kkεk¹-Vorstandsmitglied Friedrich P. Busch moderierte die Veranstaltung und gab in einem grundlegenden Einführungsvortrag einen Einblick in die Klimaproblematik und in die politischen Bemühungen im Rahmen der EU zu ihrer Bewältigung.
Die globalen CO2-Emissionen entwickeln sich proportional zum Bevölkerungswachstum, weil mit zunehmender Bevölkerungszahl auch der Energieverbrauch wächst. Dabei ist für die Zukunft zu berücksichtigen, dass die Anteile Afrikas mit nur 3% oder Südamerikas mit nur 4,9% am Weltenergieverbrauch nicht so gering bleiben, sondern überproportionale Steigerungen erfahren werden. Eine Gegensteuerung ist im Wesentlichen nur durch einen effektiveren Einsatz von Energie und Nutzung emissionsfreier Energieerzeugung möglich. Dazu kommt in unserer Branche die Vermeidung von Kältemittellecks, bezogen auf die Kältemittel mit CO2-äquivalenten Klimawirkungen.
Es gibt eine Vielzahl von Maßnahmen für Kälte- und Klimaanlagen, die ein Potenzial zur Minderung des Energieverbrauchs beinhalten. Damit verwies Busch auf die folgenden Fachvorträge, die solche Quellen deutlich aufzeigen. Der generelle Aktionsplan für Energieeffizienz in Europa sieht bis 2020 eine 20%ige Energieeinsparung vor und eine damit korrespondierende Energiekostensenkung um 100 Mrd. Euro/a. Die damit zu erreichende Reduzierung der CO2-Emissionen beträgt 780 Mio. t, was dem doppelten Wert des Kyoto-Abkommens entspricht. Daraus wird die Größe der Aufgabe deutlich.
Busch gab anschließend dazu einen umfassenden Überblick über die Gesetzeslage in der EU. Der Vorschlag zum EU-Gesetzespaket zum Klimawandel beinhaltet daneben auch das Erreichen eines 20%igen Anteils erneuerbarer Energien bis zum Jahre 2020. Wenn man die im vergangenen Jahrzehnt stetig steigenden Energieverbräuche in Europa betrachtet, wird die genannte Aufgabenstellung besonders deutlich, s. Bild.
Den Reigen der Fachvorträge, die sich mit den Komponenten des Kältekreislaufs befassten, eröffnete Dr.-Ing. Hans Förster vom gleichnamigen Magdeburger Ingenieurbüro. Seine besondere Aufmerksamkeit galt den thermodynamischen Eigenschaften der Kältemittel und den sich daraus ergebenden Möglichkeiten zur Effizienzsteigerung im Kältekreislauf durch den Einsatz von Wärmeübertragern. Der von ihm vorgestellte Ringkanalwärmeübertrager erfüllt viele kältetechnische Anforderungen optimal. In seinem Vortrag ging er auf die Vorzüge der Unterkühlung mit den effektivitätsverbessernden Eigenschaften ein. Er stellte die Vor- und Nachteile von drei unterschiedlichen Schaltungen zur Unterkühlung mit Economisernutzung vor, nämlich
- Vorschalten des Economisers vor den inneren Wärmeübertrager,
- Dampfseitige Zwischenschaltung des Economisers zwischen zwei unterteilte innere Wärmeübertrager, und
- Nachschalten des Economisers hinter einem Sauggaswärmeübertrager.
Diese letzte Schaltung ist gerade für die Kältemittel mit geringer Temperatursteigerung bei der Verdichtung geeignet, d.h. mit Isentropenexponenten κ in der Nähe von 1 (z.B. R404A). Das bietet eine große Sicherheit gegen Überflutung des Verdichters, ergibt eine große mittlere Temperaturdifferenz für den Sauggaswärmeübertrager und die Anwendung einer unisolierten Saugleitung wird möglich. Dadurch wird die höchstmögliche Energieeffizienz für das System mit Verbesserungen im Tiefkühlbereich bis über 40% erreicht und oft kann deshalb auch ein kleinerer Verdichter eingesetzt werden. Natürlich muss das ein Verdichter sein, der den Economiserbetrieb ermöglicht, z.B. ein Schraubenverdichter. Der Economiseranschluss muss für diese Lösung angepasst werden.
In einem zweiten Teil widmete sich Förster der Gewinnung von Heizwärme durch Druckgasenthitzung.
Am Beispiel der Rekonstruktion einer Tiefkühl-Kälteanlage mit einem Ringkanal-Wärmeübertrager als innerem Wärmeübertrager und einem Axialstrom-Wärmeübertrager als Enthitzer konnte eine Einsparung an elektrischer Energie von 32% erreicht werden. Das gilt als Beispiel für viele Anlagen im Bestand, die unter den aktuellen Gegebenheiten demnächst zur Rekonstruktion mit einem ähnlich großen Verbesserungspotenzial anstehen.
Dieser gesamte Beitrag kann in der Märzausgabe der KK ausführlich nachgelesen werden.
Wie die Verdichter zur Effektivitätsverbesserung der Kälteanlagen beitragen können, untersuchte Karl Huber von der HKT Huber-Kälte-Technik GmbH. Dabei baute er auf den Erfahrungen der Goeldner-Motion-Verdichter mit Drehzahlsteuerung durch Frequenzumformer auf. Besonders günstige Schaltungen ergeben sich dadurch, dass die HKT-Verdichter im Frequenzbereich von 20 bis 70Hz betrieben werden können. Wenn dann der 70Hz-Betriebspunkt zu 100% Leistung definiert wird, erreicht man einen Regelbereich von 1:3,5, bei Anwendung eines Zweierverbundes von 1:7. Indem eine Übergangszeit von 3s für das Herabfahren des geregelten und das Anfahren des ungeregelten Verdichters eingestellt wird, kann verhindert werden, dass sich beim Einschalten des zweiten ungeregelten Verdichters eine Einschaltspitze ausbildet.
Huber zeigte dann einige Beispiele, bei denen durch individuelle Anlagengestaltung wesentliche Energieeinsparungen erreicht werden konnten: In einem Restaurant wurden z.B. 19 Kühlstellen nur einem Verdichter zugeordnet, wodurch gegenüber einzelnen Hermetikverflüssigungssätzen 30% weniger Energie verbraucht wurde (s. auch KK Heft 10/2004). Die Lagerhallenkühlung bei einem Bio-Lebensmittelgroßhändler mit einem geregelten Zweierverbund für NK und einem einzelnen geregelten TK-Verdichter erforderte zwar 20% höhere Investitionen gegenüber der konventionellen Lösung, machte sich aber durch den geringeren Energieverbrauch nach drei Jahren bezahlt. Ein Dreierverbund für eine Schmutzwasserwärmepumpe mit Propan als Kältemittel ergab eine besonders energieeffektive Heizung für ein Schweizer Schulgebäude (s. auch KK 06/2006). Eine Wärmepumpe für die Beheizung der eigenen HKT-Fertigungshalle, die auch messtechnisch gut verfolgt werden kann, schloss die Reihe der Beispiele ab. Die Erkenntnis schließlich, dass außer dem Verdichter die gesamte Kälteanlage mit den Wärmeübertragern, der Regelung und der Anlagenschaltung zum Erfolg beitragen, war im Sinne der Tagung und konnte bei den anderen Vorträgen ihre Bestätigung finden.
Im Anschluss widmete sich Jürgen Albig von der Ziehl-Abegg AG dann folgerichtig diesem Thema aus der Sicht der Ventilatorenanwendung in Kälte- und Klimaanlagen. Bei Ventilatoren ändert sich die Leistungsaufnahme mit der dritten Potenz der Drehzahl bzw. des Förderstromes, so dass die punktgenaue Regelung den wichtigsten Effektivitätsfaktor darstellt. Dazu gibt es mehrere innovative Lösungen:
- die AC-Motoren an externen Frequenzumrichtern mit allpolig wirkendem Sinusfilter (Fcontrol)
- die AC-Motoren mit integriertem Frequenzumrichter (FREvent)
- die EC-Motoren mit integrierter Regelelektronik (ETAvent).
Jedem dieser Systeme kann ein sinnvoller Einsatzbereich zugewiesen werden, wobei Energieeffizienz, Investitionskosten und weitere untergeordnete Gesichtspunkte herangezogen werden sollten. Für die richtige Entscheidung bildet das Lastprofil dabei eine wichtige Grundlage.
Neben der Antriebslösung bildet der Ventilator selbst mit seiner Laufradgeometrie einen weiteren Einflussfaktor auf die Effektivität. Die Aerodynamik des Axialradflügels FE2owlet mit einem neuen Ansatz der Gestaltung nach einem Vorbild aus der Bionik (Eule) führt dabei zu höchster Effizienz mit bis zu 15% besserem Wirkungsgrad und 7dB geringerem Schallpegel. Im Fazit ergibt sich ein optimales Anwendungssystem aus besten Strömungsbedingungen mit geringsten Druckverlusten der Anlage, aus dem hocheffizienten Laufrad und dem verlustarmen EC-Motor. Für diese Kombination bieten sich die Anlagen mit durchschnittlich hoher Motordrehzahl >70% der Nenndrehzahl und über 6000h/a Laufzeit an.
Ein immer wieder vernachlässigter Gesichtspunkt bei der Auslegung von Kühlräumen mit Feuchteanforderungen ist die richtige Verdampferauslegung. Diesem Thema widmete sich Friedhelm Meyer von der Cool Expert GmbH & Co.KG. Er betonte, wie wichtig es bei bestimmten Lagerbedingungen ist, auf die richtige Temperaturdifferenz am Verdampfer zu achten, weil jegliche, zu viel aus dem Luftstrom auskondensierte Feuchtigkeit zusätzliche Antriebsenergie am Verdichter erfordert.
Es genügt in solchen Fällen nicht, die Verdampfer- und Verdichterleistung in Übereinstimmung zu bringen, sondern die Temperaturdifferenz am Verdampfer ist ein zusätzlicher Auslegungsgesichtspunkt. Wenn das schon beim Volllastpunkt oft vernachlässigt wird, werden die Sünden im Teillastbereich umso größer, d.h. das richtige Überhitzungsverhältnis wird nicht eingehalten. In der Teillastphase vergrößert sich bei Verbundanlagen mit getakteten Verdichtern die Temperaturdifferenz Δt1, oder sie verkleinert sich bei kontinuierlicher Leistungsanpassung auf Werte, die selbst das intelligenteste Expansionsventil nicht ausregeln kann. Dabei sollte in allen Betriebszuständen ein guter Wirkungsgrad erreicht werden und der Werterhalt des Kühlgutes gewährleistet sein.
Der Vortrag stand damit auch unter dem Thema von Regelung und Steuerung für Gewerbekälteanlagen im Hinblick auf den Kühlgutnutzen durch Optimierung des Kälteleistungsangebotes unter Beachtung der Eintrittstemperaturdifferenz Δt1. Was dann folgte, war eine Lehrstunde für alle Projektanten von Gewerbekühlanlagen mit dem Credo:
Nach Ermittlung der erforderlichen Kälteleistung bestimmt die geforderte relative Luftfeuchtigkeit die Auslegung des Luftkühlers!
Um das zu berücksichtigen, muss man sich über den Zusammenhang zwischen relativer Feuchte und Temperaturdifferenz am Luftkühler im Klaren sein.
Dabei erreicht man die beste Verdampferausnutzung, wenn man das Überhitzungsverhältnis Δtoh/Δt1 im Bereich von 0,5 bis 0,7 wählt. Meyer machte dann an Auslegungsbeispielen die Einhaltung dieser Bedingung und die Konsequenzen für die Regelung deutlich. Der Regler QKL von cool expert ist dabei eine bevorzugte Lösungsmöglichkeit. Beispielsweise konnten in einem Obst- und Gemüselager der Energieverbrauch um 22% gesenkt werden und die Warenverluste reduzierten sich um 5%. Am Ende wünscht sich Meyer ein COP-Meter, damit der Betreiber immer sehen kann, wie seine Anlage läuft.
Um die optimale Regelung ging es auch Horst Wendelborn von der Offenbacher Danfoss GmbH. Er ging in seinem Vortrag auf die Vorausberechnung und Messung der Energieeinsparung durch Optimierung der Arbeitstemperaturen ein. Auf der Grundlage eines Simulationsprogramms lässt sich nach einer Woche Messung oder auch ohne Messung, abgeleitet vom ausgewählten Last- und Umgebungsprofil, der jährliche Energieverbrauch z.B. eines Supermarktes ermitteln. Durch Variation der Eingabewerte kann man sich der optimalen Auslegung schnell annähern.
Wendelborn verglich dann zwei Anlagen: eine Standardauslegung mit 10/30 und eine Optimalauslegung mit 9/23, wobei die 30°C als Konstantwert und die 23°C als Mittelwert für das ganze Jahr stehen. Die optimierte Anlage spart dabei schließlich 22% Energie ein. Erreicht wird das mit den aktuellen Danfoss-Regelungsbausteinen, nämlich der adaptiven Saugdruckanhebung bis das schwächste Kühlmöbel eine weitere Anhebung nicht weiter zulässt, der Kondensationsdruckanpassung an den Verlauf der Umgebungstemperatur, der adaptiven Einspritzregelung und durch das kommunikationsfähige Regelsystem, das durch die Übertragung der Kühlstellendaten eine weitere Optimierung der Verbundregler ermöglicht.
Das kostet natürlich auch mehr als die Standardanlage, aber eine Amortisation durch die Einsparung wird schon nach 1,7 Jahren erreicht. Das ist ein schönes Beispiel für die richtige Anwendung der verfügbaren Technik im Sinne der energetisch günstigsten Lösungen.
An diese fünf Vorträge zu Komponenten des Kältekreislaufs schloss sich folgerichtig der Vortrag von Wolfgang Leo, Frigotechnik, an, der sich mit der energetischen Optimierung einer Großkälteanlage zur Steigerung der Energieeffizienz und zur Minderung der CO&sub2;-Emissionen beschäftigte und der im Rahmen der kεkk-Initiative aus der Zusammenarbeit mit dem Dresdner Kühlanlagenbau entstand.
Nach Leo gibt es mehr als 200000 Bestandsanlagen, die überarbeitungsbedürftig sind, denn sie wurden zum großen Teil unter dem Gesichtspunkt geringer Investitionskosten errichtet, während gegenwärtig minimale Lebensdauerkosten, also die Summe aus Investitions- und Betriebskosten, angestrebt werden müssen. Diesen Vortrag können Sie auf Seite 28 in diesem Heft ausführlich nachlesen und sich von der erreichten Energieeinsparung bei der genannten Großkälteanlage beeindrucken lassen.
Nach diesen Fachvorträgen, die beispielhaft einen umfassenden Einblick in die Energiesparpotenziale der Kälte- und Klimatechnik boten, trat der kεkk-Vorsitzende Jörn Schwarz an das Pult und betonte noch einmal die Dramatik der aktuellen Klimasituation im Zusammenhang mit der Lage bei der Energiebereitstellung aus fossilen Energieträgern. In den nächsten Jahren beginnt sich die Schere zwischen verfügbaren und erforderlichen Ölreserven zu öffnen und die Lücke kann nur durch Energieeinsparungen und die Nutzung alternativer erneuerbarer Energiequellen abgedeckt werden. Parallel dazu sind die Emissionen deutlich zu senken, wie bereits Friedrich P. Busch in seinem Eröffnungsvortrag betonte. Dabei entfallen von den 780 Mio.t CO2 Senkungsziel der EU 270 Mio t auf Deutschland.
Es erfüllt mit Sorge, dass in Teilen der Wirtschaft diese Aufgabenstellung negiert oder auch gänzlich abgelehnt wird. Man meint, es herrsche ein Mangel an Energieeffizienz-Technologien. Schwarz wies an den Beispielen, die die Vortragenden dargestellt hatten, nach, dass solche Technologien entwickelt und verfügbar sind, dass die Einsparpotenziale außerordentlich hoch sind und dass sich weitere Reserven erschließen lassen, z.B. durch verbesserte Regelungsstrategien, durch konsequentere Abwärmenutzung und natürlich durch das große Forschungs- und Entwicklungspotenzial der öffentlichen Hand und der Wirtschaft.
Er benannte den Energieverbrauch individueller Kälteanlagen in Deutschland mit 32 Mrd.kWh/a, was im Durchschnitt dem Arbeitsvermögen von sieben fossil betriebenen thermischen Kraftwerken entspricht. Bei einer 30%igen Einsparung errechnen sich daraus 10 Mrd.kWh/a. Aus diesem Ziel lassen sich erhebliche Umsatzsteigerungen beim Anlagenbau, bei den Komponentenherstellern und den Großhändlern erreichen und die Betriebskostenreduzierungen fallen bei den Betreibern ins Gewicht.
Mit diesen Visionen vor Augen, konnte die Fachtagung in Bingen geschlossen werden. Die Teilnehmer nahmen die Impulse mit in ihre Firmen und Institutionen und wollen diesem Thema verbunden bleiben. Die Initiative kεkk wird in diesem Sinne weiter arbeiten und mit ihrem bedeutenden Potenzial vielleicht auch bald offiziell in die Verwirklichung der staatlichen Ziele eingebunden werden.U.A. -
Links
¹ kεkk Kompetenzzentrum Energieeffizienz Kälte- und Klimatechnik e.V.
