Das Produktportfolio vieler Verdichteranbieter umfasst neben Packages mit je einem Schraubenverdichter auch Verbund-Lösungen mit zwei Verdichtern, im Folgenden kurz Duo-Pack genannt. Sie bieten insbesondere bei Anwendungen, in denen der Teillastbetrieb überwiegt, Vorteile. Die GEA Grasso SPduo der GEA Refrigeration Technologies sind solche Packages mit zwei Schraubenverdichtern auf einem gemeinsamen Grundrahmen. Im Vergleich zu zwei leistungsgleichen Einzellösungen benötigensie etwa 20 Prozent weniger Grundfläche, sind in der Anschaffung etwa 16 Prozent günstiger und sind schneller installiert als zwei getrennte Packages.
Kosten- und Zeiteinsparungen durch weniger Material und schnellere Installation
Die geringeren Installationskosten ergeben sich aus dem Anschluss von nur jeweils einer Saug- und Druckleitung, dem Einbau nur eines Fundamentes, verringerten Transportkosten sowie des Anschlusses von nur einem Ölkühler am Kühlkreislauf. Zwei separate Einzelaggregate hingegen würden die doppelte Anzahl von Anschlüssen und einen entsprechenden Mehraufwand an Material und Arbeitszeit benötigen.
Auch im Vergleich zu einem Einzelaggregat, das die gleiche Leistung wie die Summe der Duo-Pack-Verdichter bietet, sind Kosteneinsparungen möglich, denn eine effizienzoptimierte Folgesteuerung reduziert den Energieverbrauch des Duo-Packs im Teillastbereich. Der Return of Investment für die Mehrausgabe eines Duo-Packs ist dadurch oft bereits nach drei bis vier Jahren bei entsprechender Betriebszeit und Lastverteilung erreicht.
Die Energieeinsparungen für ein Duo-Pack im Vergleich zu einem einstufigen Aggregat sind gerade im Teillastbereich sehr hoch. Bild 1 zeigt dies exemplarisch für Verdichter-Packages der Serie GEA Grasso SP1 bzw. SPduo. Angenommen ist eine Anwendung im Bereich von etwa 1 400 kW Kälteleistung beim Einsatz von Ammoniak als Kältemittel und bei Betrieb mit 25 °C/+35 °C. In beiden Fällen Einzelaggregatund Duo-Pack wurde von dem Einsatz von Aggregaten ohne Frequenzumrichterausgegangen. Mit einer angenommenen Betriebszeit von 5000 h/a bei einer glockenförmigen Lastverteilung und gleitender Kondensationstemperatur unter mitteleuropäischen Bedingungen ist für das angenommene Fallbespiel eine jährliche Einsparung von 110000 kWh realistisch.
Effizienzsteigerung mit variabler Drehzahlregelung möglich
Bild 1 zeigt im Bereich von 0 bis 50 Prozent Last ein sehr großes Einsparpotenzial(grün markiert) und einen sehr kleinen Bereich mit leichten energetischen Nachteilen im Bereich von 50 bis 60 Prozent. Letzteres beruht auf der Tatsache, dass in dem Lastbereich, nachdem der zweite Verdichter zugeschaltet hat, der erste Verdichter in einem energetisch ungünstigeren unteren Teillastbereich laufen muss.
Eine weitere Effizienzsteigerung ist durch den Einsatz von Duo-Packs mit variabler Drehzahlregelung möglich. Durch den Einsatz von drehzahlgeregelten Motoren an Schraubenverdichtern können die internen Verluste der mechanischen Leistungsregelung im Teillastbereich entscheidend verringert werden. Das ist vorteilhaft für die Anwendung in Duo-Packs. In Bild 2 wird ein Duo-Pack mit einem drehzahlgeregelten Verdichter und einem Verdichter mit fixer Drehzahl einem gleichgroßen Aggregat mit ausschließlich bei fester Drehzahl laufenden Verdichtern gegenübergestellt.
Zu beachten ist, dass bei dem Aggregat mit variabler Drehzahl der drehzahlgeregelte Verdichter mit bis zu 3600 U/min betrieben werden kann. Dadurch verschiebt sich der Zuschaltzeitpunkt des zweiten Verdichters von 50 auf 54,5 Prozent. Der Verdichter mit der festen Drehzahl wird grundsätzlich mit 100 Prozent Last betrieben. Der Verdichter mit variabler Drehzahl regelt die Laständerungen aus. Die kleinen rot markierten Bereiche mit Effizienzverlusten in Bild 2 ergeben sich aus den zusätzlichen elektrischen Verlusten des Antriebsystems des drehzahlgeregelten Verdichters. Die Wirkungsgradverluste im Umrichter selbst von etwa 2 Prozent sowie der leicht geringere Wirkungsgrad von Asynchronmotoren bei Betrieb mit nicht sinusförmiger Spannung führen zu einer verringertenelektrischen Effizienz. Demgegenüber sindaber außerhalb des Vollastbereiches be-trächtliche Effizienzsteigerungen auf der Verdichterseite durch die optimierte Drehzahlregelung zu verzeichnen. Diesen kleinen, in Bild rot markierten Bereichen stehen weite Bereiche mit sehr großen Effizienzgewinnen (grün markiert) gegenüber. Unter praktischen Bedingungen und bei einer üblichen Lastverteilung bietet also ein Duo-Pack mit einem drehzahlvariablen Verdichter eine weitere Effizienzsteigerung gegenüber einem Duo-Pack mit Verdichtern fester Drehzahl.
Ein Duo-Pack mit zwei drehzahlgeregelten Verdichtern ist in der Regel nicht zu empfehlen, weil es gegenüber der Variante mit nur einem drehzahlgeregelten Verdichter Effizienznachteile aufweist. Die Mehrinvestition in einen zweiten Umrichter würde sich daher nie amortisieren können.
Bei dem Aggregat mit zwei drehzahlgeregelten Verdichtern werden in der Betrachtung beide Verdichter mit jeweils maximal 3600 U/min betrieben. Dadurch liegt hier der Zuschaltpunkt des zweiten Verdichters in Bild bei 50 Prozent. Als Basis für die 100-prozentige Antriebsleistung bei 100 Prozent Kälteleistung wurde das Duo-Pack mit fixer Drehzahl genommen. Dadurch soll verdeutlicht werden, dass im Volllastbetriebspunkt die Variante des direkten Betriebs am Netz immer die günstigere ist (Bild 3). Der entscheidende Nachteil eines Duo-Packs mit zwei Umrichtern sind die jetzt bei beiden Verdichtern vorhandenen zusätzlichen elektrischen Verluste der Umrichter bzw. der frequenzgeregelten Motoren.
Fazit
Unter praktischen Bedingungen ist ein reiner Volllastbetrieb die absolute Ausnahme. In den meisten Fällen sind Lastschwankungen normal. Durch den Gang der Außentemperaturen bzw. durch schwankende zu kühlende Produktmengen sind hohe anteilige Betriebszeiten in Teillast nicht zu vermeiden. Bei einem solchen von Teillast geprägten Betrieb ist die Kälteerzeugung durch ein Duo-Pack mit einem drehzahlgeregelten Verdichter die energetisch beste Ausführung der hier besprochenen Varianten. Für die Auslegung einer möglichst effizienten Anlage ist es außerdem wichtig, dass beim Planen eine großzügige Überdimensionierung der Aggregate vermieden und die jährliche Lastverteilung ermittelt wird. -
Frank Müller
Produktmanager Schraubenverdichter, GEA Refrigeration Germany GmbH, Berlin
