Bei gewerblichen Kälteanlagen hat eine gut konstruierte und ausgeführte Wärmerückgewinnung (WRG) das Potenzial, die Betriebskosten in erheblichem Maß zu senken. Das ist soweit bekannt. Recht unbekannt hingegen ist die Temperatur, die sich wirtschaftlich und technisch sinnvoll, maximal erzielen lässt. Im folgenden Beitrag wird dem Kälteanlagenbauer ein Werkzeug an die Hand gegeben, mit dem er für jede individuelle Anlage und Fall die maximale sinnvolle Temperatur festlegen kann. Robert Baust, Oberbiberg
Mit den Beiträgen aus den KK-Ausgaben 7/2012 und 3/2014 wurde über die positiven Erfahrungen mit WRG-Anlagen zur Senkung von Betriebskosten bereits berichtet. Unbehandelt blieb bisher die Frage, wie hoch ist die wirtschaftlich und technisch maximale sinnvolle Temperatur, die man mit der WRG erzielen kann.
Zunächst muss definiert werden, was die „wirtschaftlich maximale sinnvolle Temperatur“ (WMST) überhaupt ist. Mit jedem Grad höherer Verflüssigungstemperatur verliert die Kälteanlage an Effizienz und erhöht die Betriebskosten. Auf der anderen Seite bekommt man die Wärme auf einem immer höheren Temperaturniveau „umsonst“ dazu. Ab einer bestimmten Temperatur – und genau diese Temperatur gilt es zu finden – ist es aber günstiger, das Kältemittel beispielsweise mit Außenluft bei möglichst niedriger Temperatur zu verflüssigen. Die benötigte Wärme muss dann extern (z. B. mit Gas oder Öl) erzeugt werden.
Damit die WRG möglichst wirtschaftlich betrieben wird, ist es wichtig, diese Temperatur zu kennen. Im Sommerfall steht Verflüssigungswärme meistens im Überfluss zur Verfügung und wird hauptsächlich zur Trinkwassererwärmung genutzt. Wenn mit der WRG die Solltemperatur erreicht wird, kann die externe Heizung komplett abgestellt werden. In diesem Fall spart man nicht nur das Nachheizen auf Solltemperatur, sondern auch die nicht unerheblichen Standverluste des Gas- oder Ölkessels. Im Winterfall kann die WRG zusätzlich zur Unterstützung der Heizung genutzt werden. Je nach maximal sinnvoller Temperatur und Kenntnis darüber, kann in diesem Fall die Nutzbarkeit der WRG zwischen 0 und 100 Prozent liegen. Häufig hört man: WRG über 45 °C ist nicht sinnvoll. Wird von der Heizung eine Vorlauftemperatur von 50 °C gefordert, könnte man die WRG nicht nutzen. Stellt sich aber heraus, dass eine WRG Temperatur von 50 °C durchaus sinnvoll ist, könnte die erzeugte Verflüssigungswärme zu 100 Prozent genutzt werden.
Die Energiemenge, die zurückgewonnen werden kann, wird leicht unterschätzt. Zur groben Abschätzung der zurückgewinnbaren Energiemenge dient folgendes Beispiel: Eine Kälteanlage mit 10 kW Nennleistung für Normalkühlung (t0 = 10 °C) läuft im Jahresmittel 12 Stunden pro Tag und ein mittlerer COP von 2 wird angenommen. Daraus ergibt sich eine Verflüssigungsleistung von 15 kW mit 12 Stunden Laufzeit pro Tag und 365 Tage pro Jahr kommt man auf eine Energiemenge von 65 700 kWh oder rund 6 500 l Öl pro Jahr.
Konstruktionsregeln beachten
Zwei Konstruktionsregeln müssen auf jeden Fall beachtet werden. Ist wie üblich ein luftgekühlter Außenverflüssiger vorhanden, muss dieser bei WRG-Betrieb im Bypass umfahren werden. Kältemittel kondensiert immer an der kältesten Stelle. Das zu erwärmende Wasser wird meistens wärmer sein als die Außentemperatur und das Kältemittel würde sonst (mindestens zum Teil) im Außenverflüssiger kondensieren. Wird warmes Kältemittel durch den Verflüssiger geführt, hat dieser auch mit abgeschalteten Ventilatoren (allein durch die Thermik) eine hohe Wärmeabgabe.
Auch darf die Verflüssigungstemperatur durch Anstauen von Kältemittel oder Drosseln des Wasserdurchsatzes nicht erhöht werden. Es muss immer so tief wie möglich verflüssigt werden. Die untere Grenze findet man im Anwendungsdiagramm des Verdichters (Bild 1) oder wenn der Verflüssigungsdruck so gering ist, dass nicht mehr genügend Kältemittel durchs Expansionsventil strömt und die Überhitzung zu groß wird. Eventuell muss auch die steigende Kälteleistung des Verdichters beachtet werden. Die maximale Verflüssigungstemperatur findet man ebenfalls im Anwendungsdiagramm des Verdichters.
Zwischen minimaler und maximaler Verflüssigungstemperatur ergeben sich bezüglich der Kälteleistung und des COP enorme Unterschiede. In der Tabelle 1 wird dieser Umstand an einem praktischen Beispiel mit einem Verdichter der Marke Bitzer Type 4DES-7Y bei der Anwendung Normalkühlung mit der Verdampfungstemperatur 10 °C und dem Kältemittel R 134 a deutlich aufgezeigt.
Vor diesem Hintergrund soll jetzt rechnerisch ermittelt werden, bis zu welcher Verflüssigungstemperatur es sinnvoll ist, die Wärme zu nutzen oder besser extern zu erzeugen. Vorausgesetzt sei, dass 1 kWh Kälte erzeugt werden soll und Wärmebedarf für die erzeugte Wärme vorhanden ist.
1 kWh Kälte kostet 1 kWh/COP elektrische Energie.
Dabei fällt 1 kWh + 1 kWh/COP an Wärme an. Um die anfallenden Kosten zu ermitteln, muss der Preis für die elektrische Energie (Strompreis = SP) und Wärmeenergie (WP) pro kWh eingesetzt werden.
1 kWh Kälte kostet SP/COP und erzeugt für WP x (1 + 1/COP) Wärmeenergie.
Kostengleichheit herrscht, wenn die Anlage mit WRG bei zu bestimmender hoher Temperatur mit dem COPWMST läuft und in luftgekühltem Fall mit minimaler Verflüssigungstemperatur bei COPTmin, dabei muss die von der WRG produzierte Wärme noch dazugerechnet werden.
SP/COPWMST = SP/COPTmin + WP x (1 + 1/COPTmin)
Die aufgestellte Gleichung wird nach
COPWMST umgestellt.
COPWMST = COPTmin × (SP WP)/(SP + WP × COPTmin)
Man erhält eine Gleichung, indem man den Strompreis, Wärmepreis und den COP bei der minimal möglichen Verflüssigungstemperatur einsetzten muss, und erhält als Lösung die maximale sinnvolle Verflüssigungstemperatur.
Der Verdichter kann zwar bei nur 14 °C verflüssigen, dieser Wert lässt sich aber nur mit elektronischen Expansionsventilen erreichen. Mit den in der Praxis häufig eingesetzten thermostatischen Expansionsventilen wird eine niedrigste Verflüssigungstemperatur von 28 °C angenommen.
Gemäß Bitzer-Auslegungssoftware ergibt sich für den gewählten Verdichter mit R 134 a bei 10/28 °C ein COPTmin von 3,6.
Setzt man die Energiekosten für Strom mit 0,2 Euro/kWh und für Wärme mit 0,07 Euro/kWh (das entspricht ungefähr 0,7 Euro pro Liter Heizöl) an, erhält man einen COPWMST von 1,03. Mit diesem Ergebnis kann man jetzt die entsprechende Verflüssigungstemperatur ermitteln und kommt auf einen Wert von 73 °C (Bild 2). Bei gut ausgelegten Wärmeübertragern ist die Verflüssigungstemperatur ungefähr die Wasseraustrittstemperatur. Zur Verdeutlichung soll das Ergebnis gegengerechnet werden.
Mit WRG kostet 1 kWh Kälte 1 kWh/1,03 x 0,2 Euro/kWh = 0,19 Euro
Im Fall ohne WRG kostet 1 kWh Kälte 1 kWh/3,6 x 0,2 Euro/kWh = 0,055 Euro
Die von der WRG produzierte Wärme 1 kWh + 1 kWh/1,03 = 1,97 kWh muss mit dem Wärmepreis dazugerechnet werden 1,97 kWh x 0,07 Euro/kWh = 0,138 Euro.
In der Summe kostet in beiden Fällen 1 kWh Kälte und 1,97 kWh Wärme 0,19 Euro (= 0,055 Euro + 0,138 Euro).
Beachtet werden muss die erhebliche Reduzierung der Kälteleistung. Wird die WRG für Trinkwassererwärmung eingesetzt, gleichmäßiger Wärmebedarf übers Jahr, wird man die Kälteleistung bei großem Wärmebedarf entsprechend anpassen müssen. Bei Heizungsanwendung kann im Winter von einem verminderten Kältebedarf ausgegangen werden. Die Verdichter sind für den Dauereinsatz innerhalb des Einsatzdiagramms geeignet. Bei tiefen Verdampfungstemperaturen und hohen Verflüssigungstemperaturen muss ggf. die Druckgastemperatur beachtet werden.
Fazit
Wärmerückgewinnung aus gewerblichen Kälteanlagen wird häufig unterschätzt. Die zurückgewinnbare Energiemenge und die erzielbaren Temperaturen übertreffen meistens die Erwartungen. Mit der gegebenen Formel kann die WRG für jede individuelle Kälteanlage optimal betrieben und ausgenutzt werden.
Dipl.-Ing. Robert Baust,
Beratung und Planung von effektiven kältetechnischen Anlagen, Ingenieurbüro Baust, Oberbiberg
