Wege zur Einhaltung der Dichtheitsanforderungen

Bis vor etwa 15 Jahren wurde der Dichtheit von Kälteanlagen kaum Beachtung geschenkt. In letzter Zeit erfolgte jedoch ein Umdenken. Die ersten Erfolge, z.B. durch den verstärkten Einsatz von Hart­lötverbindungen, wurden von der Politik kaum bemerkt, da der Übergang von Einzel- zu den energetisch günstigeren Verbundkälte­anlagen wegen der größeren Kältemittelfüllmengen zu erhöhten ­Kältemittelverlusten führte. Vor allem aber der erhöhte Bedarf an Kälte- und Klimatechnik ließ die Zahl der Kälteanlagen und damit den Kältemittelverbrauch weiter ansteigen.

Deshalb sah sich die Politik gezwungen, mit der F-Gase-Verordnung und der Chemikalien-Klimaschutzverordnung größeren Druck zur Senkung der Kältemittelverluste auszuüben. Das Verbot von F-Gasen wäre die nächste Stufe, sollten die Kältemittelverluste nicht entscheidend gesenkt werden. Natürliche Kältemittel wie Ammoniak und brennbare Kältemittel können nicht überall eingesetzt werden. Die Alternative CO₂ führt neben einem erhöhten indirekten Treibhauspotenzial bei hohen Umgebungstemperaturen zusätzlich zu erhöhten Serviceaufwendungen sowie zu verstärktem Austritt von Kältemaschinenöl.

Die Dichtheit von Kälteanlagen mit F-Gasen ist somit der Schlüssel für ihren weiteren Einsatz. Sie ist aber aus Umweltsicht ebenso für die Alternativen wie CO₂ unbedingt notwendig.

Alternative natürliche Kältemittel

Die einfachste Möglichkeit, die Vorgaben aus der kürzlich in Kraft getretenen Chemikalien-Klimaschutzverordnung einzuhalten, ist der Verzicht auf den Einsatz von F-Gasen. Will man nicht grundsätzlich auf Kühlung und Klimatisierung mithilfe von Direkt­verdampfungskälteanlagen verzichten, gibt es als Alternative die natürlichen Kältemittel, aber wer will schon Ammoniak oder brennbare Kältemittel in öffentlichen Bereichen. Auch das Kältemittel CO₂ kann nicht überall eingesetzt werden. Besonders bei hohen Umgebungstemperaturen ist es aus energetischen Gründen nicht zu empfehlen.

Alternative Kaltwasser- und Solesysteme

Mit dem Bau von Kaltwasser- und Solesystemen kann das Kältemittel auf die Kältemaschine begrenzt und damit reduziert werden. In den Bereichen, in denen diese Systeme Vorteile haben, sollte man sie auch einsetzen. Zu nennen ist hier z.B. die zentrale Kühlung von Maschinen, die über ein Wassersystem erfolgt.

Es gibt aber ebenso viele Anwendungen, bei denen Direktverdampfungsanlagen Vorteile auch aus Umweltsicht aufweisen. Diese Vorteile sollte man nicht aus Angst, die Vorgaben aus der Chemikalien-Klimaschutzverordnung nicht erfüllen zu können, aufgeben. So wurde z.B. beim dänischen Weg die Kältemittelfüllmenge von F-Gasen auf 10 kg pro Anlage begrenzt. Diese werden teurer und teilweise energetisch schlechter, da zusätzliche Wärmeübertragungsverluste im Wärmeübertrager zwischen Kältemittel und Wasser bzw. Sole auftreten. Außerdem werden wieder mehr Einzelanlagen gebaut, bei denen die energetischen Vorteile neuer Regelungs­systeme, aber auch die Möglichkeit zur Wärmerückgewinnung kaum genutzt werden können.

Splittung von Anlagen

Die Grundidee, die Kältemittelfüllmenge zu begrenzen, ist richtig, nur wurde in Dänemark die Obergrenze der Kältemittelfüllmenge viel zu tief angesetzt. Der Dresdner Kühlanlagenbau sieht einen geeigneten Weg darin, Direktverdampfungsanlagen mit weit verzweigten Rohrleitungssystemen und großen Kältemittelfüllmengen zu splitten. Oft sind mit dieser Maßnahme auch zusätzliche energetische Effekte realisierbar, da man die Verdampfungstemperatur den jeweiligen Anwendungsfällen anpassen kann.

Die positiven Wirkungen der Anlagensplittung auf den Kältemittelverlust zeigt Bild 1. Der gesamte während einer Havarie auftretende Kältemittelverlust wurde als Produkt aus einem konstanten Leckagemassenstrom und der Zeit bis zum Schließen des Lecks bestimmt. Dabei wurde die Zeit bis zur Alarmierung, die Reaktionszeit und die Zeit zum Schließen des Lecks einbezogen. Dass man bei Havarien durch diese Maßnahme Vorteile erzielt, wird sofort klar, da der maximale Kältemittelverlust auf die Kältemittelfüllmenge der Anlage begrenzt ist. Aber auch bei kleineren Leckagen bietet die Splittung Vorteile. Leckagen werden meist durch sich verändernde Sammlerstände oder aufgrund fehlender Leistungen einzelner Kühlstellen festgestellt. Je nach Anlage und Außentemperatur wird das fehlende Kältemittel jedoch erst bei 10 bis zu 40% Kältemittelverlust bemerkt (Annahme in Bild 1: 20%). Daher vergeht bei einer großen Anlage wesentlich mehr Zeit, bis eine Leckage bemerkt wird.

Schwingungen, Temperatur- und Druckschwankungen

Die Regelung der Anlage sollte möglichst gleichmäßig erfolgen. Drehzahlgeregelte Verdichter und Verflüssigerlüfter haben neben der Elektroenergieeinsparung den Vorteil, dass Belastungen durch Temperatur- und Druckschwankungen sowie die daraus resultierenden Schwingungen vermieden werden.

In diesem Zusammenhang sind auch die negativen Wirkungen einer Kondensationsdruckanhebung zur Wärmerückgewinnung zu erwähnen. Diese hat neben dem Betrieb auf einem höheren Druckniveau, wodurch einerseits der Elektroenergieverbrauch erhöht und andererseits die Anlage aufgrund der höheren Druck­differenz stärker belastet wird, auch schnelle Veränderungen im Anlagenverhalten und die daraus resultierenden negativen Wirkungen zur Folge. Es gibt bessere Möglichkeiten, um höhere Temperaturen bei der Wärmerückgewinnung zu erreichen, z.B. Wärmepumpenschaltungen.

Die Installation einer dichten Anlage braucht Zeit

Schon bei der Installation einer Anlage wird darüber entschieden, ob diese Anlage einmal zur Problemanlage wird. Unter Zeitdruck leiden die Qualität und damit auch die Dichtheit der Kälteanlage. Wenn die technologisch erforderlichen Zeiten für die Montage vom Bauherrn im Bauablauf nicht eingeplant sind, kann der Anlagenbauer seine Pflicht zur Senkung von Leckagen nicht erfüllen. Dazu gehören Qualitätsarbeit beim Aufstellen der Komponenten, beim Löten, bei Druckprüfungen an Teilstücken und an der Gesamtanlage sowie bei Feindichtheitsprüfungen nach der Inbetriebnahme.

Verbindungsstellen

Frühere Untersuchungen zeigten, dass lösbare Verbindungen die Hauptursache von Leckagen darstellten. Im Dresdner Kühlanlagenbau wird daher schon seit Jahren weitestgehend auf lösbare Verbindungen verzichtet und hartgelötet. Bei der Verbesserung der Qualität von Hartlötverbindungen wurden dabei gute Erfahrungen mit speziellen Lötschulungen an der Bundesfachschule Kälte-Klima-Technik Maintal/Niedersachswerfen inkl. theoretischer und praktischer Prüfung gemacht. Auch gut ausgebildete erfahrene Kältemonteure konnten hier noch etwas lernen. Mit diesen Maßnahmen wurden die Kältemittelverluste auch bei großen Anlagen (wie z.B. im Bild auf Seite 16 zu sehen) deutlich vermindert.

Durch die Reduzierung der Leckverluste an Verbindungsstellen treten jetzt andere Fehler in den Blickpunkt. Normalerweise wird bei fabrikgefertigten Systemen ein höherer Qualitätsstandard erreicht als im Anlagenbau vor Ort. Analysen im Dresdner Kühlanlagenbau zeigten jedoch, dass es in letzter Zeit häufig zu großen Leckagen kam, deren Ursache fabrikgefertigte Komponenten waren. Tritt ein Herstellerfehler bei eingebauten Komponenten auf, bleibt dieser oft kein Einzelfehler, sondern hat Auswirkungen auf eine ­Vielzahl von Anlagen. In diesem Fall sind schnelle Information und ein gemeinsames abgestimmtes Handeln von Komponentenhersteller und Servicefirma (Rückrufaktionen, wie aus der Auto­mobilindustrie bekannt) zur Vermeidung weiterer Kältemittelverluste unbedingt notwendig.

Problemanlagen

Eine entscheidende Senkung der Kältemittelverluste kann bei der Gesamtheit der Kälteanlagen erreicht werden, wenn die sehr großen Verluste von Problemanlagen vermieden werden. Deshalb ist zwischen Servicefirma und Betreiber ein ständiger Informationsaustausch gerade zu Problemanlagen auf Basis der Aufzeichnungen des Kälteanlagenbauers wichtig. Gemeinsam müssen die besten Wege zur Senkung der Leckverluste von kleineren Instandsetzungsarbeiten bis hin zum kompletten Austausch von Anlagen gefunden werden.

Der Gesetzgeber hat in der ChemKlimaschutzV Betreibern und Servicefirmen mit einer Übergangsfrist für Altanlagen bis zum 30.6.2011 die Chance und Zeit eingeräumt, die genannten Maßnahmen zu treffen (siehe Tabelle S. 18 heller Bereich).

Zugänglichkeit

Zur Gewährleistung einer erfolgreichen Dichtheitsprüfung ist die Zugänglichkeit von Anlagenteilen ein wichtiges Thema, das schon bei der Planung beachtet werden muss. Aber auch im Service ist die Zugänglichkeit ein Problem. Anlagenteile sind oft zugestellt. Teilweise wird die Zugänglichkeit einer Anlage bei Dichtheitsprüfungen und Wartungen einfach durch zugestellte Maschinenräume oder eine verschlossene Tür begrenzt.

Dichtheitsprüfung

Hier noch einige Bemerkungen zur Dichtheitsprüfung: Ende des letzten Jahres trat die VO (EG) Nr. 1516/2007 in Kraft. Diese Verordnung ist eine Konkretisierung der F-Gase-Verordnung (EG) Nr. 842/2006 und behandelt die Standardanforderungen für Dichtheitsprüfungen.

Nach dieser Verordnung dürfen indirekte Methoden zur Dichtheitsprüfung angewendet werden, wenn diese zuverlässige Hinweise auf Leckagen geben. Die Größe der dabei mindestens festzustellenden Leckagen ist nicht definiert.

Leckageerkennungssysteme reichen allein nicht aus, um die anspruchsvollen Maximalwerte des spezifischen Kältemittelverlustes aus der Chemikalien-Klimaschutzverordnung zu unterbieten. Werte unter 15% pro Jahr sind weder mit direkten noch mit indirekten Leckageerkennungssystemen sicher messbar. Hier ist man wohl bei der Erarbeitung der VO (EG) Nr. 1516/2007 davon ausgegangen, dass mit Leckageerkennungssystemen wesentlich geringere Kältemittelverluste detektierbar sind. Nur durch Einsatz anderer indirekter Methoden (z.B. Beobachtung der Anlage hinsichtlich Schwingungen und durch Öl sichtbar werdende Leckstellen) in Verbindung mit der direkten Methode, der Lecksuche mittels Lecksuchgerät, können die Leckagen entscheidend gesenkt werden.

Nur durch Verwendung von tragbaren Messgeräten, deren Sensibilität mindestens 5g/a betragen muss (Forderung nach VO (EG) Nr. 1516/2007), kann den aktuellen Gesetzen entsprochen werden. Im Dresdner Kühlanlagenbau ist die Umstellung auf diese empfindlichen Lecksuchgeräte mittlerweile abgeschlossen. Dabei wurde auf die vom Institut für Luft- und Kältetechnik (ILK) Dresden getesteten und für gut befundenen Lecksuchgeräte orientiert.

Noch wichtiger ist jedoch die ständige Kontrolle der Lecksuchgeräte mit einem Prüfleck, die nach Gesetzesvorgabe jährlich erfolgen muss. Um den Monteuren immer die Sicherheit eines funk­tionierenden Lecksuchgerätes zu geben, erfolgt die Überprüfung im Dresdner Kühlanlagenbau monatlich, in naher Zukunft sogar wie vom ILK vorgeschlagen vor jeder Lecksuche.

Der Betreiber ist verantwortlich

Das Gesetz wendet sich primär an den Betreiber und stellt die Verletzung der Verpflichtungen unter Sanktionen. Der Betreiber wird wohl selbst nicht in der Lage sein, zu beurteilen, ob der Service­betrieb oder Anlagenbauer hier sachgerecht arbeitet. Er kann und muss (Forderung nach VO (EG) Nr. 303/2008) kontrollieren, ob eine zertifizierte Kältefirma mit zertifiziertem Personal die Arbeiten an seinen Anlagen durchführt.

Im Umkehrschluss wird ein vernünftig handelnder Kälteanlagenbauer wohl kaum Verpflichtungen eingehen, deren Erfüllung er wegen Mitwirkungsverpflichtungen des Auftraggebers oder veralteter bzw. von Dritten errichteter Anlagen nicht garantieren kann.

Inwieweit die Sanktionen heute praktisch durchsetzbar sind, bleibt offen. So ist zum Beispiel der Begriff Normalbetrieb, für den die vorgeschriebenen spezifischen Kältemittelverluste gelten, nicht definiert. Außerdem stellt sich natürlich die Frage, ob ein Betreiber bestraft werden darf, wenn es zu einer Überschreitung der Werte im Normalbetrieb kommt, obwohl der Stand der Technik (es sind ja nicht Gesetze, die den Bau regeln) bei Bau und Service eingehalten wurden.

Einer der wichtigsten Punkte der F-Gase-Verordnung ist die Bestimmung der Kältemittelfüllmengen, aber auch der Kältemittelverbrauchsdaten. Auf Grundlage dieser Daten soll im Jahre 2011 entschieden werden, ob weitere Schritte bis hin zum Verbot von F-Gasen erfolgen. Ziel muss es daher sein, die Leckagen so weit zu reduzieren, dass weitere Maßnahmen nicht mehr erforderlich sind. In vielen Bereichen stellen natürliche Kältemittel gute Alternativen dar. Dort, wo herkömmliche Kältemittel ökonomische, aber auch energetische Vorteile haben und damit die Umwelt weniger belasten, wäre es schade auf sie, die F-Gase, verzichten zu müssen.

Dichtheitsprüfungen und Berichtspflicht auch für CO₂-Anlagen?

Für Kälteanlagen mit dem Kältemittel CO₂ gelten F-Gase-VO sowie Chemikalien-Klimaschutzverordnung nicht. Betreiber von CO₂-Anlagen brauchen keine Angst vor Strafen wegen Nichteinhaltung dieser Gesetze, z.B. weil keine Dichtheitsprüfungen durchgeführt worden sind, zu haben. Sie werden jedoch trotzdem bestraft:

• Durch einen erhöhten Elektroenergieverbrauch infolge Kälte­mittelmangel
• Durch mehr Serviceeinsätze aufgrund nicht festgestellter Leckagen
• Durch erhöhte Aufwendungen zum Beseitigen von ausgetretenem Kältemaschinenöl

Grund dafür sind vor allem die wesentlich höheren Anlagendrücke von CO&sub2;-Anlagen.

Der Leckmassenstrom ist nur von der Molmasse, der dynamischen Viskosität und dem Quadrat des jeweiligen Anlagendrucks abhängig. Je nach Ort des Lecks (Saug- oder Druckseite) sowie den Betriebsdrücken sind die Leckverluste von CO₂-Anlagen bei geometrisch gleichen Lecks gegenüber dem Kältemittel R404A etwa ­ 10-mal und gegenüber R134a etwa 30-mal so hoch. Bei CO₂-Anlagen kommt es zu zusätzlichen Kältemittelverlusten, da aus Sicherheitsgründen, um eine Überschreitung des maximalen Betriebsdruckes auf der Saugseite bei längerem Anlagenstillstand zu vermeiden, CO₂ über das Sicherheitsventil in die Umwelt abgeblasen wird.

Anlagen mit zu geringen Kältemittelfüllmengen laufen energetisch nicht mehr optimal und damit steigt das indirekte Treibhauspotenzial. Deshalb sollten CO&sub2;-Anlagen, bei denen Undichten schneller negativ auf den Energieverbrauch und damit das indirekte Treibhauspotenzial wirken, häufiger als Anlagen mit herkömmlichen Kältemitteln auf Dichtheit geprüft werden.

Die wesentlich größeren Leckageverluste von CO₂ verursachen ein weiteres Problem. Mit dem natürlichen Kältemittel CO₂ tritt bei Leckagen immer auch ein synthetisch hergestellter Stoff aus, nämlich das Kältemaschinenöl. Darf man eigentlich von einer Kälteanlage mit natürlichen Stoffen sprechen, wenn der natürliche Stoff bei Leckagen einen nicht gerade umweltfreundlichen synthetisch erzeugten zwangsläufig mit in die Umwelt bringt?

Unter der Annahme, dass mit CO₂ beim Austritt aus dem Kältekreislauf prozentual etwa die gleiche Ölmenge den Kreislauf verlässt wie bei Anlagen mit herkömmlichen Kältemitteln, sind die Ölverluste von CO₂-Anlagen auch etwa 10- bis 30-mal so hoch wie die Ölverluste normaler Kälteanlagen.

Einerseits hat dies zwar den Vorteil, dass man schwierig detektierbare CO₂-Lecks schneller findet, indem man nach ausgetretenem Öl sucht. Andererseits führt dies wesentlich schneller zu Ölmangel im Kreislauf und den damit verbundenen Problemen.

Die oben genannten Zahlen sind plausible Annahmen, die auch wenn nicht ganz genau zumindest in ihrer Größenordnung stimmen. Sicher ist jedoch, dass verantwortungsbewusste Betreiber CO₂-Anlagen häufiger als Anlagen mit F-Gasen auf Dichtheit überprüfen lassen sollten.

Bevor CO₂-Anlagen zum Standard werden, muss die von ihnen ausgehende Umweltbelastung genauestens analysiert werden. Dabei ist gerade die in die Umwelt entweichende Menge des Kältemaschinenöls wichtig. Um belastbares Zahlenmaterial für CO₂-Anlagen zu erhalten, wären ähnliche Berichtspflichten für CO₂-Anlagen wie für Anlagen mit F-Gasen wünschenswert. So könnten die notwendigen Forschungsarbeiten auf ein Minimum reduziert werden.-

Links

https://www.diekaelte.de/ WEBCODE kk636

Verordnung (EG) Nr. 842/2006 vom 17. Mai 2006 über bestimmte fluorierte Treibhausgase

https://www.diekaelte.de/ WEBCODE kk657

Chemikalien-Klimaschutzverordnung

https://www.diekaelte.de/ WEBCODE kk658

Verordnung (EG) Nr. 1516/2007 zur Dichtheitskontrolle

Fachverantwortlicher Technik, Dresdner Kühlanlagenbau GmbH

Planer

• Gewährleistung der Zugänglichkeit aller Anlagenteile, wenn ökonomisch sinnvoll, besonders für Verbindungsstellen
• Ausschreibung von Hartlöt- bzw. industriell gefertigten lösbaren Verbindungen
• Splittung von Anlagen mit weit verzweigten Rohrleitungssystemen zur Reduzierung der Kältemittelfüllmenge (Leckagen werden schneller erkannt)
• Ausschreibung von für den Einsatzfall geeigneten Materialien und Materialdicken (Reinigungsmittel beachten)
• Ausschreibung von Anlagen mit niedrigen Kondensationsdrücken

Kältemittel mit niedrigen Kondensationsdrücken (z.B. R134a)

Ausschreibung gut dimensionierter Verflüssiger

freie Luftströmung für die Verflüssigerventilatoren gewährleisten

WRG nicht durch Kondensationsdruckanhebung realisieren

Auftraggeber (Investoren und Betreiber)

• Gewährleistung genügend langer Zeiten für qualitätsgerechtes Bauen
• Berücksichtigung von Bauzeiten für Druckfestigkeitsprüfungen in Verbindung mit Dichtheitsprüfungen vor der Inbetriebnahme
• Schaffung der Möglichkeiten für Feindichtheitsprüfungen nach Inbetriebnahme

Kälteanlagenbauer

• Einsatz von ausgebildetem und zertifiziertem Personal
• Durchsetzung von Druckprüfungen an Teilstücken des Rohrleitungssystems, besonders, wenn diese später nicht mehr zugänglich sind
• Reduzierung von Schwingungen in der Kälteanlage
• Sorgfältige direkte Feindichtheitsprüfung nach der Inbetriebnahme
• Auswahl von qualifizierten Subunternehmern, die auch die Verantwortung für Kältemittelverluste übernehmen
• Einstellung möglichst niedriger Kondensationsdrücke

Hersteller und Händler von Anlagenkomponenten

• Stärkere Fokussierung auf Dichtheit von Anlagenkomponenten (dünneres Kupferrohr wird eher undicht)
• Beratung von Planern, Betreibern und Anlagenbauern hinsichtlich geeigneter Materialien, besonders in aggressiver Atmosphäre
• Sofortige Information an Anlagenbauer und Servicefirmen über Serienfehler bei Anlagenkomponenten

Betreiber

• Beauftragung zertifizierter Servicefirmen zur Dichtheitsprüfung in den geforderten Zeitintervallen
• Zusätzlich zur Dichtheitsprüfung Beauftragung von Wartungen
• Gewährleistung genügend langer Zeiten für qualitätsgerechtes Bauen bei Umbauten
• Zugänglichkeit der Anlagenteile für Servicefirmen sichern
• Zustimmung zur Abschaltung- bzw. Teilabschaltung von Anlagen, falls Leckage nicht sofort beseitigt werden kann
• Erneuerung von Anlagen mit großen Kältemittelverlusten

Servicefirmen

• Sorgfältige Durchführung der Dichtheitsprüfungen
• Sorgfältige Buchführung über Kältemittelverluste (Unterstützung der Betreiber)
• Besondere Überwachung problematischer Anlagen
• Information an die Betreiber über problematische Anlagen
• Schnelle Reaktionszeit zur Beseitigung von Leckagen
• Beseitigung von Fehlern (z.B. Schwingungen), die spätere Ursachen für Undichten sein können
• Einsatz von Lecksuchgeräten mit genügend hoher Genauigkeit (max. 5g/a)
• Ständige Kontrolle der Lecksuchgeräte (1 x pro Jahr wie in VO (EG) Nr. 1516/2007 vorgeschrieben, ist zu wenig)