außerdem weniger Treibhausgasemissionen aus. Auch Letzteres ist ein wichtiger Aspekt, weil das deutsche Klimaschutzgesetz Unternehmen seit August 2021 dazu verpflichtet, bis in das Jahr 2045 klimaneutral zu werden und netto keine CO2-Emissionen mehr freizusetzen.
Der wassergekühlte Flüssigkeitskühler YORK YZ
Johnson Controls hat sich selbst bereits bis 2040 zur Netto-Null in den Bereichen Scope 1 und 2 verpflichtet – zehn Jahre vor dem Ziel des Pariser Klimaabkommens. Das Unternehmen will seine betrieblichen Emissionen bis 2030 um 55 Prozent und die Emissionen seiner Kunden um 16 Prozent senken. Sein Lösungsportfolio rund um die Erzeugung von Wärme und Kälte ist umfangreich: Es umfasst mit dem YORK YZ zum Beispiel einen wassergekühlten Flüssigkeitskühler mit magnetgelagertem, ölfreiem Turboverdichter, der für höchsteffiziente Leistungen konzipiert wurde und mit R-1233zd(E) betrieben wird – einem nicht-brennbaren Kältemittel mit dem niedrigen globalen Erwärmungspotential von 4,5 (GWP). Damit lassen sich bei niedrigeren Betriebskosten jährlich bis zu 35 Prozent Energie einsparen. Zugleich sinken die CO2-Emissionen.
Beispielhaft zeigt der YORK YZ, dass moderne Kältemaschinen schon vom Technologie-Design her für mehr Energieeffizienz und ergo geringere Betriebskosten sorgen können. Darüber hinaus lassen sich bei wassergekühlten Flüssigkeitskühlern weitere Energieeinsparungen erzielen, wenn man sich das Prinzip der Freikühlung zu Nutzen macht. Die YZ Maschinen gehen hier sogar einen Schritt weiter: Bei ihnen ist in vielen Fällen die „mechanische Freikühlung“ eine noch effizientere Alternative.
Das Prinzip der Freikühlung
Bei der konventionellen Freikühlung (Free Cooling) erfolgt die Abkühlung des Kaltwassers ganz oder teilweise durch die kalte Außenluft. Handelt es sich um kompakte, luftgekühlte Kältemaschinen, wird das Kühlmedium einfach über einen separaten, im Gerät integrierten Wärmetauscher mithilfe der kalten Außenluft vorgekühlt.
Bei wassergekühlten Kältemaschinen wie dem YORK YZ ist es dagegen komplexer: Je nach Auslegung des Systems kann das Prinzip der Freikühlung im Umschaltbetrieb, gleitend im Parallelbetrieb oder in der Variante der mechanischen Freikühlung angewendet werden.
Weil jede dieser Optionen ihre Vorzüge hat und die Lastprofile von Gebäuden und Prozessen je nach Anwendungsfall stark variieren, sollte der Einzelfall individuell begutachtet werden. Grundsätzlich wird die Freikühlung jedoch für jedes Systemdesign für ganzjährigen Betrieb empfohlen. Denn ob Krankenhaus, Mall, industrielle Anwendung, Bürogebäude, Labor oder Rechenzentrum: Die Freikühlung mit kalter Außenluft senkt den Energieaufwand für die benötigte mechanische Kühlleistung – was die Energiekosten auf klimaschonende Weise reduziert. Zugleich ist der finanzielle Aufwand für die Umsetzung gering.
Die Freikühlung mit wassergekühlten Flüssigkeitskühlern
In einigen Projekten sind Kältemaschinen nur den Sommer über, ungefähr 1.500 Stunden lang, im Einsatz – in einer Zeit, in der die Temperaturen hierzulande in der Regel zwischen 17 und 38 Grad betragen. Ein wassergekühlter Flüssigkeitskühler wie der YORK YZ übernimmt dann zum Beispiel die Kühlung der raumlufttechnischen Geräte (RLT).
In der Übergangszeit sinken die Außentemperaturen auf zwischen 16 und 3 Grad und die RLT-Geräte müssen nicht mehr extra gekühlt werden. Vielmehr beschränkt sich die Kühllast jetzt auf die sogenannte Grundlast und umfasst nur noch die Lasten im Gebäudeinneren. Jedoch: Für einen reibungslosen Betrieb der Kältemaschine wird eine Kühlwassertemperatur von mindestens 18 Grad benötigt. Um also deren Ganzjahresbetrieb zu gewährleisten, muss ein Kühlwasserregelventil installiert sein, welches die Mindestkühlwassertemperatur beim Maschinenstart und auch teilweise im Betrieb künstlich hochhält (vgl. Bild 1).
Wenn im Winter die Temperaturen auf bis -20 Grad sinken, ist es eine Möglichkeit, die konventionelle Freikühlung im Umschaltbetrieb einzusetzen, um die Grundlast abzudecken. Und zwar kann hierbei die Kältemaschine komplett ausgestellt werden: Stattdessen wird die Freikühlleistung über einen zusätzlichen Plattenwärmetauscher generiert und der Rückkühler wird als Freikühler genutzt. Der Plattenwärmetauscher sollte dabei auf die Temperatur des niedrigsten Verbrauchers ausgelegt werden.
Bei diesem Umschalt-Szenario reduziert sich die Anzahl der Betriebsstunden der Kältemaschine und die Anlage wird insgesamt effizienter. Der Anteil der reinen Freikühlung ist jedoch vergleichsweise gering, denn das Prinzip kann erst einsetzen, wenn die Kühlwassertemperatur circa 2-3K unter der gewünschten Kaltwassertemperatur liegt. Außerdem müssen zwischen der Kaltwasser- und der Kühlwasserseite ein Plattenwärmetauscher, eine Pumpe sowie ein 3-Wege-Ventil installiert werden – und diese verursachen auf der Pumpenseite ganzjährig zusätzliche Druckverluste, die ihrerseits Energie benötigen (vgl. Bild 2).
Eine Alternative: die mechanische Freikühlung
„Mechanische Freikühlung” steht für die Fähigkeit der YZ Flüssigkeitskühler von Johnson Controls, eine Verflüssiger-Eintrittstemperatur zu akzeptieren, die niedriger ist als die Kaltwasser-Solltemperatur. Diese außergewöhnliche Fähigkeit ist dank der Magnetlager und der ölfreien Konstruktion möglich.
Die Verdichterdrehzahl wird durch den drehzahlvariablen Antrieb (VSD) angepasst, um den Hub (Verdichterdifferenzdruck) zu minimieren und niedrige Kühlwassertemperaturen in den kälteren Monaten zu nutzen – all das mit einer außergewöhnlichen EER-Leistung.
Dafür fährt die Anlage einen komplett gleitenden Betrieb über ihre gesamte Laufzeit hinweg. Ob Sommer, Übergangszeit oder Winter: Durchgängig wird sie optimiert auf die Außentemperatur betrieben. In deren Abhängigkeit sinkt die Kühlwassertemperatur bis zu einer Grenze von etwa 4,4 Grad sukzessive nach unten, sodass sie letztlich unterhalb der Kaltwassertemperatur liegen kann (vgl. Bild 3).
Hierfür wird der Rückkühler direkt an die Kältemaschine angebunden, ein 3-Wege-Ventil ist in der Regel nicht nötig. Die minimale Eintrittstemperatur des Kühlwassers wird nicht mehr auf 16 oder 18 Grad begrenzt, sondern kann bis auf 4,4 Grad abgesenkt werden. Diese viel niedrigere Temperatur bewirkt ein extrem geringes Druckniveau zwischen Hoch- und Niederdruckseite in der Maschine und der Verdichter muss weniger leisten. Die erzielbaren EER-Wirkungsgrade liegen bei bis zu 40 und höher.
Eine AHRI-zertifizierte Simulationssoftware sagt die Kälteleistung über den gesamten Betriebsbereich genau voraus. Sie wurde mit zahlreichen AHRI- und Eurovent-zertifizierten Tests validiert und folgt den gleichen Betriebsgrenzen wie die reale Kältemaschine. So bietet sie die Sicherheit von Kapazität und Effizienz in allen Punkten. Dadurch kann das gesamte HVAC-System für den niedrigsten Energieverbrauch optimiert werden, einschließlich der Klimageräte, Kühltürme und Pumpen.
Das zugehörige hydraulische System ist einfach und robust aufgebaut, es gibt hierbei keinen zusätzlichen Installationsaufwand und damit keine zusätzlichen Druckverluste, die ganzjährig auf die Anlage einwirken würden. Zwar ist eine Kältemaschine bei der mechanischen Freikühlung ununterbrochen in Betrieb, jedoch als Teil des Energiesparkonzepts.
Fazit
Ob konventionell oder mechanisch: Unternehmen sollten die Freikühlung als energetische Optimierungsmöglichkeit unbedingt nutzen, weil sich dabei mit überschaubarem Aufwand bereits große Energieeinsparungen erzielen lassen. Sie sollten die verschiedenen Freikühl-Optionen durchrechnen und individuell entscheiden. Die mechanische Freikühlung bei wassergekühlten Flüssigkeitskühlern ist jedoch in vielen Fällen eine Alternative, weil man hierbei auf den Plattenwärmetauscher sowie auf zusätzliche Ventile verzichten kann. Das System ist einfacher angelegt, benötigt geringere Investitionskosten und ist zudem ganzjährig betreibbar.
www.johnsoncontrols.com/de_de/hvac
Bild: Johnson Controls
Bild: Johnson Controls
Bild: Johnson Controls
Bild: Johnson Controls
Das Video zum Beitrag: https://youtu.be/ekA5CnTZqbg
