Durch die Messung der aktuellen Systemleistungszahl COSP können verschiedene Anlagenkonzepte energetisch verglichen werden. Ein TEWI-Vergleich zeigt den ökologischen Vorteil. Es wird deutlich, dass mit R 744 nicht nur die F-Gase-Verordnung perfekt gelöst wird, sondern auch die Emission und der Gesamtenergieverbrauch von Kühlung und Heizung kleiner ist, als es mit konventionellen Systemen möglich ist. Die Regel- und Messtechnik der Anlage spielt eine wichtige Rolle, um die verschiedenen COP-optimalen Betriebszustände zu erreichen. Dazu steht ein integrierter R 744Verbundanlagen-Gaskühler-WRG-Regler zur Verfügung.
Die heutigen Notwendigkeiten eines Supermarktes
Ein Supermarkt benötigt Kühlung für verderbliche Waren, Brauchwarmwasser für die Reinigung und eine Gebäudeheizung, um den Komfort zu sichern. Der Anlagenbetreiber möchte alle Teile der Anlage mit möglichst geringen Emissionen und mit bester Effizienz betreiben. Die Summe aller Energieverbräuche soll minimiert werden.
Zum Vergleich der heute verfügbaren Systeme bietet sich der COSP, die Systemleistungszahl an. Sie berechnet sich mit Damit ist eine normierte Vergleichszahl vorhanden, die durch direkte Messung und annähernde Berechnung und Messung des Verdichtermassenstroms gebildet wird. Eine Normierung des Energieverbrauchs auf Marktfläche oder Möbellänge entfällt.
Die heutigen Standardlösungen mit dem Kältemittel R 404a oder R 134a haben bei der Wärmerückgewinnung bei tiefen Umgebungstemperaturen aufgrund der begrenzten Verflüssigungstemperatur zu wenig Heizleistung, die oft durch zusätzlich installierte Wärmepumpen ausgeglichen werden muss. Das führt zu mehr Energieverbrauch und Kosten. Die hohe Heizleistung bei tiefen Umgebungstemperaturen kann mit einer R 744-Boosteranlage durch Anhebung des Hochdrucks ausgeglichen werden. Wobei die Systemleistungszahl COSP trotzdem wirtschaftlich bleibt.
Warum ist R 744 ein vorteilhaftes Kältemittel für die Wärmerückgewinnung ?
In Bild 1, einem R 744-Zustandsdiagramm, ist der Prozess (dunkelblaue Linie) für den Winterbetrieb der Anlage ohne WRG eingezeichnet. Bei diesem Hochdruck von 40 bar und einer Druckgastemperatur von 55 °C steht bis zur Abkühlung des Gases auf 25 °C nur eine kleine Wärmemenge Whr (kWh) zur Verfügung. Zur Gebäudeheizung reicht das nicht aus. Deshalb muss der Hochdruck auf 80 bar und eine Druckgastemperatur von 100 °C (rote Linie) angehoben werden. Jetzt steht mit der Abkühlung des Gases von 100 °C auf 25 °C ausreichend Wärme Whr2 (kWh) zur Verfügung. Im Gaskühler kann die Restwärme Wgc2 an die Umgebung abgegeben werden.
Der Heizungs-COP berechnet sich nach
. Die zusätzliche Verdichterarbeit Wchr durch Druckanhebung beträgt etwa 10 Prozent. Bei den heutigen Energiepreisen für Öl, Gas und Strom und einem COPh größer als 3 ergibt sich eine vorteilhafte Beheizung des Gebäudes, verglichen mit konventioneller Heizung. Die Hochdruckseite der Boosteranlage ist für transkritische Drücke bis 120 bar bemessen. Für die Heizung ändert sich nichts am grundsätzlichen Systemdesign. Darum ermöglicht R 744 als Kältemittel die Wärmerückgewinnung bzw. Heizung auf hohem Temperaturniveau bei voller Sicherung der Kühlung.
Fallbeispiel: Supermarkt in Dänemark
Der in Dänemark im Jahre 2010 erbaute Supermarkt Super Brugsen (Bild 2) mit einer Verkaufsfläche von 1000 m2 ist ausgestattet mit einer installierten Kälteleistung von 120 kW, einem Warmwasserspeicher von 1800 l, einer Wärmeverteilanlage mit Fussbodenheizung, Deckenluftgeräten und NT-Radiatoren.
Es werden die elektrischen Verbräuche der Kälteanlage und die Wärmeverbräuche der Brauchwasserbereitung und der Gebäudeheizung sowie Temperaturen und Drücke erfasst. Weiterhin steht eine online COP- und COSP-Messung mit AK-LM 350 zur Verfügung. Hiermit wurde es möglich, den Verlauf des COSP über der Umgebungstemperatur zu erstellen (Bild 3). Die COSP-Systemleistungszahl erreicht im Winter einen Wert von 8. Die Kälteleistungszahl (COP) wird in der kalten Jahreszeit durch die Heizungsanforderung auf ca. 3,5 begrenzt.
In Bild 4 sind die Anteile von verbrauchter elektrischer Energie und gewonnener Wärme zu sehen. Das Bild zeigt wie 130 Prozent bis 140 Prozent Wärmeenergie aus der verbrauchten elektrischen Energie gewonnen wurde. Wobei in diesem Diagramm, kWh Heizung und kWh Brauchwasser, die gemessene Wärmemenge in kWh und kWh total Elektro, die elektrische totale Verbrauchsmessung in kWh ist. Diese Heizwärmemenge reicht aus, um das Gebäude auch bei tiefen Umgebungstemperaturen zu heizen. Die Messdaten der Raumtemperatur, die konstant mit 21 °C über der Heizperiode verlaufen, beweisen, dass die alte Gasheizung ohne Komfortverlust ersetzt wurde.
Das Anlagenkonzept mit Regelung
In Bild 5 ist die typische Boosterschaltung von TK-Verbundanlage und NK-Verbundanlage dargestellt, wie auch die Hochdruckregelung über die Expansion mit ICMTS in den Mitteldruckbehälter und die Behälterdruckregelung über das Bypassventil CCM. Der Brauchwarmwasserbehälter und die Gebäudeheizung werden über je einen Pumpenwasserkreislauf mit Wärmeübertragervon der R 744-Anlage entkoppelt. Der Warmwasservorlauf beträgt 55 °C und der Heizungsvorlauf 40 °C. Über ein Lastsignal 010 V aus der Gebäudetemperaturregelung kann der Hochdruck analog in den transkritischen Druckbereich erhöht werden, um die notwendige Vorlauftemperatur bzw. Raumtemperatur zu erreichen. Der integrierte Verbundanlagen-Gaskühler-WRG-Regler AK-PC 781 fasst alle Einzelregler und Optimierungsfunktionen in einem Regler zusammen. Das ermöglicht eine beschleunigte Inbetriebnahme und Reduzierung der Verdrahtung.
TEWI-Vergleich
Der TEWI-Vergleich zwischen einer R 404 a- und der R 744-Boosteranlage zeigt in Bild 6 eine signifikante Reduzierung der Emission von CO2 in die Atmosphäre durch das Boostersystem mit Wärmerückgewinnung um 34 Prozent. Dies wird möglich durch das natürliche Kältemittel und weil die Direktemission der Gasheizung durch die Wärmerückgewinnung entfällt.
Vergleich der Energiekosten
Das R 744-Boostersystem verkleinert den Total-Energieverbrauch des Marktes um 28 Prozent. Dies ist zu erklären durch den Wegfall der Gasheizungskosten und den kleinen, um etwa 10 Prozent steigenden, elektrischen Energiebedarf durch die Wärmerückgewinnung. Das Bild 7 zeigt den Vergleich von der R 404a-Anlage zur Boosteranlage ohne und mit Wärmerückgewinnung.
Fazit
Supermarkt-Anlagen steigern die totale Systemleistung durch R 744-Boostersysteme mit Wärmerückgewinnung. Die traditionellen R 744-Nachteile, wie hohe Temperaturen und Drücke, werden umgewandelt in Vorteile für die Gebäudeheizung. Der Betreiber erhält durch den Einsatz von R 744 mit Wärmerückgewinnung eine umweltfreundliche Anlage. Dabei reduziert sich der TEWI-Wert um 27 Prozent, bei Eliminierung der konventionellen Heizung durch zusätzliche Wärmerückgewinnung sogar um 34 Prozent. Die Amortisationszeit beträgt in diesem Fallbeispiel des Marktes Super Brugsen, bezogen auf das erweiterte Investment mit Wärmerückgewinnung, nur 5 Monate. -
Literatur:
Torben Funder-Kristensen, Danfoss Refrigeration an Heat Recovery with CO2 in Food Retail stores
Peter Bjerg, Danfoss Heat recovery in CO2-Refrigeration Super Brugsen Horuphav
Dipl.-Ing. (FH) Horst Wendelborn
Kältetechnik, Senior Consultant im Bereich Electronic, Controllers & Services bei Danfoss, Offenbach
