Alle gebäudetechnischen Gewerke von einem zentralen Leitsystem zu überwachen und zu steuern, ist Grundlage für ein effektives Zeit- und Lastmanagement. Dieser ganzheitliche Ansatz hat sich besonders in der Supermarktkälte vielfach bewährt.
Dieser Beitrag basiert auf meinem Vortrag, der anlässlich des 2. Supermarktsymposiums des ZVKKW in Nürnberg Anfang April 2011 gehalten wurde. Er will herausstellen, worin Eckelmann einige wegweisende Konzepte für die MSR-Technik von Kälteanlagen sieht. Ein besonderes Augenmerk gilt dabei dem Energiemonitoring per Web. Eine kontinuierliche Überwachung und Bewertung kältetechnischer Anlagen ist unerlässlich zur Erarbeitung effektiver Strategien zur Optimierung der Energieeffizienz und deren transparenten Evaluation.
Bei den immer komplexer werdenden Anlagen und dem Trend zur Kopplung von Kälteanlagen mit regenerativen Energiequellen wie Geothermie und Abwärmenutzung sollten die Tools des Energiemanagements diese Komplexität indes nicht 1:1 spiegeln, sondern einfache Funktionen zum intelligenten Bewerten und Filtern von Daten an Bord haben.
Webbasiertes Energiemanagement
Die MSR-Technik von Eckelmann erlaubt eine zentrale Energie- und Verbrauchsdatenerfassung, sowohl der Kältetechnik als auch aller anderen gebäudetechnischen Gewerke.
Für das Energiemonitoring verfügt E-LDS über die mächtige Webanwendung LDSWeb, die jetzt um grundlegend neue Funktionen erweitert wurde. Hintergrund dafür waren auch die Bemühungen des VDMA um Standards zur Bewertung der Energieeffizienz von Kälteanlagen (Einheitsblatt 24247). An der Formulierung von Teil 7 hat Eckelmann mitgewirkt.
Das neu implementierte Expertensys-tem gestattet dem Energiemanagement, auf einen Blick die Effizienz einer Anlage zu bewerten und kritische Trends frühzeitig zu identifizieren. Dazu gehört beispielsweise die automatische Bewertung von Verbrauchs- und Temperaturdaten, das COP-Livemonitoring und die Berechnung der Kälteerzeugungseffizienz ηηc gemäß VDMA-Richtlinie 24247-2 (Bild 1).3
Intuitiv erfassbare Icons und die Reduktion der Daten auf relevante Sichten helfen dem Anwender, die Daten einzuordnen. Werden klare Bilanzräume definiert, erlauben LDSWeb bzw. LDWin eine sehr differenzierte Bewertung einzelner Anlagenteile.
Normieren und vergleichen
Zur vergleichenden Bewertung der Energieeffizienz von Kälteanlagen fordert das Einheitsblatt 24247-4 für den Bereich Supermarktkälte die Möglichkeit einer Normierung des Energieverbrauchs. Am aussagekräftigsten ist demnach die Displayfläche der Verkaufskühlmöbel (kWh/m² a).
Unter LDSWeb kann der Energieverbrauch neben der Displayfläche auch nach anderen gängigen Größen normiert werden, wie beispielsweise: Anzahl Kühlmöbel, laufender Meter Kühlmöbel, Bruttofläche etc.
Eine Monatsstatistik (Bild 2) macht längerfristige Trends sichtbar, die zu einer Verschlechterung der Anlagenleistung führen; eine abnehmende Kälteerzeugungseffizienz kann beispielsweise auf Probleme bei den Wärmeübertragern hinweisen.
In LDSWeb wird täglich der Verbrauch der Verbundkälte erfasst und dargestellt. Wechselnde Umgebungsbedingungen sowie wochentagabhängige Einkaufsfrequenz können zu schwankenden Verbräuchen führen: Um trotzdem einen Verbrauchswert bewerten zu können, ermittelt das Expertensystem intern einen Verbrauchs-Soll-Wert als Referenz. Die prozentuale Abweichung des Ist-Wertes gegenüber dem Referenzwert wird in einer Monatsstatistik dargestellt. Schleichende oder sprunghafte Veränderungen sind so erkennbar und sagen dem Betreiber, ob seine Anlage effizient und sicher läuft oder wie sich die Leistung nachhaltig verbessern ließe.
Der Gesamtreport fasst übersichtlich die Daten aller aufgeschalteten Märkte zusammen: Hier werden automatisch für einen frei wählbaren Zeitraum die wichtigsten Kenngrößen summarisch dargestellt und gewichtet. Icons zeigen die Problemmärkte an. Dargestellt werden eine Statistik der Störmeldungen, die Verbrauchsdaten der Kälteanlage und relevante Abweichungen bei Möbeltemperaturen. Diese stark abstrahierende Sicht auf die Märkte nützt dem Energiemanagement, um die wirklich wesentlichen Informationen vieler Märkte vergleichen zu können.
Dynamische Sollwertkorrektur mit Funksensoren
Eines der jüngsten Entwicklungsprojekte der Eckelmann AG ist der Einsatz von Funksensoren zur dynamischen Sollwertkorrektur von Kühlmöbeln. Zu wissen, welche Temperaturen tatsächlich im Warenraum bzw. in der warennahen Kühllufttemperatur eines Kühlmöbels herrschen, ist eine notwendige Voraussetzung für eine effektive Regelung der bereitgestellten Kälteleistung. Herkömmliche Regelungsverfahren berücksichtigen die Temperaturen der Zu- und Rückluft, die indes nichts über die tatsächlichen Temperaturen im Kühlmöbel aussagen. Dies hat zur Folge, dass für die Kühlstellenregler i. d. R. niedrigere Sollwerte vorgegeben werden, als für eine sichere Kühlung tatsächlich notwendig wären.
Würde man die warennahen Temperaturen messen, könnte man die Kühlstellen wesentlich besser regeln und damit die Energieeffizienz steigern. Dies ist mit kabelgebundenen Temperaturfühlern allerdings nur eingeschränkt möglich, da sie nicht flexibel genug platziert werden können. Die Lösung ist der Einsatz von Funksensoren zur Temperaturerfassung. Der Kühlstellenregler nutzt die zusätzlichen Daten zur dynamischen Korrektur der Sollwerte (Bild 3).
Präzision durch digitale Messtechnik
Das von Eckelmann entwickelte Funksensor-System wurde bislang vorwiegend für die Qualitätssicherung gemäß HACCP eingesetzt. Der Funksensor TS 30 W bzw. TS 30 XW mit externem Fühler kann flexibel direkt im Warenraum platziert werden und sendet in frei parametrierbaren Abständen Temperaturen an ein Empfangsmodul. Die digitale Messtechnik führt zu einer deutlich höheren Genauigkeit (typ. ± 0,1 K) im Vergleich zur Messung mit kabelgebundenen Fühlern.
Die Daten können innerhalb des Regelungssystems E-LDS zur Optimierung der Regelung verwendet werden. Theoretisch würde eine Anhebung der Verdampfungstemperatur um ΔT = 1 K eine Energieeinsparung von bis zu drei Prozent erzielen. Darüber hinaus verringert die höhere Verdampfungstemperatur die Temperaturdifferenz zwischen Möbeltemperatur und Umgebung. Der flachere Temperaturgradient bringt zusätzliche Energieeinsparungen von drei Prozent pro 1 K. DerKälteverlust wird reduziert.
Praxisnahe Tests mit dem Eckelmann-System über ein halbes Jahr haben gezeigt, dass mit dem neuen Regelungsverfahren im Mittel bis sechs Prozent an Kälteleistung bzw. elektrischer Leistung eingespart werden könnte, bei einer bedarfsgemäßen Anhebung der Soll-Temperatur um 1 bis 3 K.
Schwankenden Kältebedarf regeln
Der Kältebedarf eines Kühlmöbels schwankt z. T. stark. Bekanntlich wird deshalb in der Nacht der Sollwert für die Verdampfungstemperatur um typischerweise ΔT = 2 K angehoben. Nachtrollos oder Abdeckungen schützen dann vor Kälteverlusten. Tagsüber schwankt der Bedarf an Kälte teilweise erheblich. Dies ist ein multikausales Geschehen einige Ursachen sind:
- Einkaufsfrequenz
- Außentemperatur
- Turbulenzen (Kaltluft im Kühlmöbel, Kaltluftschleier, Raumluft)
- Lichteinfall bzw. IR-Strahlung
- Absorptionsspektrum der Verpackungsmaterialien
- Unterschiedliche Beladung mit Waren oder Beladung mit zu warmer oder zu kalter Ware
- Fehlerhafte Beladung(z. B. Behinderung des Luftstroms)
Der Effekt auf die Temperatur im Warenraum des Kühlmöbels lässt sich mit wenigen Funksensoren abbilden, die die kritischen Bereiche des Kühlmöbels erfassen.
Um eine stets sichere Kühlung der Lebensmittel zu gewährleisten, wurde bei den Testmöbeln die Sollwertverschiebung auf ±3 K begrenzt. Die Temperaturen wurden zyklisch in Abständen von 5 bis 15 Minuten abgefragt. Dies ist eine hinreichende zeitliche Auflösung, um Veränderungen in dem thermodynamisch relativ trägen System Kühlmöbel der Regelungsaufgabe adäquat zu beschreiben.
Die Temperaturverläufe zeigen deutlich, dass beim Wechsel von Betriebszuständen (z. B. beim Runterfahren eines Nachtrollos) der Sollwert dynamisch angepasst wird; eine zusätzliche Zeitsteuerung mit statischer Sollwert-Korrektur (Parametrierung des Kühlstellenreglers) für solche Ereignisse ist damit nicht unbedingt erforderlich. Sie kann die Sollwertschiebung aber weiterhin unterstützen.
Grundsätzlich ergänzt und verbessert die dynamische Sollwert-Korrektur das konventionelle Regelungsverfahren komplementär.
Bild 4 illustriert die erreichten Einsparungen anhand der Einschaltdauer der Kühlung (EDK). In einem Vergleich des Betriebs mit und ohne die Sollwert-Korrektur bei ähnlichen Umgebungsbedingungen wird der Einfluss der Sollwert-Korrektur sichtbar. Für den Betrieb mit Sollwert-Korrektur ergibt sich eine Reduktion der EDK um rund sechs Prozentpunkte im Tagesmittel. Je nach Kältebedarf findet im Tagesverlauf mehrfach eine dynamische Sollwert-Korrektur statt. Im Mittel konnte die Einschaltdauer des Kühlmöbels im Versuchszeitraum von einem halben Jahr um sechs Prozent reduziert werden. Dies korreliert mit der aufgenommenen Kälteleistung. -
1 Entwurf VDMA 24247-2 : 2010-07, S. 4
2 Entwurf VDMA 24247-2 : 2010-07, S. 6
3 Entwurf VDMA 24247-2 : 2010-07, S. 4 f.
Weitere Informationen
Die Kälteerzeugungseffizienz
bewertet das Verhältnis aus Kälteleistungszahl der realen Kältemaschine COPoc in Bezug auf den verlustfreien Kälteerzeugungsprozess
nach Carnot.¹ Da sich Kältemittel keineswegs ideal verhalten und eine Kälteanlage sich auch nicht wie eine reversible Wärmepumpe verhält, muss neben der Anlagentechnik und Auslegung der Anlage vor allem die Regelungstechnik dafür sorgen, dass sich der Kreisprozess diesem Ideal annähert.
Im Effekt geht es immer darum, die eingesetzte elektrische Antriebsleistung so gering wie möglich zu halten in Relation zur transportierten Wärme. Je geringer die Temperaturdifferenz zwischen To und Tc, also je flacher der Verlauf des Kreisprozesses, desto günstiger das Verhältnis von nutzbarer Kälteleistung und elektrischer Leistung. Die größten Potenziale für Energieeinsparungen liegen in der Prozessführung selbst und einer stetigen Regelung.
Kühlstellenregler für elektronische Expansionsventile (EEV) verbessern den Wirkungsgrad der Verdampfer, indem ein wesentlich größerer Teil der Verdampferfläche tatsächlich genutzt werden kann als bei thermostatischen Expansionsventilen (TEV). Außerdem kann das Kältemittel bei einem niedrigeren pc kondensiert werden. Durch die stetige Regelung der Expansion wird die Überhitzung minimiert. Die Überhitzung am Austritt des Verdampfers ist daher auch eine wichtige Regelgröße für die Expansion des Kältemittels. Während bei TEV zwischen Verdampfereintritt und -austritt eine Temperaturdifferenz von typischerweise ΔT = 712 K auftritt, sind es bei EEV ΔT = 34 K. Infolge ist die Wärmetransporteffizienz ηWT (Kältemittel/Kühlluft) bei stetig geregelten Expansionsventilen daher deutlich besser.²
In einer Verbundanlage kann durch die Kommunikation bei E-LDS via CAN-Bus zwischen Verbundsteuerung und Kühlstellenreglern der Saugdruck optimiert werden. Auf der Seite der Verdichter können Frequenzumrichter für eine bedarfsgerechte Leistungsregelung der Verdichter sorgen.
Insgesamt geht es darum, trotz schwankendem Kältebedarf den Arbeitspunkt möglichst stabil zu halten. Dies ist nur durch adaptive und vorausschauende Regelungsstrategien möglich, die z. B. auch intelligente Abtaukonzepte berücksichtigen. Werden darüber hinaus angrenzende Gewerke wie Wärmerückgewinnung und Geothermie regelungstechnisch mit der Kälteanlage verknüpft, beeinflusst dies auch die Kälteerzeugungseffizienz günstig. Denn auf Seite der Kälteanlage kann dies beispielsweise für eine effektivere Verflüssigung sorgen. Und ein Teil der Abwärme ist weiter nutzbar.
Dr.-Ing. Frank Uhlemann
Leiter des Geschäftsbereichs Kälte- und Gebäudeleittechnik bei der Eckelmann AG, Wiesbaden
