Der Regler AK-PC 783 gehört zur Serie AK 2 des Regel- und Überwachungssystems Adap-Kool. Es besteht aus einem Input-/Output-Hauptmodul mit aufsteckbarem Prozessor. Je nach Anlagen- und Anwendungsgröße können Erweiterungsmodule auf einer DIN-Schiene aufgesteckt werden. Diese Hardware-Konfiguration ist für alle Anwendungen gleich, seien es nun Verbundanlagenregler, integrierter Kaskadenregler, Kühlstellenregler oder Systemmanager. Den Unterschied macht die Software des aufsteckbaren Hauptmodul-Prozessors.
Dessen Spannungsversorgung und Busverbindung erfolgt über eine Kontaktleiste. Bild 1 verdeutlicht, dass dieses Hardware-Konzept Einsparungen bei Verdrahtung, Platzbedarf, Servicebevorratung und Inbetriebnahme ermöglicht. Falls die Breite des Schaltschranks für große Anwendungen mit vielen Erweiterungsmodulen nicht ausreicht, können über ein Kommunikationsmodul in zweiter Reihe weitere Erweiterungsmodule hinzugesteckt werden.
Zwei Displays in der Schranktüre zeigen die wichtigsten Reglerparameter an. Zur Kommunikation mit weiteren Reglern und dem Systemmanager ist der Verbundanlagenregler mit dem LON-Bus ausgerüstet. Notwendige Einstellungen lassen sich über eine PC-Servicetool-Software am Regler direkt vornehmen. Alternativ ist eine Fernbedienung per Internet und Modem zusammen mit einem Systemmanager möglich. Für die am häufigsten verwendeten Kaskadenanlagen stehen im Regler komplette Voreinstellungen zur Verfügung. Nach der Auswahl der Anwendung und einer eventuellen Feineinstellung ist die Anlage dann betriebsbereit.
So funktioniert die Kaskade
Das Prinzip der Kaskade ist dem Anlagenschema (Bild 2) zu entnehmen. Die Verflüssigung des Tiefkühl-Kältemittels R 744 erfolgt in einem Plattenwärmeübertrager durch Verdampfung des Kältemittels R 134 a des auf der anderen Seite befindlichen Plattenwärmeübertragers der Normalkühlung. Damit wird die Verflüssigungswärme der Tiefkühlung auf die Verdampfungsseite der Normalkühlung übertragen und muss von dieser über den luftgekühlten Verflüssiger an die Umgebung abgeführt werden. Die Tiefkühl-Verflüssigung ist also eine Kühlstelle der Normalkühlanlage. Im Falle einer Wärmerückgewinnung kann die Abwärme von Tief- und Normalkühlanlage über nur einen Wärmeübertrager an die Heizungsanlage abgeführt werden. Diese schaltungstechnischen Vorteile ermöglichen eine Kosteneinsparung gegenüber zwei parallelen Verbundanlagen.
Die Kaskadenanlage hat vier Regelkreisgruppen, nämlich zwei Verbundanlagenregelungen, die Regelung des Kaskadenwärmeübertragers und die Wärmerückgewinnungsregelung. Die einzelnen Gruppen enthalten mehrere Regelfunktionen, von denen die wichtigsten nachfolgend erläutert werden. Alle Regler sind in einer Hardware-Baugruppe zusammengefasst. Das führt zu Vereinfachungen und Kosteneinsparungen bei Verdrahtung, Komponenten, Einstellung und Wartung.
Regelfunktionen des Verbundanlagenreglers
Der Regler AK-PC 783 regelt die Tief- und Normalkühl-Verbundanlage. Es können jeweils bis zu vier Verdichter mit je drei Leistungsstufen pro Verdichter gewählt werden. Ein oder zwei Verdichter jeder Verbundanlage können mit einem Frequenzumrichter zur Drehzahlregelung ausgerüstet werden. Die Saugdruckregelung erfolgt über einen PI-Regler in Kombination mit einer Neutralzonenregelung. Eine dynamische Erweiterung der Zonen verhindert unzulässigen Taktbetrieb. Für die Leistungsverteilung der Verdichter kann man zwischen dem Zyklus- und dem Best-fit-Betrieb wählen.
Für einen sparsamen Betrieb sorgt die Saugdruckoptimierung des Reglers AK-PC 783, der mittels einer Kommunikation mit den Kühlstellenreglern AK-CC 550A den Saugdruck entsprechend der höchstbelasteten Kühlstelle wählt. Die Optimierung erhöht den Saugdruck und damit die Temperatur um 2 bis 5 K, je nach Belastungszustand der Kühlstellen. Diese Methode lässt gleichzeitig eine Früherkennung von Störungen an den Kühlstellen zu.
Um beim Anfahrprozess der beiden Verbundanlagen einen Taktbetrieb zu vermeiden und um den Energieverbrauch zu reduzieren, ist der Einsatz eines Frequenzumrichters für mindestens einen Verdichter pro Verbundanlage empfehlenswert. Um einen Einbruch in der Leistungskurve bei der Drehzahlregelung der Verbundanlage zu verhindern, sollte die variable Leistung durch eine Regelung im Bereich von 30 bis 90 Hz größer sein als die Leistung der folgenden Stufen.
Der Verbundanlagenregler unterstützt auch die Regelung einer sehr kleinen Verbundanlagen-Teillast. Beispielsweise beträgt die Kühllast im Winter und im Nachtbetrieb oft lediglich 20 Prozent der Volllast. Um einen Taktbetrieb der Kaskade zu vermeiden, empfiehlt sich die Anwendung mit zwei drehzahlgeregelten Verdichtern (Bild 3). Damit lässt sich eine Teillast bis herunter zu 12,5 Prozent der Volllast ohne Taktbetrieb regeln. Im Beispiel wurden Verdichter mit unterschiedlichen Leistungen gewählt, sodass der Best-fit-Betrieb zur Anwendung kommt.
Für die Verflüssigungsdruckregelung durch die Lüfter stehen mehrere P- und PI- Regelmöglichkeiten in Kombination mit einer Neutralzonenregelung zur Verfügung. Eine der wichtigsten Energiesparmöglichkeiten für Kälteanlagen ist die Anpassung der Verflüssigungstemperatur an die Umgebungstemperatur. Dies geschieht durch zwischen 15 und 30 °C einstellbare Grenzwerte der Verflüssigungstemperatur.
Die Lüfter des Verflüssigers können im Ein-/Aus-Betrieb, mittels Frequenzumrichter bzw. mit EC-Motoren betrieben werden. Bei der Ein-/Aus-Regelung werden die Lüfter sequenziell geschaltet, wobei der zuletzt eingeschaltete Lüfter als erster wieder ausgeschaltet wird. Eine Drehzahlregelung ist notwendig, wenn ein konstanter Druckverlauf ohne Blasenbildung des Kältemittels gewünscht wird, wie sie aus der Druckabsenkung beim Anlauf der Lüfter resultiert. Dies erhöht die Betriebssicherheit und senkt den Energieverbrauch. Auch wegen der Abhängigkeit des Lüfter-Energieverbrauchs von der 3. Potenz der Drehzahl ist durch eine Drehzahlregelung eine deutliche Einsparung zu erzielen. Alle Lüfter werden bei dieser Lösung von nur einem Frequenzumformer geregelt. Dabei werden eine Startdrehzahl und eine Mindestdrehzahl festgelegt, bei der der Lüfter abgeschaltet wird.
Eine intelligente Fehlererkennung alarmiert rechtzeitig vor einer unzulässig großen Verschmutzung des Verflüssigers. Diese Überwachungsfunktion basiert auf Messdaten bei sauberem Verflüssiger sowie bei unterschiedlichen Verschmutzungsgraden.Entsprechend kennt der Regler drei Alarmstufen: Teilweise Ansammlung von Schmutz auf den Lamellen, Fremdkörper saugseitig und Luftstrom blockiert.
Der Regler besitzt weitere Funktionen wie Spitzenlastabwurf, Flüssigkeitseinspritzung in die Saugleitung, Einspritzung aus, Sicherheitskette und die Überwachung der wichtigen Parameter wie Po, Pc, Sd, Ss. Diese Funktionen werden hier nicht behandelt.
Ölabscheider- und Ölstandsregelung
Das oft separate und nicht kommunikationsfähige Ölmanagement für Verbundanlagen ist im Regler AK-PC 783 für mehrere Konzepte der Ölregulierung kommunikationsfähig integriert. Verwendung finden übliche Ölabscheider, Sammelbehälter, Niveauschalter und Magnetventile. Ein Beispiel für die Anordnung der Komponenten für die Ölrückführung zeigt Bild 4.
In der Regelung realisiert ist eine über Magnetventile getaktete Ölnachfüllung in die Verdichter. Das Puls-Pausen-Verhältnis ist dabei einstellbar. Die Regelsignale kommen von einem Niveauschalter eines Verdichters, Ölabscheiders und Ölsammlers oder von einem Drucktransmitter am Ölsammler.
Die Regelung der Entleerung des Ölabscheiders in den Ölsammler erfolgt über Niveauschalter-Grenzwerte maximaler Öl-stand oder minimaler Ölstand und beinhaltet auch Alarmmeldungen für Überfüllung, für verbleibendes Öl im Sammler nach Befüllung sowie für keine Ölabscheidung möglich. Im Falle einer unzureichenden Druckdifferenz, die zu der Füllung der Verdichter bei Normalkühlung notwendig ist, kann eine Druckregelung des Ölsammlers über ein pulsierendes Magnetventil zwischen Ölabscheider und Ölsammler aktiviert werden.
Zur Sicherstellung einer Ölvorlage im Sammler erfasst ein Pulszähler den zeitlichen Verlauf des Druckaufbaus im Sammler und zählt die Pulse der Ölbefüllung der Verdichter. Daraus errechnet der Regler die rechtzeitige Befüllung des Sammlers durch den Abscheider.
Regelfunktionen für den Kaskadenwärmeübertrager
Der Kaskadenregler AK-PC 783 ist speziell für die Regelung von zwei Verdichtergruppen ausgelegt, die durch einen Kaskadenwärmeübertrager zusammengeschaltet werden. Die Tiefkühlung darf nur anlaufen, wenn die Normalkühlung schon in Betrieb ist. Es wird also eine Start-/Stopp-Logik benötigt, die alle Regler zum richtigen Zeitpunkt schaltet. Die Start-/Stopp-Koordination der Verdichtergruppen mit der Freigabe der Einspritzfunktion in den Wärmeübertrager ist intern im Regler implementiert, eine externe Verdrahtung ist also nicht notwendig.
Die Einspritzung in den Kaskadenwärmeübertrager, der meist als Plattenwärmeübertrager ausgeführt ist, erfordert eine spezielle Einspritztechnik. Denn die Einspritzregelung der Plattenwärmeübertrager wird durch eine sehr kurze Regelstrecke für die Überhitzung und große Temperaturdifferenzen zwischen der Druckgastemperatur von R 744 und der Verdampfungstemperatur von R 134 a erschwert. Die adaptive Überhitzungsregelung von Danfoss, erweitert durch eine Flächenregelung des Verdampfers, verwirklicht diese notwendige besondere Einspritztechnik.
Mit dem Schrittmotor-Einspritzventil ETS ist eine exakte Füllung des Verdampfers auch im Teillastbereich bis herunter zu 20 Prozent möglich. Der spezielle Regelalgorithmus unterstützt eine maximale Verdampferleistung und regelt den Verflüssigungsdruck auf der R 744-Seite durch eine Flächenverkleinerung auf der R 134 a-Seite des Plattenwärmeübertragers. Die MOP-Regelung des Einspritzventils ETS hält beim Start die Verdampfungstemperatur in den gewünschten Grenzen, ein Magnetventil EVR vor dem ETS-Ventil verhindert ein Überfluten des Verdampfers bei Anlagenstillstand. Bild 5 zeigt den Verlauf der Regelung mit einer energiesparenden Temperaturdifferenz von lediglich 3,6 K zwischen tc (R 744) und to (R 134 a) bei 46 Prozent Verbundanlagenleistung.
Wärmerückgewinnug und Gebäudeheizung
Wie bereits erwähnt, ermöglicht die Kaskadenschaltung die Übergabe der gesamten Abwärme einer Tief- und Normalkühl-Verbundanlage über einen Wärmeübertrager in ein Wärmeverteilsystem. Für die Erzeugung von Brauchwarmwasser aktiviert ein Thermostat des Kaskadenreglers AK-PC 783 oder ein externes Schaltsignal bei einem Heizbetrieb die Anhebung der Verflüssigungstemperatur auf zum Beispiel 40 °C. Dies geschieht mithilfe der Lüfterregelung. Parallel dazu wird ein Verflüssigungsdruck-Regelventil ICS mit Druckpilotventil CVP und Pilotmagnetventil EVM in der Druckleitung eingeschaltet. Um eine Blasenbildung vor den Expansionsventilen zu verhindern, wird nach dem Abschalten der Signale der Verflüssigungsdruck langsam abgesenkt. Die Absenkgeschwindigkeit in K/min ist einstellbar.
Bei der Verwendung der Abwärme für die Gebäudeheizung kann die Verflüssigungstemperatur in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur über eine Optimierungskurve angehoben werden. Das entspricht der Optimierung einer konventionellen Öl- oder Gasheizung über die Umgebungstemperatur. Dazu bedient ein PI-Regler ein ICM-Hauptventil mit ICAD-Schrittmotor, eingebaut in der Druckgasleitung. Je nach Wahl der Heizoptimierungskurve beträgt die Energieverbrauchseinsparung bei den Verdichtern 5 bis 10 Prozent pro Jahr gegenüber einer konstant geregelten Verflüssigungstemperatur.
Fazit
Der integrierte Kaskadenanlagenregler AK-PC 783 vereinfacht die Handhabung der umfangreichen Regelfunktionen, die für eine Kaskadenregelung erforderlich sind, und verbessert die Übersicht. Die Optimierungsfunktionen für den Saugdruck und Verflüssigungsdruck für den Sommer- und Winterbetrieb vermindern den Energieverbrauch um etwa 25 Prozent pro Jahr bei gleichzeitig niedrigeren Investitionskosten für die Regelung der kompletten Kaskadenanlage. -
Literatur:
Capacity controller with cascade control AK PC 783, RS8GN102, Danfoss A/S Nordborg
Dip.-Ing. (FH) Horst Wendelborn
Kältetechnik, Senior Consultant im Bereich Electronic, Controllers & Services bei Danfoss, Offenbach
Kevin Baumert
Kälteanlagenbauermeister, Technical Sales und Support im Bereich Electronic, Controllers & Services Hauptfeld FDS (Field delivery service) bei Danfoss, Offenbach
