Angepasste Regelung spart Energie

Sowohl für den Verdichterverbund als auch für die Lüfter des Luftverflüssigers wird neben der Minimierung des Energieverbrauchs eine möglichst lange Standzeit und eine hohe Verfügbarkeit der Anlage angestrebt. Alle Aussagen beziehen sich auf die Gewerbekühlung bei tiefen und normalen Temperaturen sowie auf Anlagen mit einem bis drei halbhermetischen Hubkolbenverdichtern mit gleicher Leistung. Dabei ist der Verdichtermotor an eine Drehstromversorgung 400 V/50 Hz angeschlossen.

Energiesparen durch sinnvolle Komponentenauswahl

Wesentlich für das Energiesparen ist die Optimierung der Thermodynamik durch eine möglichst hohe Verdampfungstemperatur und eine möglichst niedrige Verflüssigungstemperatur. In der Literatur ist niedergelegt, dass die Anhebung der Verdampfungstemperatur um 1 K etwa 3,5 Prozent Energieersparnis bewirkt. Abhängig vom Kältemittel erbringt die Absenkung der Verflüssigungstemperatur um 1 K ca. 3,3 Prozent Energieeinsparung.

Ziel einer optimalen energiesparenden Regelung ist es daher, die Voraussetzungen für eine möglichst hohe Anhebung der Verdampfungstemperatur bzw. eine möglichst tiefe Absenkung der Verflüssigungstemperatur zu schaffen und dabei die notwendige Kühlleistung aufrechtzuerhalten.Um diese Ziele zu erreichen, sind einige Auslegungsparameter besonders zu beachten.

So wird für das Erreichen einer stetigen, also stufenlosen Verstellung der Leistung des Verdichterverbundes, ein intelligenter Frequenzumrichter eingesetzt, der für den Einsatz in der Kältetechnik speziell als Kälteumrichter konzipiert wurde. Intelligent bedeutet hier, dass die vorzugsweise einzusetzenden Umrichter einige Merkmale haben müssen, die bei Standard-Frequenzumrichtern für die Automatisierungstechnik in der Regel nicht zu finden sind.

Beispielsweise muss die Stromregelung speziell für Kälteverdichter konzipiert und in der Lage sein, den Strom oberhalb der Nennfrequenz durch Frequenzabsenkung zu reduzieren, allerdings lediglich bis ca. 50 Hz. Denn die Absenkung unterhalb von 50 Hz wäre kontraproduktiv, weil dies die Kühlung des Verdichters durch Sauggas vermindern würde.

Notwendig ist zudem die automatische Anpassung der maximalen Frequenz an den kältetechnischen Arbeitspunkt. Eine Überschreitung des maximalen Verdichterstromes ist allerdings kurzzeitig zulässig, beispielsweise beim Anfahren der Anlage nach einer Spannungsunterbrechung und nach einer umfassenden Abtauaktion.

Auch die Anpassung der minimalen Frequenz an den kältetechnischen Arbeitspunkt muss automatisch erfolgen. Dies geschieht in erster Linie durch eine Auswertung des Saugdrucks, aber auch durch das Ermitteln des Stroms im Verdichtermotor.

Eine Erhöhung des Motorstromes bedeutet, dass die kinetische Energie in den sich bewegenden Verdichterteilen, hauptsächlich den Kolben, nicht ausreicht, um diese verzögerungsfrei durch den Punkt des höchsten Moments zu transportieren. Besonders kritisch ist dies bei Zweikolbenverdichtern, insbesondere bei transkritischen CO2-Verdichtern. Die Regelung des Kälteumrichters sollte intelligent genug sein, dies zu erkennen und die Frequenz erforderlichenfalls anzuheben.

Das Erreichen einer möglichst hohen Spreizung zwischen maximaler und minimaler Frequenz ist wichtig zum Erreichen einer optimalen Regelgüte mit minimaler Abweichung vom Sollwert. Dies wird bei einer Betrachtung des sogenannten Steuerfaktors CF deutlich, der wie folgt definiert ist:

Hier einige Beispiele aus der Praxis.

Einsatz eines Industrieumrichters:

f_max: 60 Hz

f_min: 30 Hz

Steuerfaktor CF: (60 30) / 50 = 60 Prozent

Ein mäßiges Regelverhalten mit Druckschwankungen ist die Folge.

Einsatz eines intelligenten Umrichters mit Kältesoftware (Kälteumrichter):

f_max: 65 Hz

f_min: 25 Hz

Steuerfaktor F: (65 25) / 50 = 80 Prozent

Es wird ein gutes Regelverhalten mit minimalem Energieverbrauch erzielt.

Diese einfache Berechnung verdeutlicht die Wichtigkeit des Erreichens einer möglichst weiten Spreizung des Frequenzbereichs durch intelligentes Regeln im Kälteumrichter. Daneben gibt es weitere wichtige Gründe, die maximale Frequenz so weit wie möglich zu erhöhen:

• Die Einschalthäufigkeit der FsC-Verdichter mit fester Drehzahl wird reduziert. Jedes Anlaufen des Verdichters belastet die Lager und die Motorwicklung.
• Weniger Einschalthäufigkeit verlängert die Standzeit des Verdichters im Vergleich zu Verbundauslegungen ohne Umrichter.
• Die verfügbare Kälteleistung ist in etwa proportional zur Frequenz. Ein Betrieb bei größerer Frequenz erhöht die erreichbare Kälteleistung beim gleichen Aufwand an installierten Betriebsmitteln.

Bild 1 zeigt den Vergleich zwischen Verdichterverbundauslegungen mit Steuerfaktoren von 60 und 80 Prozent. Bei einem zu geringen Steuerfaktor ist leicht zu erkennen, dass der Verstellbereich des VsC-Verdichters zum Ausregeln des Zu- und Abschaltens des FsC-Folgeverdichters nicht ausreicht. Daraus würde ein unruhig laufendes Kältesystem mit häufigem Verdichterschalten resultieren. Daher wird von Auslegungen abgeraten, bei denen der Steuerfaktor CF in der Nähe von 60 Prozent liegt.

Energiesparen durch moderne Regelungstechnik

Die notwendigen Anforderungen zur Minimierung des Energieverbrauchs und zum Erreichen einer hohen Kühlqualität mit minimaler Lebensmittelentfeuchtung sollen an den beiden Seiten des Kältekreislaufs getrennt betrachtet werden.

Anforderungen an der Niederdruckseite (Verdampfung)

Zum Einhalten eines möglichst konstanten Saugdrucks ist die Kälteleistung des VsC-Leitverdichters ohne große Verzögerungen zu verstellen, andererseits jedoch auch nicht zu hektisch. Hauptstörgrößen sind dabei das Zu- und Abschalten von temperaturgeregelten Kühlstellen. Große Schwankungen können auch durch Beginn und Ende von Abtauvorgängen sowie beim Anfahren nach Unterbrechungen der Versorgungsspannung auftreten.

Beim Zu- und Abschalten von Verdichtern fester Drehzahl beim Verbundbetrieb muss die Saugdruckregelung entscheiden, ob die zugeschalteten Verdichter fester Drehzahl passend zur vorhandenen Kälteleistung sind, oder ob Verdichter fester Drehzahl zu- oder abgeschaltet werden sollen. Hier wird vom Prinzip der Regelung mit einer Totzone abgeraten; es gibt bessere Regelalgorithmen, die den Saugdruck konstanter halten können.

Die Wichtigkeit der Anhebung der ­Verdampfungstemperatur wurde bereits erläutert. Es gibt eine Reihe von Ansätzen, die Verdampfungstemperatur entsprechend den verschiedenen Arbeitsparametern anzuheben:

• in Abhängigkeit von der Temperatur im Verkaufsraum
• in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit im Verkaufsraum
• durch Auswertung der gelieferten Kälteleistung (bekannt in der Regelung des Verdichterverbundes)
• durch Auswertung des Schaltverhaltens der temperaturgesteuerten Kühlstellen
• durch Auswertung der Überhitzung in der Saugleitung des Verdichter­verbundes. Priorität vor dem Energieeinsparen hat immer eine ausreichende Überhitzung. Beim Unterschreiten einer vorgegebenen Überhitzung (in der Regel ca. 8 K) sollte eine weitere Anhebung der Verdampfungstemperatur vermieden werden.

Bei Außenanlagen (Verdichter und Sammler außen) sind besondere regelungstechnische Maßnahmen notwendig, um den sogenannten Winterstart zu gewährleisten.

Anforderungen an die Hochdruckseite (Verflüssigung)

Es kann davon ausgegangen werden, dass der Energieverbrauch der Lüfter am Verflüssiger ca. 10 bis 15 Prozent des Energieverbrauchs der gesamten Kälteanlage erreicht. Die Verwendung von Lüftermotoren mit einem möglichst hohen Wirkungsgrad ist wichtig, jedoch wird hier hauptsächlich auf die folgenden regelungstechnischen Maßnahmen hingewiesen.

Dazu gehört das Einhalten eines möglichst konstanten Verflüssigungsdrucks durch Verstellen der Lüfterleistung am Verflüssiger. Das Zu- und Abschalten von Lüftern mit einer Stufensteuerung ist dafür jedoch ungeeignet. Denn ein optimaler energiesparender Betrieb erfordert eine stetige Regelung mit einem möglichst breiten Einstellbereich. Hierzu stehen mehrere Möglichkeiten zur Verfügung:

• Lüftermotoren für die Drehzahlverstellung mittels Spannungsveränderung, in der Regel mittels Phasenanschnittsteuerung. Typischer Leistungsstellbereich 30 bis 100 Prozent.
• Neuartige Lüfter mit integrierten EC-Motoren. Typischer Leistungs­stellbereich 25 bis 100 Prozent.
• Dreiphasige Lüftermotoren, versorgt von Frequenzumrichtern. Typischer Leistungsstellbereich 10 ... 0 ... 100 Prozent. Beim Einsatz von Frequenzumrichtern ist sogar ein Umkehrbetrieb möglich, was zum Kompensieren von Konvektionsverlusten im kalten Winterbetrieb eingesetzt werden kann. Allerdings sind dann andere Aspekte mit zu berücksichtigen. Dazu gehört der Einsatz von geeigneten Motorfiltern, um die Wicklung der Lüftermotoren gegen Spannungsflanken des Frequenzumrichters zu schützen.

Die Anpassung der Verflüssigerleistung an die vorgegebenen Einsatzbedingungen, vor allem an die Temperatur der Umgebungsluft und die benötigte Verflüssigungsleistung, ist eine weitere mögliche Maßnahme. Das Prinzip einer Außentemperatur-gesteuerten Regelung ist allgemein bekannt. Darüber hinaus wird hier vorgeschlagen, den Temperaturgradienten zusätzlich zum Kältebedarf anzupassen. Hierzu zwei Beispiele:

Bild 2 zeigt einen Kälteumrichter mittlerer Leistung. Dieses Gerät hat vier Analogeingänge für Drücke und Temperaturen sowie fünf Ausgangsrelais zum Ansteuern der Verdichterstufen. Einige Diagnose- und Einstellparameter für den Kältemonteur sind ebenfalls dargestellt. Mehr dazu im nächsten Abschnitt.

Benutzerfreundliche Bedienung

Wichtig für die Akzeptanz von energiesparenden Regelgeräten wie Kälteumrichtern ist, dass die wesentlichen Parameter der Kältetechnik im Vordergrund stehen. Ein typischer Frequenzumricher hat etwa 1000 Einstellparameter. Diese sollten mit wenigen Ausnahmen voreingestellt sein und dem Kältemonteur verborgen bleiben.

Das Regelsystem Isesco stellt die folgenden Diagnose- und Einstellwerte für den Kältemonteur dar:

Diagnosewerte:

• Sauggas-Überhitzung
• Druckgastemperatur(en)
• Verdampfungs- und Verflüssigungs­temperatur (beide auf einen Blick)
• Verdampfungs- und Verflüssigungsdruck (beide auf einen Blick)
• Motorstrom und Frequenz (beide auf einen Blick)
• Anzahl der Verdichter im Einsatz

Einstellwerte der Verdampfung mit R 404 A (Beispiel):

• Minimaler Verdampfungsdruck (Pumpdown-Wert beim Abstellen): 2,5 bar ( 16 °C)
• Sollwert 1 des Saugdrucks (Hauptsollwert): 3,3 bar ( 10 °C)
• Sollwert 2 des Saugdrucks (maximaler Anhebungssollwert für den Energie­sparbetrieb): 3,8 bar ( 6 °C)
• Maximaler Verdampfungsdruck (Verdichtergrenzwert): 6,5 bar (+ 7,5 °C)

Einstellwerte der Verflüssigung mit R 404 A (Beispiel):

• Sollwert 1 des Verflüssigungsdrucks (Winterbetrieb): 13,1 bar (30 °C)
• Sollwert 2 des Verflüssigungsdrucks (Energierückgewinnung): 19,4 bar (45 °C)
• Maximaler Verdampfungsdruck (Abregelgrenze der Verdichter): 22,0 bar (50 °C)

Andere passwortgeschützte Voreinstellwerte:

• Kältemittel
• Frequenzbereich des VsC-Leitverdichters (Minimal- und Maximalwerte laut Verdichterhersteller)
• Maximaler Verdichterstrom laut Verdichterhersteller
• Auslegungs-Delta t (K) des Verflüssigers bei maximaler Leistung

Bei diesen Einstellparametern muss der Monteur lediglich Kenntnisse der Kältetechnik haben. Elektrotechnische Kenntnisse sind für die Einstellung des Fre­quenzumrichters hingegen nicht not­wendig.

Auswahl der Verdichteranordnung

Angestrebt werden Verdichteranordnungen, mit denen die folgende Ziele am besten erreichbar sind:

• Möglichkeit des Notbetriebs beim Ausfall elektronischer Regelgeräte
• Wechselbetrieb der Verdichter fester Drehzahl, um einen guten Ölausgleich zu gewährleisten
• Wechselbetrieb der zugeschalteten Verdichtern, um eine maximale Standzeit zu erreichen
• Minimierung der Anzahl von Verdichteranläufen, um die Standzeit möglichst lang zu gestalten

Zum Erreichen dieser Ziele wird der Einsatz der folgenden Vorzugsanordnungen vorgeschlagen:

• Einzelverdichter: VFsC-Verdichter + Kälteumrichter + Not-Bypass
• Zwei Verdichter: VFsC1- + VFsC2-Verdichter + Kälteumrichter/ Netzbetrieb abwechselnd + Not-Bypass)
• Drei Verdichter: VsC-Verdichter + Kälteumrichter; FsC1- + FsC2-Verdichter für den Netzbetrieb abwechselnd + Not-Bypass

Die Bilder 3 bis 5 zeigen Prinzipschaltungen dieser Anordnungen.

Mit dem Regelsystem Isesco wird die ­Differenz des Fördervolumens der umschaltbaren Verdichter ermittelt und lediglich bei großer Abweichung wird überhaupt umgeschaltet. Die Zeit bis zum Abwechseln passt sich automatisch den Betriebsbedingungen an, um eine möglichst geringe Anlaufhäufigkeit zu erreichen.

Kälteverfügbarkeit

Systeme und Anordnungen mit integrierter Redundanz der regelungstechnischen Geräte werden vorgeschlagen, um ein System mit möglichst hoher Verfügbarkeit zu erreichen. Ausgangspunkt des hier vorgestellten Isesco-Systems ist die Aufteilung der Regelintelligenz zwischen dem intelligenten Kälteumrichter FrigoPack und dem externen, jedoch integrierten intelligenten Regelsystem Isesco.

Beide Systeme überwachen sich gegenseitig (Watchdog und Handshake) und jedes kann die Regelung der Verdichter und der Lüfter am Verflüssiger im Notbetrieb innerhalb von wenigen Sekunden selbstständig übernehmen, sollte eines der beiden Systeme ausfallen.

Bild 6 zeigt ein Funktionsbild der redundanten Regelung, die in vielen kleineren Supermärkten bereits erfolgreich eingesetzt wurde.

Fernüberwachung und Störmeldung

Zur Fernüberwachung und Störmeldung werden Signale im verbreiteten offenen Feldbussystem RS 485 mit dem Protokoll Modbus RTU bereitgestellt. Zur Verfügung stehen dabei wesentliche Betriebsgrößen wie:

• Verdampfungsdruck
• Verflüssigungsdruck
• Störungen
• Frequenz und Strom des VsCLeit­verdichters mit Frequenzumrichter
• Anzahl der Verdichter im Betrieb

Beispielsweise kann zur Fernüberwachung das Dixell-System XWEB500 dienen. Bild 7 zeigt ein Beispiel der verfügbaren Daten bei einem kleinen System.

Bausteine und fertige Schaltschränke

Kern der Isesco-Frequenzumrichtertechnik sind Regelgeräte, die speziell für Kältetechnik-Schaltschränke eingesetzt werden können. Ziel ist es, gleichzeitig die kompletten Steuerungen weitgehend zu standardisieren und als fertige, erprobte Schaltschränke bereitzustellen. Die Installation ist dann relativ einfach und wirtschaftlich möglich.

Bild 8 zeigt ein solches System. Zu erkennen ist die übersichtliche Anordnung und die geringe Anzahl von Schaltgeräten. Je einfacher der Schaltschrank ist, desto zuverlässiger ist die Funktion und desto schneller eine eventuelle Fehlersuche erledigt. Soweit andere elektrische Funktionen bauseits benötigt werden, gibt es ausreichend Platz für deren nachträglichen Einbau.

Ausblick und weitere Funktionalitäten

Der Einsatz von Frequenzumrichtern mit integrierter Intelligenz für die Regelung von Kälteverdichtern wurde beschrieben. Dabei werden die Verdampfungs- und die Verflüssigungstemperatur als ein System gemeinsam geregelt. Somit sind die optimalen Voraussetzungen für eine möglichst hohe Energieeinsparung geschaffen.

Steuerungs- und regelungstechnische Maßnahmen wurden beschrieben, um die Standzeit der Verdichter möglichst zu verlängern. Die Überwachung der Saugüberhitzung spielt dabei eine besonders wichtige Rolle. Das Prinzip der Redundanz dient dazu, um eine hohe Ausfallsicherheit zu erreichen.

Bisher wurde das Frequenzumrichtersystem Isesco für den Anwendungsbereich Gewerbekälte eingesetzt und erprobt. Derzeit laufen Entwicklungen, um das Einsatzgebiet auf Wärmepumpen sowie auf Kaltwassersätze und Systeme zur Luftkühlung zu erweitern. -

https://www.frigokimo.com/

KIMO Refrigeration HVAC Ltd.,Niederlassung Deutschland, Fürth