Energieeffizienz von CO₂ in der Supermarktkältetechnik

Im weiteren Verlauf der Arbeit wurde ein energetischer Vergleich zwischen einer transkritischen CO₂-Anlage und einer Standard R 404 A-Anlage bzw. einer optimierten R 404 A-Anlage aufgestellt. Mit dem Gebrauch von Felddaten wird ersichtlich, inwieweit transkritische CO₂-Anlagen den bisher üblichen R 404 A-Anlagen überlegen sind. Zu Beginn dieses Artikels wird ein kurzer Einblick in das Lead Design Center Europa der Carrier Kältetechnik gegeben. An diesem Standort wurde die Studienarbeit, aus der dieser Artikel entstanden ist, ausgearbeitet.

Das Carrier Lead Design Center

Das Lead Design Center (LDC) in Mainz-Kostheim wurde 2007 eröffnet und ist weltweit das größte Entwicklungszentrum für gewerbliche Kältetechnik der Carrier Corporation. Es ist in drei Hauptabteilungen unterteilt: Kältesysteme, modulare Kühlregale und steckerfertige Kühlmöbel. Im Bereich Kältesysteme wurde in den letzten vier Jahren verstärkt die Entwicklung von CO₂-Kältesystemen vorangetrieben. Heute existieren auf einer Gesamtfläche von 1 250 m2 elf einzelne Testzellen für die Entwicklung von Kältesystemen. Dabei steht 1 MW an installierter elektrischer Leistung zur Verfügung, um bis zu 500 kW Kälteleistung in den verschiedenen Zellen gleichzeitig zu testen. Bild 1 zeigt einen kleinen Bereich dieses Testzentrums.

In den letzten Jahren wurden dort eine Fülle von kompletten Systemen einschließlich Verdichterverbundsätzen, Wärmerückgewinnungsmodulen, Gaskühlern und Verdampfern getestet, um integrierte Regelalgorithmen zu entwickeln. Bild 2 zeigt als Beispiel eine CO₂ OLtec-Anlage, angeschlossen an der kürzlich eingeführten CO₂ OLheat-Wärmerückgewinnungseinheit, die die Re-gelung der Wasserkreisläufe von Heizung und Warmwasser in Abstimmung mit der Kälteanlage übernimmt.

In den Testzellen können nicht nur komplette Kältesysteme, sondern auch einzelne Komponenten getestet werden. Vor der Analyse der Energieeffizienz von CO₂-Kälteanlagen wurden beispielsweise verschiedene Gaskühler getestet. Seit 2008 werden die ersten realen Testergebnisse von Gaskühlern gewonnen, die somit eine ordnungsgemäße Qualifizierung der Leistungsangaben von mitwirkenden Zulieferern nach sich ziehen.

Des Weiteren verfügt das Carrier LDC Mainz auch über einen Ventil-Teststand (Bild 3), bei dem sowohl Lebenszyklus-Tests als auch Durchflussmessungen durchgeführt werden können. Bei dieser transkritischen Anlage handelt es sich um einen ähnlich eines in Kraftwerken üblichen rechtsdrehenden Rankine-Kreislauf, in dem zwei Pumpen das CO₂ auf den notwendigen Testdruck befördern, um dann mittels eines Verdampfers die Eintrittsbedingungen der Testventile zu regulieren. Der Vorteil dieser Anlage ist eine im Vergleich zu den Kompressionskälteanlagen erhebliche Energieersparnis, da auf die energieverbrauchsintensiven Verdichter verzichtet werden kann. Aufgrund dieser umfangreichen Testmöglichkeiten können schon im Entwicklungsstadium potenzielle Fehlerquellen ausgeschlossen werden, was am Ende zu einem zuverlässigen und serienfertigen Konzept für Carriers Kunden führt.

Die eingesetzten Materialien werden im eigenen chemisch-physikalischen Labor des LDC Mainz auf ihre Verträglichkeit untereinander und auf ihr Zusammenspiel mit Öl und Kältemitteln getestet. Das Labor hat auch die Möglichkeit, Kältemittel und Ölproben auszuwerten, wodurch sich verschiedene Anlagenzustände, gerade bei Testanlagen, genau dokumentieren lassen. Das LDC Mainz umfasst mit all seinen Testzellen, Klimaräumen, Büros sowie dem Labor eine Fläche von 6 000 m.

Beschreibung des analysierten CO₂-Systems

Um zunächst einen Überblick über das analysierte CO₂-System zu erhalten, wird dies kurz beschrieben. Es handelt sich um ein CO₂-Booster-System. Hierbei gibt es eine gemeinsame Flüssigkeitsleitung für die NK- und TK-Kühlstellen. Des Weiteren gibt es für jedes Temperaturniveau eine separate Saugleitung. Die TK-Verdichter drücken das verdichtete CO₂ in die Saugleitung des NK-Verbunds. Die NK-Verdichter saugen zusätzlich den CO₂-Dampf aus dem Mitteldruckbehälter ab. Somit verdichten die NK-Verdichter das gesamte Kältemittel, welches zur Kälteleistungsbereitstellung der NK- und TK-Verbraucher benötigt wird. In der Folge wird der gesamte Kältemittelmassenstrom durch den Gaskühler geführt, wo die Wärme an die Umgebungsluft abgegeben wird. Nach dem Gaskühler strömt das CO₂ durch ein Hochdruckregelventil, das entsprechend der Gaskühleraustrittstemperatur auf einen optimalen Hochdruck regelt und das CO₂ auf Mitteldruckniveau entspannt. Durch die Entspannung bildet sich im Mitteldruckbehälter ein Zweiphasengemisch zwischen Flüssigkeit und Dampf. Dies geschieht sowohl im subkritischen als auch im transkritischen Betrieb. Vom Mitteldruckbehälter aus werden alle Kühlstellen mit flüssigem CO₂ versorgt. Ein Mitteldruck-Regelventil drosselt den im Mitteldruckbehälter entstehenden Dampf auf NK-Saugniveau, sodass dieser wie zuvor beschrieben von den NK-Verdichtern abgesaugt werden kann.

Auslegung eines Gaskühlers

Bei der Auslegung des Gaskühlers muss berücksichtigt werden, dass dieser sowohl transkritisch als auch subkritisch betrieben wird. Im Gegensatz zum Verflüssiger bei einer traditionellen HFKW-Anlage, der für maximale Außentemperaturen ausgelegt wird, muss die Leistung des Gaskühlers sowohl für das Endhitzen im transkritischen Betrieb als auch für das Verflüssigen im subkritischen Betrieb ausreichend sein.

Wird die Wärmeabgabeleistung in einem lg p, h-Diagramm betrachtet (Bild 4), so ist zu erkennen, dass im subkritischen Betrieb die Enthalpiedifferenz auf der Wärmeabgabeseite größer ist als die des transkritischen Enthitzungsvorgangs.

Wird nun die Formel ·Q = ·m Δh zugrunde gelegt und angenommen, dass sowohl im subkritischen als auch im transkritischen Betrieb der gleiche Massenstrom herrscht, so ist zu erkennen, dass die Wärmeabgabeleistung im subkritischen Betrieb größer sein kann als die des transkritischen Betriebs. Es kann jedoch nur schwer festgelegt werden, bei welcher Außentemperatur die Wärmeabgabeleistung am größten ist. Aus diesem Grund werden auch transkritische Kälteanlagen auf maximale Außentemperaturen ausgelegt. Nun galt es zu überprüfen, ob die Gaskühler ausreichend groß und gleichzeitig wirtschaftlich ausgelegt sind. Bei maximaler Außentemperatur soll die Temperatur des CO₂ am Gaskühleraustritt 2 K über der Umgebungstemperatur liegen, die Austrittstemperatur des flüssigen CO₂, bei subkritischem Betrieb, soll ebenfalls 2 K über der Umgebungstemperatur bzw. bei den in der Lüftersteuerung eingestellten Parametern liegen. Bild 5 zeigt einen Gaskühler, der mit maximaler Wärmeabgabeleistung bei maximaler Außentemperatur ausgelegt wurde. Es ist gut zu erkennen, dass der Gaskühler sowohl bei voller Lüfterleistung, das heißt ab 20 °C Umgebungstemperatur, eine Austrittstemperatur des CO₂ von 2 K über Umgebungstemperatur erreicht und gleichzeitig bei geringeren Außentemperaturen die vorgegebene Kennlinie abfährt.

Dass der Gaskühler ein solches Verhalten aufweist, ist darauf zurückzuführen, dass bei geringeren Außentemperaturen die Leistungsanforderung der Kühlstellen niedriger ist, wodurch sich ein geringerer Kältemittelmassenstrom einstellt. Aufgrund des geringeren Massenstroms verkleinert sich auch die Wärmeabgabeleistung, die über den Gaskühler abgeführt werden muss. Durch Messungen der Umgebungstemperatur und der Temperatur des CO₂ am Gaskühleraustritt konnten die Annahmen, die zuvor getroffen wurden, belegt werden. Es wurden mehrere Anlagen in der Auswertung berücksichtigt, um ein repräsentatives Ergebnis zu erzielen. Weiterhin ist es natürlich auch hier im Ermessen des Projektanten, inwieweit die Leistung des Gaskühlers größer oder kleiner als die errechnete maximale Wärmeabgabeleistung, bei maximaler Außentemperatur, gewählt wird.

Energieeffizienz von CO₂

Nachdem nun das analysierte CO₂-System beschrieben und die Problematik bei der Auslegung eines Gaskühlers behandelt wurde, ist es natürlich elementar wichtig, auf die energetischen Vorteile von CO₂ als Kältemittel in der gewerblichen Kältetechnik einzugehen. Hierbei sind als Erstes die grundsätzlichen Vorteile von CO₂ zu nennen, bevor die aus Feldmessungen resultierenden energetischen Vorteile beschrieben werden. CO₂ hat eine im Vergleich zu HFKW-Kältemitteln sehr hohe Dichte. Allein schon aufgrund dieser Tatsache können Rohrleitungen und weitere Komponenten kleiner di-mensioniert werden. Es können demzufolge kleinere Verdichter eingesetzt werden. Druckabfälle können größer ausfallen, da ab Sättigungstemperaturen von ca. 0 °C ein Druckabfall von einem Bar und mehr lediglich zu einer Sättigungstemperatursenkung von 1 K und weniger führt.

Um die Effizienz von CO₂ gegenüber R 404 A aufzuzeigen, wurde eine Grafik erstellt, in der der COP in Abhängigkeit der Außentemperatur aufgetragen ist. Da der COP nicht direkt messbar ist, wurden folgende Punkte gemessen:

• Hochdruck
• Saugdruck
• Temperatur am Saugstutzen des Verdichters

Mithilfe dieser Messungen und des indizierten Gütegrads der Verdichter konnten die notwendigen Enthalpiewerte zur Bestimmung der Kälteleistungszahl ermittelt werden. Durch Anwendung der Formel

Die Referenzwerte der R 404 A-Anlagen basieren auf rein rechnerischen Werten. Es wurde für die Standardanlage angenommen, dass die Kondensationstemperatur immer 10 K über der Umgebungstemperatur liegt und zusätzlich eine Unterkühlung von 2 K im Verflüssiger erzeugt wird. Die Verdampfungstemperatur wurde 2 K tiefer gewählt als die mittlere Verdampfungstemperatur der gemessenen CO₂-Anlage. Die 2 K resultieren aus vorhergehenden Analysen von Carrier, bei denen eine um rund 2 K höhere Verdampfungstemperatur bei CO₂-Anlagen festgestellt wurde. Dies ist durch einen höheren Wärmeübertragungskoeffizienten von CO₂ zu erklären. Aufgrund dieser Tatsache ist die Leistung des Verdampfers erhöht, wodurch die Möglichkeit besteht, CO₂-Verdampfer kleiner zu konstruieren. Dieses Einsparungspotenzial wurde jedoch nicht genutzt, wodurch eine höhere Verdampfungstemperatur ermöglicht wird. Begrenzt wurde die Kondensationstemperatur auf 13 °C, was durch die Anwendungsgrenzen der Verdichter und die Einsatzgrenzen der Expansionsventile zu erklären ist. Es ist theo­retisch möglich, bezüglich der Expansionsventile die Kondensationstemperatur bis auf ein Minimum über die Verdampfungstemperatur abzusenken, jedoch müssen dann ex­trem große Expansionsventile eingesetzt werden, was zu Problemen bei höheren treibenden Druckdifferenzen führen kann. Bei einer höheren treibenden Druckdifferenz könnte das Ventil dann viel zu groß sein.

Die optimierte R 404A-Anlage basiert ebenfalls auf einer Kondensationstempera-tur, die generell 10 K über der Umgebungstemperatur liegt und ist auch auf eine Verflüssigungstemperatur von 13 °C be­grenzt. Die Verdampfungstemperatur ist ver­gleich-bar mit der Verdampfungstemperatur der Standard R 404 A-Anlage. Lediglich die Flüssigkeitstemperatur wird durch einen zusätzlichen luftgekühlten Unterkühler bis auf 2 K über die Umgebungstemperatur abgekühlt.

Mit den Messwerten von den untersuchten CO₂-Anlagen und den berechneten Werten der zwei R 404 A-Systeme wurde nun eine Gegenüberstellung der COP bezogen auf die Außentemperatur durchgeführt (Bild 7). Die schwarze durchgezogene Kennlinie zeigt den maximal möglichen COP einer CO₂-Anlage bei idealen Bedingungen. Die schwarz gestrichelte Kennlinie steht für den angestrebten COP von installierten CO₂₂-Anlagen, die sich aus den Messungen ergaben. Es ist gut zu erkennen, dass die realen CO₂-Anlagen sehr gut arbeiten. Aufgrund dieser Ergebnisse wird auch nochmals die wirtschaftliche und effiziente Auslegung der Gaskühler belegt. Des Weiteren basieren die guten Messwerte auf effizient eingestellten Kälteanlagen. Die roten Kennlinien stehen für die COP der verglichenen R 404 A-Anlagen, wobei die durchgezogene Linie für die Standardanlage und die gestrichelte Linie die optimierte Version darstellen. Es ist sehr gut zu erkennen, dass der COP von R 404 A-Systemen bis zu einer Außentemperatur von rund 22 °C immer unterhalb des COP der CO₂-Systeme liegt.

Im Zuge dieser Betrachtung wurde auch analysiert, ab welchen Außentemperaturen ein Wechsel vom subkritischen in den transkritischen Betrieb erfolgt. Hier wurden zuerst Berechnungen mit Simulationsprogrammen durchgeführt, bei denen bei voller Wärmeabgabeleistung ein erster Wechsel vom subkritischen in den transkritischen Betrieb bei 24 °C erfolgte. Durch die Feldmessungen konnte der berechnete Wert von 24 °C für den Wechsel vom subkritischen in transkritischen Betrieb bei Volllast bestätigt werden. Es hat sich sogar gezeigt, dass im Teillastfall ein subkritischer Betrieb bis zu Außentemperaturen von 27 °C möglich ist. Theoretisch könnte ein subkritischer Betrieb bis zu einer Außentemperatur, die gleich der kritischen Temperatur von CO₂ (tKR = 31 °C) ist, aufrechterhalten werden. Hierfür würde jedoch ein unendlich großer Gaskühler erforderlich, was jedoch nicht wirtschaftlich ist, da die Investitionskosten hierfür zu hoch sind. Der Temperaturbereich von 24 bis 27 °C, bei dem der Wechsel vom subkritischen in den transkritischen Betrieb erfolgt, erfordert einen effektiv arbeitenden und wirtschaftlich ausgelegten Gaskühler. Aus dieser Betrachtung heraus wurde auch der Einfluss der Betriebsarten subkritisch und transkritisch bezogen auf den COP analysiert. Es wurde untersucht, inwiefern eine sprungartige Verschlechterung des COP beim Wechsel vom subkritischen in den transkritischen Betrieb auftritt. Bild 7 zeigt, dass es keinen Zusammenhang zwischen den Betriebsvarianten und dem COP gibt. Die blauen Punkte in Bild 7 sind die subkritischen Messwerte, die grünen die transkritischen. Es ist vielmehr ein stetig abnehmender Verlauf des COP mit steigender Außentemperatur zu erkennen. Einen ähnlichen Verlauf zeigen auch verglichene R 404 A-Anlagen.

In einer weiteren Analyse wurde das Energieeinsparungspotenzial der CO₂OLtecAnlage gegenüber den beiden R 404 AAnlagentypen betrachtet. Bild 8 zeigt, dass bei Umgebungstemperaturen von 10 °C und darunter ein energetischer Vorteil von 20 Prozent (Standard R 404 A-Anlage) bzw. annährend 15 Prozent (optimierte R 404 A-Anlage) erzielt werden kann. Der allgemeine energetische Vorteil von CO₂ gegenüber R 404 A besteht bis zu Außentemperaturen von 20 bis 24 °C. Im Hintergrund des Diagramms (Bild 8) ist die Temperaturhäufigkeit der Region Frankfurt am Main hinterlegt. Es ist zu erkennen, dass der größte Teil der Jahresstunden (80 Prozent) bei Temperaturen unterhalb von 20 °C liegt.

Bei Außentemperaturen von mehr als 24 °C sind die R 404 A-Anlagen zwar energetisch überlegen, jedoch bezogen auf die Jahresstunden ergibt sich für CO₂OLtec-Kältesysteme eine Energieeinsparung von rund 14 Prozent gegenüber einer Standard R404A-Anlage.

Fazit

CO₂ als Kältemittel in der Gewerbekältetechnik kann als energetisch sehr gut eingestuft werden. Nicht nur theoretische Berechnungen zeigen, dass ein energetischer Vorteil mit einer CO₂-Kälteanlage zu erzielen ist. Praktische Messungen von Anlagen, die im Feld in­stalliert sind, spiegeln die berechneten energetischen Vorteile wider. Es ist natürlich von wesentlicher Bedeutung, bei der Auslegung die richtigen Komponenten zu wählen, sowie auch bei der späteren Installation und dem Betrieb die richtigen Einstellwerte zu erarbeiten. Sofern diese Faktoren eingehalten werden, steht einem energetisch effektiven Betrieb einer CO₂-Anlage nichts im Wege. Gerade in Deutschland arbeiten CO₂-Anlagen rund 80 Prozent des Jahres energetisch besser als vergleichbare R 404 A-Anlagen.

Bezogen auf ein ganzes Jahr ergibt sich in Deutschland ein energetischer Vorteil einer CO₂-Anlage von rund 14 Prozent im Vergleich zu einer R 404 A-Anlage. Des Weiteren ergab sich, entgegen der weitverbreiteten Annahme, keine sprunghafte Verschlechterung des COP beim Wechsel vom subkritischen zum transkritischen Betrieb. Vielmehr zeigte sich eine gleitende Abnahme des COP mit steigenden Außentemperaturen, ähnlich dem Verlauf des COP bei HFKW-Anlagen. Der Wechsel vom subkritischen in den transkritischen Betrieb erfolgt bei wirtschaftlich gut ausgelegten Gaskühlern in einem Temperaturbereich von 24 bis 27 °C. -

Staatlich geprüfter Kälte-Klimasystemtechniker und ESaK Diplomand, Carrier Kältetechnik Deutschland GmbH, Mainz-Kostheim

Manager Refrigeration Systems and Controls, Carrier Kältetechnik Deutschland GmbH, Mainz-Kostheim

Akademieleiter Europäische Studienakademie KälteKlima-Lüftung (ESaK), Maintal