Wird die Abwärme der Kälteanlage wieder als Heizenergie dem Gebäude zur Verfügung gestellt (Wärmerückgewinnung/Bild 2), verändert sich für den Heizfall (Winter) der Nutzen der Kälteanlage (Kälte- und Heizleistung / QO + QC). Nun ist die Wärmerückgewinnung keine Erfindung der letzten Monate. Die Verwendung dieser Abwärme zur Raumbeheizung funktioniert dabei leider nicht immer optimal. Die Gründe sind vielschichtig. Erkennbar zeigt sich aber der Einfluss durch eine fehlende Einbindung in ein übergeordnetes System Gebäude. Zu hohe Kondensationssollwerte durch unvollständige Abstimmung mit der Lüftungsanlage oder ein nur bedingt bedarfsabhängiges Zuheizen der Kälteanlage mit fehlendem Abgleich zur Heizungsanlage sind nur zwei Beispiele, woran es in der praktischen Umsetzung scheitert. Die Effizienzsteigerung der Anlage durch Abwärmenutzung zur Beheizung wurde durch Verschlechterung der Anlagenwirkungsgrade eliminiert. Aus ökonomischer Sicht waren/sind solche Anwendungen teilweise überhaupt nicht tragbar. Selbst die ökologischen Effekte gehen gegen Null.
Interne Wärmequellen und -ströme berücksichtigen
Weitere Wärmeströme (Bild 3) innerhalb eines Supermarktes können bei der Gesamtbetrachtung so weit führen, dass eine üblicherweise installierte, konventionelle Heizungsanlage mit Gas- oder Ölbefeuerung entfallen kann. Die in der Kooperation der Firmen GTM, Teko und Wurm gemachten Erfahrungen bei der Umsetzung von mittlerweile mehr als 20 Objekten zeigt, dass die üblichen Heizungsanlagen für die Anwendung erheblich überdimensioniert sind. Dies liegt an diesen unberücksichtigten, internen Wärmequellen. Ein Supermarkt ist nie bewohnt, d. h. der Heizbedarf ist nur während der Öffnungszeiten relevant und genau dann sind die genannten internen Wärmeströme groß.
Sollten die vorhandenen Wärmeströme zur Gebäudeheizung für den extremen Heizfall nicht ausreichen, kann durch eine Wärmeplus-Schaltung (ähnlich einer Wärmepumpenfunktion/Bild 4) mit der vorhandenen Gewerbekältetechnik zusätzlich Heizwärme aus der Umgebung bereitgestellt werden. Die Größe dieser Funktion ist abhängig vom Aufbau des Supermarktes (Beleuchtung, Lüftungsanlage, Kältebedarf, Gebäudehülle, Heizbedarf, Öffnungszeiten, Umsätze u. v. a.).
Neben der bereits erheblichen, aber relativen Effizienzsteigerung durch entsprechende Betrachtung des Nutzens lässt sich auch auf der Aufwandseite noch einiges erreichen. Schon die Wahl des passenden Kältemittels zur Anwendung (und dies ist in diesem Fall hauptsächlich Normalkühlung mit t0 > 10 °C) führt zu Verbesserungen der Effizienz im Bereich von 16 %, wenn statt des gerne und häufig verwendeten R 404 A das dafür besser geeignete R 134 a Verwendung findet.
Sinnvoll ist es in einem solchen Fall die Abwärme aller Kälteanlagen zur Beheizung zur Verfügung zu haben. Bei der Tiefkühlung (TK) bietet sich dafür eine sogenannte TK-Kaskade an, bei der die Kondensationswärme der Tiefkühlung zur Kälteleistung in der Normalkühlstufe wird.
Diese Wärme steht nun auf der Kondensationsseite der Normalkühlstufe zur Verfügung. Die Kaskadierung bietet neben der gezielt geführten Heizwärme den Vorteil einer hohen Leistungszahl (durch geringeren Aufwand) durch ein im Verhältnis sehr tiefes Kondensationsniveau (tC = +5+10 °C). Die Verbesserung der Leistungszahl des Verdichters in der Kaskade ist im Vergleich zu einem Verdichter mit luftgekühlter Verflüssigung in dieser Anwendung im Bereich 53 %. Nebenbei ist die Kältemittelfüllmenge des TK-Kreises auch noch geringer, da der Verflüssiger-Verdampfer einer Kaskadenanwendung meist erheblich geringere Rohrvolumina aufweist als ein entsprechender luftgekühlter Verflüssiger und auch nicht entfernt im Freien montiert ist, sondern in unmittelbarer Nähe der TK-Maschine.
Effizienz-Betrachtung der Wärmerückgewinnung
In der Effizienz-Betrachtung der Wärmerückgewinnung ist es nachteilig, dass zum Heizen auf jeden Fall eine höhere Kondensationstemperatur erzeugt werden muss, als bei den dann vorhandenen Außentemperaturen möglich ist. Unter anderem durch die an den Kühlstellen eingesetzten thermostatischen Einspritzventile ist die Mindest-Kondensationstemperatur auf tC = +25 °C nach unten limitiert. Die logische Einbindung der Wärmerückgewinnung in die gesamte Gebäudetechnik (Lüftung, Heizungsregelung) führt zu Kondensationstemperaturen von tC = +30 °C. Im extremen Heizfall hat sich z.B. im Januar 2009 (mit wirklich winterlichen Temperaturen) ein maximales tC zum Heizen von 33 °C eingestellt. Diese maximale Heizkondensation fand aber nur zu 6 % der 744 Januar-Stunden, also knapp 45 Stunden statt. Betrachtet man nun die Effizienz bei Heizfunktion der Kälteanlage ausschließlich mit reiner Wärmerückgewinnung, dann ist der Nutzen die Heizleistung (Kälteleistung inkl. Leistungsaufnahme = Kondensationsleistung, Q0 + PE = QC). Der Aufwand ist dann aber nicht die gesamte Leistungsaufnahme, sondern nur der Mehraufwand (Δ) durch ein höheres Kondensationsniveau: ε = QC / PΔE. Als Wert dargestellt, ergibt sich eine Leistungszahl in der Größenordnung von 75!
Selbst in der Wärmeplus-Schaltung liegt die Leistungszahl oberhalb von 3, da die Gewerbekälteanlage nebenbei ihren normalen Dienst verrichtet. Durch die Temperaturhäufigkeitsverteilung (Bild 5) ist beispielhaft für die Region um Regensburg (relativ kalte Winter) zu erkennen, dass die Laufzeit in diesem Betriebszustand (roter Bereich) gering bleibt und dieser ungünstigste Betrieb in einer Ganzjahreseffizienz kaum von Bedeutung ist.
Um komplett auf eine konventionelle Heizungsanlage verzichten zu können, ohne die Kälteanlage zu vergewaltigen, ist in diesem Zusammenhang die Gebäudehülle von Bedeutung. Ein nach aktuellen Standards (z.B. EnEV) errichtetes Gebäude ist entscheidend für die Umsetzung und einen guten Gesamtwirkungsgrad. Bei den nicht unüblichen Umbauten von Supermärkten ist der Einsatz einer umfassenden Kälte-Wärme-Zentrale fallabhängig zu betrachten. Gegebenenfalls kann durch entsprechende Sanierungsmaßnahmen (Überarbeitung der Gebäudedämmung und der -zugänge) ein Bestandsgebäude auf das nötige Effizienzniveau gebracht werden.
Effizienzpotenzial in der Gebäudeleittechnik
Wie bereits erwähnt, gilt es, eine umfassende, also ganzheitliche Betrachtung durchzuführen, und neben der Kombination der Anlagenhardware ist es auch entscheidend, eine übergreifend kommunizierende Regelung einzubinden. Neben einem optimierten Gesamtbetrieb lässt sich über die Regelstrategien der Regelungsgewerke Kältetechnik und Gebäudeleittechnik (GLT) zusätzlich die Effizienz steigern. Hauptaufgabe der Kälteregelung muss sein, die Warenqualität zu sichern (Temperaturtreue). Es ist jedoch innerhalb der dadurch gesteckten Grenzen noch sehr viel zu erreichen. Alleine in der Kälteregelung kann ein Effizienzpotenzial von 20 % und mehr stecken, wenn z.B. ein Kühlstellenmanagementsystem wie Frigotaktplus von Wurm zum Einsatz kommt. Die Erfahrung zeigt, dass die Verdampfungstemperatur um bis zu 4 K steigt, da die benötigte Verdampfungstemperatur der jeweiligen Kühlstelle berücksichtigt wird. Als zweiter Effekt bei Kühlstellenmanagementsystemen ist ein gleichmäßigerer Verdichterbetrieb, der wiederum für eine geringe Verflüssigerauslastung und damit tiefere Kondensationstemperaturen sorgt. Nebenbei führt diese Regelung auch noch zu einem erwiesenermaßen Material schonenden Betrieb der Verdichter.
Ebenfalls lassen sich die Aufgaben einer GLT zentrales Schalten und Überwachen von Beleuchtung, Raumtemperatur und Lüftungsanlage verfeinern. Ein nachhaltiges Erfassen und Optimieren betriebskostenrelevanter Verbräuche, wie Vermeidung von Stromspitzen durch ein Lastmanagement, eine kalendergestützte, den Lichtverhältnissen angepasste Beleuchtungssteuerung oder der Betrieb der Lüftungsanlage nach Luftqualität (was auch direkten Einfluss auf den Heizbedarf hat), steigert die Effizienz. Zur Aufrechterhaltung bzw. Verbesserung der Effizienz ist es entscheidend die Daten der Betriebszustände kontinuierlich zu erfassen, um zukünftige Verbrauchsoptimierungen zu ermöglichen.
Die Effekte einer solchen ganzheitlichen Betrachtung stellen sich durch
- Entfall von CO2-Emission durch Gas-/Öl-Verbrennung
- Verringerung des äquivalenten CO2-Ausstoßes durch entsprechende Kältemittelwahl
- Geringeren Stromverbrauch = weniger CO2-Ausstoß
ökologisch genauso dar wie wirtschaftlich. Da sich hierbei der Stromverbrauch indirekt proportional zur Mehrinvestition gegenüber der eingesetzten Standardtechnik (Kälte, Lüftung, Heizung, Regelung) verhält, sind sehr kurze Amortisationszeiten (< 3 Jahre) das Ergebnis.
Das beschriebene Konzept trägt in der Kooperation von GTM, Teko und Wurm den Namen Kälte-Wärme-Kopplung. Es beinhaltet die umfassende Kombination von Kältetechnik, Heizungs- und Lüftungsanlage, sowie die Lösung kommunizierender Kälte- und Gebäuderegelung. Sinnvoll ist die Umsetzung dieses Konzeptes im Objekt durch den Kälteanlagenbauer. Daraus ergibt sich nebenbei ein ganz banaler Vorteil für den Bauherrn bzw. Betreiber, da z.B. statt einer aufwendigen Organisation vieler Gewerke ein kompetenter Ansprechpartner bei der Umsetzung zur Verfügung steht.
Die Summe aller ergriffenen Maßnahmen führt, beim Vergleich des Konzeptes Kälte-Wärme-Kopplung mit einer gängigen, technisch einfachen Standardausführung, zu Einsparungen im Energieverbrauch von über 50 %. Dies bedeutet eine mögliche Steigerung der Effizienz um mehr als den Faktor 2. Nebenbei lässt sich der Treibhauseffekt durch (teilweise äquivalenten) CO2-Ausstoß um mehr als 30 % senken. -
Als Vortrag gehalten bei der DKV-Jahrestagung 2009 in Berlin.
Alexander Wirsching,
Technologie & Kommunikation, TEKO Gesellschaft für Kältetechnik mbH, Altenstadt
Energieeffizienz: Ökonomie gewinnt an Bedeutung
Die Hintergründe des auch in der Kältetechnik heiß diskutierten Themas „Energieeffizienz“ sind klarer denn je erkennbar. Es ist nötig geworden, durch Verknappung fossiler Energieträger und einen zurzeit noch zu geringen Anteil von erneuerbaren Energien, schonend mit diesen Ressourcen umzugehen. Die Nutzbarmachung der in den fossilen Brennstoffen vorhandenen Energien zur Stromerzeugung und Beheizung führt zusätzlich durch entsprechende Verbrennung zur Entstehung von Kohlendioxid (CO2 = Treibhausgas) und trägt daher zur Erderwärmung bei. Und auch bei diesem Thema gilt das Grundprinzip der freien Marktwirtschaft: Angebot und Nachfrage regeln den Preis. Durch Rohstoffverknappung wird der Energiepreis genauso steigen wie eine größere Nachfrage durch erhöhten Energiebedarf. Der Antrieb zur Effizienzverbesserung von Kälteanlagen wird also nicht nur ökologischen Ursprungs sein, sondern eher kurz- als langfristig an ökonomischer Bedeutung gewinnen.
