Effizienz gewerblicher Kältesysteme
Bild 3 zeigt eine Kombination aus der Feldanalyse [Finckh, 2011, HFC 404A und Standard-R 744-Booster] und den neuesten Ergebnissen aus der Ejektor-unterstützten Parallelverdichtungssystem-Simulation mit verschiedenen Druckniveaus im Abscheiderund in überfluteten Verdampfern für den gesamten Bereich der Umgebungstemperaturbedingungen.
Der Temperaturbereich für R 744-Systemsimulationen wurde vergrößert. Ausgangspunkt ist die Anpassung des Modellesmithilfe der Leistungszahlen (COP) bei moderaten Temperaturen. Die Randbedingungen für den Aufbau von R 744-Systemen wurden angepasst, sodass die Simulationsergebnisse des Standard-R 744-Boostersystems mit den Ergebnissen aus den Feldmessungen übereinstimmen. Die gleichen Komponenten-Performance-Spezifikationen wurden für das Ejektor-unterstützeParallelverdichtungssystem sowie für das Boostersystem verwendet.
Es wurde des Weiteren angenommen, dass die relative Kälteleistung (bei Umgebungsbedingungen unter 25 °C) 50 Prozent der gesamtinstallierten Leistung beträgt. Bei erhöhten Umgebungstemperaturen steigt der Kältebedarf der Kühlstellen und Kühlräume an, wie es durch die blaue Linie angenommen und zu erkennen ist.
Bild 4 zeigt die Leistungszahlen bei verschiedenen Umgebungstemperaturenund verschiedenen Verhältnissen zwischenNormalkühlleistung (100 Prozent) und Anforderung von Klimatisierungsleistung.Die Leistungszahlen ohne Klimatisierungsanforderung deckt sich mit den Werten aus Bild 3. Je größer der Anteil der Klimatisierungsleistung wird, umso größer wird auch die Arbeit der Parallelverdichter, diese haben jedoch einen höheren Saugdruck als die Normalkühlverdichter. Deshalb wird die Gesamtleistungszahl der Anlage höher, je höher der Betrag der Kühlleistung wird, welche bei den erhöhten Verdampfungstemperaturen bereitgestellt wird. Die Verdichterausführung und Leistungsfähigkeit auch bei niedrigen Kältemittelmassenströmen müssen jedoch den erhöhten Saugdruckbedingungen angepasst werden, um die Vorteile des reduzierten Energieverbrauches auch in der Realität zu erhalten.
Bei Umgebungstemperaturen über 42 °C steigt die Menge des benötigten Flash-Gases für den Klimatisierungsaustrittstrom im Vergleich zum flüssigen Kältemittel stärker an, begründet durch die Eigenschaften von CO2 nahe des kritischen Punktes. Daher wird geringfügig mehr Energie benötigt, um den geforderten Kältemittelmassenstrom zu zirkulieren. Dies führt zu einer geringfügig reduzierten Leistungszahl im Vergleich zum System ohne Klimatisierungsleistung.
Bild 5 zeigt den Hauptmassenstrom durch verschiedene Komponenten bei Umgebungstemperaturen von 40 °C und bei verschiedenen Druckhüben im Ejektor. Bei geringen Druckhüben, beispielsweise bei einem niedrigen Abscheiderdruck von 38 bar, können die Ejektoren nahezu den gesamten Dampf von den Normalkühlverdampfern in den Separator vorverdichten, sodass die meiste Arbeit von den Normalkühlverdichtern zu den Parallelverdichtern verschoben wird. Wenn mehr Expansionsarbeit genutzt werden muss, um den Dampf von den Verdampfern in den Abscheider vorzuverdichten, verringert sich der durch die Ejektoren angesaugte Massenstrom, während die Normalkühlverdichter eine größere Menge an Dampf von den Verdampfern verdichten müssen. Trotzdem steigert sich die Leistungszahl der Anlagen um 9 Prozent.
Wenn Klimatisierungsleistung vom Gebäude angefordert wird, sind die Parallelverdichter dazu in der Lage, auch diese Kühlleistung zur Verfügung zu stellen. Abhängig von der Effektivität der Ejektoren, die den zusätzlichen Treibmassenstrom, der aufgrund der Klimaverdampfer zu Verfügung steht, wird dieser zusätzliche Massenstrom durch die Triebdüsen der Normalkühlejektoren in der fünften Säule in Bild 5 gezeigt.
Energieverbrauchsberechnungen
In diesem Abschnitt werden die temperaturabhängigen Werte der Leistungszahlen (Bild 3) mit der Anzahl von Stunden einer jeden Temperatursäule (s. Bild 1 aus KK 3/2016) multipliziert. Die Ergebnisse des gesamten Energiebedarfs werden dann zu einem Jahresenergiebedarf für die einzelnen Städte zusammengefasst. Bild 6 zeigt die relativen Unterschiede im Energiebedarf in den verschiedenen Regionen eines Kontinents. Die HFC 404A-Systeme in den Städten (mit *“ gekennzeichnet) sind die Grundlage / Basiswert für den kontinentalen Vergleich. Durch die höheren Anteile an Arbeitsstunden bei hohen Umgebungstemperaturen (s. auch Bild 1 aus KK 3/2016) benötigen die gewerblichen Kälteanlagen in den heißen Regionen mehr Energie, verglichen mit denen in kälteren Teilen der Erde bzw. Kontinente.
Für den Bereich Chicago benötigt eine R 744-Anlage nur 50 Prozent bis 65 Prozent der jährlichen Energie verglichen mit einer HFC 404A-Anlage in El Paso, Texas, während eine HFC 404A-Anlage 74 Pro-zent benötigen würde. Die gewerblichen Kälteanlagen in den nördlichen RegionenSüdamerikas benötigen mehr Energie verglichen mit denen, die in südlichen Regio-nen (z. B. Santiago oder Punta Arenas) installiert sind.
Die gewerblichen Kälteanlagen in Rom, Lissabon und Athen benötigen mehr Energie als die Anlagen, die im zentralen Spanien (Madrid) installiert sind. Verglichen mit den HFC 404A-Anlagen in Mombasa benötigen die Ejektor-unterstützten Anlagen (15-bar-Drucksteigerung) in Kapstadt nur 40 Prozent der Energie, während die normalen HFC 404A-Anlagen in südlichen Standorten Afrikas immer noch 62 Prozent brauchen.
In Indien haben die gewerblichen Kälteanlagen fast flächendeckend den gleichen Energiebedarf. Ein leicht erhöhter Bedarf wird im südlichen Indien (Chennai/Madras) gemessen, verglichen mit den Anlagen, die mehr im Norden, zum Beispiel in Kalkutta (Kolkata), installiert sind.
Eine gewerbliche Ejektor-unterstützte R 744-Kälteanlage (15-bar-Druckanstieg) in Guangzhou benötigt 90 Prozent der Energie, die eine HFC 404A-Anlage in Beijing benötigen würde. Wohingegen eine HFC 404A-Anlage in Guangzhou 34 Prozent mehr Energie als eine HFC 404A-Anlage in Beijing benötigt.
Verglichen mit einer HFC 404A-Anlage in Darwin benötigt die Ejektor-unterstützte R 744-Anlage (15-bar-Anstieg) in Melbourne nur 39 Prozent der Energie, während eine Standard HFC 404A-Anlage in den meisten südlichen Standorten immer noch 60 Prozent benötigen würde. In Sydney würde eine Ejektor-unterstütze R 744-Anlage (15-bar-Steigerung) 44 Prozent oder 46 Prozent von einer in Perth stationierten Anlage benötigen.
Feldversuche
Eine Multiejektor-Pilotanlage wurde im Sommer 2015 in Spiazzo (Südtirol) in Betrieb genommen. Bild 7 zeigt den Energiebedarf der Verdichtergruppen an zwei aufeinanderfolgenden Tagen. AC wird mit den Parallelverdichtern bereitgestellt. Der Energiebedarf reduziert sich auf 25 Prozent, wenn die Ejektoren die Parallelverdichteranlage unterstützen.
Fazit und Ausblick
Ein erweiterter Multi-Ejektor-R 744 parallelverdichtender Kreislauf mit Klimatisierungsunterstützung wurde vorgestellt. Dieser repräsentiert die nächste Generation der gewerblichen R 744-Kältetechnologie, welche weltweit anwendbar ist. Der Einfluss auf die Systemleistungsfähigkeit verschiedener Klimatisierungs- und Normalkühlleistungenszenarien wurde beschrieben.
Wenn höhere Abscheiderdrücke möglich sind, kann die Leistungszahl einer R 744-Ejektor-Anlage weiter steigen, was zu einem höheren Energiesparpotenzial für den Einsatz in warmen Regionen rund um den Globus führen kann.
Der relative Energieverbrauch alternativer gewerblicher R 744-Kälteanlagen wurde für verschiedene Standorte weltweit untersucht. Es wurde ein Vergleich von dem Stand der Technik entsprechend HFC 404A-Anlagen und deren im Feld gemessenen Leistungsdaten in einer jährlichen Annäherung unter Berücksichtigung der sich stündlich ändernden Umgebungstemperaturen vorgenommen. In der weltweiten Energieanalyse wurde ledig-lich der Energieverbrauch der Anlagen untersucht. Der direkte Umwelteinfluss mit Beziehung auf Produktion von Kältemitteln und reale Leckagen wurde nicht berücksichtigt. Dies würde jedoch einen signifikanten negativen Einfluss auf die Bilanz für HFKW- und HFCKW-Anlagen haben. Im Vergleich zu einer HFC 404A-Anlage hat eine Ejektor-unterstütze R 744-Anlage mit Parallelverdichtung und einem Druckanstieg von 15 bar die höchsten Energieeffizienzwerte.
Die ersten Pilotanlagen verschiedener alternativer R 744-Systemlösungen wurden in dieser Arbeit beschrieben. Diese werden zurzeit gebaut oder sind schon im Betrieb, wie in Kapitel Feldversuche“ gezeigt. Die durch Laborversuche ermittelte Steigerung des Anlagenwirkungsgrades, wenn Ejektoren zum Einsatz kommen, kann auch in den Pilotanlagen gemessen werden. Wichtiges praktisches Wissen ist verfügbar, sodass die Entscheidungsträger und die führenden Komponentenhersteller sich nun für eine effiziente und umsetzbare Lösung für Südeuropa, Asien, Afrika, Amerika und Australien entscheiden können. Dies sind Regionen mit hohen Umgebungstemperaturen, in denen zurzeit noch keine R 744-Technologie angewandt wird.
Innovation in Bezug auf R 744-Anlagen ermöglicht nun einen globalen Einzug in gewerblichen Kälteanlagen, was den Einsatz von HFKWs in diesem Sektor unnötig macht, unterstützt durch jährliche Energieeinsparungen und nicht nur wegen der GWP-Thematik aufgrund von Leckagen. Des Weiteren werden die energieeffizienten und flexiblen R 744-Anlagen der nächsten Generation, die Lebenserhaltungs- und Servicekosten (absolute Kosten) für den Betreiber bei einer Anwendung der Anlagen 24/7 über Jahrzehnte reduzieren. Dadurch kann ein wichtiger Markt für transkritische R 744-Kälteanlagen außerhalb des nördlichen Europas eröffnet werden, wenn man den örtlichen Anwendern ermöglicht, solche Anlagen beim Endnutzer einzubauen. Zahlreiche Installationen außerhalb von Europa sind nötig, um einen langsichtigen Trainings- und Technologieaustausch zu ermöglichen, nur dann wird die Akzeptanz der Endkunden zu erlangen sein.
Prof. Dr.-Ing. Armin Hafner,
NTNU, Department of Energy and Process Engineering, Trondheim, Norwegen
Fußnoten
Literaturhinweise siehe KK 3/2016, Seite 28 ff.
