Die ganzjährige Kaltwasserversorgung spielt in der technischen Gebäudeausrüstung eine zunehmend wichtige Rolle. Dabei ist insbesondere zu beobachten, dass der Bedarf an Kaltwasser zur Klimatisierung steigt. So ist in den letzten Jahren vor allem die Qualität der Raumnutzung deutlich gestiegen. Um zum Beispiel die konstant hohe Qualität von Lebensmitteln und anderen Produkten halten zu können, werden immer häufiger Produktions- und Fertigungshallen sowie Verkaufsräume in Supermärkten klimatisiert. Da Wasser derzeit das preiswerteste Medium darstellt, um Kälte in Gebäuden zu transportieren, ist der Bedarf an Kaltwasser als Energieträger ganzjährig hoch.
Durch intelligente Architektur, Gebäudesimulationen und hydraulische Konzepte lassen sich heutzutage große Temperaturdifferenzen zwischen Kaltwasser und den jeweiligen Rückkühlsystemen vermeiden. Dadurch wird auch die Kaltwassererzeugung immer effizienter und stellt die Hersteller von Kältemaschinen vor eine Reihe von Herausforderungen: Moderne Kältemaschinen müssen sich durch ein hohes Maß an Zuverlässigkeit, Regelgenauigkeit und Verfügbarkeit auszeichnen. Darüber hinaus stellt die Energieeffizienz der Kältemaschine bei Teillasten ein besonders wichtiges Kriterium für eine Entscheidung zugunsten einer Technik dar.
Schrauben- und Turboverdichter auf dem Praxisprüfstand
Um diese Anforderungen im Leistungsbereich zwischen 200 und 2000kW sicher erfüllen zu können, stehen Planer regelmäßig vor der Aufgabe, sich zwischen einem mit Schrauben- oder mit Turboverdichter betriebenen Aggregat zu entscheiden. Doch welche Kältemaschine arbeitet wirtschaftlicher und wo liegen die Unterschiede zwischen beiden Typen? Im Folgenden sollen deshalb die wichtigsten Unterschiede zwischen beiden Kaltwassersätzen aufgezeigt werden.
Sowohl im Schrauben- als auch im Turboverdichter kommt häufig das Kältemittel R134a zum Einsatz. Dieses Kältemittel zeichnet sich durch sein Ozon-Abbaupotenzial (ODP) von 0 und sein unter allen künstlichen Kältemitteln sehr geringes Erderwärmungspotenzial (GWP) aus. R134a hat zwar eine geringe volumetrische Kälteleistung, kann jedoch bei niedrigen Drücken effizient eingesetzt werden. Ein Verdichtertyp mit einem hohen geometrischen Volumen wie der Turboverdichter ist dadurch im Vorteil. Für den Turboverdichter spricht, dass bei niedrigem Druck kein hohes Druckverhältnis erbracht werden muss.
Aufgrund seiner Konstruktion hat der Turboverdichter auch bei weiteren Kriterien die Nase vorn: Der ölfreie, drehzahlgeregelte und magnetgelagerte Turboverdichter zeichnet sich gegenüber einem Schraubenverdichter durch geringere Vibration und Schallemission, eine hohe Regelgenauigkeit und kompakte Bauform aus. Besonders hervorzuheben ist seine Teillasteffizienz durch Frequenzregelung ohne Gas-Bypässe. Durch die Frequenzregelung werden Anlaufstromspitzen vermieden. Eine verschleißfreie Verdichtung und damit geringe Serviceaufwendungen sprechen ebenfalls für den Turboverdichter.
Rechnerisch im Vorteil mit dem Turbo
Wie machen sich diese technischen Unterschiede im Praxisbetrieb bemerkbar? Im nachfolgenden betriebswirtschaftlichen Vergleich werden zwei Kaltwassersätze mit jeweils 1100kW bei Nennbedingungen mit 6 °C Vorlauf- und 12 °C Rücklauftemperatur sowie Teillasten von 100%, 75%, 50% und 25% betrachtet. Der Vergleich berücksichtigt systembedingte Unterschiede bei den Kapitalkosten, den Unterhaltskosten sowie den Energiekosten.
Der Vergleich findet anhand des international gültigen Standards ARI 550 (Air Conditioning and Refrigeration Institute) statt, in dem Kühlwassereintrittstemperaturen für vier Lastfälle festgelegt sind sowie Häufigkeiten dieser Lastfälle bei einem typischen Betrieb des Kaltwassersatzes definiert werden. Demzufolge tritt der 100% Volllastfall zu 1% des Jahres, der 75% Teillastfall zu 42% des Jahres, der 50% Teillastfall zu 45% des Jahres und der 25% Teillastfall zu 12% des Jahres auf.
Im vorliegenden Beispiel wird ein Bürogebäude mit Kaltwasser versorgt, in dem über das ganze Jahr hinweg an fünf Wochentagen gearbeitet wird. Die Jahresbetriebszeit beider Maschinen beträgt in diesem Modell 4171 Stunden. Unter den genannten ARI-Bedingungen sind davon 3629 Stunden solche mit Teillasten von 75% und 50%. Da der Turboverdichter gerade im Teillastbereich eine bessere Ausnutzung der eingesetzten elektrischen Energie als der Schraubenverdichter ermöglicht, sind mit ihm deutliche Einsparungen von 90582 kWh pro Jahr zu erzielen. Der Turboverdichter verbraucht nur 296322 kWh/a, während der Strombedarf des Schraubenverdichters sich auf 386904 kWh/a beläuft.
Leistung im Teillastbereich ist entscheidend
Unser Beispiel geht davon aus, dass bei einem mittleren Leistungstarif des Energieversorgungsunternehmens die elektrische Jahresarbeit mit 0,10 Euro/kWh anzusetzen ist. Unter dieser Annahme fallen für den Schraubenverdichter 36896 Euro und für den Turboverdichter 28258 Euro jährliche Energiekosten an. Hier punktet der Turboverdichter durch seine überlegene Teillastfähigkeit, mittels derer er sich gegenüber dem Schraubenverdichter jährliche Einsparungen in Höhe von 8638 Euro bei den Stromkosten erwirtschaftet. Zur Vereinfachung wurde im Beispiel nur die elektrische Jahresarbeit der beiden Verdichter herangezogen, da die Grundkosten für beide Kaltwassersätze als gleich zu betrachten sind.
Beide Kaltwassersätze sollen im Beispiel über einen Kredit finanziert werden. Als einmalige Investitionskosten fallen für das Aggregat mit Schraubenverdichter 98850 Euro und für das mit Turboverdichter 115125 Euro an. Bei einer Abschreibungsdauer von fünf Jahren und jährlich gleichen Summen aus Zins und Tilgung ist der Annuitätsfaktor 0,231. Daher betragen die jährlichen Kapitalkosten für das Aggregat mit Schraubenverdichter 22139 Euro und für das mit Turboverdichter 26591 Euro. Demnach müssen für das Aggregat mit Turboverdichter 4452 Euro mehr investiert werden.
Bei den Unterhaltskosten für die Kaltwassersätze spielen insbesondere die Aufwendungen für Wartung eine entscheidende Rolle. Dabei fallen vor allem Eingriffe in den Kältekreislauf ins Gewicht. Aufgrund der Ölfreiheit des Turboverdichters sind hier deutlich weniger Wartungsarbeiten notwendig. Bei durchschnittlichen Stundensätzen für Wartungsarbeiten und einer Teuerung von 2% pro Jahr liegt der Turboverdichter im Mittel über fünf Jahre bei nur 2646 Euro Unterhaltskosten pro Jahr. Die jährlichen Unterhaltskosten für das Aggregat mit Schraubenverdichter liegen mit 3990 Euro deutlich darüber.
Fazit
Wer richtig investiert, spart auf lange Sicht.
Fasst man die Ergebnisse des Beispiels für Kapital-, Unterhalts- und Energiekosten zu-sammen, so ergeben sich für das Aggregat mit Schraubenverdichter jährliche 63025 Euro Gesamtkosten im Mittel über die ersten fünf Jahre. Im Vergleich dazu fallen für das Aggregat mit Turboverdichter nur 57494 Euro pro Jahr an, was eine Kosteneinsparung von 5531 Euro pro Jahr ergibt. Diese Einsparungen können noch gesteigert werden, insofern die Anwendung höhere Betriebsstunden aufweist oder ein Turbokaltwassersatz mit höherer Kälteleistung eingesetzt wird, um durch eine gezielte Verschiebung des Betriebspunktes in Richtung noch niedrigerer Teillasten die hohe Teillasteffizienz des Turbokaltwassersatzes weiter auszunutzen.-
Peter Kaden,
Projektleiter Kälteaggregate bei Axima Refrigeration, Lindau
