Die Kälteanlage wird mit dem hocheffizienten und klimafreundlichen natürlichen Kältemittel CO2 betrieben. Zurzeit ist es die größte CO2-transkritische Kälteanlage in Mittelhessen. Es handelt sich um ein ausgeklügeltes Booster-System mit mehrstufig skalierbarer Wärmerückgewinnung. Damit kann der Markt das ganze Jahr über seinen Bedarf an Kühlung und Wärme mit der Kälteanlage decken – kostengünstig, umweltgerecht und energieeffizient.
Das Herzstück der Anlage bilden die elf teilredundant geschalteten Verdichter. Sie bilden den Kern der effizienten Tiefkühlung, Normalkühlung, Klimaanlage und nicht zuletzt der Wärmerückgewinnung.
Realisiert wurde die Anlage von der Meilbeck Kälte- und Klimatechnik GmbH, Grünberg, als Generalunternehmer in weniger als neun Monaten mit maßgeschneiderten Kältesätzen der compact Kältetechnik GmbH, Dresden, und dem Regelungssystem E*LDS der Eckelmann AG, Wiesbaden. Im Rahmen des Projekts wurden Kühlmöbel von Epta eingesetzt. Die Planung führte das Planungsbüro ecoplan GbR, Bielefeld, durch.
Gemeinsam haben die Partner eine technisch neuartige Lösung für die Nutzung von CO2 als Kältemittel erarbeitet. Ziel war es, ein wegweisendes Konzept zu verwirklichen. Die Anlage erweitert Vorstellungen von den Potenzialen einer Kälteanlage, weil sie Kühlung und Nutzung der Abwärme konsequent koppelt und durch eine bedarfsgerechte Kühlung die Betriebskosten nachhaltig senkt.
Intelligente Kälte-Power für große Kühl- und Tiefkühlflächen
Die Größenordnung der neuen Anlage der SB Union in Fulda ist beeindruckend: Auf einer Gesamtnutzfläche von 7 000 m2 wurden 1 000 m2 Kühl- und 700 m2 Tiefkühlfläche installiert. Dazu gehören im Bereich Tiefkühlung unter anderem 60 m TK-Inseln, ausgestattet mit Glasschiebescheiben und 660 m2 Lagerfläche.
Der Jahresverbrauch der Anlage wurde mit 700 000 kWh errechnet und wird im ersten Betriebsjahr voraussichtlich sogar unter dieser Prognose liegen, wie erste Hochrechnungen nach vier Betriebsmonaten zeigen. Dies beweist die Planungskompetenz der beteiligten Firmen in Sachen CO2-Kälte-Wärme-Kopplung.
Effizienz-Prinzipien
Zwei Grundprinzipien für mehr Energieeffizienz wurden bei der Planung der Anlage verfolgt, nämlich bedarfsorientierte Kühlung und konsequente Abwärmenutzung. Per Wärmerückgewinnung aus der Abwärme der Kälteanlage wird eine maximale Heizleistung von 300 kW technisch verfügbar gemacht. Damit könnte man etwa 30 Einfamilienhäuser beheizen. Die Abwärme wird im Großmarkt zum Heizen und zur Erwärmung von Brauchwasser genutzt.
Die bedarfsgerechte Kühlung führt dazu, dass Kältemittel nicht auf niedrigeren Temperaturniveaus verdampft werden muss, als für die Kühlung tatsächlich erforderlich ist. Hierzu wurde der Tiefkühlverbund so ausgelegt, dass sowohl 30 °C (TK-Möbel) als auch 32 °C (TK-Kühlräume) als Temperaturzonen bedient werden, jeweils mit Einheiten aus zwei und drei Verdichtern.
Bei der Kühlung der TK-Kühlmöbel wird durch diese Maßnahme bereits konzeptionell 6 Prozent Energie eingespart. Bei herkömmlichen CO2-Kälteanlagen gibt es im TK-Bereich in der Regel nur ein Temperaturniveau, das sich an der tiefsten notwendigen Kühltemperatur orientiert. Energetisch optimal ist diese Verdampfungstemperatur t0 freilich nur für eben diese Kühlstellen, für das Gros der TK-Möbel jedoch nicht.
Auch in der Normalkühlung werden zwei Temperaturniveaus bedient, mit Verdampfungstemperaturen von 7 °C (vier Verdichter) für die NK-Kühlmöbel und 1 °C beim Klimaverbund (zwei Verdichter). Insgesamt wird durch die bedarfsgerechte Auslegung der benötigten Temperaturniveaus eine zielgenaue und warenoptimale Temperierung erreicht, verbunden mit einem deutlich reduzierten Energieverbrauch. Das innovative t0-Zonen-Konzept spart allein insgesamt 10 Prozent an Betriebskosten.
Alles hängt mit allem zusammen
Die Schwierigkeit in der Regelung von komplexen CO2-Anlagen mit mehreren Temperaturzonen liegt, vereinfacht ausgedrückt, darin, dass alles mit allem zusammenhängt. Es muss sichergestellt werden, dass alle Funktionen im Normalbetrieb, in den t0-Zonen und in der Wärmerückgewinnung sowie im Wärmepumpenbetrieb gemäß dem Bedarf abgedeckt werden. Die installierte maximale Verflüssigungsleistung im Großmarkt der SB Union liegt bei beachtlichen 350 kW.
Im Hintergrund wirken zwei Wärmepumpenverdampfer als zusätzliche Kühlstellen“ mit 100 kW Wärmeleistung, um Wärmebedarfsspitzen kostengünstig und regenerativ über Wärmerückgewinnung zu decken. Der Klimaverbund fungiert hiermit zugleich als Wärmepumpe.
Die jeweils zwei Temperaturzonen wurden teilredundant ausgelegt und die Verdichtergruppen sind über ein geregeltes Ventil verbunden, sodass die jeweils anderen Verdichter etwaige Ausfälle kompensieren können. Durch diese teilredundante Auslegung ist das System davor geschützt, aus dem Gleichgewicht zu geraten.
Regelungstechnisch stellt dies allerdings besondere Anforderungen, die von einer herkömmlichen Verbundsteuerung nicht übernommen werden können. Diese übergeordnete Aufgabe übernimmt eine frei programmierbare Steuerung GLT 3010, die im System E*LDS von Eckelmann integriert ist.
Die speziell für den CO2-transkritischen Betrieb entwickelte Verbundsteuerung VS 3010 CT regelt im Einzelnen den Saugdruck (ND), den Mitteldruck (MD über den Druck im Kältemittelsammler), den Hochdruck (HD) und den Gaskühler. Im Niederdruckbereich der Booster-Anlage werden normale Verbundsteuerung des Typs VS 3010 eingesetzt.
Um thermodynamische Verluste durch Flash-Gas in den Kältemittelleitungen zu senken und ein stabiles Anlagenverhalten zu erreichen, wird das Kältemittel nach dem Gaskühleraustritt künstlich unterkühlt. Die aktive Unterkühlung ist insbesondere bei CO2-transkritischen Kälteanlagen eine geeignete Strategie, um die Effizienz zu steigern.
Wärmerückgewinnung vom Feinsten
Je nach Wärmebedarf kann die Abwärme über vier Stufen zurückgewonnen werden, die kontinuierlich und bedarfsgerecht über stetig geregelte elektronische Ventile zugeschaltet werden. Hierzu wird ein bedarfsabhängiges, analoges Heizungsregelsignal mit 0 bis 10 V herangezogen. Nach der Enthitzung zur Brauchwassererwärmung (Stufe I) kann das Heißgas seine Wärme an zwei parallel angeschlossene Plattenwärmeübertrager (Stufe II) zur Wärmerückgewinnung abgeben. Stufe I nutzt bis zu ca. 25 Prozent der Verflüssigerwärme, Stufe II bis zu ca. 35 Prozent.
Restliche Wärme wird über den nachgeschalteten Gaskühler abgeführt, dessen Verflüssigungsleistung je nach Sommer- oder Winterbetrieb zu 0 bis 100 Prozent genutzt wird. Wird der Gaskühler per Bypass-Schaltung bei hohem Wärmebedarf im Winter komplett umgangen (Stufe III), wird 100 Prozent der zur Verfügung stehenden Verflüssigerwärme zurückgewonnen. Der Heißgasstrom wird so nach den Maßgaben des Bedarfs an Wärme für die Brauchwassererwärmung und zum Heizen umgelenkt oder geteilt. Die Wärmerückgewinnungsfunktionen sind über die frei programmierbare DDC GLT 3010 im System E*LDS integriert, sodass der momentane Betriebszustand der Kälteanlage immer wirksam mit der Wärmerückgewinnung koordiniert wird.
Zur Regelung der Wärmerückgewinnung wird ein bedarfsabhängiges analoges Heizungssignal von 0 bis 10 V genutzt. Die Wärmerückgewinnung erfolgt in vier Stufen, die kontinuierlich über elektronische Ventile abgefahren“ werden.
Wird mehr Wärme zum Heizen benötigt, als die Kälteanlage bzw. die Kühlstellen momentan bereitstellen, können zusätzlich zwei Wärmepumpenverdampfer (Luftkühler) mit einer Gesamtleistung von 100 kW zugeschaltet werden (Stufe IV), um dem Kältemittelkreislauf zusätzlich Wärme zuzuführen. Was für den Laien zunächst widersinnig erscheint (Warum sollte man Wärme von außen in das System einbringen?), wird verständlich, wenn man sich die COP-Werte (Coefficient of Performance oder Leistungszahl) für das Kältemittel CO2 vor Augen führt. Im Wärmepumpenbetrieb können hier erstklassige COP-Werte von bis zu 4,2 erreicht werden. Der COP gibt das Verhältnis der Wärmeleistung (Output“) zur (elektrischen) Leistung (Input“) an. Im Vergleich zu einer Elektroheizung mit einem COP von 1 (1 kW Strom für 1 kW Wärme) oder einer Gastherme mit einem COP unter 1 ergibt sich damit bei einer CO2-Wärmepumpe ein enormer Effizienzgewinn. Die kostenlose Wärme der Umgebungsluft lässt sich somit über eine Wärmepumpe kostengünstig als Ressource technisch nutzen.
Integriert in eine große Kälteanlage mit Wärmerückgewinnung wie hier, können so sehr effektiv Wärmebedarfsspitzen bedient werden, wenn die Abwärmeleistung der Kälteanlage nicht ausreicht. Erst wenn alle regenerativen Wärmequellen ausgeschöpft sind oder bei extremen Verbrauchsspitzen oder Außentemperaturen unter 5 °C, muss der Brennwertkessel (235 kW Leistung) zum Mitheizen aktiviert werden. Nur an 10 bis 15 Tagen im Jahr liegt die Tagesdurchschnittstemperatur in unseren Breiten unter 5 °C. Mit der Abwärme der Kälteanlage und der Außenluft als regenerative Wärmequelle stellt das System eine maximale Wärmeleistung von 300 kW für Brauchwassererwärmung und Heizung bereit.
Die Heizungsanlage verfügt über einen 9-m3-Speicher (168 kW). Damit lassen sich Leistungsschwankungen in der Wärmerückgewinnung gut ausgleichen und immer genügend Wärme bereitstellen. Entsprechend steht ein 750-l-Speicher für die Brauchwasserbereitstellung zur Verfügung.
Der Großmarkt spart durch das innovative Wärmerückgewinnungskonzept erhebliche Energiekosten bei der Heizung und Brauchwasserbereitung und senkt so nebenbei auch seine primären CO2-Emissionen aus der Verbrennung von Erdgas. Die Investition in die Wärmerückgewinnung wird sich dank der geringeren Betriebskosten schon nach ca. 1,5 Jahren amortisiert haben.
Kühlmöbel und Kühlräume optimal betreiben
Die Kühlmöbel und Kühlräume sind alle mit elektronischen Expansionsventilen ausgestattet, was eine optimale Regelung ermöglicht. Durch die Vernetzung findet die Systemregelung autoadaptiv den besten Betriebspunkt. Ein weiterer wesentlicher Faktor für die Energieeffizienz ist die bedarfsgerechte Abtauung auf Basis intelligenter autoadaptiver Abtauverfahren.
Kontinuierliches Anlagentuning
Für den C + C Großmarkt wurde eine ganzheitliche Energiedatenerfassung eingerichtet. So kann sich der Betreiber und das DFÜ-Überwachungs-Zentrum Meilbeck jederzeit ein detailliertes Bild von den Verbräuchen machen und Potenziale zur Optimierung identifizieren. Denn Energiemanagement ist ein kontinuierlicher Verbesserungsprozess, der eine Anlage im laufenden Betrieb immer besser macht. Für das professionelle Energiecontrolling bieten die Systeme LDS Win und LDS Web zahlreiche Analyse-Werkzeuge.
Erfolgsfaktor Kältetechnik
Im Lebensmittelhandel wird Energie zu einem immer wichtigeren Wettbewerbsfaktor. Primär verantwortlich dafür sind die steigenden Energiepreise und der wachsende Bedarf an Kühlung. Denn die Nachfrage insbesondere für Tiefkühlprodukte wächst weiter stark und das Sortiment an gekühlten und tiefgekühlten Produkten wird immer umfangreicher.
Investitionen in energieeffiziente Technik sind daher ein wichtiger Grundstein für einen langfristigen Geschäftserfolg. Allen voran betrifft dies die Kältetechnik als Gewerk mit dem größten Energiehunger“, gefolgt von Heizung, Klima und Lüftung, Warmwasserbereitung und, nicht zu vergessen, die Beleuchtung. Bei einem Lebensmittelsupermarkt entfallen heutzutage im Schnitt ca. 45 Prozent der Stromkosten auf die Kühlung.
Energieeffizientere Konzepte für die Kühlung und die integrierte Nutzung der vorhandenen Abwärme zum Heizen und zur Brauchwassererwärmung sind besonders wirksame Strategien, um die Betriebskosten langfristig zu minimieren. In der Supermarktkälte setzen sich solche Integralsysteme mit einem intelligenten, gewerkeübergreifenden Kälte-Wärme-Manage- ment zunehmend als Standard durch. Und das mit gutem Grund: Die Abwärme einer durchschnittlichen Supermarkt-Kälteanlage ist um ein Vielfaches höher als der jährliche Bedarf an Wärme.
Die SB Union betreibt die derzeit größte CO2-Kälteanlage Mittelhessens. Durch eine bedarfsgerechte Kühlung mit vier t0-Temperaturzonen und eine konsequente Abwärmenutzung benötigt die Anlage im laufenden Betrieb signifikant weniger Energie als Anlagen vergleichbarer Größe.
Fazit
Niemand bezweifelt heute noch, dass Systemlösungen für die Kälte-Wärme-Kopplung die Zukunft im Lebensmittelhandel gehört. Hierbei kommt es allerdings entscheidend auf die Planung und Auslegung der Anlage an, damit der Betreiber tatsächlich von den Vorteilen der Technologie profitiert.
Die Meilbeck Kälte- und Klimatechnik GmbH hat gemeinsam mit Technologiepartnern und den Systemlieferanten Eckelmann AG und compact Kältetechnik GmbH sowie dem Planungsbüro ecoplan GbR gezeigt, welches Potenzial in CO2 als natürlichem Kältemittel steckt.
Dass sich Investitionen in moderne Technik auch betriebswirtschaftlich schnell rechnen, beweist das ausgeklügelte WRG-Konzept. In nur 1,5 Jahren wird sich die Investition in die Wärmerückgewinnung schon amortisiert haben, vor allem wegen der großen Einsparung an Betriebskosten für eine Heizung mit fossilen Brennstoffen. Ein Großteil des Wärmebedarfs wird jetzt regenerativ und umweltfreundlich gedeckt.
Wasserkühlmaschinen mit Heiz- und Kühlfunktion
Trane hat sein Wasserkühlmaschinen-Programm um eine Reihe von Mehrleitergeräten für die gleichzeitige Bereitstellung von Heiß- und Kühlwasser erweitert. Die Mehrleiter-Wasserkühlmaschinen CMAA mit Spiralverdichter und RTMA mit Schraubenverdichter ermöglichen eine ausgeglichene Versorgung der Heiz- und Kühlsysteme. Beide Wasserkühlmaschinen eignen sich für viele Komfortklima- und Industrieanwendungen, in denen gleichzeitig Heizung und Kühlung erforderlich sind. Die 17 Maschinen mit Spiralverdichter und neun Modelle mit Schraubenverdichter stehen in Größen von 50 bis 810 kW bereit.
Die Wasserkühlmaschinen stellen gleichzeitig Heiz- und Kaltwasser zur Verfügung und ermöglichen damit in einigen Fällen eine vollständige Energierückgewinnung sowie deutliche Verbesserungen der Energieeffizienz und geringere Betriebskosten. Geeignet sind die Maschinen für Gebäude, in denen das Heizsystem auf Niedrigtemperatur ausgelegt ist, beispielsweise Radiatoren und Fußbodenheizungen mit Heißwassertemperaturen von 35 bis 50 °C. Anstelle einer Wasserkühlmaschine mit zusätzlichem Heizkessel bewirkt die Installation des einfachen Mehrleitersystems weniger Investitionsaufwand und Stellflächenbedarf. Statt einer getrennten Wasserkühlmaschine und eines Heizkessels ist nur ein Gerät zu warten. Der jährliche Energieverbrauch von Mehrleitersystemen ist gegenüber vergleichbaren konventionellen Systemen geringer. Einen Beitrag dazu leistet die Verwendung erneuerbarer Energien bei einem Betrieb im Wärmepumpenmodus.
Mehrleiter-Wasserkühlmaschinen werden überwiegend an luftseitige Systeme angeschlossen. Ein HLK-System, das eine Mehrleiter-Wasserkühlmaschine an Luftaufbereitungsgeräten und/oder Klimatruhen nutzt, stellt ein hochflexibles System für eine optimale Kühlung und Klimatisierung dar. Einzelne Zonen lassen sich je nach ausgewählten Maschinenreglertypen individuell steuern, um nahezu allen Anwendungsanforderungen gerecht zu werden.
Die Mehrleiter-Wasserkühlmaschinen bewältigen thermische Lasten autonom und erreichen eine hohe Energieeffizienz. Durch Frostschutz-Alarme verursachte Geräteabschaltungen werden vermieden. Elektronisch kommutierte (EC-)Ventilatoren vermindern die Leistungsaufnahme und die Geräuschemissionen. Die elektronischen Regler der Wasserkühlmaschinen erhöhen die Betriebsstabilität durch eine Steuerung des Differenzials der Wassereintrittstemperatur, basierend auf der Geschwindigkeit ihrer Veränderung.
Roland Meilbeck,
Geschäftsführer und Inhaber der Meilbeck Kälte- und Klimatechnik GmbH, Grünberg
Jens Uwe Meyer,
stellvertretender Vertriebsleiter Kälte- und Gebäudeleittechnik der Eckelmann AG, Wiesbaden
