Worauf die Fachwelt gewartet hat

Verfolgt man die intensiven Diskussionen in der Fachpresse, so ragt ein Thema neben der Kältemittelumstellung heraus, die Energieeffizienz. Es gibt vermutlich keine Ausgabe einer Fachzeitschrift in den letzten Jahren, wo das Thema keine Rolle gespielt hat. Die EU und natürlich Deutschland, als eines der Vorreiterländer, haben umfangreiche Selbstverpflichtungen abgegeben, um die Schädigung der Ozonschicht und den Treibhauseffekt durch direkte und indirekte Emissionen klimaschädlicher Gase zu minimieren. So warnen Kältemittelhersteller nicht von ungefähr vor dem Umstellen einer schlecht laufenden Anlage. Oder der Techniker steht immer wieder vor der gleichen, zeitintensiven Routineaufgabe der Bewertung der Anlage.

Traditionell ist nicht mehr so ganz der Stand der Technik

Um die Energieeffizienz alt/neu zu dokumentieren, müssen verschiedenste Werte erfasst werden. Ganz traditionell, wie seit den Anfängen der Kältetechnik, kann man die notwendigen Betriebskenngrößen per

Hand, also mittels Manometer und diversen Temperaturmessgeräten erfassen und in Tabellen eintragen. Dieser Vorgang entspricht nicht mehr so ganz dem Stand der Technik, außerdem haftet diesen Daten immer der leichte Makel des subjektiven Faktors beim Ablesen und der Schlecht- bzw. Schönrechnerei an.

Wesentlich eleganter und moderner sind hier diverse Datenlogger und vernetzte Reglersysteme bzw. elektronische Einzelgeräte, die diese Daten automatisch erfassen. Bleibt natürlich dem versierten Kältetechniker die Aufgabe vorbehalten, diese Daten zu sichern, zu sondieren, zusammenzufassen und auszuwerten. In dieser Hinsicht gibt es sicher sehr vielfältige Lösungsansätze, die von per Hand über ­lgp,h-Diagramm, Tabellenkalku­lation, Access bzw. Programme in hö-heren Programmiersprachen oder Herstellersoftware gehen. So können also für die Erfassung und Auswertung der Daten wertvolle Stunden bzw. Tage vergehen.

Viele bekannte elektronische Datenerfassungs- und Reglersysteme haben häufig die Aufgabe der Datenerfassung nach HACCP oder der Regelung der Kälteanlage. Diese erfassten Daten lassen sich, so das Programm es zulässt, tabellarisch und grafisch darstellen. Wenn eine Exportfunktion vorgesehen ist, lassen sich diese Daten in ein Tabellenkalkulationsprogramm exportieren. Dort können die Daten ausgewertet werden.

Focus liegt auf der Analyse des Kältekreislaufs

Eine andere Zielrichtung wird mit dem ClimaCheck-Performanceanalyser verfolgt. Bei diesem Gerät liegt der Focus vollständig auf der Analyse des Kältekreislaufs. Die Grund­idee ist einfach, aber genial. Man ermittelt mit dem Performanceanalyser alle Werte, die für die Berechnung des Kältekreislaufes und dessen Darstellung im lgp,h-Diagramm notwendig sind. Dies sind der Verdampfungsdruck, die Verdichteransaugtemperatur, der Verflüssigungsdruck, die Verdichteraustrittstemperatur und die Temperatur vor dem Expansionsventil. Zusätzlich zu diesen Daten werden Datum und Zeit erfasst und in einer Tabelle dargestellt.

Für viele Datenlogger ist jetzt die Arbeit getan. Das ClimaCheck-System fängt aber jetzt erst an, spannend zu werden und Spaß zu machen. Der versierte Kältetechniker ahnt jetzt schon, was alles an Rechnungen denkbar ist. Es stehen über 100 Kältemittel zur Auswahl und die Berechnung erfolgt mit den weltweit anerkannten, sehr genauen Formeln des Na­tional Institute of Standards and Technologies in den USA. Von allen Betriebspunkten werden die Enthalpiewerte und daraus Enthalpiedifferenzen berechnet. Damit ist die kälte­mittelseitige Ermittlung der Leistungsziffern für Kühlen und Heizen möglich.

Unentbehrliche Werte ermitteln

Die Berechnung aller Werte erfolgt grundsätzlich immer für jedes Zeitintervall. Für das Kältemittel wird die Entropie über den Ansaugpunkt ermittelt. Da der Verflüssigungsdruck bekannt ist, kann dann die isentrope Verdichtungsendtemperatur berechnet werden. Bis zum isentropen Verdichtungswirkungsgrad ist es dann nur noch ein kleiner Schritt. Der Performanceanalyser ermittelt zusätzlich aber auch die elektrischen Daten des Verdichters wie Spannung, Stromstärke und Phasenverschiebung. Dadurch können die für die Leistungsermittlung und -analyse unentbehrlichen Werte der Schein-, Blind- und Wirkleistung ermittelt werden.

Für die Ermittlung des Kältemittelmassenstroms wird der Verdichter als Blackbox betrachtet. Über den angesaugten Kältemittelmassenstrom und die elektrische Antriebs­energie nimmt der Kompressor Energie auf. Die Energie, die in den Kompressor hineinfließt, muss den Verdichter auch wieder verlassen. Bei hermetischen und halbhermetischen Verdichtern erfolgt dies in der Regel nur auf zwei Wegen: über das verdichtete Kältemittel und als thermischer Verlust über das Gehäuse.

In zahlreichen Untersuchungen wurde festgestellt, dass die thermischen Verluste für oben genannte sauggasgekühlte Kompressoren zwischen 3 bis 10 Prozent liegen. Man kann diese Verluste auch mit dem ClimaCheck-System ermitteln, dies soll an dieser Stelle aber nicht erläutert werden. Durch die Kenntnis der thermischen Verluste kennt man nun die Energie, die auf das Kältemittel übergeht. Die Enthalpiedifferenz über dem Verdichter ist bekannt und so lässt sich der Kältemittelmassenstrom auch ohne zusätzlichen Volumenstrommesser ermitteln. Da auch die Ein- und Austrittstemperaturen der Sekundärmedien von Verdampfer und Verflüssiger gemessen werden, können auch die Sekundärmassen- und Volumenströme berechnet werden.

Ermittlung von Betriebskenngrößender Sekundärmedien

Durch die unkomplizierte Änderung der spezifischen Stoffwerte, wie Dichte und spezifische Wärmekapazität, lässt sich ein luft-, wasser- oder solekühlender Wärmeübertrager schnell anpassen bzw. einrichten.

Nicht alle berechneten Anlagenkennwerte können in dieser kurzen Schilderung dargestellt werden. Je nach Berechnungsvorlage werden über 50 Betriebskenngrößen durch das ClimaCheck-System gemessen bzw. berechnet. Diese Werte von Betriebskenngrößen erlauben eine komplette Evaluation des Kältekreislaufes sowie einzelner Komponenten.

Die Vielfalt der Werte ist beeindruckend, aber nicht für alle Anwendungen notwendig. Aus diesem Grunde gibt es für wissenschaftliche Untersuchungen einen erweiterten Betriebsmodus und für praktische Messaufgaben eine Autostartfunktion. Hier wählt der versierte Fachmann (z. B. Kältetechniker) für den entsprechenden Kälteanlagentyp eine geeignete ClimaCheck-Vorlage und das Kältemittel aus. Somit kann der beauftragte Kälteanlagenbauer, auch ohne vorherige ClimaCheck-Schulung, an der gewünschten Anlage die Sensoren montieren, die Messwerte erfassen und so eine Anlagenanalyse durchführen. Für die statistische Auswertung werden für eine bestimmte Anzahl von Datenreihen jeweils der Maximal-, der Minimal- und der Durchschnittswert ermittelt. Es lassen sich Zeitintervalle von einer bis zu 60 Sekunden einstellen. In der Kältetechnik gibt es eine Vielzahl von technischen Systemen. Für viele Standardfälle liegen über 200 fertig ent­wickelte Berechnungsvorlagen (Templates) vor. Bei Bedarf lassen sich aber auch eigene Vorlagen erstellen.

Zur technischen Ausstattung

Für den Techniker sicher sehr praktisch: Das ganze Equipment passt in ein Flightcase. Zusätzlich zu den erwähnten sieben Temperaturfühlern ist standardmäßig noch ein achter frei verwendbarer Fühler in die Berechnungen integrierbar. Besonders vorteilhaft für die ständige De- und Montage sind die Drucktransmitter, bei denen die Anschlussleitungen erst im Nachhinein auf Drucktransmitter und PA-Pro aufgerastet werden. Dies erspart dem Monteur das lästige Kabelentfitzen. Über MOD-Bus werden die elektrischen Daten aus dem Leistungsmessgerät eingelesen. Durch das Bussystem können mehrere Leistungsmessgeräte und damit auch elektrische Verbraucher erfasst werden. Der elektrische Anschluss kann über die mitgelieferten Spannungsklemmanschlüsse und Stromzangen über 4 mm Stecktechnik schnell und unkompliziert erfolgen. So sind viele kleine Details gut durchdacht und erleichtern bzw. beschleunigen die Datenaufnahme. Das Anschließen der Sensoren ist mit etwas Übung innerhalb von 20 bis 30 Minuten erledigt. Alles in allem ein Gerät, auf das die Fachwelt schon lange gewartet hat. Dieser Meinung war zumindest eine englische Fachkommission, die das Gerät zum Kälteprodukt des Jahres 2009 gewählt hat. -

Feldstudie: Energieoptimierungspotenzial durch regelmäßige Leistungsinspektionen

2006 führte das Royal Institute of Technology (KTH) in Stockholm, Schweden, eine Feldstudie [1] an 164 Kälte- und Klimaanlagen und Wärmepumpen durch. Für die praktischen Messungen wurden das ClimaCheck- und das ETM-System verwendet. Die Ergebnisse zeigten, dass 87 Prozent der untersuchten Anlagen fehlerbehaftet liefen. Die Abweichungen vom COP betrugen 9,8 Prozent und von der nominalen Nennleistung 8,6 Prozent. Hochgerechnet auf europäisches Niveau könnten in der europäischen Kälte- und Klimatechnik 45,44 TWh elektrischer Energie und 16,02 Millionen Tonnen CO₂-Emissionen eingespart werden, wenn regelmäßige Leistungsinspektionen stattfinden würden. Dies entspricht der gesamten Windenergieproduktion der EU-25 Staaten im Jahre 2003.

Quelle: [1] Energy Optimisation Potential through Improved Onsite Analysing Methods in Refrigeration by John Arul Mike Prakash

Berufsschullehrer im BSZ für Technik Reichenbach/Vogtland (Mechatroniker für Kältetechnik in länderübergreifenden Fachklassen)