Kompaktschraubenverdichter herkömmlicher Bauart lassen sich grundsätzlich auch mit externem Frequenzumrichter (FU) zur Leistungsanpassung betreiben. Die Schiebersteuerung wird dabei nur zur Anlaufentlastung verwendet. Während des normalen Betriebes werden die Verdichter in der Volllaststellung mittels FU geregelt. Der Regelbereich ist dabei von einigen Randbedingungen abhängig, die im Folgenden kurz aufgelistet werden. Die gleichen Beschränkungen gelten auch für Kompaktschraubenverdichter mit integriertem FU.
Motorauslegung
Die Motorauslegung auf dem Markt verfügbarer Kompaktschraubenverdichter ist üblicherweise für 400 V/3/50 Hz oder 460 V/3/60 Hz ausgeführt. Sonderspannungen sind für viele andere Netze ebenfalls erhältlich. In Mitteleuropa wird normalerweise die Netzspannung 400 V/3/50 Hz angeboten. Aus diesen Parametern lässt sich nun die richtige Motorspannungs- und Frequenzumrichterauswahl treffen.
Aufgrund der Investitionskosten für den FU versucht man die Drehzahl der Verdichter möglichst hoch zu fahren, um so ein besseres Verhältnis Preis/kW Kälteleistung zu erzielen. Verwendet man einen 400 V/3/50 Hz Teilwicklungsmotor, liegt oberhalb 50 Hz Ausgangsfrequenz am FU Unterspannung am Motor an, da die Ausgangsspannung des FU im Allgemeinen nicht über der Eingangsspannung liegen kann. Hat der Motor genügend Leistungsreserve kann er bis 60 Hz (20 % Unterspannung) betrieben werden.
In der Klimaanwendung ist es allerdings eher unüblich, dass die Motoren am maximalen Betriebspunkt so viel Reserve aufweisen. Daher werden Verdichter mit Sondermotoren (wie zum Beispiel 230 V/3/50 Hz) erforderlich. Diese könnten bis 87 Hz ohne Unterspannung am 400 V/3/50 Hz Netz betrieben werden. Nachteil bei dieser Auswahl ist, dass der Verdichter mit standardmäßigem Teilwicklungsmotor nicht direkt am Netz betrieben werden kann und dass der Betriebsstrom und damit die FU-Größe aufgrund der niedrigeren Motorspannung bei gleicher Leistungsaufnahme um den Faktor √3 steigt. Zudem kann das Kälteleistungspotenzial bis 87 Hz, wie die nachfolgenden Punkte zeigen, nicht voll ausgeschöpft werden.
Druckverluste
Herkömmliche Kompaktschraubenverdichter sind für den Frequenzbereich 50 Hz bis 60 Hz ausgelegt. Die internen Strömungsquerschnitte und Absperrventilgeometrien sind auf die Volumenströme in diesem Bereich optimiert. Erhöht man jetzt die Drehzahl auf 70 Hz oder 80 Hz, steigt der geförderte Volumenstrom um 4060 % (bezogen auf 50 Hz). Der Volumenstrom geht quadratisch in die Druckverlustberechnung ein und ist damit ein bestimmender Faktor. Ein effizienter Einsatz bei Drehzahlen oberhalb 60 Hz ist also nicht nur durch die Umrichterverluste, sondern auch durch die steigenden Druckverluste nicht möglich.
Ölabscheiderwirkungsgrad
Ähnlich wie bei den Druckverlusten ist auch der Ölabscheiderwirkungsgrad abhängig vom Volumenstrom. Oberhalb eines bestimmten Wertes, der normalerweise außerhalb der 5060 Hz Einsatzgrenze liegt, nimmt der Abscheidegrad überproportional ab. Die Ölabscheiderrate sinkt bei 70 oder 80 Hz drastisch auf Werte unter 97 %. Dies führt dann zu erhöhter Konzentration von Öl im System und kann auch zu Ölverlagerungen bei stark wechselndem Leistungsbedarf führen. Ein nachgeschalteter Sekundärölabscheider könnte hier Abhilfe schaffen, erhöht allerdings die Investitionskosten erneut.
Drehzahlbereich
Der Drehzahlbereich ist also durch mehrere Größen bestimmt. Üblicherweise kann ein effizienter Einsatz von Kompaktschraubenverdichtern mit integriertem oder externem FU nach heutiger Bauart nur im Bereich von 20 (25 Hz) bis 60 Hz erfolgen. Über dieser Grenze werden Druckverluste und Ölauswurf zu groß. Unterhalb ca. 20 Hz werden die internen Leckagen im Profil und die Umrichter-/Motorverluste zu groß.
Die Verluste durch den FU sind in den meisten Verdichterdokumentationen bisher gar nicht berücksichtigt. Beim Einsatz von externen FUs ist dies auch nicht möglich, da die Zuordnung von Verdichter und FU normalerweise nicht vom Verdichterhersteller erfolgt und die Auswahl einen erheblichen Einfluss auf die Motorleistung haben kann. Selbst bei Anbietern von Verdichtern mit integriertem FU werden die Umrichterverluste nicht dokumentiert, was zu unrealistischen Effizienzwerten in der Dokumentation führt.
Einsatzgrenze
Die oben beschriebenen Möglichkeiten zur Erweiterung der Einsatzgrenze im Teillastfall sind bei den konventionellen Kompaktschraubenverdichtern mit FU so nicht ohne Weiteres umzusetzen. Der Verdichter wird bei der Leistungsregelung mit FU immer in der Schieberstellung Volllast betrieben. So erschließen sich die Effizienzsteigerungen durch Absenken der Verflüssigungstemperatur bei Teillast für Kompaktschraubenverdichter mit FU-Betrieb nicht in vollem Umfang. Dies führt zu geringeren ESEER 1)- oder IPLV 2)-Werten wie Bild 7 im Vergleich der einzelnen Laststufen für einen wassergekühlten Verflüssigungssatz nach Eurovent verdeutlicht.
In der Laststufe 100 % hat eine CSH mit FU Umrichter- und Druckverluste, die den EER schlechter ausfallen lassen. In der 75 % Laststufe sind die Effizienzen der Verdichter mit FU bzw. mit Schieberregelung sehr ähnlich und bei 50 % und 25 % fallen normale Kompaktschraubenverdichter mit konventioneller Schieberregelung deutlich ab. Der CSW-Verdichter ist in allen Laststufen deutlich besser als die CSH mit FU und dies resultiert in einem um 1015 % besseren ESEER als bei CSH-Schraubenverdichtern mit FU.
Herkömmliche Kompaktschrauben mit internem oder externem FU können also im Vergleich zur bisherigen CSH-Serie mit Schieberregelung einen besseren ESEER erreichen, an die Leistungscharakteristik der neuen CSW reichen sie jedoch nicht heran.
Schallleistung
Die heutigen Antriebseinheiten aus Motor und Rotoren sind für einen Drehzahlbereich von 50 Hz bis 60 Hz ausgelegt. Innerhalb eines erweiterten Drehzahlbereichs kann es zu Resonanzen und Schwingungen kommen. Die betreffenden Frequenzen werden dann üblicherweise aus dem Frequenzbereich ausgeblendet. Wird der Verdichter allerdings oberhalb 60 Hz betrieben, steigt die Schallemission überproportional, so dass besondere Maßnahmen zur Schalldämmung erforderlich werden.
Alles in allem sind die heute verfügbaren Kompaktschraubenverdichter mit integriertem oder externem Frequenzumrichter ein Kompromiss aus der Situation heraus, dass bei herkömmlichen Kompaktschraubenverdichtern bisher keine effiziente Schieberregelung zur Verfügung stand. Die SEER-Werte (Seasonal Energy Efficiency Ratio) von Flüssigkeitskühlsätzen mit Schraubenverdichtern konnten mittels FU gesteigert werden. Die Investitionskosten für einen FU sind allerdings nicht unerheblich, so dass eine Amortisation schon gegenüber üblichen Schraubenverdichtersystemen schwierig ist. Der FU ist häufig genauso teuer wie der Verdichter. Vergleicht man nun die verfügbaren FU-Lösungen mit den neuen CSW-Systemen, ergibt sich keine Amortisation der zusätzlichen Investitionskosten.
Für besondere Projekte, in denen die Temperaturgüte von sehr großer Bedeutung ist oder auf einen sehr geringen Anlaufstrom geachtet werden muss, können Kompaktschraubenverdichter mit FU einen sinnvollen Einsatz finden. Hier bietet allerdings die Lösung eines halbhermetischen Schraubenverdichters mit FU und externem Ölabscheider im Regelbereich von 2090 Hz die deutlich wirtschaftlichere, effizientere und flexiblere Lösung [2].
Zertifizierungsprogramme und internationale Normung
Für die Auslegung und Dokumentation von Flüssigkeitskühlsätzen und Wärmepumpen existieren rund um die Welt verschiedene Normen und Anforderungen. In den letzten Jahren wurden basierend auf diesen Normen unterschiedliche Zertifizierungsprogramme entwickelt, die zu einer besseren Transparenz und Vergleichbarkeit der Herstellerangaben beitragen sollen. Als wesentliche Normen und Zertifizierungsprogramme für Flüssigkeitskühlsätze haben sich die Eurovent-Zertifizierung, ARI 550/590, ASHRAE 90.1 [5] (beide USA) und GB19577-2004 in China etabliert. Daneben gibt es noch weitere nationale Zertifizierungsprogramme, die sich häufig an die erstgenannten anlehnen (z.B. in Indien das ECBC [Energy Conservation Building Code]).
Zertifizierungsprogramme und Normen für Wärmepumpen befinden sich gerade in der Entwicklung.
Die Normen und Zertifizierungen definierten anfangs nur Betriebspunkte und Klasseneinteilungen für den Volllastbetrieb. Da die Anlagen nur einen geringen Anteil der Betriebsstunden in Volllast betrieben werden, sind Effizienzvergleiche auf Basis dieser Bedingungen nur bedingt aussagekräftig. Daher wurden mittlerweile auch Teillastbedingungen in die Leistungsbeurteilung und Zertifizierung aufgenommen. Dabei werden in den entsprechenden Programmen die Laststufen abhängig von der Umgebungstemperatur zugeordnet und gewichtet.
Bild 8 zeigt die Häufigkeitsverteilung der Teillastwerte in Abhängigkeit zur Umgebungstemperatur für die ESEER- (European Seasonal Energy Efficiency Ratio nach Eurovent) und IPLV- (Integrated Part Load Value nach ARI 550/590) Berechnung.
Diese Einteilung ermöglicht eine verbesserte Bewertung von Flüssigkeitskühlsätzen in Komfortklimaanlagen. Die als lineare Funktion definierte Zuordnung von Laststufen und Umgebungstemperatur kann dabei nur als grober Durchschnitt gesehen werden, in der besonders der Teillastbetrieb bei normalen und hohen Umgebungstemperaturen völlig unberücksichtigt bleibt.
Basis für die Gewichtung der SEER-Werte ist eine statistische Auswertung der Betriebszeiten von Flüssigkeitskühlsätzen in Europa (für ESEER) und USA (für IPLV). Sie bezieht sich jeweils auf Durchschnittstemperaturen in den beiden Klimazonen. Beiden Berechnungsverfahren liegt eine zeitliche Verteilung der jeweiligen Laststufen zugrunde siehe Bild 9 am Beispiel ESEER.
Bei dieser Bewertung ist jedoch zu beachten, dass eigentlich nicht die Verdichter-Leistungszahl (COP) für die Energieeffizienz eines Systems maßgebend ist, sondern die tatsächliche Leistungsaufnahme über dem definierten Lastprofil. Die Leistungsaufnahme bei Volllast ist mehr als viermal so hoch wie in der 25 %-Leistungsstufe und müsste bei der gegebenen zeitlichen Verteilung eigentlich stärker im SEER gewichtet werden.
So kann es zu Verschiebungen in der tatsächlichen Energieeffizienz kommen, wie Bild 10 anhand zweier Systeme (A und B) mit identischer Kälteleistung in allen Betriebspunkten exemplarisch zeigt.
System A verfügt über einen besonders guten Teillastwirkungsgrad bei niedrigen Laststufen und System B über eine deutlich bessere Volllasteffizienz. Die über den Laststufen zeitlich gewichtete Leistungsaufnahme ist in beiden Fällen identisch, der ESEER ist für das System A jedoch um über 5 % besser gegenüber System B. Die Referenzbedingungen und Gewichtungen beziehen sich in diesem Beispiel auf die ESEER-Berechnung nach Eurovent für wassergekühlte Systeme.
Liegen die Betriebsbedingungen für die Teillaststufen weiter auseinander (luftgekühlte Systeme), so können sich noch wesentlich größere Unterschiede ergeben. Als Schlussfolgerung lässt sich daraus ableiten, dass ein hoher ESEER-/IPLV-Wert nicht zwangsläufig auf den geringsten Energiebedarf schließen lässt. Das tatsächliche Temperatur- und Lastverhalten lässt sich ebenfalls nur unzureichend mit Referenzbedingungen abbilden, da sich die Anwendungsbedingungen und Außentemperaturen an den Aufstellungsorten deutlich voneinander unterscheiden können.
Diese starr definierten Vorgaben sind beim Vergleich von Flüssigkeitskühlsätzen mit gleicher Verdichtertechnologie von eher geringem Einfluss. Bei unterschiedlichen Verdichtertechnologien ergeben sich jedoch je nach Betriebscharakteristik Verschiebungen in der tatsächlichen Effizienz. Ein System mit mehreren Flüssigkeitskühlsätzen in einer Anwendung kann mit den oben genannten Methoden ebenfalls nicht bewertet werden.
Trotzdem sind Bewertungen, die das Teillastverhalten mit einbeziehen, immer besser als ein reiner Volllastvergleich. Die im Entwurf vorliegende Norm prEN14825 definiert neue Bedingungen für die Prüfung und Leistungsmessung unter anderem von Flüssigkeitskühlsätzen und Wärmepumpen anhand vorgegebener Temperatur und Lastprofile. Dies wird ein weiterer Schritt in Richtung genauerer Darstellung der tatsächlichen Leistungsfähigkeit von Flüssigkeitskühlsätzen und Wärmepumpen.
Für einen ersten Überblick allerdings lassen sich ESEER- und IPLV-Vergleiche sicherlich verwenden, aber für genaue Wirtschaftlichkeitsbetrachtungen sollte eine Berechnung sowieso auf Basis der tatsächlichen Randbedingungen mit der Software der verschiedenen Hersteller von Flüssigkeitskühlsätzen herangezogen werden.
Aus den Normen, Zertifizierungsprogrammen und realen Betriebsbedingungen ergeben sich neue Anforderungen für die Auswahl und Auslegung der Verdichter. Bisherige Softwarepakete erlauben nur die Verdichterauswahl für Volllastbedingungen. Manche Programme ermöglichen auch die Berechnung von Teillastbedingungen. Die Bitzer-Software 5.1.3 bietet darüber hinaus die Möglichkeit zur Auswahl von Verdichtertechnologie und Verdichtertypen nach ESEER-, IPLV- oder individuellen Vorgaben an vier unterschiedlichen Lastpunkten.
Entsprechend den ESEER- oder IPLV-Vorgaben können Verdampfungs- und Umgebungs- bzw. Wassertemperaturen für vier Laststufen (Voreinstellung: 100 %, 75 %, 50 % und 25 %) und die zugehörigen zeitlichen Gewichtungen vorgegeben werden. Des Weiteren kann die Anzahl von Kreisläufen und Verdichtern variiert werden. Als zusätzlicher Eingabeparameter lässt sich auch die Verflüssiger-Leistungscharakteristik in Abhängigkeit der Laststufen definieren.
Die Software rechnet dann die optimale Verdichterkonfiguration aus und zeigt alle erforderlichen Daten für die Komponentenauswahl an. Dies erleichtert die Simulation und Konfigurierung von Flüssigkeitskühlsätzen oder von Wärmepumpen erheblich.
Zusammenfassung
Die Anwendung von Verdichtern in der Kälte- und Klimatechnik ist in den letzten Jahren einem steten Wandel ausgesetzt. Die Energiekosten steigen und das direkte und indirekte Treibhauspotenzial der Anlagen rückt mehr in den Fokus der gesellschaftlichen Diskussion. Neben der Auswahl von Kältemitteln mit möglichst niedrigem GWP (z.B. die aktuell technisch anwendbaren Kältemittel mit geringstem GWP: R 134a für Klima- und Normalkühlanwendungen und CO2 in der Tiefkühlung mittels Kaskade) ist der Systemwirkungsgrad im Jahresverlauf von entscheidender Bedeutung für eine Verringerung der CO2-Emissionen aus Kälteanlagen. Dabei sind besonders die Teillastwirkungsgrade von Verdichter und Anlage wichtig, da die Systeme die meiste Zeit des Jahres bei Teillast betrieben werden. Neue Normen und Zertifizierungsprogramme werden mehr und mehr diesen Aspekt berücksichtigen und die einfache Volllastbewertung, wie sie heute noch vielfach Anwendung findet, in den Hintergrund treten lassen.
Neue Verdichtergenerationen werden daher auf die Steigerung der Effizienz in Teillast optimiert, der Volllastbetriebspunkt wird dabei nicht vernachlässigt, steht aber nur noch an zweiter Stelle. Bitzer hat eine neue CSW-Kompaktschraubenverdichterserie vorgestellt. Diese konnte den ESEER nach Eurovent-Bedingungen für wassergekühlte Verflüssigungssätze um über 23 % steigern. Die Effizienz wesentlicher Teillastbetriebspunkte wurde unter Ausnutzung der neuen Einsatzgrenzen um mehr als 50 % gesteigert. So lassen sich moderne flexible Technologie mit geringen Betriebs- und Wartungskosten und minimierten CO2-Emissionen zu gleichen Investitionskosten realisieren. -
Als Vortrag gehalten bei der DKV-Jahrestagung 2009 in Berlin.
1) ESEER: European Seasonal Energy Efficiency Ratio
2) IPLV: Integrated Part Load Value
Literatur
[1] Bitzer, 2008, A-600-2: Kompetenz in Leistungsregelung
[2] Website Eurovent-Zertifizierung: http://www.eurovent.com
[3] ARI550/590: Performance Rating of Water-Chilling Packages Using the Vapor Compression Cycle
[4] Bitzer, 2009, SV-08-01: Eine neue Generation frequenzgeregelter Schraubenverdichter für Flüssigkeitskühlsätze und Wärmepumpen
[5] ASHRAE 90.1: Energy Standard for Buildings Except Low-Rise Residential Buildings
Dipl.-Ing. Rainer Große-Kracht,
Chief Technology Officer, Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH, Sindelfingen
