Umstellung des NK-Verbunds einer R 404 A / CO2-Hybridanlage auf Opteon XP40 von DuPont

10.04.2015 | Veröffentlicht in Ausgabe 04-2015

In einem Pilotprojekt hat der Kälteanlagenspezialist CREA S.p.A., Bellusco/Italien, im Juli 2014 den NK-Verbund einer R 404 A/CO2-Hybridanlage in einem Supermarkt einer italienischen Handelskette auf das neue Kältemittel Opteon XP40 von DuPont umgestellt. Im Vergleich zu R 404 A besitzt es einen um 65 Prozent verringerten GWP-Wert sowie eine signifikant verbesserte Energieeffizienz. Damit kann es dazu beitragen, die gesamten, aus dem Betrieb von Kälteanlagen resultierenden CO2-Emissionen signifikant zu reduzieren. Nach dem erfolgreich verlaufenen Test ist die Umstellung weiterer Supermärkte der Handelskette auf Opteon XP40 geplant. Joachim Gerstel und Nicolas Dietl, Neu-Isenburg

Das Kältemittel R 404 A ist in der Gewerbekälte weitverbreitet. Es besitzt ein sehr hohes Treibhauspotenzial (GWP-Wert: 3 922*), und damit betriebene Kälteanlagen verbrauchen vergleichsweise viel Energie. Die neue Europäische F-Gase-Verordnung (EG) Nr. 517/2014, die am 1. Januar 2015 in Kraft trat, sieht über einen Zeitraum von 15 Jahren eine schrittweise Beschränkung der am Markt verfügbaren Tonnen CO2-Äquivalente vor – insgesamt um ca. 80 Prozent bis zum Jahr 2030. Zudem gilt ab 1. Januar 2020 für den Großteil der gewerblichen Anwendungen ein Serviceverbot für HFKW mit einem GWP-Wert von 2 500 oder höher. Eine Umstellung von Kälteanlagen von R 404 A auf ein Kältemittel mit verringertem GWP-Wert ermöglicht den Weiterbetrieb solcher Anlagen auch über diesen Stichtag hinaus. Außerdem kann es dazu beitragen, die am Markt befindlichen CO2-Äquivalente signifikant zu reduzieren.

Die italienische Handelskette setzt in ihren Supermärkten überwiegend Kaskadenanlagen mit R 404 A für die Normal- und CO2 für die Tiefkühlung ein. Daher war das Unternehmen auf der Suche nach einer Alternative für R 404 A und entschied sich für einen Test mit Opteon XP40 von DuPont. Mit seinem GWP-Wert von 1 397* besitzt dieses Kältemittel gegenüber R 404 A ein um 65 Prozent verringertes Treibhauspotenzial und entspricht somit den Anforderungen der oben genannten Verordnung. Es eignet sich als Alternative zu R 404 A bzw. R 507 in neuen und bestehenden gewerblichen und industriellen Kühl- und Tiefkühlanlagen.

Der NK-Verbund (Bild 1) am StandortSeregno, der für das Pilotprojekt ausgewähltwurde, besteht aus sechs Schraubenverdichter (fünf Stück Bitzer HSK 6451-50, einStück Bitzer HSK 7471-90) und versorgt 73Kühlregale und sieben Kühlräume. Außerdem umfasst er einen kleinen Kühlkreislaufmit TEV zur Kühlung des Elektro-Schaltschranks, der den Frequenzumrichter be-herbergt, einen Plattenwärmeübertrager als Economizer (Unterkühleinheit) sowie einen Wärmeübertrager zur Wärmerückgewinnung. Alle Kühlregale und Kühlräume sowie die beiden Plattenwärmeübertrager, die die CO2-Kaskade anbinden, verfügen über elektronische Expansionsventile (EEV, insgesamt 80) und werden mit einem ADAP-KOOL Controller (EKC414A) von Danfoss geregelt. Der Ausgang des Economizers geht direkt in die Zwischenkühlung der Verdichter. Ein weiterer (dritter) Plattenwärmeübertrager befindet sich im CO2-Kreislauf und wird von einem kleinen, unabhängigen R 404 A-System gekühlt. Daher konnte der TK-Kreislauf während des Retrofits weiterbetrieben werden.

Ablauf der Umstellung

Die Umstellung auf Opteon XP40 erfolgte in der Nacht vom 12. auf den 13. Juli 2014. Verantwortlich für die Durchführung der Arbeiten war Franco Bresolin, Mitinhaber von CREA, der von Mark Hughes, Business Development Manager bei DuPont, unterstützt wurde.

Vor dem Retrofit wurden die EEV über die Software ADAP-KOOL von Danfoss aufdie neuen Werte für Opteon XP40 programmiert (Tabelle 1). Gleichzeitig wurde die R 404 A-Füllung – insgesamt 1 066 kg – in R-Zylinder abgesaugt und anschließend wurden, wie bei Wartungsarbeiten üblich, die Filtertrocknereinsätze ausgetauscht. Vor der Befüllung mit Opteon XP40 (zunächst 1 045 kg) wurde die Anlage innerhalb von acht Stunden auf 500 mbar absolut evakuiert. Danach wurden die Kühlregale und Kühlräume auf die gewünschte Temperatur heruntergekühlt (Dauer ca. 45 Minuten). Der Drucksollwert auf der Saugseite wurde für den Betrieb mit Opteon XP40 von vormals 3,0 bar auf 2,6 bar angepasst.

Während der Feinabstimmung wurde auch die Füllmenge mit dem neuen Kältemittel optimiert. Als Faustregel kann die Flüssigkeitsdichte bei Umgebungstemperatur herangezogen werden. Im Vergleich zu R 404 A besitzt Opteon XP40 bei einer Temperatur von 20 °C eine um vier Prozent höhere Dichte. Daher ist die empfohlene Füllmenge für Opteon XP40 nach der Um-stellung geringfügig höher als die Originalfüllmenge.

Analyse der Systemdaten

Zum Vergleich der Leistungsdaten vor und nach dem Retrofit stellte CREA die aufgezeichneten Messwerte für den Betrieb mit R 404 A für den Zeitraum Juni bis August 2013 sowie für den Betrieb mit Opteon XP40 ab dem 12. Juli bis zum 28. August 2014 zur Verfügung. Beim Energieverbrauch war keine Trennung der Daten für den NK- und den TK-Kreislauf möglich. Da im TK-Kreislauf aber keine Veränderungen vorgenommen wurden, wurde angenommen, dass Änderungen beim Energieverbrauch auf den Austausch des Kältemittels im NK-Kreislauf zurückzuführen sind.

Ein Vergleich der Daten zeigt, dass der Energieverbrauch mit R 404 A und Opteon XP40 an kühleren Tagen vergleichbar ist (Bild 2). Bei höheren durchschnittlichen Tagestemperaturen sinkt der Energieverbrauch mit Opteon XP40 um ca. 6 bis 7 Prozent. Betrachtet man lediglich den Temperaturbereich von 19 bis 26 °C, ergibt sich eine Energieeinsparung von 9 Prozent gegenüber R 404 A. Dieses positive Ergebnis bestätigt die bereits in zahlreichen Laboruntersuchungen und anderen Feldtests gewonnenen Erkenntnisse.

Zum Vergleich der Betriebsparameter vor und nach dem Retrofit wurden die Systemdaten für Tage mit Durchschnittstemperaturen von 19, 24 und 28 °C verglichen. Die Verflüssigungs- und Verdampfungstemperaturen sind für beide Kältemittel in etwa vergleichbar, wobei die Werte für Opteon XP40 leicht unter den Werten für R 404 A (Tabelle 2) liegen.

Die Temperatur am Verdichterausgang verändert sich nicht signifikant. Bei genauerer Betrachtung der Daten sieht man jedoch, dass die Überhitzung im Verdichter im Betrieb mit Opteon XP40 geringer ist. Dies erklärt, dass die Temperatur am Verdichterausgang niedriger ist als eigentlich erwartet. Ein weiterer Unterschied zwischen beiden Kältemitteln ist die höhere Flüssigkeitsunterkühlung bei Opteon XP40. Die für die oben genannten Durchschnittstemperaturen aufgezeichneten Daten zeigen ein normales Verhalten und deuten darauf hin, dass die Kälteanlage ordnungsgemäß arbeitet.

Mithilfe der Werte für diese drei Tage lässt sich für jeden der gemessenen Parameter ein Mittelwert berechnen. Anhand der täglichen Durchschnittswerte lässt sich eine theoretische Kreisprozessberechnung durchführen, die Rückschlüsse auf die Kälteleistung und den COP-Wert der Kälteanlage unter diesen Bedingungen zulässt. Die Berechnungen zeigen, dass sich die höhere Flüssigkeitsunterkühlung positiv auf die Kälteleistung von Opteon XP40 auswirkt. Im Vergleich mit R 404 A besitzt Opteon XP40 eine signifikant höhere Kälteleistung (ca. 8 Prozent) sowie einen deutlich höheren COP-Wert. Dies trägt ebenfalls zu einer Reduktion des Energieverbrauchs bei.

Fazit

Aus der im Vorfeld getätigten Analyse er-gaben sich keinerlei Bedenken gegen einen Retrofit auf Opteon XP40 (R 449 A), und die Ergebnisse bestätigten diese Annahme. Während des Retrofits wurden lediglich Anpassungen an den elektronischen Expansionsventilen sowie am Saugdruckregler vorgenommen. Die Arbeiten erfolgten während der Nacht, sodass der normale Geschäftsbetrieb nicht beeinträchtigt wurde. Die Kälteanlage läuft ohne Probleme, sodass einer Umstellung weiterer Verbrauchermärkte nichts im Wege steht.