Kühlung, Klimatisierung und Brauchwasser voll integriert

Die in Stuttgart installierte transkritische CO₂-Kühlanlage beinhaltet einen Verdichter im Parallelverbund und ein Ölrückführsystem. Gekennzeichnet ist die Anlage durch ein komplettes integriertes Anlagenmanagement, eine fertige Lösung für warme Klimazonen, variable Betriebsmodi, Energieeinsparung, eine dynamische Effizienzrechnung und eine separate Energie­verbrauchsrechnung.

Mit aktueller Technik passt sich das System flexibel an die Außentemperatur, an den kühlmöbelinternen Kältebedarf und an die jeweiligen Arbeitsbedingungen an. Damit wird der Wirkungsgrad der Anlage optimiert und die gesamte verfügbare Energie nachhaltig genutzt. Der Verdichter im Parallelverbund verbessert die Energieeffizienz des Systems zusätzlich. Diese Art von Anlage eignet sich insbesondere für milde Klimazonen. Die Anlagenintegration macht die Berechnung der Betriebskosten komplex. Aus diesem Grund hat Carel ein System entwickelt, das auf der Grundlage des Wirkungsgrads und der Energieeffizienz der Anlage den Gesamtenergieverbrauch auf die Lebensmittelkälte, die Klimaanlage und die Brauchwassererwärmung aufteilen kann.

Aufbau der Gesamtanlage

In einem konventionellen transkritischen CO₂-Booster-Verbundsystem sind die Verdichter des Tiefkühlbereichs (TK) direkt an die Saugseite der Verdichter des Normalkühlbereichs (NK) angeschlossen. Die NK-Verdichter führen zu einem ersten Plattenwärmeübertrager für die Wärmerückgewinnung des Brauchwassers. Dieser Plattenwärmeübertrager ist vorwiegend in der Heizperiode bei Wärmeanforderung aktiv; er erwärmt das Wasser für den Heizkreislauf bis auf eine Temperatur von 55 °C.

Dem Wärmeübertrager ist für die Wärmerückgewinnung ein Gaskühler nachgeschaltet. Unter Normalbedingungen regelt er die CO₂-Temperatur nach der Außentemperatur. Er kann jedoch umgangen werden, falls die Wärmeanforderung höher sein sollte, als die Wärmemenge, die die Anlage unter den jeweiligen Betriebsbedingungen liefern kann. Der Verdampfer in seinem Inneren erhöht bei Bedarf die Wärmelast. Vom Gaskühler gelangt das Kältegas zum transkritischen Regelventil, das den Übergang vom Hochdruck auf Mitteldruck regelt. Auf der Grundlage der Außentemperatur optimiert dieses Ventil entweder die Leistungszahl des Systems im transkritischen Betrieb oder es bewirkt eine gewisse Unterkühlung unter subkritischen Bedingungen.

Im Sammler expandiert das Kältegas. Diese Expansion wird in den Sommermonaten genutzt, um den Wasserkreislauf für die Luftklimatisierung im Supermarkt zu kühlen. Vom Sammler gehen verschiedene Leitungen ab: die Leitungen für die NK- und TK-Verbraucher, die Gaskühlerleitung für die Versorgung des zusätzlichen Verdampfers und die Umgehungsleitung, bestehend aus dem konventionellen Flashgasventil und einem Verdichter im Parallelverbund, der direkt am Sammler ansaugt und gemeinsam mit den anderen NK-Verdichtern ableitet.

Die Synchronsteuerung des Umgehungsventils und des Verdichters im Parallelverbund ist aufgrund des Wärmerückgewinnungs- und Klimasystems erforderlich. Sie erhöht die Anlageneffizienz bei transkritischer Prozessführung oder bei hoher Anforderung der Klimaanlage, weil die umgeleitete Gasmenge an der Saugseite erheblich reduziert wird und Sammlerdruck perfekt geregelt wird. Vom Sammler fließt das flüssige Kältemittel zu den Mittel- und Niederdruckverbrauchern. Diese expandieren es zur Kühlung der Kühlmöbel und Kühlräume und führen das Kältemittel zur TK- oder NK-Saugleitung zurück. Das System hat neben dem konventionellen Kältekreislauf ein Ölrückführsystem. Ein Abscheider am Verdichterauslass ermöglicht die Rückführung des Öls und dessen Wiedereinspritzung in die Verdichter.

Abgestimmtes Regelsystem

In Anlagen, in denen alle Funktionen anein­ander gebunden sind, ist ein Regelsystem zur selbstständigen Steuerung aller Anlagen­betriebsphasen erforderlich. Das System pRack pR300T steuert und synchronisiert den Betrieb aller Systemkomponenten:

• TK- und NT-Verdichter mit Synchronisierungssystem für Booster-Anlagen;
• Wärmerückgewinnungssystem mit Anpassung an die Arbeitsbedingungen, Gaskühler-Umgehung und Aktivierung der Zusatzlast;
• transkritisches Ventil für die Optimierung des Zyklus im transkritischen Betrieb;
• Verdichter im Parallelverbund und Flashgasventil mit Anlauf-, Übergangs- und Notsteuerung;
• Ölrückführsystem mit Ölabscheider, Sammler, Einspritzventil und Alarmmanagement.

Das Regelsystem eignet sich besonders für kompakte Anlagen wie im beschriebenen Fall. Es kann direkt zwei Schrittmotorventile (transkritisches HPV-Ventil und RPRV-Bypass-Ventil) regeln. Das inte­grierte Sicherungssystem (Ultracap-Technik) bewirktdie sichere Schließung der Ventile bei Netzspannungsausfall ohne Bedarf an zusätzlichen USV-Systemen. Am lokalen Bedienteil sind alle Daten für eine korrekte Instandhaltung und technische Unterstützung verfügbar.

Visualisieren und steuern

Die programmierbare, vernetzbare und flexible Plattform pCO ermöglicht die Visualisierung

• des Betriebszustands der Anlage,
• des Gesamtenergieverbrauchs der installierten Netzanalysatoren,
• der mit den Wärmerückgewinnungs- und Klimasystemen ausgetauschten Energie sowie die Aufteilung des berechneten Energieverbrauchs auf die Lebensmittelkälte, die Klimatechnik und die Wärmerück­gewinnung.

Für einen Effizienzvergleich zwischen solchen Anlagen und konventionellen Systemen sind diese Daten grundlegend.

Die Steuereinheiten MPXPRO sind auf allen NK- und TK-Verbrauchern sowie auf dem Zusatzverdampfer installiert. Sie bewirken die Ansteuerung des Verbrauchers und verwalten das elektronische Expansionsventil mit Smooth-Line-Regelung für die Anpassung der Überhitzung am Verdampferauslass an den reellen Kältebedarf des Verbrauchers. Außerdem sind die Steuereinheiten mit der Ultracap-Technik für das sichere Schließen der elektronischen Schrittventile in Kälteanwendungen ausgestattet. Damit besteht eine effektive Lösung für eine feine und stabile Regelung der Kühllast.

Umfassend überwachen

Alle installierten Vorrichtungen sind mit dem Überwachungssystem PlantVisorPRO vernetzt. Dieses unterstützt die Visualisierung der Systemvariablen, die Sendung aller Alarme an die Servicezentralen und die Aufzeichnung aller Betriebsparameter. Erreicht wird damit

• die Optimierung der Kühllast anhand der Saugdruckregelung auf der Grundlage der reellen Kälteanforderung der Anlage;
• die Visualisierung des Energieverbrauchs der Verbundanlage und insbesondere die Aufteilung des Verbrauchs auf die Heizung und Kühlung;
• die Überwachung der grundlegenden Betriebsparameter zur Vermeidung von unbefugten Zugriffen;
• die grafische Darstellung der Anlage für ein einfaches Verständnis des Systems;
• die Anwendung von Sicherheits­algorithmen für einen stabilen Betrieb der Anlage bei Störungen des Verbundsystems.

Fazit

Diese Art von integrierter Anlage entspricht dem Stand der Technik in der CO₂-Prozessführung. Es gibt vielfältige Gründe für die Anwendung:

• die Kälte-, Klima- und Heizanlagen werden in einem einzigen System integriert, was sowohl die anfänglichen Investitionskosten als auch den Platzbedarf reduziert;
• ein einziges Steuerungs- und Regelsystem optimiert die Betriebsbedingungen und nutzt die verfügbare Energie nachhaltig bei gleichzeitig starker Erhöhung der Anlageneffizienz;
• der Verdichter im Parallelverbund dient als Druckregler des Sammlers, wodurch sich das System auch in wärmeren Klimazonen effizient anwenden lässt;
• der Vergleich mit konventionellen Systemen erfolgt durch eine detaillierte Gegenüberstellung der Verbrauchsdaten anhand eines dedizierten Kalkulationssystems. Dieses berechnet dynamisch die Gesamtleistungszahl sowie die Einzelleistungszahl jeder Funktion und erlaubt die Aufteilung des Gesamtenergieverbrauchs auf die Bereiche Kälte, Klima und Heizung. -

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Leiter Verkauf & Support Kältetechnik / Retail der Carel Deutschland GmbH, Gelnhausen