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Beispiel für optimierte Anlagentechnik: Indirekt verdampfende Kälteanlage mit 1,6 MW Leistung und hoher Energieeffizienz

(Artikel aus: "DIE KÄLTE + Klimatechnik" - 10/2008 - Autoren: Christoph Peters, Sven Schulte - Meerbusch und Vilim Mergl- Duisburg- )

Wenn der Kältefachmann indirekte Kühlung hört, denkt er sofort an geringere Energieeffizienz. Physikalisch gesehen ist das korrekt: Indirekte Kältesysteme haben einen Wärmeübergang mehr und Verdampfen damit tiefer als ein direkt verdampfendes System. Und indirekte Systeme brauchen eine Pumpe, die den Kälteträger umwälzt, die erheblich zum Energieverbrauch beiträgt. In der Praxis müssen diese Verhältnisse aber immer relativ betrachtet werden. Mit den bekannten alten Konzepten, neuer Technologie, exakter Planung und genauer Berechnung können auch mit indirekter Kühlung für viele Anwendungen optimale Lösungen gefunden werden. Ein Beispiel für solch eine Anlage läuft seit einem Jahr.

In Sommer 2007 ging im Thüringischen Arnstadt, der Heimatstadt Johann Sebastian Bachs, eine indirekte Kälteanlage mit 1,6 MW installierter Leistung in Betrieb. Gekühlt wird ein komplettes Werk zu Herstellung von Wurstwaren. Die in Meerbusch ansässige Firma Kälte-Klima-Peters installierte die Anlage in nur vier Monaten Bauzeit parallel während des Neubaus des gesamten Gebäudes. Von der Warenanlieferung, der Konfektionierung über das Schneiden, Pökeln bis zur Lagerung und zum Warenausgang sowie den Lüftungsgeräten für die Klimaanlage werden alle Bereiche der Normalkühlung zentral von einer Anlage versorgt. Die Vorlauftemperatur beträgt -8°C, die Rücklauftemperatur -4,5°C. Das benötigte Temperaturniveau in den verschiedenen Bereichen liegt dabei zwischen den +2°C für die Lagerräume und bis zu 14°C in den Verarbeitungsräumen. Die vier separaten Kältekreisläufe werden mit R 404A als Kältemittel betrieben und verfügen über je einen Bitzer CSH9571-240Y Schraubenverdichtern. Natürlich verfügen die Kreisläufe über einen Economizer zur Flüssigkeitsunterkühlung. Als Verdampfer dienen Alfa Laval Rohrbündel-wärmeaustauscher, die wiederum über einen 9 m³ großen Pufferspeicher ein Rohrnetz mit 90 Güntner Luftkühlern unterschiedlichster Bauart versorgen. Dabei wurden Blasweite, Luftführung und Luftvolumenströme den unterschiedlichen Anforderungen angepasst. Die Abwärme wird über vier Güntner Verflüssiger direkt über dem Maschinenraum angeführt. Auf der hydraulischen Seite sorgen zwei von KSB gelieferte drehzahlgeregelte Hauptpumpen und vier Ladepumpen, ebenfalls von KSB, für die nötige Zirkulation des Kälteträgers. Zum Einsatz kommen 38 m³ eines Gemisches von Wasser und Mono-Propylenglykols, in diesen Fall Friogel von Climalife - Dehon, mit einer Frostsicherheit von -15°C. Abgerundet wird die Anlage von einer Siemens S7, einer "Speicher Programmierbaren Steuerung", kurz SPS. Geliefert und programmiert wurde diese vom Ingenieurbüro ISS, ebenfalls aus Meerbusch. Mit dieser flexiblen Steuerung könnten alle relevanten Betriebszustände der Anlage erfasst und geregelt werden.

Welches Anlagenkonzept bietet die optimale Lösung

In der Konzeptphase wurden verschiedene Varianten über Direktverdampfung mit R 134a, mit R 404A, überflutete Verdampfung mit Ammoniak oder auch der Einsatz CO2 diskutiert, um zu einer optimalen Lösung zu kommen. Schnell wurde aber allen Beteiligten bewusst, das zwei spezielle Probleme den Einsatz von Direktverdampfung unmöglich machen: Die große Leistung und die großen Entfernungen. Bei einer Kälteleistung von 1600 kW und Entfernungen von bis zu 350m hätten Rohrdimensionen installiert werden müssen, die kommerziell nicht verfügbar oder schlichtweg nicht bezahlbar sind. Auch die überflutete Verdampfung mit Ammoniak, energetisch mit Abstand die beste Lösung, schied aufgrund der hohen Kosten aus. Eine weitere, äußert wichtige Systemanforderung war eine möglichst große Flexibilität. Was bedeutet, dass Erweiterung und Änderungen im Betrieb der Anlage möglich sein sollten. Die Praxis zeigt, dass auch nach Inbetriebnahme von Anlagen in dieser Größenordnung noch zusätzlich Kühlstellen eingefügt werden müssen. Aber auch Änderungen im Betriebsablauf erfordern häufig andere Konstellationen der Wärmeaustauscher.

Auswahlkriterien für das richtige Rohrsystem

Letztendlich fiel die Entscheidung auf die indirekte Kühlung. Das Fließverhalten des Kälteträgers und die Viskosität ist bei dem Temperaturniveau von -8/-4,5°C noch in einem recht guten Bereich, was die zu erwartenden Pumpenleistungen nicht in astronomische Höhen schießen lassen wird. Für die Rohrleitungen kälteträgerseitig wurde das PE-100 Rohrsystem von Georg Fischer aus der Schweiz, kurz auch mit GF-Rohr genannt, favorisiert. Die Installation des komplexen und weit verzweigten Rohrnetzes während des Baus des Gebäudes hätte Löt und Schweißarbeiten äußert schwierig und aufwändig gemacht. Da die Herstellung der Verbindungen innerhalb der Rohrleitungen ohne offene Flamme möglich ist, konnte parallel mit anderen Gewerken das Rohrnetz ohne erhöhte Sicherheitsanforderungen erstellt werden. Ferner kann bei dem GF - System während des Betriebes, ohne die Leitungen zu entleeren, T-Stücke mit Anbohrschellen in das bestehende Rohrnetz eingefügt werden. Klare Argumente, die neben den anderen Vorteilen, Korrosionsbeständigkeit, Gewicht und natürlich Preis, den Ausschlag für die Wahl dieses Systems gaben.

Optimale Auslegung und Regelung der Kaltwassersätze

Die zentrale Anordnung aller kältetechnischen Komponenten in einem Maschinenraum bietet für die Regelung zahlreiche Vorteile. Da durch die indirekte Kühlung nur vier Rohrbündelverdampfer zum Einsatz kommen, konnten diese ohne hohe zusätzlich Investitionskosten mit elektronischen Expansionsventilen statt mit thermostatischen Ventilen ausgerüstet werden. Durch die geringeren zum Betrieb notwendigen Differenzdrücke zwischen Hoch- und Niederdruckseite konnte die minimal zulässige Verflüssigungstemperatur deutlich gesenkt werden. Das Ergebnis ist ein in der Übergangszeit und im Teillastbetrieb der Anlage deutlich höherer COP, d.h. geringerer Energieverbrauch als beim Einsatz von thermostatischen Ventilen. Bei Direktverdampfung wäre dies mit immens höheren Aufwand und Kosten verbunden gewesen: je der 90 Kühlstellen hätte ein eigenes Expansionsventil mit entsprechender Regelung benötigt.

Bei der indirekten Kühlung kann jede Kühlstelle individuell mit Zweiwege-Ventilen oder Mischventilen geregelt werden, was den Aufwand verringert. Durch die effiziente Regelung des Kälteerzeugers auf der Verflüssigungsseite wird die tiefere Verdampfungstemperatur im Vergleich zum direktverdampfenden System mehr als kompensiert. Ferner ist der Transport des Kälteträgers, verglichen mit dem Mehraufwand an Energie durch Verluste in den Saugleitungen, bei langen Strecken weniger energieaufwändig. Auch die Auslegung der Verflüssiger erfolgte nicht auf die üblichen 45°C sondern auf 40°C Verflüssigungstemperatur. Zusammen mit der Verwendung des Economizers wird damit über einen weiten Bereich der COP verbessert. Bei der Entscheidung, welches Kältemittel zum Einsatz kommt, fiel die Entscheidung auf R 404A. Obwohl R 134a, gleiche Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen vorausgesetzt, einen besseren COP hat, konnte man in Vorfeld simulieren, das in Kombination mit der Regelung, dem Economizer und den elektronischen Expansionsventilen für diese Anlage R 404A mit R 134a energetisch gleichwertig ist! Dafür konnte die Anlage mit vier Verdichtern statt mit sechs bei R 134a realisiert werden. Um die hohe Energieeffizienz abzurunden sind zwei der Kreisläufe mit Plattenwärmeaustauschern in der Druckleitung zur Wärmerückgewinnung ausgerüstet. Realisiert wird das Ganze durch eine Siemens S7 Steuerung. Es wurden mehrere CPU's zur Regelung der Verdichter, der kompletten Lüftung und der Kälteanlage eingesetzt.

Die interne Kommunikation läuft über Ethernet, so dass über einen VPN Chanel die Steuerungssoftware änderbar ist, sowie eine Fernvisualisierung des 15" Touchpanel realisiert wurde. Störungen der Anlage werden als E-Mail und SMS abgesetzt. Um eine energieeffiziente Regelung zu erzielen werden die Kältemittelmassenströme, die Stromaufnahmen und natürlich die relevanten Temperaturen und Drücke der Kältemaschinen erfasst. So wird der COP Wert der Anlage ermittelt, angezeigt und in Diagrammform aufgezeichnet. Der Kunde hat auf diese Weise die Möglichkeit die Energieeffizienz und den vertraglich festgelegten COP Wert überwachen zu können. Jede Kühlstelle ist mit einem Ausblastemperatursensor ausgerüstet, um die Effizienz eines jeden Kühlers Überwachen zu können. Hauptaugenmerk bei dem Steuerungsprogramm für die Kältemaschinen ist es, eine optimale und möglichst lineare Verdampfungstemperatur zu erzielen um ein best mögliches Regelverhalten für die elektronischen Expansionsventile zu erlangen.

Richtige Berechnung des Druckverlustes

Großes Augenmerk wurde auf die Auslegung der Pumpen gelegt. Exakte Bestimmung des Volumenstromes und der Druckerhöhung sind ein entscheidendes Kriterien für eine effiziente Anlage. Die Berechnung des weitverzeigten Rohrnetzes stellt eine Herausforderung dar, da der Anteil am gesamten Druckverlust ca. 50% beträgt und von vielen Faktoren abhängt. Vorgenommen wurde die Berechnung mit der Software CoolTool, einer Gesamtlösung zur Anlagenplanung vorgenommen, da hier aus anderen Projekten gute Erfahrungen mit der Genauigkeit der Berechnungen vorlagen. Insbesondere können hier die Besonderheiten der verwendeten Rohrleitung, Gleichzeitigkeitsfaktor und alle Randparameter eingestellt bzw. variiert werden können. Ferner werden alle relevanten Dokumentationen, RI-Fließbilder, Montageanweisungen und Berechnungsprotokolle automatisch erstellt. In mehreren Durchläufen wurde die optimale Konstellation auch hinsichtlich der möglichen statischen Lasten durchgespielt. Die maximalen Rohrdimensionen waren hier durch die maximalen Auflagelasten innerhalb der Dachkonstruktion begrenzt. Schließlich konnte eine optimale Rohrdimensionierung gefunden wurden, die einen akzeptabel Druckverlust mit nicht zu großen Rohrdimensionen kombiniert. Die größte im Gebäude zu installierende Rohrdimension konnte auf DN 250 begrenzt werden, wobei das Rohrnetz noch 10% Reserrve hat. Auf der Basis der Berechnungen konnten die Hauptpumpen von KSB genau für den Betriebspunkt geliefert werden: insgesamt 450 m³/h Volumenstrom müssen bei einer Druckdifferenz von 2,4 bar bereitgestellt werden, was in der Praxis 24m Druckhöhe entspricht. Dabei wurden die Pumpen zur Sicherheit 30% größer dimensioniert als ursprünglich berechnet.

Hydraulischer Abgleich für das gesamte Rohrnetz

Neben der richtigen Berechnung des zu erwartenden Gesamtdruckverlustes ist ein korrekter hydraulischer Abgleich Grundvoraussetzung für einen energetisch optimalen Betrieb der Anlage. Gemäss EnEV ist es auch in verschiedenen Normen, wie z.B. der DIN EN 12831 aber auch in der VOB verankert, dass energietechnische Systeme von einem Fachplaner hydraulisch abgeglichen werden müssen. Hintergrund ist die Vermeidung von hydraulischen Kurzschlüssen, d.h. Überversorgung der Bereiche mit geringem Druckverlust und damit Unterversorgung der Bereiche mit hohem Druckverlust. Üblicherweise verlegte man in der Vergangenheit die Rohre nach dem Schema von Tichelmann, einer einfachen, mit den gesunden Menschenverstand nachzuvollziehenden Rohrschaltung, die ohne zusätzliche Berechnungen auskommt. Nachteil dieser Methode ist, dass man eine Menge zusätzlicher Rohrleitungen installieren muss, was die Kosten hochtreibt. Um diese zusätzlichen Installationskosten zu vermeiden wurde häufig stattdessen mit erhöhten Pumpenleistung gearbeitet: Durch erhöhten Volumenstrom und höherer Druckdifferenz wurde der benötigte Volumenstrom auch an den Stellen der Anlage mit hohem Druckverlust sichergestellt. Allerdings auf Kosten der Leistungsaufnahme der Pumpen. Eine alte Faustregel lautet, das die Pumpen 20% der Kälteleistung benötigen.

Stand der Technik ist heute aber der Einsatz von Strangregulierventile, die das gleiche Ziel haben wie die Schaltung nach Tichelmann: An den Stellen mit geringerem Druckverlust den widerstand etwas erhöhen, so dass alle Verbraucher den gleichen Druckverlust haben. Auch wenn es paradox klingt: Mit den zusätzlichen Widerständen an der richtigen Stelle lässt sich die Energieeffizienz erhöhen. Allerdings müssen hierbei die Einstelldaten im Vorfeld berechnet werden. Bei der vorliegenden Anlage war man mit den 90 Kühlstellen mit einem kompletten Hydraulischen Abgleich vor eine große Herausforderung gestellt. Jeder Verbraucher hat einen anderen Volumenstrom und einen anderen Druckverlust hat, der sich aus verschiedensten Anteilen wie Rohrreibung, Zweiwegeventil, Wärmeaustauscher, etc. besteht. Dieser muss mit allen anderen Kühlstellen in Beziehung gebracht werden muss, um den individuellen Einstellwert für jedes Ventil zu berechnen. Auch dies konnte schnell und genau mit CoolTool realisiert werden: Alle notwendigen Daten konnten vom Programm entweder errechnet oder extern mit eingefügt werden, wie die Druckverluste in den Güntner Luftkühlern. Dadurch werden alle Kühlstellen mit einander in Beziehung gesetzt und der Einstellwert für das jeweilige Strangregulierventil kann auch oder als kv-Wert ausgegeben werden. Hilfreich für die Montage war dabei, das die Werte auch direkt in einer Zeichnung ausgedruckt werden konnten.

Der Betrieb der Anlage reproduziert die Berechnungen

Nach der Planungsphase kam schnell die Montage. Erstaunt war man bei der Lieferung über die Größe der beiden Hauptpumpen: So klein hatte man die sich, auch wegen der 30% Überdimensionierung, nicht vorgestellt..... Bei Inbetriebnahme könnte anhand der berechneten Einstelldaten der hydraulische Abgleich schnell vorgenommen werden, da die verwendeten Zweiwegeventile über eine entsprechende Einstellskala verfügen. Nach Anfahren der Anlage mit allen Kühlstellen pendelte sich der Betrieb der Anlage ein: der berechnete Gesamtdruckverlust von 2,4 bar zwischen Vor- und Rücklauf und die berechnete Leistungsaufnahme von rund 30 kW der Pumpen wurden nicht ganz erreicht, wie man über die SPS sofort erkennen konnte. Damit liegt der Leistungsbedarf der Pumpen nicht bei 20% sondern bei weniger als 2% der Kälteleistung. Die 30% Sicherheit bei den Hauptpumpen wäre gar nicht nötig gewesen, stört aber auch nicht, da die SPS die Mehrleistung leicht kompensieren kann. Nach Inbetriebnahme wurde die Anzahl der Kühlstellen um weitere 10 erhöht. Dies konnte im Betrieb vorgenommen werden. Durch die vorliegende Dokumentation des Rohrnetzes kann der an einer Stelle noch anliegende Druck einfach abgelesen werden. Nach Installation kann auch diese zusätzliche Kühlstelle mit einem Strangregulierventil in den Hydraulischen Abgleich mit eingefügt werden.

Fazit:

Man nehme: Ein altes Konzept mit neuen Technologien und detaillierter Planung. Die SPS - Steuerung, die elektronischen Expansionsventile, der Economizer, die Wärmerückgewinnung, die großen Verflüssiger, die Verwendung von GF-Rohr, korrekte Druckverlustberechnung und ein akkurater Hydraulischer Abgleich zusammen mit Erfahrung, aber auch Mut zur Innovation, machen aus einer einfachen indirekten Kühlung anspruchsvolle Kältetechnik auf hohen Technologischem Niveau mit hoher Energieeffizienz.