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Optimierung mit intelligenter Leistungsregelung

CO2-Anlagen im Supermarkt

Gegensätzliche Anforderungen in Supermärkten

Der Kältebedarf im Supermarkt hängt stark von zum Beispiel Tageszeit und Kundenfrequenz ab und variiert entsprechend. Damit die Kälteanlage zuverlässig läuft, müssen nicht nur die zulässigen Betriebsbedingungen eingehalten und der Ölkreislauf sichergestellt werden, sondern die Leistungsregelung im Parallelverbund muss auf die Anwendung abgestimmt sein: Sie muss auch geringe Lasten so abdecken, dass, vor allem beim Führungsverdichter, möglichst wenige Ein- Aus-Zyklen vorkommen und die Leistung in möglichst kleinen Stufen geregelt werden kann.

In der Praxis kommen allerdings gegensätzliche Anforderungen hinzu: Die Anlagen müssen kosteneffizient sein, mit geringer Komplexität und niedrigen Investitionskosten. Häufige Folgen sind ein ungünstiges Regelverhalten und geringere Betriebssicherheit, zum Beispiel durch:

  • zu wenige eingesetzte Verdichter beziehungsweise zu groß gewählte Verdichter pro Sauggruppe
  • aktive Flüssigkeitseinspritzung mit regelmäßiger Nacheinspritzung anstelle eines externen Enthitzers für die Tiefkühlstufe
  • Tiefkühl-Leistungsregelung mit Ein-Aus-Zyklen statt mit Frequenzumrichter
  • noch höhere Anforderungen an die Wärmerückgewinnung
  • Wärmerückgewinnungssysteme ohne Puffer-Speicher auf der Warmwasserseite
  • wenig Zeit für Herstellung, Installation und Inbetriebnahme
  • weniger Filter- und Ölwechsel
  • Eine Standard-Verbundsteuerung überwacht unabhängig voneinander Hochdruck, Druckgastemperatur, Sauggasüberhitzung, Ölstand sowie Motortemperatur und bietet jeweils eine Sicherheitsabschaltung. Insbesondere die zulässige Druckgastemperatur ist jedoch abhängig von Druckverhältnis, Sauggasüberhitzung, Betriebsfrequenz, Betriebszeit und Dynamik.

    Geringe Betriebsfrequenzen und hohe Sauggasüberhitzung erhöhen die thermische Beanspruchung des Verdichters und reduzieren somit seine Einsatzgrenze: In Bild 1 kennzeichnet die gestrichelte Linie 3 beispielhaft die maximal zulässige Druckgastemperatur (t max) für 25 Hz Betriebsfrequenz und 30 K Sauggasüberhitzung.

    Im Fokus: Führungsverdichter der Normalkühlstufe

    Ungünstige Betriebszustände für den Führungsverdichter in der Normalkühlstufe sind gekennzeichnet durch:

  • Tagbetrieb mit vielen Ein-Aus-Zyklen der Folgeverdichter und instabilen, schwankenden Betriebszuständen
  • Nachtbetrieb mit niedriger Betriebsfrequenz und regelmäßigen Pump-Down-Zyklen mit hohem Druckverhältnis und hohen Sauggastemperaturen
  • Nachtbetrieb mit niedriger Betriebsfrequenz und vielen Ein-Aus-Zyklen, wobei eine aktive Kältemitteleinspritzung vor Abschaltung des Führungsverdichters zu überschüssigem flüssigen Kältemittel auf der Saugseite während der Wiederanlaufverzögerung führt.
  • Dies wirkt sich indirekt auf Reibung und Schmierung des Verdichtertriebwerks aus und kann zu erhöhtem Lagerverschleiß führen. Ein zu geringer Regelbereich und deutliche Last- oder Leistungsänderungen destabilisieren das Gesamtsystem – vor allem, wenn der Regelbereich des Führungsverdichters die Leistungslücken nicht abdecken kann, die beim Ein- und Ausschalten der Folgeverdichtern entstehen. Dieser Zusammenhang wird mit der Regelgüte (CF) in % beschrieben. Sie errechnet sich aus der Differenz zwischen der Leistung des Führungsverdichters bei maximaler und minimaler Frequenz, geteilt durch die Leistung des nachfolgenden Verdichters (Quelle: ASERCOM, vgl. https://www.Bitzer.de/shared_media/html/kt-600/de-DE/index.html). Ein CF >100 % ist sehr gut, < 80 % sind nicht zu empfehlen. Die beste Regelgüte wird erzielt, wenn der Verbund den Kältebedarf durch quasi stufenloses Variieren der Kälteleistung abdecken kann.

    Erhöhung der Regelgüte bei bestehenden Anlagen

    Falls möglich, empfiehlt Bitzer eine Erhöhung der Regelgüte in der Normalkühlstufe: Im ersten Schritt wird der Frequenzbereich des Führungsverdichters geprüft (minimale und maximale Frequenz). Eventuell ist der zugelassene Frequenzbereich noch nicht ausgeschöpft, zum Beispiel wenn der Verdichter nur bei 30 bis 60 Hz betrieben wird statt der zulässigen 25 bis 70 Hz für Bitzer 4-Zylinder-Verdichter. In diesem Fall kann die Regelgüte einfach dadurch verbessert werden, dass der Frequenzbereich erweitert wird – sofern die thermische Belastung des Verdichters bei den auftretenden Sauggasüberhitzungen und Betriebspunkten noch zulässig ist. Bei Sternschaltung des frequenzgeregelten Motors ist auch dessen Reserve zu prüfen.

    Eine weitere wirksame Methode, die Regelgüte zu verbessern, ist die Nachrüstung eines Folgeverdichters mit einer mechanischen Varistep Leistungsregelung von Bitzer (50 % / 100 %). Voraussetzung ist, dass der Verbundregler einen weiteren leistungsgeregelten Verdichter ansteuern kann. Die Abdeckung von Teillast bis hin zur Minimallast zum Beispiel durch den Führungsverdichter garantiert einen kontinuierlichen Massenstrom, stabile Saug- und Hochdrücke und stabile Sauggastemperaturen. Dies verhindert geringe Wirkungsgrade der Anlage, evtl. Nassbetrieb, verminderten Ölrücklauf, schwankende / aufschwingende Regelkreise und ungünstige Betriebsbedingungen.

    Schnelle Taktung vermeiden

    Besonders zu beachten ist die Häufigkeit von Ein-Aus-Zyklen der Verdichter (Taktung). Bitzer empfiehlt für seine transkritischen Verdichter maximal sechs Anläufe pro Stunde und mindestens zehn Minuten zwischen zwei Anläufen. Hohe Taktraten belasten generell den Verdichtermotor und das Triebwerk. Bei Betrieb ausschließlich mit geringer Frequenz und häufigen Ein-Aus-Zyklen besteht die Gefahr von Ölmangel. Um eine ausreichende Schmierung des Triebwerks zu gewährleisten, sollte der Verdichter beim Anlauf mindestens 10 s mit mindestens 40 Hz laufen, bevor die Regelung freigegeben wird.

    Vorsicht bei der Bewertung von Anlagen im Betrieb: Erhöhte Taktraten finden sich vor allem nachts beziehungsweise außerhalb der Betriebszeiten. Allgemein sind Taktraten > 120 pro Tag kritisch, > 160 pro Tag sollten nicht zugelassen werden.

    Allgemein fördert ein möglichst kontinuierlicher Betrieb mit wenig Ein-Aus-Zyklen eine gute Ölrückführung. Dies verhindert auch, dass zum Beispiel nach Abtauphasen oder unter hoher Kälteleistung kaltes, mit Kältemittel angereichertes Öl schlagartig von den Verdampfern zu den Verdichtern zurückgeführt wird. Stabile Betriebsbedingungen sorgen auch dafür, dass die Ölvorlage in den Ölspiegelregulatoren beruhigt ist und der Stand dem Niveau im Triebwerk angeglichen ist.

    Bei Nachrüstung von Glastüren: Anlagenumbau erwägen

    Besondere Sorgfalt ist notwendig, wenn Kühlmöbel nachträglich mit Glastüren ausgestattet werden. Die meisten Anlagen haben schon vorher eine beträchtliche Leistungsreserve. Die Türen reduzieren die erforderliche Kälteleistung dann je nach Temperaturklasse und Verdampfungstemperatur zusätzlich um 40 bis 50 %. Damit weicht die installierte Kälteleistung noch stärker von der benötigten ab – mit großen Auswirkungen auf das Teillastverhalten, zum Beispiel werden Taktraten stark ansteigen. Bei hohen Taktraten des Führungsverdichters ist zu prüfen, ob die Installation der Türen mit einem Umbau der Verbundanlage kombiniert werden kann. Eventuell kann der Führungsverdichter eine Fördervolumenstufe kleiner gewählt und der Folgeverdichter mit gestufter Leistungsregelung ausgeführt werden.

    Fallbeispiel: Regelgüte verbessern und Mindestleistung ­reduzieren mit Varistep Leistungsregelung

    Mit Fokus auf geringen Investitionskosten und Anlagendimensionen werden viele Supermarkt-Kälteanlagen wie in folgendem Fallbeispiel gebaut (vgl. Tabelle): Der Führungsverdichter ist mit Frequenzumrichter (30 bis 60 Hz) ausgestattet, zwei weitere laufen mit fester Drehzahl. Die Minimalleistung der Anlage im Winter beträgt 19,1 kW, die Maximalleistung im Sommer 88 kW. Für die Auslegung wurde ein Flashgas-Bypass-System mit folgenden Betriebspunkten gewählt:

  • Sommer: transkritischer Betrieb mit -8 °C Verdampfungstempera­tur und 40 °C Gaskühleraustrittstemperatur (Hochdruck 98,6 bar)
  • Winter: subkritischer Betrieb mit -8 °C Verdampfungstemperatur und 15 °C Verflüssigungstemperatur
  • Um das Beispiel einfach zu halten, wird die Tiefkühlstufe nicht einbezogen. Die berechnete Regelgüte (CF) beträgt nur 34 % im Winter und 36 % im Sommer (siehe Tabelle). Die vom Verdampfer angeforderte Kälteleistung wird damit nicht gut abgedeckt. Typisch für den Betrieb sind ständige Wechsel zwischen minimaler und maximaler Betriebsfrequenz des Führungsverdichters, hohe Taktraten der Folgeverdichter, stark schwankende Saug-, Mittel- und Hochdrücke sowie ein zyklischer Betrieb mit hohen und niedrigen Sauggasüberhitzungen. Für einen typischen Wintertag in Mitteleuropa während der Öffnungs­zeiten ist dies im Bild 2 dargestellt. (vgl. Bild 2)

    Bild 2: Betrieb einer Kälteanlage mit 3 Ver­dich­tern und geringer Regelgüte an einem durchschnittlichen Wintertag.

    Bild: Bitzer

    Bild 2: Betrieb einer Kälteanlage mit 3 Ver­dich­tern und geringer Regelgüte an einem durchschnittlichen Wintertag.

    Zur Optimierung sind die in der Tabelle dargestellten Schritte ­möglich:

    Tabelle: Optimierung der Regelgüte einer Verbundanlage durch angepasste Leistungsregelung

    Tabelle: Optimierung der Regelgüte einer Verbundanlage durch angepasste Leistungsregelung
  • 1. Der Frequenzbereich des Führungsverdichters wird auf 25 bis 70 Hz erweitert. Die Regelgüte steigt bereits auf 36 % beziehungsweise 55 %.
  • 2. Der Folgeverdichter 1 wird mit der mechanischen Leistungs­regelung VARISTEP ausgestattet. Dies vermeidet Leistungssprünge zwischen Führungs- und Folgeverdichtern, die Regelgüte steigt weiter auf 107 % beziehungsweise 109 %.
  • 3. Der Führungsverdichter wird ersetzt durch den nächstgrößeren 4HTE-15K-40P und mit VARISTEP ausgestattet, das integrierte IQ Modul ermöglicht eine quasi stufenlosen Leistungsregelung. Der Folgeverdichter 1 bekommt eine gestufte Leistungsregelung (50 % / 100 %), Folgeverdichter 2 läuft mit fester Drehzahl. Die Teillasteffizienz steigt signifikant (Minimalleistung im Winter 4,4 kW), die Regelgüte erreicht 122 % im Sommer und Winter. Diese Kombination ermöglicht den größten stufenlosen Leitungsregelungsbereich mit nur drei Verdichtern.
  • Wie günstig sich eine kontinuierliche Abdeckung der Minimallast darstellt, zeigt Bild 3: In der Ausgangssituation vor der Umrüstung wurde der Führungsverdichter mit Frequenzumrichter betrieben. Die benötigte Kälteleistung war viel geringer als geplant, das führte zu Taktraten des Führungsverdichters zwischen 120 und 160 pro Tag im Winterbetrieb. Er stand längere Zeit still, und im Betrieb schwankten Drücke und Temperaturen zyklisch. Die linke Bildhälfte zeigt die entsprechenden Betriebspunkte in der Einsatzgrenze.

    Die Varistep Leistungsregelung mit IQ Modul konnte den Betrieb stabilisieren und die Ein-Aus-Zyklen des Führungsverdichters weitestgehend vermeiden (rechte Bildhälfte). Dies zeigen auch die zeitlich gewichteten Mittelwerte der Betriebsbedingungen: Die durchschnittliche Verdampfungstemperatur lag nach der Umrüstung 2 K höher, der durchschnittliche Hochdruck 3 bar niedriger – mit positiven ­Folgen für den Energiebedarf.

    Bild 3: Optimierte Leistungsregelung, dargestellt anhand der Einsatzgrenzen. Betriebspunkte vor der Optimierung (orange: Betriebspunkte, schwarz: Verdichter gestoppt).

    Bild: Bitzer

    Bild 3: Optimierte Leistungsregelung, dargestellt anhand der Einsatzgrenzen.
    Betriebspunkte vor der Optimierung (orange: Betriebspunkte, schwarz: Verdichter gestoppt).
    Bild 3: Optimierte Leistungsregelung, dargestellt anhand der Einsatzgrenzen. Rechts: Betriebspunkte nach der Umstellung auf Varistep (blau). Die Anlage deckt die Minimalleistung erfolgreich ab, die Betriebspunkte liegen nah beieinander.

    Bild: Bitzer

    Bild 3: Optimierte Leistungsregelung, dargestellt anhand der Einsatzgrenzen.
    Rechts: Betriebspunkte nach der Umstellung auf Varistep (blau). Die Anlage deckt die Minimalleistung erfolgreich ab, die Betriebspunkte liegen nah beieinander.

    Fazit

    Verbundanlagen mit CO2 sind im Supermarktbereich inzwischen Standard. Praxiserfahrungen und umfangreiche Datenanalysen zeigen allerdings, dass manche Anlagen den unterschiedlichen Anforderungen nur bedingt genügen können. Ziel muss es sein, hohe Effizienz, geringe Komplexität und niedrige Investitionskosten zu vereinbaren. Die Regelgüte und die Abdeckung der Minimallast spielen hier eine wichtige Rolle, beide lassen sich durch geeignete Leistungsregelung der Verdichter signifikant verbessern. Für die Zukunft ist mit weiteren Optimierungen zu rechnen – Bitzer trägt durch die kontinuierliche Weiterentwicklung seiner Produkte und Lösungen dazu bei.

    Oliver Javerschek
    Application Engineering and Product Performance, Bitzer

    Bild: Bitzer

    Tobias Fuhrer
    Product Manager Reciprocating Compressors, Bitzer

    Bild: Bitzer

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