Der Regelungstechnik kommt hierbei eine zentrale Rolle zu. Sie sorgt dafür, dass Wärme und Kälte immer zur rechten Zeit, am rechten Ort und im rechten Maß bereitgestellt wird. Die elektrische Leistungsaufnahme einer Kälteanlage kann durch moderne Regelungstechnik und die Integration von Wärmerückgewinnung schätzungsweise um 35 Prozent gesenkt werden. Besonders bei der Regelung von Wärmerückgewinnungsprozessen muss für eine optimale Bewirtschaftung des Wärmespeichers oder von Heizregistern der Kältekreislauf auf den Wärmebedarf abgestimmt werden. Nur mit Regelungstechnik, welche die Schnittstelle zur Wärmebereitstellung für Trink- und Heizwasser oder für Heizregister effektiv koordiniert, können die vorhandenen Potenziale voll ausgeschöpft werden.
Bei der Auswahl geeigneter Technologien geht es um eine Betrachtung aller Systeme. So entstehen innovative Lösungen, die bestehende Anlagentechnik und aktuelle Entwicklungen gewerkeübergreifend zu einem Gesamtsystem vereinen. Um die reibungslose Funktion dieses Gesamtsystems zu gewährleisten und alle Optimierungspotenziale zu nutzen, konnten wir die Herren Böers davon überzeugen, die Regelung der Gebäudetechnik dem System der Kälteanlage anzupassen, erläutern die Geschäftsführer des Planungsbüros ecoplan in Bielefeld, Hans-Joachim Behrendt und Heinz Werner Pölkner.
Bei der Kältetechnik entschied man sich für eine transkritische CO2-Kälteanlage der Carrier Kältetechnik Deutschland GmbH. Diese Technologie hat sich in unseren Breiten mittlerweile einen festen Platz erobert. Der Trend geht hin zu reinen CO2-Anlagen (R 744) und sog. Hybridanlagen (R 744 / R 430). Das natürliche Kältemittel CO2 bietet u. a. den Vorteil, dass ein größerer Anteil an Abwärme für die Wärmerückgewinnung genutzt werden kann verglichen z.B. mit R 404 a oder R 134 a. Insbesondere im transkritischen Bereich kommt der Wärmerückgewinnung die stark gleitende Temperatur bei isobarer Abkühlung zugute. Im transkritischen Betrieb lässt sich Wasser von 10 °C auf bis zu 90 °C erwärmen.
Unabhängig von den hervorragenden thermodynamischen Eigenschaften von R 744 spricht für seinen Einsatz, dass es einen geringen GWP-Wert (R 744: GWP = 1; Global Warming Potential) im Vergleich zu herkömmlichen halogenierten Kältemitteln hat (GWP = 2000 bis 4000). Deshalb wird die Verbreitung dieser Technologie auch durch die Klimaschutzinitiative des Bundesumweltministeriums besonders gefördert. Außerdem schädigt R 744 nicht die Ozonschicht, was ein entscheidender Nachteil halogenierter Kohlenwasserstoffe ist (Kälteanlagen-Leckagen).
Um die Vorteile von R 744 voll ausschöpfen zu können, bedarf es eines ganzheitlichen Ansatzes zur Integration der Kältetechnik in eine umfassende Gebäudeautomation. Das Regelungssystem ELDS der Eckelmann AG bietet sich für solche Aufgaben besonders an, da das Regelungssystem für die Kältetechnik über eine standardisierte Speicherprogrammierbare Steuerung ELC 55 und Feldbusmodule aus dem Hause Eckelmann zu einem durchgängigen Gebäudeleitsystem ausgebaut werden kann. Damit lassen sich alle Gewerke zentral regeln, die normalerweise über autarke Regelungssysteme verfügen, wie Heizung, Zentrallüftungsanlage oder Beleuchtung. Die ca. 20 zusätzlichen Messpunkte für das Monitoring dieser Pilotanlage werden kostengünstig mit speziellen Temperaturaufzeichnungsreglern (UA 300 L) und NTC-Fühlern erfasst. Die Ingenieure der Eckelmann AG haben das gesamte Engineering für die MSR-Technik des Marktes übernommen.
Wärmerückgewinnung ausgereizt
In dem Edeka Markt wird so der gesamte Energieverbrauch zentral gemanagt: von der Kälteanlage über die Abwärmenutzung für die Trinkwassererwärmung, Heizung und Lüftung bis hin zur Beleuchtungsanlage. Alle Gewerke lassen sich über einen zentralen Marktrechner oder am PC und ein spezielles Bedientableau für die Gebäudeleittechnik überwachen und bedienen. Bild 6 zeigt das vereinfachte Fließbild der Kälteanlage (Boosterschaltung, zwei Gaskühler für die Wärmerückgewinnung, Außenkühler, Unterkühlung des Kältemittels).
Aus kältetechnischer Sicht ist die aktive Unterkühlung des Kältemittels erwähnenswert: Ein spezieller Regler für elektronische Expansionsventile (UA 300 E UK) sorgt für eine optimale Unterkühlung und verbessert damit den COP-Wert der Kälteanlage. Zum einen lässt sich die Verdampfungstemperatur um 24 Kelvin anheben, zum zweiten wird eine weitere Absenkung der Kondensationstemperatur bis auf ca. 15 °C ermöglicht (bei entsprechender Außentemperatur).
Die Wärmerückgewinnung über die beiden Enthitzer ist mit der Verdichterregelung gekoppelt. So kann immer sichergestellt werden, dass ausreichend Abwärme bereitgestellt wird. Die MSRTechnik steuert die entsprechenden Umschaltventile in der CO2-Kälteanlage an. Die Abwärme wird zuerst zur Bewirtschaftung eines Wärmespeichers (450 l) für Trinkwasser mit inliegendem Gaskühler herangezogen. Das Trinkwasser wird durch die Abwärme auf bis zu 60 °C erwärmt (Vorlauftemperatur ca. 10 °C). Reicht die Abwärme nicht aus, kann entweder der Verdichterenddruck angehoben oder mit einer Elektropatrone nachgeheizt werden. Das Zuschalten der Elektropatrone wird allerdings sehr selten und dann überwiegend nur für die Legionellenschaltung benötigt.
Heizen und Lüften
Die übrige Abwärme wird je nach Bedarf in einem weiteren Gaskühler an das Heizregister der zentralen Lüftungsanalge abgegeben (Vorlauf-/Rücklauftemperatur: 25 °C / 33 °C). Aus Sicherheitsgründen (mögliches Entweichen von CO2 in die Verkaufsräume bei einer Havarie) gibt das Heißgas seine Wärme nicht direkt im Lüftungskanal ab; stattdessen ist ein Kreislauf mit einem Wasser-Glykolgemisch zwischengeschaltet. In der Übergangszeit kann ausschließlich mit der Abwärme aus der Kälteanalge geheizt werden erst sehr spät bzw. früh im Jahr wird der Heizkessel zu- bzw. abgeschaltet. Die Heizperiode verkürzt sich dadurch signifikant. Die übrige, technisch nicht nutzbare Kondensationsenthalpie wird schließlich über einen Außenkühler an die Umwelt abgegeben.
Durch die Verkürzung der Heizperiode kann außerdem elektrische Energie für den Betrieb der Heizungsumwälzpumpe eingespart werden, die einen erheblichen Anteil am gesamten Stromverbrauch hat. Ohne eine zentrale, vorausschauende Gebäudeleittechnik wäre dies unmöglich. Gebäudeleittechnik bedeutet eine möglichst vollständige Integration aller Gewerke. Nur so lassen sich die zahlreichen Vorteile einer Automatik voll ausschöpfen: In der Regel ist dies wesentlich effizienter, als wenn der Mensch in Regelkreise eingreift, wie hier am Beispiel der frühzeitigen Abschaltung von Pumpen erläutert wurde.
Für die Regelung der Kälteanlage und der Gebäudeautomation werden nicht nur die Außentemperatur und die Raumtemperaturen herangezogen, sondern auch die Luftfeuchtigkeit.
An repräsentativen Stellen im Markt wird mittels CO2-Sensoren die Luftqualität gemessen. Die Lüftungsanlage wird auf dieser Datenbasis bedarfsgerecht betrieben, indem über die Stellung der Außenluftklappen stets für einen optimalen Luftaustausch gesorgt wird und nicht mehr als nötig wertvolle Wärme aus dem Gebäude entweicht. Dadurch kann die Energiebilanz des Marktes weiter optimiert werden. Die Freigabe der Lüftungsanlage wird zentral über die Öffnungszeiten des Marktes geregelt und vollautomatisch der Witterung angepasst.
Smart thermal grids gehört die Zukunft
Für intelligente Stromnetze hat sich in jüngster Zeit der Begriff der smart grids (Intelligentes Stromnetz) durchgesetzt. Smart grids umfassen die kommunikative Vernetzung und Steuerung von Stromerzeugern, Speichern, elektrischen Verbrauchern und Netzbetriebsmitteln in Energieübertragungs- und -verteilungsnetzen der Elektrizitätsversorgung.
Vieles davon ist dank Automatisierungstechnik auf ähnliche Weise im Mikrokosmos Supermarkt heute bereits Realität nur dass wir es hier zusätzlich mit einem anspruchsvollen smart thermal grid zu tun haben, das alle Wärmetransporte modelliert und steuert. Zu den smart grid-Funktionalitäten des ELDS-Systems zählen z. B. das Lastabwurfmanagement oder vorausschauende Energiespar-Algorithmen.
Eine der Hauptaufgaben eines smart thermal grids besteht in der optimalen Steuerung aller Wärmeübergänge an gewerkebezogenen Systemgrenzen, wie hier am Beispiel der Abwärmenutzung aus der Kälteanlage gezeigt. Dies ist nur mit einer kompromisslos zentralen Steuerung möglich, die etwa die Sommer/Winter-Umschaltung der Heizung mit der Kälteanlage koordiniert oder exergetische Verluste durch die Lüftungsanalge minimiert und gleichzeitig für eine optimale Luftqualität sorgt. -
Dr.-Ing. Frank Uhlemann
Leiter des Geschäftsbereichs Kälte- und Gebäudeleittechnik, Eckelmann AG, Wiesbaden
Heinz Pölkner
geschäftsführender Gesellschafter,Ecoplan GbR, Bielefeld
