Verglichen wird nachfolgend die Standard- Kälteanlage mit einer Regelung für konstante to und tc mit der optimierten Regelung von to nach Kühllast und tc nach Umgebungstemperatur. Die Einsparung beträgt nach der Berechnung wie auch nach den Messungen ca. 22% vom Energieverbrauch der gesamten Kälteanlage, also der Verdichter, Verflüssiger und der Kühlstellen.
Vorausberechnung und Energieberatung
Bewertung vorhandener Anlagen: Ein Kälteanlagen-Simulationsmodell (Bild 1) berechnet über die Eingabe der Daten von einer einwöchigen Messung der Betriebstemperaturen und Schaltzeiten der Verdichter sowie der Verdichterdaten ein Kühllastprofil. Danach wird nach der Wahl des Standortes, ein Referenzjahr für die Außentemperaturdaten für die Kälteanlage festgelegt. In einem weiteren Simulationsmodell wird der jährliche Energieverbrauch berechnet.
Damit steht der Energieverbrauch von vorhandenen Anlagen für ein Jahr nach nur einer Woche Messung zur Verfügung. Nun kann berechnet werden, ob Investitionen zur Verbesserung des Energieverbrauchs amortisierbar sind.
Planung von Neuanlagen mit optimiertem Energieverbrauch: Es kann aber auch für Neuanlagen, der jährliche Energieverbrauch ohne Messung, über die Wahl von Kühllastprofilen und der Verdichterdaten berechnet werden. Damit können verschiedene Szenarien der Komponentenauswahl und Betriebsbedingungen simuliert werden. Eine energetisch optimierte Kälteanlage lässt sich somit im Voraus berechnen.
Beispiel einer Berechnung für eine Plus-Verbundanlage eines Supermarktes
1. Auswahl der Verdichter. Aus einer Datenbank für Verdichter von verschiedenen Herstellern werden für die Verbundanlage 4 Stück D4DA-200 ausgewählt.
2. Eingabe der Betriebsdaten für die Niederdruckseite. Eingabe der Gesamtkühllast von Qo=113kW beim Auslegungspunkt der Kühlmöbel von 26°C Umgebungstemperatur. Die Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur wird mit in 3%/K gewählt. Diese Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur beginnt beim Auslegungspunkt der Kühlmöbel bei 26°C und wird bei 20°C begrenzt. Auswahl des to-Tag-Nacht-Verlaufs zwischen 10°C bis 11°C bzw. den Jahresmittelwert von to=9°C bei optimierter Regelung.
3. Eingabe der Betriebsdaten der Hochdruckseite. Wahl der tc-Regelung mit konstanter Regelung bei 30°C oder abhängig von der Umgebungstemperatur bis tcmin=15°C. Eingabe der Daten des Verflüssigers 272kW bei Δt=15K.
4. Wahl des Standortes. Für die Ermittlung des Jahresprofils der Umgebungstemperatur wird Bremen gewählt.
Berechnungsergebnis
Zunächst ist in Bild 2 der Verbrauch inkWh pro Monat in einem Balkendiagramm für die Standard- und die optimierte Regelung dargestellt. Es wird deutlich, dass die größte Einsparung in der kälteren Jahreszeit liegt. Aber auch nachts im Sommer wird die Verflüssigungstemperatur meistens unter 30°C gefahren. Die optimierte Verdampfungstemperatur ist im Jahresdurchschnitt um 1,5K besser als die der Standard-Regelung. Die Einsparung beträgt 49145 kWh/a, wobei der COP von 3,3 auf 4,8 im Jahresdurchschnitt besser ist.
Über weitere Diagramme können die verschiedenen Parameter der Kälteanlage wie tA`, to`, tc`, Schaltzeiten usw. sowie die COP-Werte, wie in Bild 3, im Jahresverlauf analysiert werden.
Messung des Energieverbrauchs in einer mehrjährigen Studie
An zwei EC-Center, in der gleichen Klimazone gelegen und mit gleichen Verbundanlagen und gleicher Ausrüstung der Kühlstellen, wurden zur gleichen Zeit in den Jahren 2005 bis 2007 Vergleichsmessungen durchgeführt. Einer der Märkte ist mit einer Standard-Regelung und der andere mit einer optimierter Regelung ausgerüstet.
Beispielhaft werden für Mai 2005 die optimierten Arbeitstemperaturen in Bild 4 gezeigt. Die Verdampfungstemperatur wird von 11°C bis auf 7°C und die Verflüssigungs-temperatur wird bis auf 15°C optimiert.
Im Balkendiagramm in Bild 5 ist der mo- natliche Gesamtenergieverbrauch in kWh für die Plus- und Minus-Kälteanlage dargestellt. Die Einsparung beträgt 73245kWh im Jahr 2006. Das ist pro Jahr eine Einsparung der Gesamtenergiekosten von Plus- und Minus-Kälteanlage von 22%.
Erforderliches Regelsystem
Um diese Einsparungen zu erreichen, ist folgende Regeltechnik erforderlich:
1. to-Optimierung nach der meistbelasteten Kühlstelle. Das bedeutet, to wird solange erhöht, bis die meistbelastete Kühlstelle nicht mehr die Kühlstellentemperatur halten kann.
2. tc-Regelung nach der Umgebungstemperatur. Das bedeutet, eine Änderung um 1K der Umgebungstemperatur verschiebt die Verflüssigungstemperatur ebenfalls um 1K. Untere Verschiebungsgrenze ist tc=15°C.
3. Adaptive Einspritzregelung. Adaptierung an das optimale Überhitzungssignal des Verdampfers mit elektronischen Einspritzventilen AKV und den zugehörigen adaptiven Reglern AK-CC. Das ist erforderlich, um einen betriebssicheren Verdampferbetrieb bei diesen extremen Änderungen der Betriebsbedingungen aufrechtzuhalten.
4. Drehzahlregelung. FU-Regelung der Verdichter und Verflüssiger verbessert die Optimierungsfähigkeit der Anlage.
5. Kommunikationsfähiges Regelsystem. Damit die Kühlstellendaten über eine Busleitung zur Berechnung der Optimierung in den Systemmanager und von hier mit Sollwertverschiebungssignal zum Verbundanlagenregler transportiert werden können.
Die Summe der Verbesserungen, hervorgerufen durch fünf verschiedene Regelstrategien führt zu einer jährlichen Einsparung von 22%.
Fazit
Mithilfe der Amortisationsrechnung und der Berechnung der Kosten für eine Lebensdauer von zehn Jahren, Bild 6 , ergibt sich eine eindeutige Lage für den wirtschaftlichen Einsatz dieser Regeltechnik. Die Amortisationszeit der Mehrkosten von ca.10000 Euro beträgt bei einem Zins von 4%, einer Inflation von 2% und einem Energiepreis von 0,12 Euro/kWh nur 1,7 Jahre. Über die Lebensdauer von zehn Jahren werden 43082 Euro eingespart.
Es bleibt zu hoffen, dass bei den Investitionsentscheidungen der Anlagenbetreiber in Zukunft auch die Betriebskosten berücksichtigt werden. Dann wird diese optimierte Regelung zum Standard.
Dipl.-Ing. (FH) Horst Wendelborn
Key Account Manager, Geschäftsbereich Food Retail, Danfoss GmbH, Offenbach
