Dazu muss der Aufbau gewerblicher R 744-Kälteanlagen erweitert werden. Diese zusätzlichen Aufgaben sind so effizient wie möglich zu erfüllen, z. B. durch eine genauere Regelung der Verdampfungstemperaturen und Verdampferaustrittsbedingungen für Tief-, Normal- und Klimakühlung (AC). Der Einsatz von Hilfsverdampfern für Wärmepumpen- und den Klimabetrieb wird diskutiert. Zusätzlich zu den Regelungsstrategien zur Verbesserung des integrierten Multi Ejektors, der das Parallelverdichtersystem verbessert. Im Vergleich zu herkömmlichen HFC 404 A-Anlagen haben Ejektor-unterstützte R 744-Anlagen mit Parallelverdichtern und einer Druckanhebung von ungefähr 15 bar die besten Jahresarbeitszahlen und stellen die nächste Generation der R 744-Technologie dar. Sie sind global einsetzbar und tragen signifikant dazu bei, die direkten und indirekten Treibhausgasemissionen dieses Sektors wesentlich zu reduzieren.
Einführung
Die Rückkehr von Kohlendioxid als Arbeitsmedium geschah in den späten 80er-Jahren durch Gustav Lorentzen [1992/94/95], als für viele Anwendungsgebiete ein möglicher Wechsel von (H)FCKWs zum natürlichen Arbeitsmedium R 744 erkannt wurde. Nicht nur, um den Energieverbrauch zu reduzieren, sondern auch die Vorteile des Umwelteinflusses betreffend. Ein gutes Beispiel dafür sind Fahrzeugklimaanlagen. Deren Effizienz konnte durch den Wettbewerb von HFKWs und R 744-Systemen in den Jahren von 1995 bis 2005 um über 100 Prozent verbessert werden. In Japan sind R 744-Wärmepumpen für Nutzwassererwärmung zu einer üblichen Anwendung geworden [Nekså, 2010]. Und bis jetzt wurden über 4 Millionen solcher Anlagen zumeist in privaten Haushalten installiert [Hafner, 2015, Ohrid].
Der gewerbliche Kältesektor befindet sich zurzeit in einer Innovationsperiode. Vor vier Jahren präsentierte Finckh et al. [2011] die gemessene COP cross over temperature region“ auf Basis von Standard R 744-Booster-Systemen im Bereich von 22 bis 26 °C im Vergleich zu kommerziellen HFC 404 A-Anlagen. Das einfacheR 744-System hat einen etwas reduzierten COP bei erhöhten Außentemperaturen. Das bedeutet, dass der Energieverbrauch in Mittel- und Nordeuropa in einigen wenigen Stunden im Jahr geringfügig höher sein kann im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen. Jedoch ist der Jahresenergieverbrauch von herkömmlichen R 744-Booster-Anlagen geringer als der von HFKW-Anlagen in moderaten Klimaregionen bei entsprechenden Kälteanforderungen.
In den letzten Jahren wurde viel Aufwand in die Entwicklung gewerblicher R 744-Kläranlagen gesteckt und Ergebnisse sind erkennbar [Serwas, 2013], [Girotto, 2013] und [Hafner, 2012], d. h. eine deutliche Verbesserung der Energieeffizienz von R 744-Anlagen konnte erzielt werden. Eine der untersuchten alternativen Systemkonfigurationen ist das sogenannte mechanische Unterkühlungssystem. Unter Anwendung einer zusätzlichen Kälteanlage (mit z. B. Kohlenwasserstoffen wie R 290 als Arbeitsmedium) wird in der R 744-Booster-Anlage die Kältemittelaustrittstemperatur des luftgekühlten Gaskühlers zusätzlich unterkühlt, wenn diese durch erhöhte Außentemperaturen ansteigt. Diese Konfiguration hat jedoch negative Auswirkungen auf die Investitionskosten und das Risiko, dass interne Leckagen zwischen den beiden Systemen zu Fehlern in der Anlage führen können.
Eine weitere alternative ist die Rückgewinnung von Expansionsarbeit, welche viele Optionen für Verbesserung von Leistungsfähigkeit und Effizienz mit sich bringt. Die Umsetzung von Expandern [Gerber et al., 2011] ist schwierig und die Zuverlässigkeit vieler beweglicher Teile ist eine weitere Herausforderung. Andererseits hat der Einsatz von Ejektoren in Verbindung mit Parallelverdichtern gezeigt [Hafner et al., 2014; Minetto et al., 2015], dass diese Technologie sicher ist und eine kostengünstige Alternative mit alternativen Konfigurationsmöglichkeiten darstellt.
Hellmann et al. [2014] beschreiben ein System mit regelbarem Ejektor, welches in einer Anlage in Spanien angewendet wird. Diese Anlage kann mit und ohne Ejektor betrieben werden. Aufgrund der Ejektorbeschaffenheit arbeitet die Anlage im Winter im normalen Boosterbetrieb (Nieder- und Hochdruckseitig). Wohingegen beim Betrieb bei hohen Außentemperaturen (Sommerbetrieb), wenn der Treibdüsen-Massenstrom ausreichend Expansionsarbeit zur Verfügung stellt, der Ejektor den gesamten Dampf von den Normalkühlverdampfern absaugen kann. Die Verdampfer sind nicht überflutet, d. h. sie werden herkömmlich mit einer Überhitzung betrieben.
Ein sogenanntes Venturi-Prinzip wird in der Schweiz getestet. Diese Anlage benötigt einen bestimmten Massenstrom, um die benötigte Druckdifferenz zu erhalten, die eine erfolgreiche Rückführung von Kältemittel nach den Verdampfern in den Abscheider ermöglicht.
Das Multi-Ejektor-Konzept [Hafner, 2012] wird in verschiedenen Pilot-Supermärkten in der Schweiz und in Italien angewendet und kann durchgehend (365 Tage im Jahr) mit überfluteten Verdampfern, dadurch z. B. mit einer Verdampfungstemperatur von 2 °C, betrieben werden. Verschiedene Ejektoren mit unterschiedlichen Geometrien und Leistungsbereichen werden angewendet. Das unabhängige Design der Ejektoren ermöglicht eine weitestgehend geschmeidige Regelung der Hochdruckseite für verschiedene Kälteleistungen und Arbeitsbedingungen. Bestimmte Ejektoren werden dazu verwendet, um entweder flüssiges Kältemittel und Schmierstoffe zurück zum Abscheider zu pumpen oder um Dampf in diesen vorzuverdichten. Dadurch wird die Arbeit direkt von den Normalkühlverdichtern zu den Hilfsverdichtern umgeleitet – und das mithilfe der ansonsten ungenutzten Expansionsarbeit.
Die Einbindung des Tiefkühlkreislaufs zeigt Wiedenmann [2015]. Das zuvor erwähnte Multi-Ejektor-Konzept wird hier zusätzlich für die überfluteten Tiefkühlverdampfer genutzt, um die angeforderte Kühlleistung im Tiefkühlkreislauf, bei einer Verdampfungstemperatur von –25 °C, zur Verfügung zu stellen. Die Energieeinsparung durch Nutzung des Multi-Ejektor-Konzepts, verglichen mit dem konvertiblen Betrieb mit parallelen Verdichtern, wurde mit 20 Prozent im Supermarkt gemessen.
Die Anzahl gewerblicher transkritischer Kälteanlagen in Europa steigt schnell, da die Betreiber der Anlagen immer bedachter auf den CO2-Fußabdruck, den Energieverbrauch und den gesamten Umwelteinfluss ihrer Firmen sind. Wie zuvor gezeigt, entwickelt die Industrie Standardlösungen, um durch Produktion größerer Stückzahlen Preisvorteile zu erhalten. So energieeffizient die bestehenden transkritischen R 744-Booster-Anlagen in den meisten Regionen sind, umso dringender ist es, die nächste Generation transkritischer Systemkonfigurationen zu demonstrieren, welche den Markt für gewerbliche Kältetechnik in den südeuropäischen und wärmeren Regionen weltweit öffnen. Sogar in Nordeuropa ist die Klimatisierung während des Sommers nötig. Zurzeit sind Vollklimaanlagen meist mit eigenen Kühlaggregaten und Verflüssigern versehen, welche HFKWs nutzen. Unter Anwendung von R 744 parallelverdichtenden Anlagen steht neben dem Tiefkühl- und Normalkühltemperaturniveau eine weitereDruckstufe zur Verfügung. Diese erfüllt genau die Anforderungen für die Anwendung effizienter Klimatisierung für die Gebäude, in denen sich der Supermarkt befindet.
Diese Arbeit zeigt die Erkenntnisse [Hafner & Hemmingsen et al., 2014], welchefür eine Analyse über den Energiebedarf von Supermarktinstallationen kombiniert und angewandt wurden und verschiedene globale Klimabedingungen berücksichtigen. Außerdem wird die Einbindung einer Klimatisierungsfunktion in die bestehenden Multi-Ejektor-Konfigurationen ausgewertet. Des Weiteren wird der Einfluss verschiedener Abscheiderdruckniveaus bezüglich der Leistungsfähigkeit und Effektivität des gesamten R 744-Systems kenntlich gemacht.
Modelle und Methoden
Zahlen über die Effizienz von installierten gewerblichen R 744-Booster-Kälteanlagen wurden bereits mehrfach veröffentlicht [Finck et al., 2011]. Um die Effizienz des Systems auch bei Temperaturen über 26 °C zu erhöhen, hat sich das Multi-Ejektor-Konzept als eine realisierbare Lösung gezeigt. Auf Basis von experimentell basierender Ejektor-Wirkungsgrade [Banasiak et al., 2012] und tatsächlichen Verdichter-Wirkungsgraden wurde ein vereinfachtes Modell benutzt, um Systemwerte für die Systemeffizienz bei verschiedenen Umgebungstemperaturen vorherzusagen. Diese Wirkungsgrade wurden genutzt um:
den Einfluss verschiedener Abscheiderdruckniveaus zu untersuchen,
die Leistungsfähigkeit der Anlage unter verschiedenen Bedingungen für Normalkühlung und Klimatisierung zu bewerten,
den Energiebedarf in verschiedenen Städten weltweit auf Basis von aufgenom-menen Temperaturangaben zu berechnen, um diese mit anderen Anlagenkonfigurationen vergleichen zu können.
Klimabedingungen
Die Meteonorm-7-Datenbank wurde genutzt, um die Umgebungstemperaturbedingungen für folgende Gegenden zu ermitteln:
vier nordamerikanische Städte: Chicago, Los Angeles, El Paso und New York
vier südamerikanische Städte: Panama, Rio de Janeiro, Santiago de Chile und Punta Arenas
vier südeuropäische Städte: Lissabon, Rom, Madrid und Athen
vier afrikanische Städte: Kairo, Mombasa, Dakar und Kapstadt
vier indische Städte: Kalkutta, Mumbai (Bombay), Chennai (Madras) und New Delhi
vier chinesische Städte: Peking, Shanghai, Guangzhou and Hangzhou
vier australische Städte: Perth, Darwin, Melbourne und Sydney
Bild 1 zeigt die Temperatursäulen (5-K- Intervalle) unter Angabe verschiedener Klimazonen weltweit.
Gewerbliche Kälteanlagen
Die Energieeffizienz verschiedener alternativer Ejektor-unterstützter R 744 parallelverdichtender Anlagen wird unter hohen Umgebungstemperaturen verglichen. Nur der Temperaturteil für Normalkühlung wird in den Bildern gezeigt, da die Tiefkühltemperaturen, das heißt für den Gefrieranteil in allen Konfigurationen gleich sind.
Randbedingungen, Voraussetzungen und Konzepte
Die Daten für die charakteristischen Verdichterleistungszahlen (für isentropen Wirkungsgrad als Funktion des Druckverhältnisses) sind aus öffentlich zugänglichen Literaturquellen entnommen. Der Flash-Gas Behälter(Abscheider)-Betriebszustand wird zwischen 38 und 48 bar variiert, da ein richtig ausgelegter Ejektor bei hohen Verdichtungsenddrücken einen Druckanstieg von 20 bar bewältigen kann. Alle Verdampfer arbeiten überflutet.
Die Ejektoren ermöglichen, unter Nutzung der Expansionsarbeit, die normalerweise ungenutzt im Drosselventil abgebaut wird, eine Energierückgewinnung und regeln aktiv den Hochdruck in Abhängigkeit der Umgebungstemperaturen und der Leistungsanforderungen, um z. B. das System bei optimalen Arbeitszahlen arbeiten zu lassen. Die Hilfs-/Parallel- und die Normalkühlverdichter sind saugseitig entweder mit dem Niederdrucksammler nach den Verdampfern bzw. mit dem Austritt der Ejektoren, d. h. dem Abscheider verbunden. Der Ejektor wird dazu genutzt, eine variable Druckdifferenz zwischen Abscheider und dem Niederdrucksammler nach dem Verdampfer aufrechtzuerhalten, sodass das flüssige Kältemittel auf die Verdampfer in den Kühlstellen verteilt und mithilfe der Ejektoren größtenteils wieder zurück zum Abscheider zurückgeführt werden kann.
Bild 2 zeigt den konzeptionellen Umriss eines erweiterten R 744-Multi-Ejektor-Parallelverdichtungkreislaufs mit Unterstützung für Klimatisierung. Die Normalkühlung wird mit einer Verdampfungstemperatur von ca. 2 °C ermöglicht (wie in Schweizer Pilotanlagen demonstriert). Sollte flüssiges Kältemittel aus den Verdampfern zurückkommen, wird dies vom Niederdrucksammler aufgenommen und (wenn angefordert) mit den Flüssigkeitsejektoren wieder in den Abscheider zurückgepumpt. Die Tiefkühlleistung wird mit einer Verdampfungstemperatur von 25 °C ermöglicht. Sollte flüssiges Kältemittel aus den Tiefkühlverdampfern zurückkommen, wird dieses durch den internen Wärmeübertrager (durch den Austrittsstrom des Abscheiders) unterkühlt, bevor es zum Saugstutzen der Tiefkühlverdichter gelangt. Eine Klimatisierungskälteleistung kann, wenn gefordert, über einen Verdampfer mit einer Verdampfungstemperatur von zum Beispiel +8 °C unter Anwendung eines zweiten Ejektors bereitgestellt werden. Ein vereinfachter Wärmeübertrager nach den Verdichtern ist in der Skizze mit integriert. Jedoch sollten in Abhängigkeit von Standort und Heizanforderung des Gebäudes mehrere Wärmeübertrager integriert werden [Hafner et al., 2014, GL]. Der Tiefkühlverdichtermassenstrom kann entweder in den Saugstrom der Parallelverdichter oder in den der Normalkühlverdichter, abhängig vom Verhältnis der verschiedenen Temperaturniveaus, geführt werden.
Bei niedrigen und moderaten Umgebungstemperaturen arbeiten effektive R 744-Systeme wie ganz normale unterkritische Anlagen. In diesem Fall ist ein Druckhub mithilfe des Ejektors beschränkt, da die nötige Expansionsarbeit reduziert ist. Der Hauptteil des Dampfaustrittsstroms des Sammlers wird nun von den Normalkühlverdichtern verdichtet. Der reduzierte Hochdruck reduziert das Mitreißverhältnis der Ejektoren, welches den Anteil des angesaugten Kältemittels beschreibt, bei einer vorgegebenen Druckdifferenz beider Abscheider. Priorität liegt dabei auf dem Zurückführen des flüssigen Kältemittels, damit das System immer in der Lage ist, mit überfluteten Verdampfern die Verdampfungstemperatur der Normalkühlverdampfer an die 2 °C heranzuführen.
Der zweite Teil des Beitrags erscheint in der KK 4. Dann geht es um die Effizienz gewerblicher Kältesysteme, um Energieverbrauchsberechnungen, um Feldversuche und um einen Ausblick.
Prof. Dr.-Ing. Armin Hafner,
NTNU, Department of Energy and Process Engineering, Trondheim, Norwegen
Fußnoten
Literatur
Banasiak, K., Hafner, A., Andresen, T., 2012. Experimental and numerical investigation of the influence of the two-phase ejector geometry on the performance of the R 744 heat pump, International Journal of Refrigeration. 35, pp. 1617–1625.
Bitzer Kühlmaschinenbau GmbH, 2010. Kältemittelreport 16, Sindelfingen, s. n.
Finckh, O., Schrey, R., and Wozny, M., 2011. Energy and efficiency comparison between standardized HFC and CO2 transcritical systems for supermarket applications. ICR 2011, August 21–26, Prague, Czech Republic, ID: 357.
Gerber, R., and Wenzel, M., 2011. Integration of an expansion compression unit for CO2 into a refrigeration system in the field. Proceedings of the ICR 2011, August 21–26, Prague, Czech Republic, ID: 533.
Girotto, Sergio, 2013. Enex, Proceedings of the Atmosphere 2013 Conference Brussels.
Hafner, A., 2015. 2020 Perspectives for CO2 refrigeration and heat pump systems. Proceedings of the 6th IIR International Conference: Ammonia and CO2 Refrigeration Technologies, Ohrid, Macedonia, April 2015
Hafner, A., Försterling, S., and Banasiak, K., 2014. Multi-ejector concept for R 744 supermarket refrigeration; International Journal of Refrigeration. 43 (2014), pp. 1–13.
Hafner, A., Claussen, I. C., Schmidt, F., Olsson, R., Fredslund, F., Eriksen, P. A., Madsen, K.B., 2014. Efficient and integrated energy systems for supermarkets. Proc. 11th IIR G. L. Conf. on Natural Refrigerants, Hangzhou, China
Hafner, A., Poppi, S., Nekså, P., Minetto, S., and Eikevik, T. M., 2012. Development of commercial refrigeration systems with heat recovery for supermarket buildings. Proceedings of the 10th IIR-Gustav Lorentzen Conference on Natural Working Fluids, Delft, Nederland, 2012, paper No. 192.
Hafner, A., Hemmingsen, A. K., Van de Ven, A., 2014. R 744 Refrigeration system configurations for supermatkets in warm climates. Proccedings of the 3rd IIR Int. Conference on Sustainability and the Cold Chain, London, UK.
Hafner, A., Hemmingsen, A. K., Nekså, P., 2014. System Configurations for Supermarkets in Warm Climates applying R 744 Rerfrigeration Technologies. Case Studies of Selected Chinese Cities. Proceedings of 11th IIR Gustav Lorentzen Conference. August. Hangzhou, China
Hafner, A., Schönenberger, J., Banasiak, K., Girotto, S., 2014. R 744 Ejector supported parallel vapour compression systems. Proccedings of the 3rd IIR International Conference on Sustainability and the Cold Chain, London, UK.
Hellmann, S., Kren, C., Brouwers, C., 2014. Entwicklung und Erprobung von regelbaren Ejektoren für CO2-Kälteanlagen. Proceedings of the DKV annual meeting, Düsseldorf, Germany, November 19.–21.
Lorentzen, G., and Pettersen, J., 1992. New Possibilities for Non-CFC Refrigeration. Proceedings from International Symposium on Refrigeration, Energy and Environment, Trondheim, pp. 147–163, June 22–24, pp. 147–163.
Lorentzen, G., 1994. Revival of Carbon Dioxide as a Refrigerant. Int. J. of Refrigeration, Vol. 17, No. 5, pp. 292–301.
Lorentzen, G., 1995. The use of Natural Refrigerants: a Complete Solution to the CFC/HCFC Predicament. Int. Journal of Refrigeration, Vol. 18, No. 3, pp. 190–197.
Minetto, S., Girotto, S., Rossetti, A., and Marinetti, S., 2015. Experience with ejector work recovery and auxiliary compressors in CO2 refrigeration systems. Technological aspects and application perspectives. Proceedings of the 6th IIR Conference on Ammonia and CO2 Refrigeration Technologies, Ohrid, 2015.
Nekså, P., Walnum, H. T., and Hafner, A., 2010. CO2-A refrigerant from the past with prospects of being one of the main refrigerants in the future, 9th IIR GL Conf. 2010, Sydney, ISBN 978-2-913149-74-8, ISSN 0151-1637.
Serwas, L., 2013. Carrier, Proceedings of the Atmosphere2013 Conference Brussels.
Wiedenmann, E., 2015. CO2-Refrigeration systems for tropical regions. Proceedings of the ATMOsphere Europe 2015 Conference Brussels.
