Energieoptimierung Mess- und Regeltechnik moderne Marktrechner

1. Marktrechner

In Zukunft wird es unumgänglich sein, einen Marktmanager (Rechner) im Supermarkt einzusetzen, welcher die Kälteanlage, Heizungsanlage, Lüftungs-/Klimaanlage, Wärmepumpe, Beleuchtungssysteme und sämtliche Energiezähler steuert, regelt und überwacht, Messwerte sinnvoll auswertet und letztendlich ein aussagekräftiges Energiemanagement aufweist.

Da jedes der einzelnen Gewerke eigene Regelungen und Steuerungen, die teilweise untereinander nicht busfähig sind, einbaut, ist es an der Tagesordnung, dass diese gegeneinander arbeiten, sich negativ beeinflussen und somit unnötige Energiekosten verursachen.

Durch den intelligenten Marktrechner ist es möglich, diese Gewerke miteinander zu verknüpfen, zu optimieren und die Daten auszuwerten. Hier ist der gute Kälteanlagenbauer gefordert, denn für moderne Kälteanlagensteuerungen werden bereits seit Längerem Rechner eingesetzt, die mittlerweile bereits 100 Prozent der Anforderungen erfüllen.

2. Brauchwasser-Wärmerückgewinnung

Für die Erwärmung des Brauchwassers mittels Rohrbündelenthitzer und Pufferspeicher wird die Überhitzungswärme der Kälteanlage (ca. 75 °C 85 °C) verwendet. Diese Energie steht quasi kostenlos zur Verfügung. Sie verringert sich allerdings mit abnehmender Laufzeit der Kälteanlage. Dies trifft hauptsächlich für die kalte Jahreszeit zu.

3. Wärmerückgewinnung für Heizzwecke

Am effektivsten ist diese Wärmerückgewinnung in der Übergangszeit Herbst, Frühjahr. Die Wärme wird mittels Rohrbündelwärmeübertrager aus der Kälteanlage gewonnen. Um möglichst viel Energie zu sparen, muss die Heizung als Niedertemperaturheizung in Verbindung mit einer Fußbodenheizung oder leistungsstarken Lufterhitzern ausgelegt sein. Zu beachten ist hierbei unter anderem, dass sich durch Anbringung von Energiesparglas-Schiebedeckeln auf Tiefkühltruhen oder Glasdrehtüren an Wandregalen die Laufzeit der Kälteverdichter verkürzt und sich somit auch die Energielieferung für Heizzwecke verringert.

Wenn zum Beispiel am Gebäude noch keine ausreichende Wärmedämmung vorhanden ist, ist es auf alle Fälle ratsam, eine zusätzliche Heizquelle zur Nachheizung vorzusehen. Die Kälteanlage muss in erster Linie die Produkttemperatur und Produktqualität sichern und nicht für Heizzwecke missbraucht werden. Hierfür ist eine zusätzliche Wärmepumpe, welche die Verflüssigungsabwärme als Wärmequelle nutzt, zu empfehlen. Zum Beispiel bieten Luft-Wasserwärme-Pumpen mit Leistungszahlen von 3,5 bis 4 optimale energetische Voraussetzungen, um als Heizquelle zu arbeiten.

4. Markt- und Nebenraumbeleuchtung

Eine intelligente Marktbeleuchtungssteuerung über ein Bussystem bringt eine nicht unerhebliche Energieeinsparung, da die Beleuchtung nach Bedarf selbstständig ein- und ausschaltet. Die bestehenden natürlichen Lichtverhältnisse werden erkannt und dementsprechend werden Beleuchtungs­körper zu- und abgeschaltet.

Dauerbeleuchtungen in Lagerräumen, WC, Neben- und Maschinenräumen werden ausgeschlossen. Die Außenbeleuchtung ist nur dann in Betrieb, wenn diese auch gefordert wird. Mit dem Marktrechner ist die Möglichkeit geschaffen, jede Lichtquelle nach Bedarf anzusteuern und schalten zu lassen, sodass nur der Bereich ausgeleuchtet wird, welcher tatsächlich zu dieser Zeit auch benötigt wird.

5. Glasschiebedeckel auf Kühlinseln

Bei Ausstattung der Tief- und Kühlinseln mit Glasschiebescheiben reduzieren sich die Abtauintervalle von 14- auf 1- bis 2-mal pro Woche. Dies ergibt Energieeinsparungen von bis zu ca. 55 Prozent. Beim Einsatz von Bedarfsabtauungen werden sehr oft Abtauintervalle übergangen. Durch den Einbau vonTrennwänden (z. B. aus Plexiglas zwischen den Truhenelementen in den Tiefkühlmö­beln) müssen nicht mehrere Elemente zu-sammen abgetaut werden, sondern jedes Element taut nach Bedarf oder Zeitvorgabe ab.

Ein weiterer Vorteil von Glasabdeckungen ist, dass die Kühlmöbel seltener verschmutzen und somit teure Reinigungsprozesse vermieden werden können. Die Kühlmöbel arbeiten effizienter.

6. Glasdrehtüren an Kühlregalen

Die Ausstattung der Kühlregale mit Energiesparglasdrehtüren bringt eine Energieeinsparung von bis zu ca. 50 Prozent, allerdings nur in Verbindung mit einer Kälteanlagenoptimierung. Die Verdampfungstemperatur muss nicht bei 10 °C liegen, sondern kann bis auf 5 °C erhöht werden. Der Verdampfer vereist seltener und die Schmutzbildung im Kühlmöbel wird verringert.

7. Antibeschlagfolie an Tiefkühlschranktüren

Die Antibeschlagfolie funktioniert leider in unseren Breitengraden und den Luft- Feuchtigkeitsverhältnissen in unseren Verkaufsräumen ohne Klimaanlage nur bedingt, da bei einer sehr hohen Luftfeuchtigkeit im Markt die Scheiben trotzdem schwitzen.

Bei genormten Luftbedingungen im Markt wird bei Verwendung der Folie keine Scheibenheizung benötigt. Die Energieeinsparungen fallen aber nicht so hoch aus, da die meiste Energie für die Türrahmenheizung verwendet wird. Es sind Türfronten im Test (voraussichtlich ab 2013 verfügbar), welche weder eine Scheibenheizung noch eine Türrahmenheizung benötigen. Das Beschlagen der Türgläser wird auf ein Minimum reduziert.

8. LED-Beleuchtung

LED-Beleuchtung für Tiefkühlschränke ist mittlerweile Standard und nicht mehr wegzudenken. Im Markt selber, auch in den Nebenräumen, ist zunehmend eine sinnvolle Beleuchtungsinstallation vorzufinden. Für Kühlmöbel stehen die bekannten vielfältigen Farbgebungen, welche das Produkt hervorheben und zum Kauf anregen sollen, noch nicht zufriedenstellend zur Verfügung. Hier wird es noch etwas Zeit brauchen.

In letzter Zeit verstärken sich die Aussagen, dass die LED-Beleuchtung für die menschliche Netzhaut im Auge schädlich wäre. Langzeituntersuchungen sind abzuwarten. Fest steht jedoch, dass LED-Beleuchtungen in Verbindung mit dem Vorschaltgerät eine nicht zu unterschätzende Wärme entwickeln, die auf keinen Fall dem Kühlmöbel wieder zugeführt werden sollte.

9. Externe Beleuchtung

Eine externe Beleuchtung am Kühlregal bedeutet gegenüber einer Vollbeleuchtung eine Energieeinsparung von über 55 Prozent und leuchtet nicht nur das Kühlregal, sondern auch den Raum vor dem Kühlregal gut aus. Ab Januar 2013 wird eine externe Beleuchtung mit LED verfügbar sein, die die gleiche Lichtleistung mit weniger Energieaufwand bringt. Versuche und Testläufe sind bereits angelaufen. Auch in unserem Hause wird bereits über eine neue Art von Warenbeleuchtung an- und in Kühlregalen mit Glastüren nachgedacht.

10. Elektronische Einspritzventile

Ausstattung der Kühlmöbel und Kühlraumverdampfer mit elektronischen Einspritzventilen erbringt eine Energieeinsparung von 18 Prozent pro Ventil, ohne Anlagenoptimie­rung. Durch den Einsatz von intelligenten Kühlstellenreglern passt sich das Möbel jederzeit adaptiv den wechselnden Lastbedingun­gen an und kann immer die optimale Warentemperatur garantieren. Mittlerweile sind von Danfoss neuartige Spulen für elektronische E-Ventile erhältlich, die es erlauben, den Energieverbrauch jeder Spule um 67 Prozent,von 12 auf 4 W, zu senken. Nebenbei fördertdie Spule die Langlebigkeit des Ventils und reduziert die Geräuschentwicklung des tacktenden Ventils. Die Verdampferflächewird gegenüber dem Standard-E-Ventil zu 100 Prozent ausgenutzt. Für die Fernüberwachung hat dieses Ventil den großen Vorteil, dass durch die daraus resultierenden Messwerte optimale und sichere Störbehebungs- und Optimierungsmaßnahmen durchgeführt und ausgewertet werden können.

Thermostatische Expansionsventile (Standard E-Ventile) müssen zur Aufrechterhaltung ihrer Funktion immer eine Federkraft überwinden, um das Ventil zu öffnen. Das bedeutet, dass immer ein ausreichend hoher Vordruck vorhanden sein muss. Ein Absenken der Verflüssigungstemperatur unter 30 °C ist nicht ratsam, da sonst das Ventil nicht mehr ordnungsgemäß arbeitet. Dies trifft für elektronische E-Ventile nicht zu, da kein Federdruck vorhanden ist und somit der Verflüssigungsdruck ohne Weiteres auf 15 bis 10 °C abgesenkt werden kann. Die Flüssigkeitsleitung sollte dann allerdings gegen eine Taupunktunterschreitung gedämmt werden. Durch das Absenken des Verflüssigungsdrucks wird eine nicht zu vernachlässigende Energieeinsparung erzielt.

11. Bedarfsabtauung

Eine Bedarfsabtauung der Verdampfer hat den Vorteil, dass nur dann abgetaut wird, wenn tatsächlich Bedarf besteht. Sie wird in Verbindung mit dem Marktmanager und dem Kühlstellenregler ausgelöst. Damit kommt es nicht selten vor, dass Abtauintervalle bis zu dreimal überschritten werden und 10 Tage keine Abtauung gefahren werden muss. Wenn man bedenkt, dass bei jeder Abtauphase für ca. 20 Minuten 12 bis 15 kW Heizleistung benötigt werden, wird das Energieeinsparpotenzial deutlich.

12. Frequenzgesteuerte Verdichtermotoren

Durch den Einsatz von frequenzgesteuerten Verdichtermotoren in Einzel- oder Verbundanlagen wird der Saugdruck den tatsächlichen Anforderungen angepasst. Der Verdichter regelt von 18 bis 87 Hz und kann somit auch kleine Leistungen mit wenig Energieaufwand abfahren. Der Verdichter kommt nicht ins Takten. Durch den Frequenzumrichter reduzieren sich die Start- und Stoppvorgänge massiv. Dies wirkt sich wiederum auf die Lebensdauer der Verdichter aus.

Eine moderne, zeitgemäße Kälteanlage sollte heute nicht mehr ohne frequenzgesteuerte Verdichter betrieben werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn Energiespar­abdeckungen an Tiefkühlinseln und Kühlwandregalen angebracht werden.

13. Kühlmöbel-Modulregelung

Einen großen Vorteil bietet die Modulregelung von Kühlmöbeln. Jedes Kühlmöbelmodul erhält eine eigene Regelung und ein eigenes Magnet- bzw. elektronisches Ventil. Damit ist gewährleistet, dass nur dieses Modul (z. B. Kühlregal 2,50 m) und nicht eine ganze Möbelreihe von 10 oder 15 m bei Erreichen der Solltemperatur abschaltet.

Ein sanfter Verbundanlagenbetrieb ist somit möglich und jedes Möbelelement besitzt seine eigene HACCP-Aufzeichnung (für: Hazard Analysis and Critical Control Points). Bei einer Störung ist immer nur ein Element betroffen, Warensicherheit und Warenqualität sind gewährleistet.

14. Optimierter Anlagenbetrieb durch Fernüberwachung

Durch eine Fernüberwachung ist es möglich, die Anlage vom Büro aus optimal zu betreiben und einzujustieren. Man kann damit schon frühzeitig Fehler wie Kälte­mittelmangel, Verschmutzung, Vereisung und Überpackung feststellen und entsprechend gegensteuern. Die Anlagensicherheit kann zum Nutzen des Kunden voll gewährleistet werden. Die Fernservice­zentrale FSZ des Kältefachbetriebes ist somit in der Lage, nicht nur Anlagen zu überwachen, sondern auch zu optimieren. Sie sorgt dafür, dass die Kälteanlagen energetisch und auch technisch immer optimal funktionieren.

15. Wartung der Kälteanlagen

Jährliche Wartungen an Kälteanlagen und Kühlmöbeln führen zu geringerem Energieverbrauch und einer längeren Lauf- und Betriebszeit der Anlagen.

16. Satellitenverbundanlagen

Satellitenverbundanlagen sind Verbundanlagen, welche mit einem gemeinsamen Verflüssiger arbeiten, aber auf der Saugseite getrennt sind. Dies hat den energetischen Vorteil, dass der Verflüssiger, außerhalb der Abtauzeiten der Tiefkühlverbraucher, immer zu groß ist und somit eine niedrige Verflüssigungstemperatur den beiden Kreisläufen zugutekommt.

Einerseits ist bei sehr hohen Außen­temperaturen in der Regel immer noch so viel Reserve vorhanden, dass ein Betrieb ohne Störung möglich ist. Andererseits bewirkt die Reserve bei Normalbetrieb aufgrund der niedrigeren Verflüssigungstemperatur eine Mehrleistung am Verdichter und resultierend daraus weniger Energieaufwand.

17. Verflüssigerauslegung und -platzierung

Verflüssiger müssen großflächig ausgelegt werden und der Stellplatz sollte nicht di-rekter Sonneneinstrahlung ausgesetzt sein. Durch den sorgsam ausgewählten Stellplatz des Verflüssigers (z. B. auf der Schattenseite des Gebäudes) und der Farbwahl des Daches, nicht Schwarz, kann im Mittel von einer Verringerung der Verflüssigungstemperatur von bis zu 2 K ausgegangen werden.

18. Klimatisierung der Verkaufsfläche

Durch eine Klimatisierung der Verkaufsfläche werden die Betriebsbedingungen für die Gewerbekühlung verbessert. So ist eine höhere Verdampfungstemperatur möglich, die Verdampfer vereisen weniger, die Kälteanlagen weisen eine geringere Laufzeit auf, oder es können kleinere Verdichter eingebaut werden. Die Klimatisierung könnte beispielsweise energiesparend mittels Solarer Kühlung (z. B. Dach-Sonnenkollektoren in Verbindung mit einer Absorptionskälteanlage) realisiert werden.

19. Blockheizkraftwerk

Als Energiequelle für einen Supermarkt kann ein Blockheizkraftwerk eingesetzt werden, welches Strom erzeugt, Brauchwasser erwärmt und für die Heizung verwendet werden kann. Auch könnte dieses die Energiequelle für den Klimaabsorber sein. Das Blockheizkraftwerk kann entweder wärme- oder stromgeführt betrieben werden. Der Betreiber entscheidet, welche Ressource für ihn wichtiger ist.

20. Subkritische Kaskadenverdichter­anlage mit CO₂

Diese Verdichteranlagenart wird sicher in Zukunft auch in Deutschland ihren Platz finden. Neben der energiesparenden Betriebsweise ist auch der umweltschonende Aspekt des Kältemittels CO₂ zu berücksichtigen. Kriterium hierfür ist der GWP-Wert (Global Warming Potential), der das Treibhauspotenzial eines Kältemittels beschreibt. Das bedeutet beispielsweise, dass 1 kg R 404 A in der Atmosphäre den gleichen Treibhaus­effekt hervorruft wie 3,922 Tonnen CO₂.

Mittlerweile gibt es die Komponenten, um diese Anlagentechnologie zu realisieren und effiziente Anlagen zu konzipieren. Nachteilig ist, dass immer der NK-Kreis in Betrieb sein muss, bevor die TK-Anlage eingeschaltet werden kann.

Vorteile:

• Umwelttechnische Vorteile, geringerer TEWI-Wert.
• CO₂ bringt gute Eigenschaften als Kältemittel mit sich.
• Sehr gute Wärmeübertragungseigenschaften in den Verdampfern und ­Plattenwärmeübertragern.
• Kleinere Rohrquerschnitte sind möglich.
• Druckverluste machen sich weniger bemerkbar.
• Energieeffizienz der Kaskadensysteme entspricht ungefähr denen von direkt­verdampfenden R 404 A-Systemen.
• Durch die Kaskadenschaltung werden die Drücke auf 45 bar begrenzt.
• Mittlerweile eine weitverbreitete Technik mit guten Erfahrungswerten.
• Als Kältemittel in der oberen Stufe kommt R 134 a zum Einsatz, das mit einem GWP = 1 430 relativ umweltverträglich ist.
• Als Alternative bietet sich das Kältemittel R 407 F an, das zwar mit einem GWP = 1 824 etwas höher liegt, aber mit seinen Energieeffizienz-Eigenschaften und kleineren Dimensionen überzeugt. So sind Energie­einsparungen bis zu 15 Prozent im Vergleich zu R 404 A möglich. So sind z. B. Tasselli-Kühlmöbel bereits für diesen Gebrauch optimiert.
• Elektronische Expansionsventile sind eine Pflichtinvestition, da es keine thermostatischen Expansionsventile für CO₂ gibt.
• Die Firma Schrezenmaier Kältetechnik kann auf einen erfolgreichen und breiten Einsatz der elektronischen Ventile zurückblicken.
• Die übliche Regeltechnik muss nur um eine Komponente erweitert werden.
• Die Firma Danfoss ist als einer der Vorreiter in der gesamten CO₂-Technologie ein wichtiger Partner für den Kälteanlagenbauer.
• Das Kältemittel CO₂ (R 744) ist erheblich preiswerter als synthetische Stoffe.
• Die erste subkritische Versuchsanlage der Firma Schrezenmaier Kältetechnik hat gezeigt, an welchen Stellen man umdenken und was beachtet werden muss.

Nachteile:

• Es müssen Komponenten mit größeren Materialdicken für einen erhöhten Druckbereich verbaut werden.
• Trotz neuester Technologie kann man nicht von einer Energieeffizienzsteigerung sprechen.
• Die NK-Anlage muss immer vor der TK-Anlage in Betrieb sein.
• Das System ist im Falle eines Stromausfalls nicht selbstsichernd, sondern muss durch ein Notkühlaggregat, eine externe Stromversorgung mit Notstromversorgung, im Druck begrenzt werden. Eine Anlage ohne diese Einrichtung würde nach einer gewissen Zeit das Kältemittel abblasen.
• Durch die höhere Drucklage erhöht sich natürlich die Leckage-Gefahr.
• Die Verdampfer in den Kühlmöbeln müssen speziell angepasst werden, Standard-Verdampfer reichen nicht mehr aus und können dazu führen, dass die Anlage nicht ordnungsgemäß arbeitet.
• Weitere Sicherheitseinrichtungen wie CO₂-Leckagewarner müssen in schlecht zugänglichen Bereichen, Kühlräumen, dem Maschinenraum und dem Verkaufsraum installiert werden.
• Das Kältemittel CO₂ ist schwerer als Luft, sodass überlegt werden sollte, in geschlossenen Kühlmöbeln wie TK-Inseln ebenfalls Gaswarner zu installieren (dies ist keine Pflicht vom Gesetzgeber).

21. Transkritische CO₂-Kälteanlage

Transkritische CO₂-Anlagen haben in der NK und in der TK das Kältemittel CO₂ im Einsatz. Das bedeutet, dass bei Außentemperaturen von ca. 20 °C das Kältemittel CO₂ nicht mehr verflüssigt werden kann, sondern das Hochdruckgas nur noch gekühlt und durch eine Druckabsenkung verflüssigt wird. Dabei steigt der Hochdruck bis zu 100 bar an. Mittlerweile kommen Boostersysteme zum Einsatz, bei denen die TK-Verdichter in die NK-Verdichter verdichten, sodass ein Gaskühler ausreicht.

Vorteile:

• Absolute Zukunftssicherheit, da CO₂ als Kältemittel nicht verboten wird.
• CO₂ ist ein Abfallprodukt in vielen chemischen und industriellen Prozessen und dementsprechend preiswert.
• Durch das hohe Temperaturniveau und die hohen Isentropenexponenten des Kältemittels ist die WRG sehr effizient.
• Erfahrungen zeigen, dass in kälteren Regionen wie Skandinavien mit dieser Technik bis zu 10 Prozent Energie gespart werden kann, im Vergleich zu optimierten R 404 A-Systemen.
• In unseren Breitengraden mit immer extremeren Außentemperaturen, sind die transkritischen Anlagen noch nicht gleichwertig energieeffizient.

Nachteile:

• Komplexere Anlagentechnik erhöht den Schulungsbedarf für alle Servicemonteure und auch Anlagenbetreiber, um einen guten flächendeckenden Service bieten zu können.
• Die Ausbildung der Monteure muss schnellstmöglich daran angepasst werden!
• Investitionskosten liegen höher als bei subkritischen und R 404 A-Anlagen.
• Bisher gibt es wenige Erfahrungen, wie sich solche Anlagen längerfristig verhalten.
• Einzige Informationsquellen sind Carrier und Epta, die verständlicher Weise keine negative Stimmung machen werden.
• Im Moment noch weniger energieeffizient als hochmoderne R 404 A-Systeme.
• Erhöhter Mehraufwand durch Sicherheitssysteme.
• Erhöhte Leckagegefahr durch noch höhere Drücke.

Bisher sind einige Komponenten nicht in ausreichender Vielfalt frei zugänglich, so- dass der Anlagenbauer gewissermaßen von bestimmten Lieferanten abhängig ist.

22. Sonstiges

Es wir in Zukunft immer wichtiger werden, frühzeitig mit den Planungs- und ­Ingenieurbüros für jeden Supermarkt ein spezielles Konzept zu erarbeiten. Selbst­verständlich muss in neue Technologien mehr investiert werden. Aber wenn man bedenkt, dass die Rohstoffe und Energien immer teurer werden, muss ein langfristiges Denken Vorrang haben. Es muss darauf geachtet werden, dass zum Beispiel Rohrleitungen vom Verbraucher bis zum Maschinenraum so kurz wie möglich sein sollten.

Wartungs- oder Vollserviceverträge sollten wieder mehr Gewicht bekommen. Bei älteren Supermärkten sollten nicht nur Investitionen für die Neugestaltung des Verkaufsraums, sondern auch für eine Modernisierung der Anlagentechnik getätigt werden. -

Geschäftsführer der ­Schrezenmaier Kältetechnik GmbH & Co. KG, Schwerte