Diese Steuerung reguliert das elektronische Expansionsventil, das die Kühleinheit selbst versorgt. Das System kombiniert die Effizienz des Elektroventils mit der Einfachheit einer Plug-and-Play-Lösung, wovon es seinen Namen, Plug & Save ableitet. Ein bereits montiertes System vereinfacht die Installation beachtlich, erleichtert den Bau der Anlage und fördert den Einsatz von Elektroventilen, die eine Reduzierung des Energieverbrauchs ermöglichen. In der Tat ermöglicht die höhere Präzision des Ventils, dass der Verdampfer nicht zu sehr überhitzt und damit die Verdampfungstemperatur erhöht, während es ein weitreichender Betriebsbereich des Ventils ermöglicht, durch variable Verflüssigung die Kondensationstemperatur während der Kälteperioden zu reduzieren.
Das Plug & Save-System für elektronische Expansionsventile
In den letzten Jahren stieg die Verbreitung von elektronischen Ventilen im Bereich der Kältetechnik immer mehr. Aber ihr Potenzial ist noch weitgehend ungenutzt, angesichts der Tatsache, dass sich heutzutage noch viele Installateure auf das traditionelle thermostatische Expansionsventil verlassen. Obwohl diese Art von Ventil zahlreiche garantierte Vorteile bietet, vor allem was die Energieeffizienz der Anlagen betrifft.
Einer dieser Vorteile ist sicherlich die Möglichkeit, mit einer variablen Verflüssigung, die sich bestens an die Umweltbedingungen anpasst, zu arbeiten. Das wiederum erlaubt es dem Zyklus, mit einem niedrigeren Kondensationsdruck zu arbeiten, wenn sich die Umgebungstemperatur von den Auslegungsbedingungen wegbewegt (normalerweise sind das die Schwierigsten) und führt zur Verringerung der Kompressionsarbeit und damit zu einer Erhöhung der Leistungszahl (COP) des Zyklus. Als Beweis hierfür zeigt Bild 1 einen Versuch in einer Kühlzelle für Fleischkonservierung, in der sowohl Standardventile als auch Elektroventile proportional getestet wurden.
Wie aus dem Diagramm, das den Abschnitt anzeigt in der die Umgebungstemperaturen niedriger sind, ersichtlich ist, führt die Möglichkeit, ein System mit einer variablen Verflüssigung zu verwenden, zu einer drastischen Reduzierung des Energieverbrauchs, die sich in diesem untersuchten Fall bei 25 Prozent einpendelt. Außer diesem Vorteil ermöglicht das Elektroventil eine genauere Überhitzungsregelung, sodass die Verdampfungstemperatur erhöht werden kann. Schließlich verfügt ein elektronisches Ventil über ein sehr viel größeres Arbeitsfeld und die Fähigkeit, sich an sehr hohe Belastungsveränderungen anzupassen, was die Abkühlzeit der Zelle (pull-down) verringert. Das heißt, die zu konservierenden Lebensmittel können in kurzer Zeit gekühlt werden.
Aus diesen Gründen hat LU-VE (mithilfe von Carel S.p.A.) ein System mit dem Namen Plug & Save entwickelt, welches die Installation des Ventils und der Steuereinheit direkt auf dem Verdampfer für Kühlräume vorsieht. Bild 2 zeigt ein Schema des Systems. Das System besteht aus den folgenden Teilen:
Steuereinheit: eine im Overmoulding-Verfahren hergestellte Platine, die in nasser und vereister Umgebung bis 30 °C arbeiten kann. Die Platine verwaltet alle Parameter des Ventils und enthält voreingestellte Programme für den Betrieb eines Verdampfers in einer Kühlzelle und minimiert die Arbeitsvorgänge bei der Inbetrieb-nahme.
Temperatur- und Drucksensor: Beide müssen in Höhe des Auslassrohrs des Verdampfers angebracht werden, um somit den Überhitzungsgrad feststellen zu können.
Proportionalventil
Die Platine wird ohne einen Eigenbedarfstransformator direkt vom Netz mit 230 V gespeist. Darüber hinaus ist die Geräteeinstellung sehr einfach: Man definiert die Art der Kältemittel (in der Steuerung gibt es eine Datenbank mit 24 verschiedenen Kältemitteln) und das System ist voll funktionstüchtig. Es ist auch ein Modbus“-Kabel vorgesehen, um eine weitere Kommunikation mit einem möglichen Überwachungs- und Steuerungssystem zu ermöglichen.
Wenn man das neue Plug & Save in Bezug auf die Installation eines herkömmlichen Elektroventils mit einer außerhalb der Zelle angebrachten Steuereinheit vergleicht, kann man sagen, dass die Verdrahtungszeiten halbiert werden.
Wirkung der Herabsetzung der Mindestkondensationstemperatur (EC-Ventilatoren – PID-Regelung)
Wie bereits erwähnt, ermöglicht die Verwendung von Elektroventilen im Vergleich zu mechanischen Ventilen eine beachtliche Senkung des jährlichen Energieverbrauchs. Der Druckunterschied kann bis auf 6 bar oder noch niedriger reduziert werden. Folglich betragen die Mindestgrenzwerte der Kondensationstemperatur 19 °C (10,6 bar) bzw. 10 °C (8,2 bar), unter Verwendung des Kältemittels R404A, insbesondere in den kalten Monaten, in denen die Außentemperatur die Reduzierung der Kondensationstemperatur ermöglicht und folglich die COP steigt.
Um diesen energetischen und ökonomischen Vergleich bei unterschiedlichen Mindestkondensationstemperaturen durchzuführen, müssen einige Berechnungsbedingungen festgelegt werden.
Aero-Kondensator Lu-Ve: XDHVN bis 7 Ventilatoren
maximale Kühlleistung: 265 kW
Verdampfungstemperatur: 10 °C und 30 °C
Kältemittel: R404A
jährliche Betriebszeit: 5700 h
halbhermetischer Verdichter
Ort: Mailand
Stromkosten: 0,10 Euro/kWh
Bild 3 zeigt die Temperaturverteilung Mailands pro Stunde/Jahr. Diese Temperaturverteilung wurde in 10 Abschnitte unterteilt, innerhalb derer die Energiebilanzen durchgeführt wurden.
In Bild 4 wird der Energieverbrauch unter Einstellung verschiedener Mindestkondensationstemperaturen in den verschiedenen Zeiten des Jahres und insgesamt zusammengefasst, außerdem die prozentualen Veränderungen gegenüber der Referenzkonfiguration, die einer Mindestkondensationstemperatur von 24 °C (T Verdampfung = 10 °C) entspricht.
Angesichts eines Energiejahresverbrauchs von 463 057 kWh/Jahr mit Tc min = 24 °C, entspricht 46 305 Euro/Jahr, können bei Senkung der Tc min auf 19 °C (unter Anwendung von Elektroventilen) rund 2 916 Euro pro Jahr eingespart werden (entspricht 6,3 Prozent des Gesamtwertes). Diesen Kostenvorteil hat man in den kälteren Monaten, ab Abschnitt 7, bei einer Außentemperatur von 15,8 °C .
Bild 5 und Bild 6 zeigen die repräsentativen Kurven der absoluten und anteilmäßigen Jahresverbräuche (kWh/Jahr), abhängig von der Außenlufttemperatur (Hotwell für Aero-Kondensator). Die verschiedenen Kurven beziehen sich auf verschiedene Mindestkondensationstemperaturwerte, auf die eine Anlage eingestellt werden kann.
In Bild 7 wird der Energieverbrauch unter Einstellung verschiedener Mindestkondensationstemperaturen in den verschiedenen Zeiten des Jahres und insgesamt zusammengefasst, außerdem die prozentualen Veränderungen gegenüber der Referenzkonfiguration, die einer Mindestkondensationstemperatur von 24 °C (TVerdampfung = 30 °C) entspricht.
Angesichts eines Energiejahresverbrauchs von 763 880 kWh/Jahr mit Tc min = 24 °C, entspricht 76 388 Euro/Jahr, können bei Senkung der Tc min auf 19 °C (unter Anwendung von Elektroventilen) rund 3 186 Euro/Jahr eingespart werden. (entspricht 4,2 Prozent des Gesamtwertes). Diesen Kostenvorteil hat man in den kälteren Monaten, ab Abschnitt 7, bei einer Außentemperatur von 15,8 °C .
Wenn man den vorherigen Vorgang wiederholt und dabei die Mindestkondensationstemperatur von 19 auf 10 °C senkt, kann im Vergleich zu traditionellen Ventilen mit Elektroventilen ein Betrag von etwa 2 896 Euro pro Jahr eingespart werden.
Bild 8 und Bild 9 zeigen die repräsentativen Kurven der absoluten und anteil-mäßigen Jahresverbräuche (kWh/Jahr), abhängig von der Außenlufttemperatur (Hotwell für Aero-Kondensator). Die verschiedenen Kurven beziehen sich auf verschiedene Mindestkondensationstemperaturwerte, auf die eine Anlage eingestellt werden kann.
Bei den untersuchten Bedingungen mit einer Verdampfungstemperatur von 10 °C (4,3 bar) und 30 °C (2,0 bar) ist es – mit herkömmlichen Thermostatventilen – durchaus üblich, eine Druckdiffe-renz (zwischen Kondensation- und Verdampfungsdruck) von ca. 8 bar zu akzeptieren; das bedeutet die Minimalwerte der Kondensationstemperatur auf 24 °C (12,1 bar) bzw. 19 °C (10,6 bar) aufrechtzuerhalten.
Für elektronische Ventile kann der Druckunterschied auf bis zu 6 bar oder weniger reduziert werden. Folglich werden die minimalen Grenzwerte der Kondensationstemperatur auf jeweils 19 °C (10,6 bar) und 10 °C (8,2 bar) gebracht, unter Verwendung des Kältemittels R404A.
Auswirkung der Senkung des Überhitzungsgrads bei Hochleistungsluftkühlern
Der zweite Weg, unter Verwendung von Elektroventilen Energie zu sparen, ist die Möglichkeit, die Überhitzung im Wärmeübertragerblock zu verringern. Dies erlaubt eine größere Nutzung der Wärmeübertragerfläche im Zweiphasen-Strömungsbereich, in dem der Austausch-Koeffizient in der Regel höher ist als der der einzelnen Gasphase (Überhitzung).
Bild 10 zeigt den Verlauf der spezifischen Kühlleistung im Bezug auf DT1, je nach dem Überhitzungsgrad des Hochleistungsluftkühlers (DT1 = Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlraum und der Verdampfung).
Wie zu sehen ist, führt eine Verringerung des Überhitzungsgrads zu einer Erhöhung der Leistung des Luftkühlers; insbesondere haben wir experimentell bestätigt, dass durch die Verwendung von Elektroventilen mit einer Überhitzung von 4 °C (mit mechanischen Ventilen schwer zu erreichen) gegenüber den 7 °C, die durch Thermostatventile erzielt werden, eine Leistungszunahme von etwa 5 Prozent erreicht wurde. Das heißt, bei konstanter Aufrechterhaltung der Kühlleistung kann DT1 reduziert werden (z. B. von 10 auf 9,5 °C), das bedeutet eine Senkung der jährlichen Betriebskosten um rund 1,6 Prozent.
Schlussfolgerungen
Die Produktion von Treibhausgasen durch den Stromverbrauch von Kälte- und Klimaanlagen ist höher, als die direkte Emission von HFKW-Kältemittel in die Atmosphäre. In Europa zum Beispiel werden etwa 14 Prozent der erzeugten Energie von solchen Anlagen verbraucht (Quelle: ASERCOM). Eine der Hauptaufgaben unseres Sektors ist die Verbesserung der Energieeffizienz, und zwar die Reduzierung der Treibhausgasemissionen.
Auf dieser Linie liegen die Lu-Ve Geräte (Plug & Save). Es entstehen zwar anfänglich etwas höhere Anschaffungskosten, aber auch erhebliche Energie- und Geldeinsparungen, die sich in ein paar Monaten amortisieren.
Bei den untersuchten Bedingungen beläuft sich die Kosteneinsparung mit einer niedrigeren Mindest-Tcond im Vergleich zu herkömmlichen Ventilen bei den jährlichen Betriebskosten des gesamten Kühlkreislaufs, auf einen Wert von 5 Prozent (entspricht ca. 3 000 Euro/Jahr). Darüber hinaus kann durch die Auswirkung eines DT durch eine reduzierte Überhitzung eine jährliche Einsparung von ca. 3 700 Euro erreicht werden.
Die Nutzung von Systemen mit traditionellen“ Technologien führt nicht nur zu stark erhöhten Ausgaben während eines Lebenszyklus eines Produkts, sondern es ist auch schädlicher für die Umwelt (höherer Energieverbrauch und höherer CO2-Ausstoß). Schlussendlich verschlechtert sich zudem die Handelsbilanz des Landes wegen der Energie-Importkosten.
Zweifellos begünstigt ein intelligenter, vernünftiger und optimierter Kauf nicht nur die Anschaffungskosten der Geräte, sondern berücksichtigt auch die Gesamtkosten ihres Lebenszyklus. Außerdem gewährleistet die Verwendung von zertifizierten Produkten dem Planer, Installateur und Endkunden die Garantie für die Realisierung von qualifizierten Anlagen für die optimale Konservierung gekühlter Lebensmittel.
Stefano Filippini,
LU-VE SpA, Uboldo, Varese, Italien
Umberto Merlo,
LU-VE SpA, Uboldo, Varese, Italien
