Quantum et Spectrum

Kältetechnik-Anbieter haben auf die steigende Nachfrage bereits reagiert und stellen maßgeschneiderte Kältesysteme mit Wärmerückgewinnung bereit. So bietet beispielsweise die Cofely Refrigeration GmbH aus Lindau ihren Kunden mit den Kältemaschinen Quantum und Spectrum zwei Lösungen für eine effiziente Kälteerzeugung bei gleichzeitiger Wärmerückgewinnung.

Trotz der Debatte um F-Gase und Kälte­mittel ist die Effizienz nach wie vor das wichtigste Thema der Kältetechnik. Da Kälteanlagen mit elektrischem Strom angetrieben werden, sinken bei einer gesteigerten Effizienz sowohl der Strombedarf der Maschinen als auch die damit verbundenen indirekten CO₂-Emissionen, die laut zahlreichen Veröffentlichungen mittlerweile einen deutlich höheren Anteil am Treibhauseffekt haben als direkte Kältemittel-Emissionen [DKV aktuell, 022013: Status zum Vorschlag für eine Verordnung des Europäischen Parlaments und des Rates über fluorierte Treib­hausgase]. Die Effizienz einer Kältemaschine hängt dabei in erster Linie von der Leistungszahl (EER) ab. Mit einer intelligenten Wärmerückgewinnung (WRG) lässt sich zudem eine weitere deutliche Effizienzsteigerung erzielen. Wenn nicht nur die Kälteleistung, sondern auch die Wärmeleistung genutzt wird, kann sich die Leistungszahl im Gesamtsystem sogar verdoppeln.

Was bedeutet Wärmerückgewinnung bei einer Kältemaschine?

Die Aufgabe einer Kältemaschine ist die Bereitstellung einer bestimmten Kälteleistung bei einer vorgegebenen Kälteträgertemperatur. Beide Anforderungen lassen sich bei modernen Kältemaschinen durch die Drehzahlregelung des Verdichters an den jeweils aktuellen Bedarf anpassen. Da aber stets ein festes Verhältnis zwischen Kälteleistung und abzuführender Verflüssigungswärme besteht, schwankt die gewinnbare Wärmeleistung in einem konstanten Verhältnis zur Kälteanforderung. Zudem ist das Temperaturniveau der Verflüssigungswärme ein entscheidendes Kriterium bei der Wärmerückgewinnung. Erst ab einer Wärmeträgertemperatur von ca. 40 °C und höher kann die Verflüssigungswärme nutzbringend verwendet werden. Jedoch sind alle Kältemaschinen hinsichtlich der maximalen Verflüssigungstemperatur limitiert. Denn mit steigender Verflüssigungstemperatur steigt auch der Verflüssigungsdruck, bis die Leistungsgrenze des Kältemittelverdichters erreicht wird. Die maximalen Verflüssigungstemperaturen liegen (bei gleichzeitigem Kältemaschinenbetrieb mit Kaltwassertemperaturen von 6 °C) bei ca. 65 °C. Unter Abzug der Temperaturverluste bei der Wärmeübertragung sind je nach Kältemaschine und Verdichtertyp Wärmeträgertemperaturen von bis zu 60 °C möglich.

Wie erfolgt die Wärmerückgewinnung?

Abhängig von den Anforderungen im Kältemaschinenbetrieb muss stets eine bestimmte Verflüssigungswärmeleistung abgegeben werden. Die verfügbare Verflüssigungswärmeleistung kann sich jedoch komplett vom Lastprofil eines Wärmeverbrauchers unterscheiden. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, die Wärmerückgewinnung zur Deckung einer Grundwärmelast und einen zusätzlichen Wärmeerzeuger zur Spitzenlast­deckung zu verwenden. Anstelle eines weiteren Wärmeerzeugers können jedoch auch Wärmespeicher eingesetzt werden. Bei dieser Betriebsweise werden bis zu 100 Prozent der Verflüssigungswärme genutzt. Da sowohl die Kälteleistung als auch die Wärme­leistung als Nutzleistung dienen, sind dabei höchste Leistungszahlen möglich. Ein idealer Anwendungsfall ist die zentrale Medienversorgung für Kälte und Wärme, wie sie beispielsweise in Produktionsbetrieben, Forschungseinrichtungen oder bei der Fernwärme- und Fernkälteversorgung üblich ist. Bei der Wärmerückgewinnung kann jedoch auch nur ein Teil der Verflüssigungswärme genutzt werden. Die nicht benötigte Wärme muss dann allerdings trotzdem abgeführt werden, z. B. mit einem Rückkühlwerk oder einem Kühlturm. Je weniger Wärme dabei genutzt wird, desto weiter sinkt die Leistungszahl. Doch die Leistungszahl kann sogar noch geringer sein als im reinen Kältebetrieb. Denn meist erfordert die Wärmerückgewinnung eine erhöhte Verflüssigungstemperatur und damit eine höhere Antriebsleistung. Dies führt dazu, dass die Kältemaschine trotz Wärmerückgewinnung ineffizient arbeitet. Bei der Auslegung sollte deshalb auch der Vergleich zum reinen Kältemaschinenbetrieb angestellt werden. Als Richtwert eignet sich dabei die Leistungszahl, also das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand. Bei Wärmerückgewinnung steigt aufgrund der höheren Verflüssigungstemperaturen neben dem Nutzen (Kälteleistung + Wärmeleistung) meist auch der Aufwand (Verdichterleistung) (Bild 1).

Hocheffiziente Kälteerzeugung mit Quantum und Spectrum

Mit den Kältemaschinen Quantum (Bild 2) und Spectrum (Bild 3) bietet die Cofely Refrigeration hocheffiziente Lösungen für die Kälteerzeugung bei gleichzeitiger Wärmerückgewinnung an. Die beiden Baureihen decken eine Kälteleistung zwischen 200 kW und 1000 kW ab. Die Kältemaschine Quantum stellt bei 6 °C Kaltwasser Wärmeträgertemperaturen von ca. 50 °C bereit. Die Kältemaschine Spectrum eignet sich unter anderem zum Einsatz für Soleanwendungen und ermöglicht gleichzeitig Wärmeträgertemperaturen von 60 °C. Mit dem im Quantum optional und im Spectrum standardmäßig integriertem Economizer lassen sich die Effizienz und die Kälteleistung (insbesondere bei hohen Unterschieden zwischen Kälteträger- und Wärmeträgertemperaturen) weiter steigern. Der Quantum ist zudem mit einem magnetgelagerten Turboverdichter und der Spectrum mit Schraubenverdichter ausgestattet. Bei beiden Maschinen sind die Verdichter drehzahlgeregelt. Eine weitere Besonderheit: Zur Wärmerückgewinnung ist für beide Kältemaschinen ein Econdenser verfügbar. Der zusätzliche Verflüssiger vereinfacht die Auskopplung und Regelung der Nutzwärmeleistung, die in einem vom Kühlwasser getrennten hydraulischen Kreislauf dem Wärmeverbraucher zugeführt wird. Verflüssiger und Econdenser sind dabei so ausgelegt, dass sowohl im Verflüssiger als auch im Econdenser die gesamte Verflüssigungswärme abgeführt werden kann. Dadurch hat der Betreiber die Möglichkeit, bei Bedarf die Verflüssigungswärme zu Heizzwecken auszukoppeln oder über den Kühlturm an die Umgebung abzugeben. Mit einer angepassten Maschinenregelung lässt sich die Wärmerückgewinnung bei höchsten Leistungszahlen intelligent steuern. Auf diese Weise ist sowohl die Erzeugung von Kälteleistung als auch von Nutzwärmeleistung effektiv und effizient, wobei durch die stets hohen Leistungs­zahlen Energiekosten gespart und CO₂-Emissionen vermindert werden. -

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Projektleiter Entwicklung, Cofely Refrigeration GmbH,Lindau