Die Regelung vermindert die Summe der Leistungsaufnahmen von Verdichter sowie Verflüssigerventilator und ist mit relativ geringen Investitionen verbunden. Neben der Energieeinsparung werden auch die Treibhausgasemissionen vermindert.
Güntner war seinerzeit der erste Wärmeübertragerhersteller, der Regler (Modell GDR) zur Verflüssigungsdruckregelung im Programm hatte. Er beinhaltete bereits die Funktion der außentemperaturgeführten Sollwertschiebung, die auch beim Motor-Management GMM zum Einsatz kommt. Peter Roth, Leiter der Abteilung Grundlagenentwicklung von Güntner, beschäftigte sich mit dem physikalischen Hintergrund dieser Funktion und der Frage, wie sich die Energieeinsparung durch eine entsprechende Ventilatorregelung weiter erhöhen lässt. Daraus resultierte schließlich die Energy Balance Function (EBF).
Außentemperaturgeführte Sollwertschiebung
Bei der bisherigen Standardfunktion der außentemperaturgeführten Sollwertschiebung werden die Verflüssiger nach einem festen Grenzwert der Verflüssigungstemperatur geregelt. Mit dem neu entwickelten Algorithmus EBF wird hingegen die gemeinsame Leistungsaufnahme des Verdichters und der Verflüssigerventilatoren minimiert.
In einem Kälte- oder Klimakreislauf ist der Verdichter die Komponente mit dem größten energetischen Verbrauch. Geht man von einem Volllastbetrieb der betrachteten Anlage aus, ist dagegen auch nichts einzuwenden. Aber was passiert im Kältekreislauf, wenn man von einer Teillastsituation ausgeht, wie sie in der Realität häufig vorkommt? Dieser Frage ist Peter Roth nachgegangen. Von Anlagenbetreibern erfuhr er, dass sie an warmen Tagen Betriebszustände beobachtet hatten, bei denen die Drehzahl der Verflüssigerventilatoren unerwartet hoch war, obwohl sich die Anlage in einem niedrigen Teillastbereich befand. Diese Aussage erforderte, dass der jeweilige Lastzustand der Anlage auch tatsächlich bekannt war. Denn eine hohe Ventilatordrehzahl bei hoher Außentemperatur ist grundsätzlich nichts Ungewöhnliches.
Niedrige Verflüssigungstemperatur nicht immer sinnvoll
Ein energiebewusster Anlagenbetreiber versucht, seine Kälte- oder Klimaanlage bei möglichst niedriger Verflüssigungstemperatur zu betreiben. Er stellt somit seinen Sollwert am Verflüssigungsdruckregler beispielsweise auf + 25 °C ein. An einem warmen Sommertag mit Lufttemperaturen über + 25 °C kann der Verflüssigungsdruck-Sollwert somit schon theoretisch nicht erreicht werden. Die Folge ist, dass die Ventilatoren immer mit voller Drehzahl laufen.
Wenn die Anlage eine hohe Last bewältigen muss, ist dieser Zustand auch sinnvoll. Sollte sich jedoch die Anlage in einem niedrigen Lastzustand befinden, beispielsweise weil die meisten Verbraucher abgeschaltet sind, aber trotzdem einige wenige Kühlstellen noch bedient werden müssen, wird der Verdichter deutlich zurückgefahren. Jetzt kann der energetisch ungünstige Fall eintreten, dass einer niedrigen Stromaufnahme am Verdichter eine hohe Stromaufnahme an den Verflüssigerventilatoren bei voller Drehzahl gegenübersteht.
Bei Anlagen, deren VerflüssigungsSollwert energetisch ungünstig hoch liegt, würde sich die Verflüssigungstemperatur unterhalb des Sollwertes einstellen. Die Standardverflüssigungsregelung tritt jetzt in Kraft und reduziert die Drehzahl der Ventilatoren so weit, bis der Sollwert erreicht ist. Diese scheinbar plausible Situation mit Teillast und reduzierter Ventilatordrehzahl täuscht jedoch darüber hinweg, dass die Anlage grundsätzlich mit zu hohen Drücken betrieben wird und somit die Leistungsaufnahme der Verdichter zu hoch ist. Dieser Zustand könnte durch eine effektivere Regelung vermieden werden.
Intelligenter regeln mit Energy Balance Function
Durch eine intelligente Regelung der Verflüssigerventilatoren ist es möglich, deren Drehzahl zu senken, obwohl der Sollwert noch nicht erreicht ist. Zwar wird in diesem Fall die Verflüssigungstemperatur erhöht, was zu einer gesteigerten Leistungsaufnahme des Verdichters führt; doch setzt man diese erhöhte Leistungsaufnahme ins Verhältnis zur Ersparnis, die durch die Verringerung der Leistungsaufnahme der Ventilatoren erreicht wird, so stellt man fest, dass insgesamt eine Ersparnis erreicht werden kann.
Die optimale Vorgehensweise zur Minimierung des Gesamtwertes der elektrischen Leistungsaufnahme einer Kälteanlage erfordert das Ermitteln des energetisch günstigsten Betriebspunktes, an dem die Summe aus der Verdichterantriebsleistung und der Leistungsaufnahme der Verflüssigerventilatoren einen Minimalwert erreicht. Dass es überhaupt ein solches Minimum gibt, liegt in der Tatsache begründet, dass die Leistungsaufnahme von Ventilatoren wie bei allen Strömungsmaschinen mit der dritten Potenz der Drehzahl wächst, der Luftvolumenstrom und somit in grober Näherung auch die thermische Leistung sich aber linear mit der Drehzahl erhöhen.
Hohes Energiesparpotenzial durch EBF
Die neue Regelungsfunktion Energy Balance Function wurde entwickelt, um für verschiedene Randbedingungen den energetisch optimalen Betriebspunkt zu ermitteln. Damit ist es möglich, bestimmten Teillastzuständen unter Berücksichtigung der Energieverhältnisse des Verflüssigers die energetisch günstigste Ventilatordrehzahl zuzuordnen. Die wichtigsten Einflussfaktoren dabei sind das verwendete Kältemittel, das Energieverhältnis, die Auslegungsbedingungen der Anlage, der Wirkungsgrad des Verdichters und die aktuellen Betriebszustandsdaten des Verflüssigers.
Gegenüber der Standardregelung kann die Energieeinsparung am jeweiligen Betriebspunkt bis zu 30 Prozent betragen. Konkret liegt sie abhängig vom Teillastverhalten in etwa zwischen 7 und 30 Prozent. Bei dieser ungefähren Spanne ist jedoch zu berücksichtigen, dass die Energieeinsparung eines Regelungsalgorithmus unter anderem auch von den meteorologischen Randbedingungen am Aufstellort der Anlage, den Lastschwankungen sowie insbesondere auch davon beeinflusst wird, wie diese beiden Verläufe sich zueinander verhalten. Daneben spielen grundlegende Auslegungsdaten wie Kältemittel, Verdampfungstemperatur, Verdichtertyp und die Art der Einzelkomponenten eine wichtige Rolle. Würde man jedoch diese EBF-Lösung bei allen Kälte- und Klimaanlagen in Deutschland verwenden, könnte eine Größenordnung von 300 000 Tonnen CO2 eingespart werden.
Die Energieeinsparung durch die Energy Balance Function beruht auf einer Reduzierung der Drehzahl des Verflüssigerventilators bei gleichzeitig geringerer Zunahme der Verdichterleistung. Ein erfreulicher Zusatzeffekt neben der Energieeinsparung ist die Schallreduzierung des Verflüssigers, die direkt mit der Drehzahlreduzierung verbunden ist. Gerade an warmen Sommerabenden am Wochenende ist ein Nachbar für die verminderte Schallemission dankbar und gleichzeitig kann der Anlagenbetreiber Betriebskosten einsparen.
Künftig soll der EBF-Algorithmus weiterentwickelt werden, damit er sich nicht nur zur Regelung von Verflüssigerventilatoren, sondern auch für Rückkühlerventilatoren eignet. Noch handelt es sich um ein theoretisches Modell, aber bei günstiger Entwicklung wird dieser Algorithmus für die praktische Handhabung und Regelung des Energieverbrauchs bei Verflüssiger- und Rückkühlerventilatoren seinen Nutzen unter Beweis stellen.-
4. Deutscher Kältepreis: 1. Preis an Peter Roth und Güntner
Der Deutsche Kältepreis ist ein Wettbewerb, der seit 2008 vom Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit in Zusammenarbeit mit der gemeinnützigen Beratungsgesellschaft co2online und der Arbeitsgemeinschaft Kälte durchgeführt wird. Dabei werden von einer Expertenjury in drei Kategorien die jeweils drei besten Konzepte prämiert. Die KK hat in derApril-Ausgabe (Seite 70) über diesen Wettbewerb berichtet.
Für seine Entwicklung der energiesparenden „Energy Balance Function“ (EBF) wurde Peter Roth, Leiter der Abteilung Grundlagenentwicklung bei der Güntner AG & Co. KG, in der Kategorie „Kälte- oder klimatechnische Sonderanwendungen“ mit dem ersten Platz ausgezeichnet. Der Preis ist mit 10 000 Euro dotiert und wird in die Weiterentwicklung des EBF-Algorithmus investiert, damit dieser in Zukunft nicht nur zur Regelung von Verflüssigerventilatoren, sondern auch von Rückkühlerventilatoren dienen kann.
Zur Präsentation der Preisträger wurde ein Video erstellt. Das zur Kategorie „Kälte- oder klimatechnische Sonderanwendungen“ ist unter https://www.youtube.com/watch?v=HKWJUCcdBUI zu finden.
Die Beschreibung eines allgemeingültigen mathematischen Modells zur Problematik und daraus abgeleitete Aussagen gibt es unter https://guntner.com/de-de/unternehmen/neuigkeiten
