Ein WRG-Modul für alle Fälle

17.07.2012 | Veröffentlicht in Ausgabe 07-2012

Im Parkhotel in Bad Bayersoien stand kürzlich die energetische Renovierung der Kälteanlage an. Das 4-Sterne-Hotel liegt eingebettet in der typischen Wiesenlandschaft oberhalb eines kleinen Sees mit Blick auf die Ammergauer Alpen. Die ursprüngliche Kälteanlage für den Normalkühlbereich bestand aus unzähligen Einzelaggregaten und wurde durch eine Verbundkälteanlage mit Wärmerückgewinnung ersetzt. Robert Baust, Oberhaching

Zum Einsatz kamen zwei halbhermetische Bock-Verdichter, die im Verbund arbeiten. Der Führungsverdichter wird mit einem Kimo-Frequenzumrichter betrieben. Der zweite Verdichter kommt je nach Kälteanforderung dazu. Damit beide Verdichter die gleiche Laufzeit haben, wechselt der Führungsverdichter regelmäßig. Die Kälteanlage versorgt die Kühlzellen, Kühltische, Theken und weitere Kleinkühlstellen mit Kälte. Da praktisch immer Kältebedarf besteht, läuft die Anlage im Dauerbetrieb mit nahezu konstanter Verdampfungstemperatur. Die Nennkälteleistung beträgt 11,6 kW bei t₀ = 10 °C, t_c = 45 °C und dem Kältemittel R 134 a. Erneuert wurde auch die Wärmerückgewinnung. Hier kam das Wärmerückgewinnungsmodul (WRG-Modul) vonSchiessl zum Zuge. Die Installation der gesamten Anlage wurde von Firma Trendline Schmötzer aus Murnau ausgeführt.

Stand der Technik

Leider führt die Wärmerückgewinnung bei gewerblichen Kälteanlagen ein Schattendasein. Häufig wird sie gar nicht eingesetzt, arbeitet nicht effizient oder verursacht Probleme. Bei der Wärmerückgewinnung steckt der Teufel sprichwörtlich im Detail. Ist der Speichertank kalt, müssen entsprechende Vorkehrungen getroffen werden, damit der Verflüssigungsdruck nicht unter die minimale Verflüssigungstemperatur abfällt und durch den fehlenden Vordruck am Expansionsventil Niederdruckstörungen verursacht. Wird längere Zeit kein warmes Wasser benötigt, kann durch Heißgasenthitzung die Temperatur am Wärmeübertrager auf über 60 °C ansteigen und es kommt zu Kalkausfällungen. Die Kalkausfällungen verschlechtern den Wärmeübergang der Wärmeübertrager und können bei Plattenwärmeübertragern gar zum Totalausfall führen. Üblicherweise wird ein luftgekühlter Verflüssiger verwendet, der im Außenbereich aufgestellt wird. In Deutschland beträgt die Durchschnittstemperatur 9 °C. Das heißt, 4380 h beträgt die Temperatur 9 °C oder weniger. Kältemittel kondensiert immer an der kältesten Stelle. Wird beim Betrieb Wärmerückgewinnung das Kältemittel über den Außenverflüssiger geführt, entstehen dort erhebliche Wärmeverluste, auch wenn der Ventilator nicht in Betrieb ist.

Die Leistung vom Außenverflüssiger wird üblicherweise mit einem Drehzahlregler gesteuert. Damit stellt sich die Frage, auf welche Verflüssigungstemperatur geregelt werden soll. Wird die Temperatur niedrig (z.B. auf 30 °C) eingestellt, wird das Wasser nie viel wärmer und viel Wärme geht über den Außenverflüssiger verloren. Stellt man die Temperatur hoch (z. B. auf 55 °C), läuft die Kälteanlage immer mit der hohen Verflüssigungstemperatur, auch wenn der Speicher geladen ist und keine Wärme mehr aufnehmen kann. Das ist nicht effektiv und verursacht erhöhte Betriebskosten. Häufig wird auch eine hohe Speichertemperatur als Indiz für eine effektive Wärmerückgewinnung angenommen. Hier wird schlichtweg Temperatur und Wärmemenge verwechselt.

Das WRG-Modul

Die Entwicklungsidee des WRG-Moduls war, mit einem Gerät sämtliche Probleme der Wärmerückgewinnung zu lösen und in Abhängigkeit der Speichertemperatur immer mit der niedrigst möglichen Temperatur zu verflüssigen. Die zur Verfügung stehende Wärmemenge soll zu 100 Prozent zurückgewonnen werden, ohne den Kälteprozess negativ zu beeinflussen.

Um die Funktionen des WRG-Moduls darzustellen, werden die einzelnen Schritte in drei Phasen unterteilt und dargestellt.

Phase 1

Der Speicherbehälter ist kalt. Die stetig re-gelbare Pumpe fördert nur so viel Wasser, dass die minimale Verflüssigungstemperatur (z.B. 30 °C) nicht unterschritten wird. Mitsteigender Wassertemperatur steigt die Drehzahl und der Volumenstrom der Pumpe. Die Pumpe erreicht schnell die volle Förderleistung, um die Verflüssigungstemperatur so niedrig wie möglich zu halten. Der wassergekühlte Verflüssiger der Wärmerückgewinnung ist großzügig ausgelegt und die Austrittstemperatur des Wassers entspricht ungefähr der Verflüssigungstemperatur. In dieser Phase gehen 100 Prozent der zur Verfügung stehenden Wärme ins Wasser.

Phase 2

Abhängig von der nachfolgenden Wassererwärmung ist es oberhalb einer bestimmten Verflüssigungstemperatur (z.B. 50 °C) nicht mehr wirtschaftlich, mit der Kälteanlage warmes Wasser zu erzeugen. Der Außenverflüssiger wird freigegeben und verflüssigt wieder mit der minimalen Verflüssigungstemperatur in Abhängigkeit der Außentemperatur. Trotzdem wird das Wasser durch die Heißgasenthitzung weiter erwärmt.

Phase 3

Wird beispielsweise am Wochenende kein Warmwasser benötigt, kann nur durch die Heißgasenthitzung die Temperatur so weit ansteigen, dass im Plattenübertrager Kalkausfällungen zu befürchten sind. In dieser Phase wird das WRG-Modul komplett im Bypass gefahren.

Weitere Funktionen

Zusätzlich wird das gesamte Wasser, das zur Erwärmung vorgesehen ist, über einen Unterkühler geführt und vorgewärmt bzw. das Kältemittel unterkühlt. Als Faustformel kann man rechnen: 1 K Unterkühlung vermindert die Betriebskosten um 1 Prozent. Alleine durch die Unterkühlung ergibt sich schon eine deutliche Minderung der Betriebskosten für die Kälteanlage.

Um das Trinkwasser (z.B. bei Leckagen der Wärmeübertrager) vor Verschmutzungen zu schützen, sind Verflüssiger und Unterkühler mit doppelwandigen Sicherheitsplattenwärmeübertragern ausgeführt.

Aus zwei Gründen sollte immer eine zentrale Wassernacherwärmung vorhanden sein.

Das WRG-Modul ist nicht dafür vorgesehen, eine bestimmte (hohe) Wassertemperatur zu erreichen. Im Gegenteil, umso niedriger die Wassertemperaturen sind, umso effektiver arbeitet das Kältesystem.
Damit es nicht zu einer Gefährdung durch Legionellen kommen kann, müssen mit der zentralen Wassernacherwärmung regelmäßig Temperaturen über 60 °C erzielt werden können.

Sollte es beim WRG-Modul zu einem Fehler (Pumpenausfall, Fühlerbruch etc.) kommen, würde die Kälteanlage mit einer Hochdruckstörung ausfallen. Dies wird durch einen externen Hochdruckbegrenzer bzw. Handschalter verhindert. Das WRG-Modul schaltet dann in den Bypass und die Verfügbarkeit der Kälteversorgung ist gesichert.

Damit das Kältemittel sich nicht unkontrolliert in den Außenverflüssiger verlagert, ist ein Verlagerungsschutz vorgesehen. Dieser verbindet den Außenverflüssiger über ein Kapillar und Magnetventil mit der Niederdruckseite des Kältekreises. Befindet sich das WRG-Modul in der Funktion Wärmerückgewinnung, ist das Magnetventil offen und der Verflüssiger wird leer gesaugt.

Das WRG-Modul ist in vier Größen mit 6 bis 28 kW Nennleistung verfügbar. Im Lieferumfang ist die komplette Verrohrung, Ventile, Pumpe, Plattenwärmeübertrager und Schaltschrank inkl. Regler enthalten. Der Regler wird vor Ort mit wenigen Parametern auf die gewünschten Funktionen eingestellt.

Die Wirtschaftlichkeit ist immer dann gegeben, wenn die von der Kälteanlage produzierte Wärmemenge gleich oder kleiner der benötigten Energiemenge für Warmwasser ist. Dies ist z. B. in Metzgereien oder Hotels mit Restaurant der Fall.

Für die Anschaffung des WRG-Moduls inkl. Speichertank und Installation müssen ca. 8000 Euro gerechnet werden. Die Nennwärmeleistung beträgt 28 kW. Die Kälteanlage kann mit einer durchschnittlichen Laufzeit von 12 h im Jahresmittel gerechnet werden. Die erzeugte Wärmemenge beträgt also 122000 kWh (= 28 kW x 12 h x 365)pro Jahr. Beim aktuellen Heizölpreis um 0,9 Euro pro Liter muss auch mit einem Wärmepreis von 0,09 Euro/kWh gerechnet werden. Für die vom WRG-Modul produzierte Wärmemenge hätte also für 11000 Euro (= 122000 kWh x 0,09 Euro/kWh) Heizöl verbrannt werden müssen. In diesem Fall beträgt die Rentabilität weniger als ein Jahr.