Arbeit zur Eintragung ins REG C. von: Hanspeter Portmann Gstaldenstrasse Horgen

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1 Arbeit zur Eintragung ins REG C von: Hanspeter Portmann Gstaldenstrasse Horgen Vergleich Direktverdampferanlagen mit Kaltwasseranlagen in der Klimakälte Arbeit von Hanspeter Portmann Version 1.0 Seite 1 von 18

2 Inhaltsverzeichnis 1. Aufgabenstellung Seite 3 2. Definition Seite 3 3. Anwendungsmöglichkeiten Seite 5 4. Regelungen (Möglichkeiten) Seite 9 5. Umweltschutz (Erfüllung der Bewilligungspflicht) Seite Investitionsvergleich Seite Energieverbrauch Seite Zusammenfassung Seite Quellenverweis Seite 18 Arbeit von Hanspeter Portmann Version 1.0 Seite 2 von 18

3 1. Aufgabenstellung In dieser Arbeit soll der Einsatz von Direktverdampferanlagen mit Kaltwasseranlagen für den Klimakältebereich verglichen werden. Ich konzentriere mich hier auf Anlagen unter 300 mit weniger als 50 kg Kältemittelinhalt, da ab die für Anlagen mit grösserer Leistung und Kältemittelinhalt nachgewiesen werden muss, dass keine andere Möglichkeit realisiert werden kann. Die technischen Daten sollen verglichen werden. Ich werde hierzu drei Baugrössen vergleichen (25/50/100 ). Dabei sollen auch noch Erweiterungs- und Änderungsmöglichkeiten angesprochen werden, da in der Realität oft der Verwendungszweck, während der Lebensdauer einer Anlage, angepasst werden sollte. Die Umweltverträglichkeit möchte ich im Hinblick auf die Stoffverordnung (Anhang 4.15) betrachten. Auf der Kostenseite möchte ich die Kosten über die gesamte Lebensdauer zusammenstellen (Investition, Unterhalt, Energie und Rückbau mit Entsorgung). 2. Definition An dieser Stelle sei mir erlaubt den Kältekreislauf kurz zu erklären. Das am Saugstutzen gasförmige Kältemittel wird im Kompressor verdichtet und dabei überhitzt. Im Kondensator wird es unter hohem Druck kondensiert, das heisst verflüssigt. Im Expansionsventil, manchmal auch Drosselorgan genannt, wird das Kältemittel entspannt (verdampft) und nimmt dabei die dem Verdampfer zugeführte Wärme auf. Dabei findet eine Agregatszustandsänderung von flüssig in gasförmig statt. Das Sauggas wird vom Kompressor angesogen, der Kreislauf beginnt von vorne. Im unteren Kälteschema sind die Bezugspunkte des Prozesses eingetragen. Tabelle 1 Kälteschema 1 Beispiel Kältemittel R407C Verdampfungs-Temperatur +5 C Kondensationstemperatur +50 C Kälteleistung 100 Punkt Temperatur Druck Enthalpie Dichte KPa Kj/kg Kg/m Expansionsventil 4 5 Kondensator 6 3 Kompressor 2 1 Verdampfer Die Werte der Tabelle 1 können aus dem Log P (Diagramm 1) für Kältemittel R407C entnommen werden oder zum Beispiel mit der Software Coolpack berechnet werden. Diese Software kann zeitweise kostenlos (Freeware) von bezogen werden. Arbeit von Hanspeter Portmann Version 1.0 Seite 3 von 18

4 Wenn sich jemand mehr um die Grundlagen des Kältekreislaufes und des Carnot schen Prozesses interessiert kann ich Seite 6 bis 11 vom Lehrstoff für die Technikerschule BBZ empfehlen. Diese Broschüre kann via Internet bezogen werden. Diagramm 1 (Log P Diagramm für R407C) Quelle: Coolpack 1.42 Arbeit von Hanspeter Portmann Version 1.0 Seite 4 von 18

5 3. Anwendungsmöglichkeiten Die nachstehenden Kälteprinzipskizzen zeigen die verschiedenen Systeme auf, welche hier zum Vergleich kommen. Die Skizzen sind folgender Publikation entnommen: Bewilligung von Anlagen mit in der Luft stabilen Kältemitteln, Wegleitung, Vollzug Umwelt, Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft BUWAL, Bern 2004, 40 S. Die Bezeichnungen der System (DX-D, DX-K, DX-W und DX-KW habe ich im Sinne einer Harmonisierung, ebenfalls aus dieser Publikation entnommen. Auf die verschiedenen Kältemittel möchte ich an dieser Stelle nicht eingehen. Die oben erwähnte Wegleitung oder auch der Bitzer Kältemittelreport enthalten viele wertvolle Informationen. System DX-D Prinzipschema 1 Unter dem System DX-D verstehen wir Direktverdampferanlagen. Das heisst zwischen Kompressor und Direktverdampfer ist eine Kälteinstallation über eine gewisse Distanz zu installieren (im Gegensatz zum Flüssigkeitskühler auch Kaltwassermaschine genannt). Bei diesem Beispiel ist die Verbindung zum luftgekühlten Kondensator ebenfalls durch eine Kälteinstallation zu verbinden. Für die Dimensionierung und Erstellung der Kälteleitungen braucht es eine genaue Dimensionierung der Leitungen und Armaturen sowie der Leitungsführung muss viel Beachtung geschenkt werden. Da im Kältekreislauf verschiedene Aggregatszustände herrschen, müssen speziell die Gasgeschwindigkeiten so gewählt werden, dass das Öl wieder zum Kompressor zurückkommt. Dies wird umso schwieriger, wenn die Kältemaschine leistungsgeregelt wird und somit die Gasgeschwindigkeit im Teillastbetrieb tiefer ist. Der wesentliche Vorteil dieser Anlage ist, dass keine zusätzliche Energie zur Förderung des Medium (Pumpen) notwendig ist und geringerer Energieverbrauch des luftgekühlten Kondensators im Vergleich zu einem luftgekühlten Trockenkühler. Nachteilig sind aufwendige Massnahmen zur Regelung der Kälteleistung, darauf werden wir noch eingehen, grosse Kältemittelinhalte, grössere Kälteleitungssysteme mit dem zusätzlichen Risiko von Lecken und damit verbundenen Kältemittelverlusten und die äusserst limitierte Erweiterungs- und Anpassungsmöglichkeiten. Ein weiteres Risiko für diese Systeme ist, wenn ein sauggasgekühlter Kompressor durch einen Motorbrand (Wicklungsschluss) defekt geht. Sehr oft entsteht, durch die Verbindung mit dem verbrannten Isolationslack der Wicklung und dem Kältemittel, Säure. Diese Säure greift den neuen Kompressor oder auch parallel geschaltete Kompressoren an und der nächste Wicklungsschaden ist lediglich eine Frage von kurzer Zeit. Arbeit von Hanspeter Portmann Version 1.0 Seite 5 von 18

6 Dazu müssen dann die Systeme gereinigt werden und mit so genannten Burnout - Filtern versehen werden. Dies ist eine sehr aufwendiger und somit teurer Prozess. System DX-KW Prinzipschema 2 Dies ist die klassische Kaltwassermaschine oder etwas moderner ausgedrückt der Flüssigkeitskühler. In der Praxis werden noch mehr Ausdrücke für diese Applikation gebraucht, wie Kaltwassersatz, Kältemaschine, Chiller. Hier erfolgt die Kälteerzeugung in einer kompakten Maschine. Die Rückkühlung erfolgt ab dem mediumgekühlten Kondensator auf einen luftgekühlten Trockenkühler oder einen Kühlturm. Die Vorteile sind geringere Kältemittelinhalte in der Maschine, sowie durch kurze Leitungen und weniger Verbindungen eine geringere Leckgefahr. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist aus meiner Sicht, dass das gekühlte Medium (meist Wasser) relativ einfach auf verschiedene Kühlstellen verteilt werden kann. Ebenfalls die Regelung von diesen Kühlstellen kann mittels Zwei- oder Drei-Wegeventilen einfach erfolgen. Nachteilig zu werten ist der zusätzliche Kraftbedarf für die Rückkühl- und Kaltwasserpumpen sowie der höher Kraftbedarf des Kompressors da durch die Umsetzung auf die Medium ein Temperaturgefälle entsteht. Die Differenz des Mehrverbrauchs beim Auslegungspunkt des Kompressors soll hier in einem kleinen Beispiel dargelegt werden. Tabelle 2 Kompressor Copeland Scroll ZR 11M3E-TWD (R407C) Kältebedarf T0 Tc Kälteleistung Betriebszeit N Kompr. N Pumpen N RK Energieverbrauch Kosten kwh Stunden kwh CHF T0= Verdampfungstemperatur N Kompr. = Kraftbedarf Kompressor Tc = Kondensationstemperatur N Pumpen = Kraftbedarf Kaltwasser & Rückkühlpumpe N RK = Kraftbedarf Kondensator/luftgek. Trockenkühler Basis: 32, 18 K Delta T Lufteintritt zu Kondensationstemperatur bei luftgekühltem Kondensator, Rückkühlung 40/45 mit delta T Wassereintritt zu Kondensationstemperatur 13 K bei wassergekühltem Kondensator. Kaltwassertemperatur 12/6, 5 K delta T Wasseraustritt zu Verdampfungstemperatur. Kosten pro h 18.8 Rappen. Copeland Selection Software Version Arbeit von Hanspeter Portmann Version 1.0 Seite 6 von 18

7 Dieser Vergleich stellt nur den Kraftbedarf beim Auslegungspunkt gegenüber, d.h. bei der maximalen. Da diese Temperatur nur an wenigen Stunden pro Jahr auftritt muss in die Berechnung eine umfangreichere Betrachtung gemacht werden, worauf ich noch zurückkommen werde. Ebenfalls ist der Kühlbedarf oft nicht konstant was die Berechnung ebenfalls komplexer machen wird. System DX-K und DX-W Dies sind aus den beiden oben aufgeführten Beispielen Mischformen. Prinzipschema 3 Bei DX-K erfolgt die Rückkühlung wie bei DX-D direkt mit Kältemittel. Die Kühlerseite wird wie bei DX-KW mit einem Medium (z. B. Kaltwasser) übertragen. Dieses System wird gewählt, wenn mehrere Kühlstellen versorgt werden müssen oder die Distanz zwischen Kältemaschine und Kühlstelle(n) länger sind (über ca. 25m). Dies ist somit auch in energetischer Hinsicht eine Mischform. Bei DX-W ist es umgekehrt. Die Rückkühlung erfolgt über Medium (z.b. Wasser/Glykol Gemisch). Diese Anordnung wird in der Regel gemacht, wenn die Distanz zwischen Kältemaschine und Rückkühler gross ist (über ca. 50m) und ein Kältesystem nicht mehr betriebssicher realisiert werden kann. Aus akustischen Gründen kann eventuell kein luftgekühlter Flüssigkeitskühler direkt auf das Dach installiert werden. Dies ist ebenfalls in energetischer Hinsicht eine Mischform. Prinzipschema 4 Anordnung von Direktverdampfer als Luftkühler Bei den Systemen DX-D und DX-W sind die Luftkühler als Direktverdampfer ausgewählt. Bei Anlagen mit einem Kältekreislauf kann es bei leistungsgeregelten Kompressoren erforderlich sein die Wärmetauscher-Batterie zu unterteilen. Diese Unterteilung kann nun vernetzt, horizontal oder vertikal gewählt werden. Bei Anlagen mit zwei getrennten Kältekreisläufen ist die Direktverdampferbatterie ebenfalls zu unterteilen. Arbeit von Hanspeter Portmann Version 1.0 Seite 7 von 18

8 Der Luftstrom bei der vertikalen Trennung strömt auch im Teillastbetrieb die gesamte lamellierte Anströmfläche an. Dies ist bei der horizontalen Trennung anders. Bei der horizontalen Trennung wird ein Teil des Luftstromes gekühlt der andere nicht. Es ergibt somit nach dem Wärmetauscher eine Mischtemperatur. Bei welchen Anlagen ist nun welche Anordnung zu wählen? Ist eine konstante Zulufttemperatur das Hauptkriterium wird die vertikale Trennung gewählt, ist eine grosse Entfeuchtung auch im Teilleistbetrieb wichtig wird die horizontale Trennung gewählt. Skizze 1 Direktverdampfer vertikal getrennt Direktverdampfer horizontal getrennt Am meisten wird die gemischte Anordnung gewählt. Es steht damit im Teillastbetrieb die gesamten Lamellenflächen zur Verfügung und es ergibt nach den Verdampfer eine gleichmässige Zulufttemperatur. Skizze 2 Direktverdampfer gemischte Kältekreisläufe Kreislauf 2 Kreislauf 1 Die meisten Batteriehersteller liefern diese Anordnung sofern nichts anderes ausdrücklich verlangt wurde. Arbeit von Hanspeter Portmann Version 1.0 Seite 8 von 18

9 4. Regelungen (Möglichkeiten) Regelungen von Kältesystemen sind grundsätzlich vom Energiebedarf nicht optimal. Der Kraftbedarf des Kompressors sinkt bei einigen Systemen überhaupt nicht und bei einigen Systemen nur minimal trotz der reduzierten Leistung. Ebenfalls zu beachten ist, dass für die Einbauten der Armaturen bestimmte Lagen und Leitungsdistanzen eingehalten werden müssen. Dies ist bei kompakten Anlagen oft nicht so einfach. Ich empfehle, dass diese Einbauten nur von Kältefachleuten ausgeführt werden sollten. Heissgasbypass in Einspritzleitung Dies ist die einfachste Möglichkeit die Kälteleistung des Verdampfers zu regeln. Mit dieser Regelung ist mit mechanischem Heissgasventil eine Leistungsregelung von 30% bis 100% möglich, mit elektronischem Ventil kann von 10% bis 100 geregelt werden. Kälteschema 2 Kondensator V-1 Kompressor V-2 Verdampfer V-1 Expansionsventil V-2 Heissgasbypassventil Elektronisches Heissgasventil Mechanisches Heissgasventil Es werden Heissgase direkt in die Einspritzleitung beigemischt. Dazu gibt es zwei Möglichkeiten. Das mechanische Heissgasbypassventil misst mechanisch den Druck in der Saugleitung. Sinkt der Druck in der Saugleitung unter einen eingestellten Wert öffnet das Heissgasbypassventil und mischt Heissgas dem kalten Gas in der Einspritzleitung bei. Es gibt eine Problematik bei Kältemittelverlusten, weil der Saugdruck ebenfalls absinkt wird irrtümlich Heissgas beigemischt und die Sauggastemperatur steigt so hoch an, dass die Wicklung des Kompressors nicht mehr ausreichend mit Sauggas gekühlt wird. Dies kann zum Beispiel mit einem Thermostaten auf der Heissgasleitung limitiert werden. Warum auf der Heissgasleitung und nicht auf der Saugleitung? Die Saugleitung wird beim Stillstand der Anlage ebenfalls wärmer, der Thermostat müsste also auf einen Wert gestellt werden wo er keinen Schutz mehr bietet. Da bei einem Anstieg der Saug- Arbeit von Hanspeter Portmann Version 1.0 Seite 9 von 18

10 gastemperatur die Heissgastemperatur ebenfalls ansteigt kann somit auf der Heissgasleitung eine zweckmässige Detektion erfolgen. Saugdrosselventil mit Heissgasbypass und Nacheinspritzung Dies ist die klassische Form der Kälteleistungsregelung. Die Regelung kann von ca. 10% bis 100% Leistung erfolgen. Kälteschema 3 Kondensator V-1 V-3 V-2 Kompressor Verdampfer V-4 V-1 Expansionsventil V-2 Heissgasbypassventil V-3 Nacheinspritzventil V-4 Saugdrosselventil Funktionsbeschrieb: Eine Regelung, meist Rücklufttemperaturregelung mit Zuluftminimalbegrenzung, regelt das Saugdrosselventil (V-4) stetig. Der sinkende Druck in der Saugleitung veranlasst das Heissgasbypassventil den voreingestellten Druck wieder herzustellen. Da dadurch die Temperatur in der Saugleitung ansteigt, sorgt das thermische Nacheinspritzventil dafür, dass die Temperatur im voreingestellten Bereich bleibt. Es ist somit gut verständlich, dass diese Art der Kälteregelung eine gute Einstellung aller Komponenten voraussetzt. Dies braucht einerseits das technische Wissen und Erfahrung, anderseits müssen bei der Inbetriebsetzung verschiedene Lasten am Verdampfer gefahren werden können. Ist das Heissgasventil nicht richtig eingestellt, kann bei zu geringerer Öffnung der Kompressor zuwenig Sauggas erhalten und überhitzen. Öffnet das Heissgasventil bereits beim Betriebspunkt wird immer Heissgas beigemischt und die Anlage erreicht nie die ausgelegte Leistung. Besonders ungünstig wirkt sich dies auf den Energieverbrauch aus, da der Kraftbedarf des Kompressors ja immer gleich bleibt. Es ist somit logischerweise auch wichtig, dass die Auslegung auf der Luftseite des Verdampfers die Auslegungsdaten erfüllen müssen. Ist zum Beispiel die Luftmenge wesentlich kleiner als dimensioniert, wird das Saugdrosselventil zugefahren, Heissgasbypass und Nacheinspritzung öffnen, wie bereits erwähnt bei 100% Kraftbedarf des Kompressors. Die Einstellung des Nacheinspritzventils ist ebenfalls für die Le- Arbeit von Hanspeter Portmann Version 1.0 Seite 10 von 18

11 bensdauer des Kompressors sehr wichtig, ist es zu klein eingestellt, kann der Kompressor überhitzen, ist es zu gross eingestellt kann es zu Flüssigkeitsschlägen im Verdichter führen da die Flüssigkeit vom Sauggas nicht aufgenommen werden kann. Es ist bei dieser Anordnung sehr wichtig, dass die Abstände, gemäss Installationsanleitungen, von den Leitungszusammenführungen (T-Stücke) und den Druckmessleitungen sowie Fühlerplatzierungen eingehalten werden. Saugdrosselventil ohne Heissgasbypass und Nacheinspritzung Nebenstehendes Kälteschema zeigt eine Anlage wie oben. Heissgasbypass und Nacheinspritzung wurden weggelassen. Mit dieser Anlage kann die Kälteleistung zwischen ca. 50% bis 100% geregelt werden. Die Kälteleistung des Verdichters sinkt durch die Reduzierung des umlaufenden Kältemittels ab. Hier ist ein thermisches Expansionsventil eingebaut. Die elektronische Regelung wirkt auf das Saugdrosselventil. Durch die Reduzierung der Sauggasmenge wird die Verdampfungstemperatur am Saugstutzen gesenkt. Durch die Reduktion der Verdampfungstemperatur nimmt auch der Kraftbedarf des Kompressors ab. Dies macht diese Art der Kälteleistungsregelung interessant was bei allen anderen Kälteleistungs-Regelungen nicht, oder nicht wesentlich ins Gewicht fällt. Da Kälteschema 4 kein Heissgasbypass auf der Kälteseite installiert ist kann die Leistungsregelung nur in dem Bereich erfolgen worin die Betriebsgrenzen des Kompressors definiert sind. Dazu müssen diese Grenzen vom Kompressorhersteller wie folgt beachtet werden. Diagramm 3 - Betriebsgrenzen (Kompressor Copeland Scroll ZR 11M3E-TWD (R407C) V-1 V-1 Expansionsventil V-2 Saugdrosselventil V-2 Arbeit von Hanspeter Portmann Version 1.0 Seite 11 von 18

12 Da die Kondensationstemperatur auch bei tieferen en (z.b. verschmutzter Kondensator) 50 C betragen kann wäre die minimale Verdampfungstemperatur 14 C. Bei diesem Betriebspunkt leistet der Kompressor noch 11.15, bei 14 C Verdampfungstemperatur und 40 C Kondensationstemperatur leistet der Kompressor Beim Auslegungspunkt leistet der Kompressor 25.1, somit wäre die minimale Leistung ca. 50% Leistungsregelung durch elektronisches Expansionsventil Die Leistung wird durch die Stellung des elektronischen Expansionsventil geregelt. Zum Beispiel kann durch eine Zuluftminimalbegrenzung die minimale Zulufttemperatur gewählt werden. Ebenfalls wie oben wird durch die Reduzierung der Sauggasmenge die Verdampfungstemperatur am Saugstutzen gesenkt. Durch die Reduktion der Verdampfungstemperatur reduziert sich der Kraftbedarf des Kompressors (Diagramm 4). Dies macht diese Art der Kälteleistungsregelung ebenfalls interessant und ist durch die Entwicklung von elektronischen Expansionsventilen erst möglich geworden. Da kein Bypass installiert ist kann die Leistungsregelung ebenfalls nur innerhalb der Betriebsgrenzen des Kompressors erfolgen (Diagramm3). Kälteschema 5 V-5 Elektronisches Expansionsventil Diagramm Kraftbedarf Diese, respektive die Anordnung gemäss Kälteschema 4, diente bei der Berechnung der Energieaufwendungen als Grundlage. Blau (dunkle) Linie sind Systeme gemäss Kälteschema 2 und Gelbe (helle) Linie sind Systeme gemäss Kälteschema 4 und 5. Beispiel mit 50 Kühlleistung, Kompressor (HH). Arbeit von Hanspeter Portmann Version 1.0 Seite 12 von 18

13 5. Umweltschutz (Erfüllung der Bewilligungspflicht) Die 2003 überarbeitete Stoffverordnung (in Kraft ab ) wird an die Planer und Kältefachfirmen beim Bau von Kälteanlagen einige Auflagen machen. Die Wahl des Kältemittels, was hier nicht Gegenstand dieser Arbeit ist, muss genauer gewählt werden. Für Klimakälte über 300 Kälteleistung wird eine Begründung für die Wahl von in der Luft stabilen Kältemittel obligatorisch verlangt. Daraus kann man ableiten, dass Direktverdampferanlagen für Klimakälte einen schwereren Stand haben werden. Durch längere Kälteleitungssysteme (mehr Verbindungen) wird die Leckgefahr grösser. Sowie grössere Kältemittelinhalte erhöhen allfällige Kältemittelverluste. Diagramm 4 Entscheidungsprozess Direktverdampfer-Kaltwasser Mehrere Kühlstellen Nein Q0 >300 Nein Kältemittelinhalt >50kg Nein Erweiterungen Nein Ja Ja Ja Ja Kaltwasseranlagen (Wärmeträger rückgekühlt) Ich persönlich bin der Meinung, dass im Zweifelsfalle der Kaltwasseranlage der Vorzug gegeben werden sollte. Insbesondere die Flexibilität ist wesentlich grösser. Es können bei der Auslegung auch Reserveleistungen für zukünftige Kühlstellen geplant und später auch realisiert werden. Zudem haben Reserveleistungen keinen grossen negativen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad respektive den Energieverbrauch (sofern nicht einzelne Kompressoren in einen Pendelbetrieb fallen) da die Betriebszeiten entsprechend kürzer sind. Der typische Einsatz für Direktverdampferanlagen sehe ich bei kleineren Objekten wie z.b. Restaurant, Cafes, Läden oder Büros für kleinere Firmen. Aenderungen Direktverdampferanlage Ja Eine Ausnahme stellen Anlagen dar, welche vorwiegend zur Entfeuchtung eingesetzt werden. Hier kann die Direktverdampferanlage eine sehr gute Lösung darstellen. Arbeit von Hanspeter Portmann Version 1.0 Seite 13 von 18

14 6. Investitionsvergleich Ich habe für die Anlagegrössen 25, 50 und 100 die Investitionskosten verglichen. In die Kostenberechung eingeflossen sind: Tabelle 5 Direktverdampfer-Anlage Kompressoreinheit Luftgekühlter Kondensator Direktverdampferbatterie Leitungen Kompressoreinheit-Direktverdampfer Leitungen Kompressoreinheit-Kondensator Regelung PKW-Anlage Flüssigkeitskühler Trockenkühler Kühlerbatterie Leitungen Kältemaschine-Kühler Leitungen Kältemaschine-Trockenkühler Rückkühl-Pumpe Kaltwasser-Pumpe Kaltwasser-Speicher Regelung Um hier nicht mit Geldbeträgen, welche Preisänderungen unterworfen sind, operieren zu müssen habe ich die Direktverdampferanlage jeweils mit 100% eingesetzt. Die Resultate sind auch mit gewisser Vorsicht zu interpretieren, da anlagespezifische Gelegenheiten hier nicht berücksichtigt werden konnten. Diese könnten zum Beispiel sein; Länge der Leitungen (Direktverdampferanlagen sind limitiert in Länge und Höhendifferenz) Platzverhältnisse zum Beispiel in Steigzone oder Platz für Kaltwasserspeicher Die Kaltwasseranlage kam bei allen Berechungen auf ca. 125% bis 140% der Investitionskosten der Direktverdampferanlage zu stehen. Nimmt man nun aus den Energieverbrauchsberechnungen (variabler Kühlleistungsbedarf) zwischen ca h und h Energieverbrauchsdifferenz sind die Systeme in folgenden Zeiten zu amortisieren. 25 in ca. 12 bis 17 Jahre 50 in ca. 8 bis 12 Jahre 100 in ca. 5 bis 10 Jahre Aus kaufmännischer Sicht sind die Amortisationszeiten bei den heutigen Vorgaben nicht interessant. Zieht man noch die Wartungskosten dazu wird sich das Verhältnis der Amortisationszeiten in etwa zugunsten des Kaltwassersystems verschieben: 25 in ca. 8 bis 12 Jahre 50 in ca. 5 bis 10 Jahre 100 in ca. 3 bis 8 Jahre Die Rückbaukosten dürften bei beiden Systemen in etwa vergleichbar sein. Arbeit von Hanspeter Portmann Version 1.0 Seite 14 von 18

15 7. Energieverbrauch Wenn wir die Kühlgrenze bei 15 C ansetzen sind in der Stadt Zürich (gemäss SIA Dok 012) Stunden 15 C und mehr (ca. 66% Tages- und 34% Nachtbetrieb). Die rechts stehende Grafik ist aus den Daten gemäss oben erwähnter SIA DOK 012 erstellt worden. Nur so nebenbei, ist in diesem Fall die Messstation in Zürich Dolder platziert. Diese Daten sind somit für die Stadt Zürich, aufgrund der geographischen Lage der Messstation nicht ideal. Ich habe den Energieverbrauch von den Systemen gemäss Prinzipschema 1 (DX-D) mit dem System gemäss Prinzipschema 2 (DX-KW) gegenübergestellt. Interessant sind die Ergebnisse ob die Kühllast konstant (z.b. Prozesse) oder variabel wie zum Beispiel für die Komfortklimaanlagen ist. Von den Kälteleistungsregelungen stand die Gegenüberstellung gemäss Kälteschema 4 oder 5 zu einer Kaltwasseranlage. Die anderen geregelten Kälteleistungsregelungen sind in Bezug auf den Energieverbrauch ungünstiger und wurden deshalb nicht gesondert betrachtet. Temperaturverlauf Zürich (SIA DOK 012) Mittlere Jahresstunden mit Temperaturen unter ta Die nebenstehend Grafik muss für Anlagen mit unterschiedlichen Tages- und Nachtbetrieben herangezogen werden. Der Grafik links dienen nicht dieselben Grundlagen wie die Grafik oben. Der Messort ist Stadt Zürich für Grafik links, Zürich Dolder für Grafik oben. Arbeit von Hanspeter Portmann Version 1.0 Seite 15 von 18

16 Ich habe drei Leistungen verglichen, 25, 50 und 100. Bei der Leistung mit 50 Kühlleistung habe ich zusätzlich einen Scroll-Kompressor mit einem halbhermetischen Hubkolben-Kompressor in den Vergleich miteinbezogen. Als Kältemittel wurde R407C ausgewählt. Tabelle 3 - Zusammenfassung der Energieberechungen System Kühlleistung in Direktverdampfer (konstante Last) Kaltwasser (konstante Last) Direktverdampfer (Last abhängig nach ) Kaltwasser (Last abhängig nach ) Den Berechungen dienten folgende Grundlagen. Überhitzung und Unterkühlung wurden immer mit je 5K kalkuliert. Die Ergebnisse sind Energieverbrauch in h. Tabelle 4 - Grundlagen System Verdampfungstemperatur Kondensationstemperatur Direktverdampfer (konstante Last) bis +53 Kaltwasser (konstante Last) bis +55 Direktverdampfer (Last abhängig nach ) Kaltwasser (Last abhängig nach ) +5 bis bis bis +55 Die Ergebnisse können wie folgt interpretiert werden: 1. In Bezug auf die Kühlleistung haben sich, wie erwartet praktisch keine Differenzen ergeben. Somit lässt sich also, bei identischen Systemen, der Energiebedarf interpolieren. 2. Der Scroll-Kompressor ist in der Energieeffizienz gesamthaft gesehen interessanter. Obwohl bei tiefen Verdampfungstemperaturen der Wirkungsgrad des Hubkolben-Kompressors besser ist als beim Scroll-Kompressor kann dieser den Rückstand bei höheren Verdampfungstemperaturen nicht wettmachen. Diese Aussage muss bei tieferen Verdampfungstemperaturen (z. B. bei Anlagen für Entfeuchtung) überprüft werden. Da die Differenzen jedoch gesamthaft nicht stark ins Gewicht fallen, spielt folgender Grund eine weitere Entscheidungshilfe. Der Halbhermetische Hubkolbenkompressor ist mit einer mechanischen Ölpumpe versehen und kann somit mit einem Öldruckpressostat bestück werden. Dies Arbeit von Hanspeter Portmann Version 1.0 Seite 16 von 18

17 ist insbesondere bei langen Kältemittelleitungen zu empfehlen da allfällige Ölverlagerungen detektiert werden können und der Öldruckpressostat den Kompressor ausschaltet bevor dieser durch Ölmangel einen Schaden nehmen kann. 3. Interessant, aber auch nicht unerwartet, ist die Feststellung, dass bei konstanter Kühllast der Direktverdampfer besser ist und deutlich geringeren Energieverbrauch aufweist. Dies macht diese Systeme interessant für Prozesskälteanlagen. (Sofern nicht ein System mit freier Kühlung dann noch besser ist.) Bei grossen Lastveränderungen sind Anlagen mit Kaltwasser deutlich überlegen. Einerseits können diese Anlagen tropfenweise geregelt werden und durch die Speicherung von Kaltwasser wird der Kompressor ein- und ausgeschaltet. Nicht berücksichtigt wurden hier die Verluste durch Kaltwasserleitungen sowie die inneren und äusseren Verluste durch die Kaltwasserspeicherung. 4. Aufgrund der Vorteile von beiden Systemen sollte auch der Mischform DX-K etwas mehr Beachtung geschenkt werden. Auf der Kühlseite hat es die Vorteile der Kaltwassermaschine auf der Rückkühlseite die Vorteile der Direktverdampferanlagen. Insbesondere wenn die Kältemaschine nahe beim luftgekühlten Kondensator installiert werden kann. Die detaillierten Berechnungen liegen bei. Arbeit von Hanspeter Portmann Version 1.0 Seite 17 von 18

18 8. Zusammenfassung Zusammenfassend sind folgende Schlussfolgerungen zu ziehen. 1. Aufgrund der Energieverbrauchsberechungen sind Anlagen ab 50 Kälteleistung vorteilhaft als Kaltwasseranlagen zu planen. Die Mehrinvestitionen sind oft innert der zu erwartenden Betriebsdauer der Anlage amortisierbar. 2. Unter 50 Kälteleistung, bei kleineren Projekten, kann eine Direktverdampferanlage interessant sein. Es sind möglichst vernünftige Distanzen zwischen den Komponenten anzustreben. 3. Die Kaltwasseranlagen sind bei entsprechender Dimensionierung für zukünftigen Kältebedarf innerhalb des Gebäudes flexibler verfügbar als Direktverdampferanlagen. 4. Kaltwasseranlagen können, bei einem zukunftsorientierten flexiblen Projekt, relativ einfach für andere Verwendungszwecke verwendet werden. Direktverdampferanlagen sind hingegen auf die ursprünglich geplante Aplikation dimensioniert. Eine Anpassung ist oft nicht möglich oder macht technisch und kaufmännisch keinen Sinn. 5. Aus den neuesten Forderungen bezüglich Umweltschutz, insbesondere die Reduktion in der Luft stabiler Kältemittel (Umsetzung Kyoto Protokoll), sind Anstrengungen zu unternehmen den Kältemittelverbrauch zu reduzieren. Dazu gehört neben der Hermetisierung die Reduktion der Inhalte. 6. Die Kaltwassermaschinen sind aus Sicht des Umweltschutzes (kleinere Kältemittelinhalte) zu bevorzugen. 7. Die Ausnahme stellen Anlagen dar welche vorwiegend zur Entfeuchtung eingesetzt werden. Hier kann die Direktverdampferanlage den Vorzug der tieferen Oberflächentemperatur des Verdampfers und somit das Erreichen eines tiefen Taupunktes voll auspielen. 9. Quellenverzeichnis Bewilligung von Anlagen mit in der Luft stabilen Kältemitteln. Wegleitung. Vollzug Umwelt. Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft BUWAL, Bern. 2004, 40 S Bitzer Kältemittelreport 13. Auflage ( Software Coolpack Bilder (Danfoss, Siemens, Alco,) Auslegung Leistungen Kompressoren Software Copeland Select Version 6 Auslegung Kondensatoren/Trockenkühler Software Thermokey Version 7.0 und Luve Refriger ( Auslegung Pumpen Software Grundfos Wincaps 7.50 INT Wetterdaten SIA DOK 012 Der junge Kälteanlagenbauer, Autor Karl Breidenbach, Verlag C.F. Müller, Karlsruhe Arbeit von Hanspeter Portmann Version 1.0 Seite 18 von 18

19 25 Anlage (1 Verdichter ZR11M3E-TWD) Grundlagen Direktverdampfer (konstante Last) Stunden (SIA DOK 012) Zürich Kondensationstemperatur C Verdampfungtemperatur Kälteleistung Kraftbedarf Konden-Pumpesator KW+RK Geforderte Leistung in Betriebszeit in % Energieverbrauch h % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 2145 TOTAL h Scroll

20 25 Anlage (1 Verdichter ZR12M3E-TWD) Grundlagen Kaltwasser (konstante Last) Stunden (SIA DOK 012) Zürich Kondensationstemperatur C Verdampfungtemperatur Kälteleistung Kraftbedarf Rückkühler Pumpen KW+RK Geforderte Leistung in Betriebszeit in % Energieverbrauch h % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 2810 TOTAL h Scroll

21 25 Anlage (1 Verdichter ZR11M3E-TWD) Grundlagen Direktverdampfer (Last abhängig nach ) Stunden (SIA DOK 012) Zürich Kondensationstemperatur C Verdampfungtemperatur Kälteleistung Kraftbedarf Konden-Pumpesator KW+RK Geforderte Leistung in Betriebszeit in % Energieverbrauch h % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 711 TOTAL h Scroll

22 25 Anlage (1 Verdichter ZR12M3E-TWD) Grundlagen Kaltwasser (Last abhängig nach ) Stunden (SIA DOK 012) Zürich Kondensationstemperatur C Verdampfungtemperatur Kälteleistung Kraftbedarf Rückkühler Pumpen KW+RK Geforderte Leistung in Betriebszeit in % Energieverbrauch h % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 421 TOTAL h Scroll

23 50 Anlage (1 Kompressor ZR250KCE-TWD ) Grundlagen Direktverdampfer (konstante Last) Stunden (SIA DOK 012) Zürich Kondensationstemperatur C Verdampfungtemperatur Kälteleistung Kraftbedarf Kondensator Pumpe n KW+RK Geforderte Leistung in Betriebszeit in % Energieverbrauch h % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 4201 TOTAL h Scroll

24 50 Anlage (1 Kompressor ZR310KCE-TWD) Grundlagen Stunden (SIA DOK 012) Zürich Kaltwasser (konstante Last) Kondensationstemperatur C Verdampfungtemperatur Kälteleistung Kraftbedarf Rückkühler Pumpe Geforderte Betriebszeit n KW+RK Leistung in in % Energieverbrauch h % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 5238 TOTAL h Scroll

25 50 (1 Kompressor ZR250KCE-TWD ) Grundlagen Direktverdampfer (Last abhängig nach ) Stunden (SIA DOK 012) Zürich Kondensationstemperatur C Verdampfungtemperatur Kälteleistung Kraftbedarf Kondensator Pumpe n KW+RK Geforderte Leistung in Betriebszeit in % Energieverbrauch h % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 1238 TOTAL h Scroll

26 50 Anlage (1 Kompressor ZR310KCE-TWD) Grundlagen Stunden (SIA DOK 012) Zürich Kaltwasser (Last abhängig nach ) Kondensationstemperatur C Verdampfungtemperatur Kälteleistung Kraftbedarf Rückkühler Pumpe Geforderte Betriebszeit n KW+RK Leistung in in % Energieverbrauch h % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 786 TOTAL h Scroll

27 50 Anlage (1 Kompressor D4SH-250X ) Grundlagen Direktverdampfer (konstante Last) Stunden (SIA DOK 012) Zürich Kondensationstemperatur C Verdampfungtemperatur Kälteleistung Kraftbedarf Kondensator Pumpe n KW+RK Geforderte Leistung in Betriebszeit in % Energieverbrauch h % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 4611 TOTAL h HH

28 50 Anlage (1 Kompressor D4DH-250X) Grundlagen Stunden (SIA DOK 012) Zürich Kaltwasser (konstante Last) Kondensationstemperatur C Verdampfungtemperatur Kälteleistung Kraftbedarf Rückkühler Pumpe Geforderte Betriebszeit n KW+RK Leistung in in % Energieverbrauch h % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 5485 TOTAL h HH

29 50 Anlage (1 Kompressor D4SH-250X ) Grundlagen Direktverdampfer (Last abhängig nach ) Stunden (SIA DOK 012) Zürich Kondensationstemperatur C Verdampfungtemperatur Kälteleistung Kraftbedarf Kondensator Pumpe n KW+RK Geforderte Leistung in Betriebszeit in % Energieverbrauch h % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 1262 TOTAL h HH

30 50 Anlage (1 Kompressor D4DH-250X) Grundlagen Stunden (SIA DOK 012) Zürich Kaltwasser (Last abhängig nach ) Kondensationstemperatur C Verdampfungtemperatur Kälteleistung Kraftbedarf Rückkühler Pumpe Geforderte Betriebszeit n KW+RK Leistung in in % Energieverbrauch h % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 823 TOTAL h HH

31 100 Anlage (1 Kompressor D6SJ-400X) Grundlagen Direktverdampfer (konstante Last) Stunden (SIA DOK 012) Zürich Kondensationstemperatur C Verdampfungtemperatur Kälteleistung Kraftbedarf Kondensator Pumpe n KW+RK Geforderte Leistung in Betriebszeit in % Energieverbrauch h % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 9613 TOTAL h HH

32 100 Anlage (1 Kompressor D6SK-500X) Grundlagen Stunden (SIA DOK 012) Zürich Kaltwasser (konstante Last) Kondensationstemperatur C Verdampfungtemperatur Kälteleistung Kraftbedarf Rückkühler Pumpe Geforderte Betriebszeit n KW+RK Leistung in in % Energieverbrauch h % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % TOTAL h HH

33 100 Anlage (1 Kompressor D6SJ-400X) Grundlagen Direktverdampfer (Last abhängig nach ) Stunden (SIA DOK 012) Zürich Kondensationstemperatur C Verdampfungtemperatur Kälteleistung Kraftbedarf Kondensator Pumpe n KW+RK Geforderte Leistung in Betriebszeit in % Energieverbrauch h % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 2651 TOTAL h HH

34 100 Anlage (1 Kompressor D6SK-500X) Grundlagen Stunden (SIA DOK 012) Zürich Kaltwasser (Last abhängig nach ) Kondensationstemperatur C Verdampfungtemperatur Kälteleistung Kraftbedarf Rückkühler Pumpe Geforderte Betriebszeit n KW+RK Leistung in in % Energieverbrauch h % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % % 1718 TOTAL h HH