Dipl.-Ing. Norbert Kleff. Universität Essen Institut für Angewandte Thermodynamik und Klimatechnik Universitätsstraße Essen

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1 Kälteversorgung an der Universität Essen Dipl.-Ing. Norbert Kleff Universität Essen Institut für Angewandte Thermodynamik und Klimatechnik Universitätsstraße Essen Kälteversorgung an der Universität Essen Im Jahre 1999 wurde die Kältezentrale der Universität Essen saniert. Es wurden bestehende R12-Kaltwassersätze durch zwei R717-Schrauben- Kaltwassersätze sowie eines R718-Turbo-Kaltwassersatzes ersetzt. Die gesamte Kälteleistung aller Anlagen beträgt maximal ca. 3,5 MW. Im Rahmen des Vortrags soll die Entscheidung für den ausschließlichen Einsatz von natürlichen Kältemitteln verdeutlicht, das eingesetzte Anlagenkonzept vorgestellt, über Betriebserfahrungen berichtet, sowie die Vor- und Nachteile der zentralen Kälteversorgung an der Universität Essen dargestellt werden. Darüber hinaus soll in kurzer Form auf die neue, mit Wasser (R-718) als Kältemittel betriebene Anlagentechnik sowie mit deren Einbindung in bestehende Anlagensysteme, speziell was den Parallelbetrieb mit Kaltwassersätzen anderer Bauart betrifft, eingegangen werden. Stichwörter: natürliche Kältemittel, Wasser als Kältemittel, Kälteversorgung, R717, R718, Universität Essen, Hydraulik

2 1 Einleitung Im Entstehungsjahr der Universität Essen (1972) wurden zur zentralen Kälteversorgung zwei R12-Turbo-Kaltwassersätze mit jeweils 2,3 MW Kälteleistung in einem am Rande des Universitätsgeländes gelegenen Gebäude installiert. Die Kälteversorgung aller Gebäudekomplexe wurde mit einer Ringleitung, die mehrere hundert Meter Länge hat, realisiert. Ca. 20 Jahre später (1993) wurde ein Gutachten über mögliche Sanierungskonzepte ausgearbeitet, in dem verschiedene Varianten einer zukünftigen Kältebereitstellung gegenübergestellt wurden. Darin enthalten waren Alternativen mit dem Kältemittel R22, R134a, R717 sowie Konzepte mit Adsorptionskälteanlagen. Darüber hinaus wurde in diesem Gutachten eine dezentrale Kälteversorgung und eine Kälteerzeugung unter Einbeziehung eines Eisspeichers mit berücksichtigt. Die Aufgabenstellung in diesem Gutachten beinhaltete eine Verringerung der Umweltbelastung durch FCKWs sowie eine Senkung der Betriebskosten durch entsprechende Neuanlagen. Aufgrund künftiger Entwicklungen zugelassener Kältemittel in Bezug auf die Umweltverträglichkeit fiel die Entscheidung auf natürliche Kältemittel (ODP=0 und GWP=0). Zum Zeitpunkt der Entscheidung für eine der Alternativen trat eine Neuentwicklung im Bereich der Großkälteanlagen in Erscheinung. Es handelte sich dabei um einen Kaltwassersatz mit Wasser (R718) als Kältemittel, der vom ILK-Dresden entwickelt und von der Fa. Aquaturbo vertrieben wurde. Die Vorteile einer umweltkonformen Kälteanlage mit relativ niedrigen Betriebskosten wurden dem Nachteil einer relativ hohen Investition gegenübergestellt. Nach der Prüfung der Randbedingungen entschied man sich zum Kauf einer solchen Anlage. Im Jahr 1999 wurde daraufhin die neue Kälteversorgung mit einem R718- Turbo-Kaltwassersatz und zwei R717-Schrauben-Kaltwassersätzen realisiert. Der R718-KWS sollte dabei die Grundlast übernehmen und die zwei R717- KWS als Folge- bzw. Spitzenlastmaschinen bei Bedarf hinzugeschaltet werden. Unverändert hingegen blieb das Verteilungsnetz, welches sich nach der Sanierung an manchen Stellen als nicht mehr zeitgemäß darstellte. Derzeit werden Untersuchungen zur Verbesserung der Hydraulik durchgeführt, die voraussichtlich im nächsten Jahr (2003) abgeschlossen sind. Seit der Inbetriebnahme der drei Kälteanlagen wird der Betrieb des R718- Turbo-KWS vom Institut für Angewandte Thermodynamik und Klimatechnik unter der Leitung von Prof.Dr.-Ing. Fritz Steimle überwacht und meßtechnisch begleitet. Im Rahmen dieses Vortrages mit dem Thema Kälteversorgung an der Universität Essen soll zum einen das Konzept der derzeitigen zentralen Kälteversorgung vorgestellt sowie über Erfahrungen mit dem R718-KWS als Einzelmaschine und im Anlagenverbund berichtet werden.

3 2 Kälteversorgung an der Universität Essen 2.1 Kälteabnehmer Die Universität Essen gliedert sich aus Sicht der kältetechnischen Versorgung in 6 Gebäudebereiche, die von einer außerhalb liegenden Kältezentrale mit Kaltwasser versorgt werden. Die Kaltwasserverteilung erfolgt über eine Ringleitung mit dazugehörigen Unterverteilstationen. In der Abb. 1 ist das Universitätsgelände mit einer Längenausdehnung von ca. 800m dargestellt. Die Gebäudekomplexe sind ringförmig um den Campus angeordnet und zur besseren Orientierung farbig gekennzeichnet. Diese Kennzeichnung wird innerhalb der Gebäude fortgesetzt, so daß aus der Kombination von Farbkürzeln und darauf folgenden Zahlen jeder Ort eindeutig identifiziert werden kann. Verwandt werden die Farben rot, blau, grün und gelb, die wiederum durch die Buchstaben R=rot, V=veilchenblau, T=tannengrün sowie S=sandgelb dargestellt werden. Abb. 1: Gebäudebereiche der Universität Essen Hinsichtlich der großen Kälteabnehmer soll an dieser Stelle schon mal ein Einblick vermittelt werden, wo sich örtlich gesehen welcher Kälteabnehmer befindet. Im Gebäudekomplex R befinden sind beispielsweise die Hauptbibliothek, die Cafeteria, ein Medienzentrum sowie einige Vorlesungs- und Seminarräume. Im Gebäudekomplex V" sind die Fachbereiche der Ingenieurwissenschaften mit zahlreichen Laboren und einer eigenen Bibliothek vertreten. Das T -Gebäude beherbergt im wesentlichen die Hauptcafeteria, die Mensa und die Verwaltung. Für das S -Gebäude finden sich als wichtigste Kälteabnehmer das Hörsaalzentrum, sowie Fachbereiche der Chemie und Physik.

4 2.2 Kälteanlagen Die Kälteversorgung an der Universität Essen wird derzeit zentral mit drei Kaltwassersätzen (zwei R717-Schrauben-KWS Abb. 2 und einem R718-Turbo- KWS Abb. 3) bereitgestellt. Die gesamte maximale Kälteleistung aller drei Anlagen beträgt ca kw. In der Abb. 4 ist das vereinfachte Anlagenschema der Kältezentrale dargestellt. Abb. 2: links: R717-Schrauben-KWS 2 x 750 kw Kälteleistung rechts: R717-Schrauben-KWS 1 x kw Kälteleistung Abb. 3: R718-Turbo-KWS 1 x 800 kw Kälteleistung

5 Kühltürme P1.32 P1.22 P1. 12 KM 1.3 KM 1.2 KM 1.1 1,2 MW Abscheider 1,5 MW Absche ider 0,8 MW Verbraucher P1. 31 P1.21 P1.11 Hyd rau lische We ic he P3. 1-P 3.3 Abb. 4: Kältezentrale der Universität Essen Der Aufstellungsort der Kaltwassersätze ist in der sog. technischen Versorgungszentrale (kurz: TVZ), die im Randbereich des Universitätsgeländes zu finden ist (Abb. 1). 2.3 Betriebsweise: Eine der drei Maschinen wird als Grundlastmaschine gefahren und die anderen, je nach Kältebedarf, automatisch hinzugeschaltet. Alle Kältemaschinen sind über einen Kaltwasserspeicher (eine sog. hydraulischen Weiche ) miteinander verbunden, der den Erzeugerkreis vom Abnehmerkreis entkoppelt. Von diesem Speicher ausgehend wird das Kaltwasser über drei Pumpen dem Verbrauchernetz zur Verfügung gestellt. Jede dieser Kaltwassernetzpumpen ist so ausgelegt, daß sie 40% des maximal auftretenden Volumenstromes von 600 m³/h (240 m³/h) bei einer Förderhöhe von 35 m fördern kann. Die Drehzahl und damit die Förderhöhe bei einem bestimmten Volumenstrom wird über einen Frequenzumrichter geregelt, wobei der Differenzdruck an der entferntesten Stelle des Netzes die Regelgröße darstellt. Dieser Differenzdruck ist in den ersten Wochen nach der Inbetriebnahme auf einem konstanten Wert von 1,5 bar eingestellt worden. Erreicht die Drehzahl der Grundlastpumpe einen Wert knapp unterhalb der maximalen Drehzahl, wird die zweite Pumpe hinzugeschaltet. Beide Pumpen laufen dann parallel mit gleicher Drehzahl bis wieder knapp die maximale Drehzahl erreicht wird. Dann wird die Spitzenlastpumpe hinzugeschaltet.

6 2.4 Rückkühlwerk: In der Abb. 5 ist das zur Kältezentrale gehörende Rückkühlwerk abgebildet. Es handelt sich dabei um ein offenes Rückkühlwerk, welches aus vier einzelnen Kühltürmen besteht, die paarweise mit oder ohne Ventilatoren betrieben werden können. Ausgelegt sind diese jeweils für eine Kühlleistung von 1013kW bei einer Wassereintrittstemperatur von 30 C, einer Wasseraustrittstemperatur von 25 C und einer Feuchtkugeltemperatur von 20 C. Der zusätzliche Wasserbedarf beträgt dabei ca. 1,56 m³/h. Abb. 5: Rückkühlwerk auf dem Dach der technischen Versorgungszentrale 2.5 Kälteverteilung: Die einzelnen Gebäudekomplexe werden über eine - mehrere hundert Meter lange - Ringleitung mit Kälte versorgt. Daran angeschlossen sind sechs große Unterverteilstationen innerhalb der jeweiligen Gebäudebereiche. In der Abb. 6 ist ein vereinfachter Rohrnetzplan mit den max. Anschlußdaten bez. der Kälteleistung dargestellt. Die größte Kälteabnahme ist den Bereichen der Bibliotheken, der Mensa, den Cafeterien, den Hörsälen sowie diverser Labore zuzuordnen. Die Ringleitung der Kälteversorgung wie auch andere Wasserversorgungsleitungen sind im Kellergeschoß der Universität verlegt. Alle Gebäudekomplexe, einschließlich der technischen Versorgungszentrale, sind durch Kellerkorridore miteinander verbunden, so daß alle Hauptversorgungsleitungen frei zugänglich sind. In der Abb. 7 ist ein solcher Korridor beispielhaft abgebildet. Die Unterverteilstationen befinden sich auf der gleichen Geschoßebene innerhalb der jeweiligen Gebäude. Eine der sechs Unterverteilstationen ist in der Abb. 8 dargestellt.

7 1 555 kw S05 V kw R11 T-1 DN 200 DN kw 245 kw T01 S-1 DN 150 DN 30 0 R11 R-1 DN kw 298 kw DN 200 V15 R-1 DN 125 V15 S-1 DN 250 DN 30 0 DN 40 0 DN 450 Kältezentrale Abb. 6: Unterverteilstationen der Kälteversorgung in der Universität Essen Abb. 7: Kaltwasserverrohrung im Kellergeschoß der Universität Essen (Ringleitung)

8 Abb. 8: Unterverteilstation eines Gebäudebereichs 2.6 Kältebedarf in der Universität Essen Der Kältebedarf an der Universität Essen setzt sich zu einem Hauptanteil aus Klimakälte und zu einem geringeren Teil aus Prozeßkälte zusammen. Üblicherweise verwendet man den Begriff Prozeßkälte in Verbindung mit einer Kältebereitstellung bei tieferen Temperaturen. Im konkreten Fall soll mit Prozeßkälte derjenige Bereich gemeint sein, der zu kühlende Versuchsaufbauten in Laboren betrifft und nicht der Klimakälte zuzuordnen ist. Die Differenzierung zwischen der Klima- und Prozeßkälte läßt sich auch anhand der Kältelastprofile der Universität Essen ableiten. Es besteht ein ganzjähriger Mindestkältebedarf, der sowohl in kalten Monaten ganzjährig wie auch zu Sommermonaten in der Nacht vorliegt, d.h. zu Zeiten, an denen eine Raumklimatisierung nicht erforderlich ist. In der Abb. 9 ist der Kälteleistungsbedarf in Abhängigkeit der Außentemperatur zu unterschiedlichen Tageszeiten dargestellt. Bis zu einer Außentemperatur von ca. 18 C ist die Kühllast zwischen 300 und 500 kw, fast unabhängig von der Tageszeit, relativ konstant. Bei Überschreitung der Außentemperatur von 18 C besteht ein linearer Zusammenhang zwischen der Außentemperatur und der Kühllast (Anstieg ca. 120 kw/k).

9 Kälteleistungsbedarf in Abhängigkeit der Außentem peratur zu unterschiedlichen Tageszeiten :00 08:00 14:00 Kälteleistung [kw] K limakä lte 500 Pr ozeßkälte Außentemperatur [ C] Abb. 9: Kälteleistungsbedarf in Abhängigkeit der Außentemperatur und der Tageszeit In der Abb. 10 ist der Kälteleistungsbedarf zu drei unterschiedlichen Tageszeiten für den Zeitraum eines Jahres dargestellt. Man erkennt auch hier einen Grundkältebedarf von ca kw zu den kälteren Jahreszeiten ganztägig und nachts (ca. 02:00 Uhr) während des ganzen Jahres. Die Kaltwasservorlauftemperatur beträgt dabei zu jeder Zeit ca. 7 C ±1K. Die dargestellten Kurven repräsentieren gemittelte Werte der Kälteleistung, so daß an sehr heißen Tagen im Sommer mit einem Kältebedarf von über 2500 kw gerechnet werden muß, d.h. alle drei Kaltwassersätze sind in Betrieb. In der Abb. 11 ist für 4 ausgewählte Tage die Kälteleistung während eines Tages aufgetragen. Im Vergleich zu der Abb. 9 erkennt man auch hier den Einfluß der Außentemperatur auf die Kühllast. Für den Wintertag ( ) bei max. Außentemperatur von 5 C beträgt die Kälteleistung während des ganzen Tages nahezu konstant 300 kw. Eine fast ähnliche Kühllast besteht hingegen auch bei einem Frühjahrstag mit max. 17 C Außentemperatur, d.h. ein Kältebedarf für Klimatisierungszwecke liegt nicht vor. Zwei Tage zuvor (auch ein Frühjahrstag) lag die Kühllast um ca. 200 kw höher. Die max. Außentemperatur betrug an diesem Tag 20 C. Die vierte Kurve stellt den Kälteleistungsbedarf an einem gewöhnlichen Sommertag ( ) dar. Die max. Außentemperatur betrug an diesem Tag 30 C und war verbunden mit einer Kühllast von fast kw.

10 Jahresverlauf des Kälteleistungsbedarfs in Abhängigkeit der Tageszeit :00 08:00 14: Kälteleistung [kw] Datum Abb. 10: Kälteleistungsbedarf Jahresgang Kälteleistungsbedarf im Tagesverlauf zu unterschiedlichen Jahreszeiten Winter ( max. Außentemperatur 5 C) Sommer ( max. Außentemperatur 30 C) Frühjahr ( max. Außentemperatur 20 C) Frühjahr ( max. Außentemperatur 17 C) Kälteleistung [kw : :00 04:00 06 :0 0 08:00 1 0:00 12:00 14:00 16 :0 0 18:00 2 0:00 22 :00 00:00 Uhrzeit Abb. 11: Kälteleistungsbedarf - Tagesgang

11 In der Abb. 12 soll noch einmal in Form der Summenhäufigkeit des Kältebedarfs, aufgetragen über den jährlichen Betriebsstunden, der Kältebedarf an der Universität Essen verdeutlicht werden. Wie man erkennen kann, ist der Kältebedarf zu fast 90% der gesamten Betriebszeit kleiner als 750 kw und kann somit von der Grundlast-Kälteanlage (800kW) abgedeckt werden. Für ca. 10% der Betriebsstunden wird die Folgemaschine und nur für weniger als 1% der Betriebsstunden die Spitzenlastmaschine eingesetzt. Aufgrund einer zumindest teilweise benötigten Redundanz (Ausfall einer Kälteanlage, Wartungsarbeiten, usw.) macht dennoch die Auslegung der Anlagenkonzeption Sinn und man kann nach fast dreijähriger Betriebserfahrung von einem optimalen Anlagenverbund sprechen, der umweltgerecht unter dem Einsatz natürlicher Kältemittel verwirklicht wurde Summenhäufigkeit der Kälteleistung Kälteleistung [kw] Betriebsstunden [h/a] Abb. 12 Summenhäufigkeit der Kälteleistung in der Universität Essen 2.7 Der R718-Turbo-Kaltwassersatz Da es sich bei dem R718-Turbo-Kaltwassersatz um eine Neuentwicklung im Bereich der Großkälteanlagen handelt, soll an dieser Stelle die Funktionsweise der Anlage erklärt und auf Betriebserfahrungen eingegangen werden. Diese Erfahrungen als Erstanlagenbetreiber beinhalten den Einsatz des R718-KWS als Einzelanlage und im Anlagenverbund mit den Ammoniak-Kälteanlagen. Eine Gegenüberstellung der thermophysikalischen Eigenschaften der Kältemittel Wasser und Ammoniak ist in der Tabelle 1 dargestellt und soll die Unterschiede dieser beiden Kältemittel verdeutlichen.

12 Tabelle 1: Gegenüberstellung der Kältemittel Wasser und Ammoniak Temperatur 0 C 10 C 20 C Wasser (R718) Ammoniak (R717) Wasser (R718) Ammoniak (R717) Wasser (R718) Ammoniak (R717) Dampfdruck [bar] 0,006 4,3 0,012 6,2 0,023 8,6 Dampfdichte [g/m³] 4, , , Volumenstrom bezogene Kälteleistung [kj/m³] Volumenstrom für 700 kw Kälte [m³/h] Druckverhälnis für 25K Temperaturhub ,2 2,3 4,6 2,2 4,1 2,1 Der Aufbau und die Funktion des R718-Turbo-Kaltwassersatzes hängen im wesentlichen von den thermophysikalischen Eigenschaften des Kältemittels Wasser ab. Eine Gegenüberstellung mit dem Kältemittel Ammoniak zeigt, daß bei gleicher Kälteleistung die Verdichter einen bis zu 300 mal größeren Kältemittelvolumenstrom, zwar bei geringer Druckerhöhung aber einem doppelt so hohen Druckverhältnis ansaugen müssen. Aufgrund dieser Betrachtung erklärt sich auch die Baugröße der Verdichter und somit auch der Gesamtanlage im Vergleich zu den R717-Kaltwassersätzen. Die Forderung an einen Verdichter große Wasserdampfströme mit geringer Dichte bei gleichzeitig hohen Druckverhältnis zu verdichten, läßt sich am besten in einem Turboverdichter realisieren. Das derzeit max. erreichbare Druckverhältnis bei den vom ILK-Dresden entwickelten Turboverdichtern liegt in etwa bei 2,5, so daß bei der ausgeführte Anlage eine zweistufige Verdichtung erfolgen muß. Eine mögliche einstufige Verdichtung würde nur mit einem erhöhtem Energieaufwand verbunden sein und die Verdichtungsendtemperatur würde in einem außerhalb der Randbedingungen gelegenen Bereich liegen. In der Abb. 13 ist das Funktionsprinzip R718-Turbo-KWS dargestellt und läßt sich zusammenfassend so beschreiben: In einem aus fünf Teilsegmenten zusammengesetzten Behältnis (Verdampfer Verdichterstufe 1 - Zwischenkühler Verdichterstufe 2 Kondensator), mit einer Länge von ca. 8,5 m und einem Durchmesser von ca. 2,5 m, wird eintretendes Wasser im Verdampfer auf nahezu Sättigungsdruck (ca mbar), des im Sumpf des Verdampfers befindlichen Wassers, entspannt. Der bei der Verdampfung auftretende Kältemitteldampf wird von der ersten Verdichterstufe abgesaugt und im Zwischenkühler auf annähernd Sättigungszustand (ca mbar), infolge einer direkten Kontaktkühlung, mit Wasser abgekühlt. Der Kondensationsdruck (ca mbar) wird nach der zweiten Verdichterstufe erreicht. Auch hier wird das überhitzte Kältemittel im direkten Kontakt mit Kühlwasser verflüssigt. Die freiwerdende Kondensationswärme wird in einem peripheren Plattenwärmeübertrager an das Kühlwasser abgegeben. Das durch die Verdampfung abgekühlte Wasser im

13 Sumpf des Verdampfers wird über eine Pumpe durch einen zweiten Plattenwärmeübertrager gefördert und dem Verdampfer wieder zugeführt. Das Kältemittel Wasser ist in dieser Anlage zugleich auch der Kälteträger. Die Regelung der Kaltwasservorlauftemperatur bzw. der Kälteleistung erfolgt über die stufenlose Drehzahleinstellung der Verdichter ( U/min). Der Teillastbetrieb konnte meßtechnisch bis zu 50% des Vollastbetriebes nachgewiesen werden. Die erzeugte Kälteleistung paßt sich rasch den äußeren Bedingungen (Kühlwassertemperatur, Kaltwasserrücklauftemperatur) an, so daß man auch hier von einem ausgereiften Konzept sprechen kann. Verdampfer Zwischenkühler Kondensator Verdichter Stufe 1 Verdichter Stufe 2 Kaltwasserkreislauf Kältemittelrückführung Platten- Wärmeübertrager Kühlwasserkreislauf zum Verbraucher zum Kühlturm Abb. 13: Funktionsschema des R718-Turbo-Kaltwassersatzes technische Daten Anlage: Kälteleistung max.: 800 kw Teillastbereich: ca % Verdampfungsdruck bei 5 C: 8,7 mbar COP bei T KaWVorl. = 5 C: ca. 5,5 im Vollastbetrieb Ansaugvolumenstrom Stufe 1: ca m³/h Ansaugvolumenstrom Stufe 2: ca m³/h stufenlose Drehzahlen: U/min Druckverhältnis: max. 2,5 (je Stufe)

14 Erfahrungen mit dem R718-Turbo-KWS als Einzelanlage Wie sich im Verlauf der letzten drei Jahre gezeigt hat, kann sich die Technologie Wasser als Kältemittel durchaus gegenüber anderen Kaltwassersätzen behaupten. Vom Zeitpunkt der Aufstellung bis heute sind eine Reihe von konstruktiven Änderungen an der Anlage erfolgt, die zur Verbesserung der Laufeigenschaften wie auch zur Betriebssicherheit beigetragen haben. So kann man zum jetzigen Zeitpunkt von einem ausgereiften Produkt sprechen. Die Universität Essen in der Rolle eines Erstanlagenbetreibers konnte aufgrund einer kontinuierlichen meßtechnischen Überwachung der Anlage ihren Teil dazu beitragen die Anlagenfahrweise zu optimieren. Wohl aber gilt zu beachten, daß für einen künftigen Einsatz der Anlage die Schnittstellen wie auch alle Randparameter (Kühlwasserbedingungen, Kaltwasserbedingungen, Kältelastprofile, Hydraulik, usw.) vorab genau geprüft werden müssen, um einen optimalen Betrieb zu gewährleisten. Eine direkte Übertragbarkeit der Anlagenkonzepte ist nicht ohne weiteres möglich. Im konkreten Fall an der Universität Essen traten diesbezüglich Probleme mit der Hydraulik auf, die vorher in dieser Form nur unzureichend bekannt waren. Die Ursache des Problems wurde im Kälteversorgungsnetz gefunden, welches sich als nicht mehr zeitgemäß gegenüber den neuen Kälteanlagen verhielt. Die Regelung der Kaltwasservorlauftemperatur wird zwar von den Kälteanlagen übernommen doch die Regelung des netzseitigen Volumenstromes erfolgt über eine Differenzdruckmessung ( p=1,5 bar) des entferntesten Verbrauchers. Im Laufe der Jahre seit Entstehung der Universität Essen sind immer mehr (Kälte-) Verbraucher hinzugekommen, wohingegen das Rohrnetz in seiner ursprünglichen Form unverändert blieb. Da die Kühllast in einigen Fällen um ein vielfaches größer geworden ist, wird auf der Verbraucherseite der Volumenstrom so eingestellt, daß sich nur noch eine relativ kleine Temperaturspreizung zwischen Kaltwasservor- und Rücklauf einstellt. Die Regelung der netzseitigen Pumpen reagiert mit einer Erhöhung des Volumenstroms, so daß sich auch der Temperaturabstand zwischen dem netzseitigem Vor- und Rücklauf im gesamten System verringert. Ist der R718-KWS mit einem externen Kaltwasservolumenstrom von ca. 100 m³/h allein im Betrieb wird das erzeugte Kaltwasser (Vorlauftemperatur ca. 6 C) mit dem hohen netzseitigen Volumenstrom (ca m³/h Teillastbetrieb) in der hydraulischen Weiche vermischt und mit einer Vorlauftemperatur von ca. 8-8,5 C ins Netz eingespeist. Aufgrund dieses Problems werden derzeit Untersuchungen durchgeführt, wie das Verbraucherverhalten bei einer Differenzdruckregelung mit p=1,2 bar reagiert. Die Reaktion wird in Form von Beschwerden erwartet, die nach Ablauf einer Testphase (ca. 4-5 Monate) eintreffen werden oder nicht. Darüber hinaus werden die Unterverteilstationen auf eine mögliche Optimierung untersucht. Aufgrund der Problematik bezüglich der Hydraulik ergeben sich neue Probleme welche die Temperatureinsatzgrenzen des R718-KWS betreffen. Soll die Netztemperatur im Vorlauf 8 C betragen, so muß entgegen der ursprünglichen Auslegung (7 C) an der Maschine eine Verdampfungstemperatur von 5 C als Sollwert eingestellt werden. Da aber der Temperaturhub bzw. das Druckverhältnis der Anlage begrenzt ist, treten bei zu hohen Kühlwassertemperaturen unzulässig hohe Druckverhältnisse auf. Anlagenseitig sind diesbezüglich Grenzwerte hinterlegt und führen gerade an

15 ren gerade an heißen Sommertagen, wenn alle Kälteanlagen im Betrieb sind und somit noch zusätzlich zu einer Temperaturerhöhung des Kühlwassers beitragen, zum Abschalten des R718-KWS. Letztendlich lassen sich also alle Probleme auf die Hydraulik reduzieren. Durch eine entsprechende Verbesserung der Hydraulik könnte man die Solltemperatur des R718-KWS wieder auf den Auslegungswert anheben und somit innerhalb des vorgegebenen Temperaturfensters, auch bei erhöhten Kühlwassertemperaturen, einen sicheren Betrieb der Anlage gewährleisten. Erfahrungen mit dem R718-Turbo-KWS im Anlagenverbund Mit dem damaligen Betrieb der R12-Turbos wurde der Sollwert der Kaltwasservorlauftemperatur auf T Soll =6 C festgelegt. Nachdem nun 1999 die Kältezentrale mit zwei Ammoniak und einer Wasserkälteanlage ausgerüstet wurden, sollte dieser Wert beibehalten werden. Kurze Zeit später erkannte man jedoch, daß unter diesen Voraussetzungen ein Betrieb der drei Kaltwassersätze im Anlagenverbund mit Schwierigkeiten verbunden ist. Während Ammoniak- Kältemaschinen problemlos bei 0-1 C Verdampfungstemperatur arbeiten und so die gewünschten 6 C im netzseitigen Kaltwasservorlauf bereitstellen können, gibt es mit Wasser als Kältemittel physikalische Grenzen bezüglich der Verdampfungstemperatur. Bei der vorliegenden Hydraulik, wie schon angesprochen, ist die Temperaturspreizung zwischen Kaltwasservor- und Rücklauf relativ klein (2-3K!). D.h. wenn die R717-KWS eine netzseitige Kaltwasservorlauftemperatur von 6 C ausregeln, beträgt die Kaltwasserrücklauftemperatur nur ca. 8 C. Der Kaltwasserrücklauf zum R718-Turbo-KWS hat nahezu das gleiche Temperaturniveau, so daß die Wasserkälteanlage aufgrund der in der Steuerung hinterlegten Grenzwerte ordnungsgemäß abschaltet (Unterschreitung der min. Kaltwasseraustrittstemperatur). Auch hierbei ist das Problem im wesentlichen in der Hydraulik zu suchen, die einen Betrieb im Anlagenverbund erschwert. Zur derzeitigen Lösung ist der Sollwert des Kaltwasservorlaufs zunächst auf T Soll =8 C festgelegt worden. Mit dieser Lösung arbeiten die drei Kälteanlagen seit einiger Zeit problemlos zusammen. Wird das hydraulische System optimiert (Vorlauf 6 C, Rücklauf 12 C), kann der Sollwert der netzseitigen Kaltwasservorlauftemperatur wieder gesenkt werden und die Wasserkälteanlage in der ursprünglich ausgelegten Fahrweise betrieben werden. In der Abb. 14 soll noch einmal anhand gemessener Daten der Betrieb des R718-KWS für einen Tag ( ) verdeutlicht werden. Die Außentemperatur betrug an diesem Tag ca C ohne größere Schwankungen. Während des Tages in der Zeit von 8:00 Uhr morgens bis ca. 19:00 Uhr abends war die Kälteanlage im ununterbrochenen Betrieb. Anders als die Regelung der Ammoniak-Kälteanlagen, bei denen die Leistungsregelung nach der netzseitigen Vorlauftemperatur erfolgt, wird die Wasserkälteanlage nach der maschinenseitigen Vorlauftemperatur (T Soll =5 C) geregelt, unabhängig von der netzseitigen Vorlauftemperatur. Wie man erkennen kann, wird dieser Sollwert trotz schwankendem Kältebedarf in einem engen Toleranzfeld sehr gut eingehalten. Die netzsei-

16 tige Vorlauftemperatur beträgt entsprechend vorheriger Erläuterung ca. 8 C. Steigt sie auf einen Wert oberhalb von 9 C an, würde eine Folgemaschine in Betrieb gehen, bis ca. 7,0 C im Vorlauf wieder erreicht sind. Datum der Messung: Kälteleistung [kw ] 400 Temperatur [ C] 15 & COP netzsei tig e Kaltwasservorla uftemperatu r 300 Kälteleistung [kw] COP anlag enseiti ge Kaltwasservorlauftemp eratur :00 0 2:00 0 4:00 06:00 08:0 0 10:0 0 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 Uhrzeit Abb. 14: Meßdaten des R718-Turbo-KWS In der Zeit zwischen 00:00 und 08:00 Uhr erfolgt ein Taktbetrieb aufgrund der nur ca. 300 kw benötigten Kühllast. Gleiches gilt in den Abend- und Nachtstunden zwischen 19:00 und 00:00 Uhr. Die Schwankung der Kälteleistung zwischen 08:00 und 19:00 Uhr hängen mit der Kühlwasservorlauftemperatur zusammen. Während der kälteren Jahreszeit unterliegen auch die Kühltürme Taktzyklen, so daß die Kühlwassertemperatur nicht konstant bleibt. Da der Kondensatordruck maßgeblich von der Kühlwassertemperatur abhängt, erfolgt Anlagenseitig eine Drehzahlanpassung der beiden Verdichter auf das sich ständig neu einstellende Druckverhältnis, weches gleichzeitig mit einer Änderung der Kälteleistung verbunden ist. Aufgrund des unzufriedenstellenden Regelungsverhaltens der Kühltürme ist auch an dieser Stelle noch eine Optimierungsaufgabe gestellt.

17 3 Schlußfolgerungen Bei der derzeitigen Art der Regelung stellt sich der Volumenstrom durch die Anzahl der Verbraucher und ihrer individuellen Strömungswiderstände ein. Aufgrund dieses thermodynamisch ungünstigen Verhaltens des Verbrauchernetzes ist derzeit die Differenzdruckvorgabe auf einen Wert von 1,2 bar eingestellt worden, um zu prüfen, ob der Abnehmerkreis mit der bereitgestellten Druckdifferenz zufrieden gestellt werden kann. Eine weitere Verringerung des Differenzdruckes könnte eine Verbesserung der energetischen Situation darstellen. Aufgrund der Eigenheit des vorhandenen Kaltwassernetzes würde dies aber unter Umständen eine unzureichende Kaltwasserversorgung der Verbraucher am Ende des Netzes mit sich bringen. Die Behandlung dieser Frage gilt noch als Optimierungsaufgabe. Ein möglicher Lösungsansatz wäre die Mitteltemperaturregelung, die eine Verbesserung der energetischen Situation herbeiführen würde. Die hohe Differenzdruckvorgabe von 1,2 bar bzw. 1,5 bar folgt aus der Überlegung, die Regelung der einzelnen Verbraucher über Mischventile vorzunehmen. Bei der heutigen Pumpentechnik wäre es möglich, jedem einzelnen Verbraucher eine regelbare Pumpe zuzuordnen. Damit läßt sich der einzelne Verbraucher ohne unnötige Transportenergie mit Kaltwasser versorgen. Als Beispiel sei folgendes Schema in der Abb. 15 gezeigt: 12 C Speicher (2) Verbraucher 6 C (1) M geregelt M geregelt: tv = 6 C tr = 12 C Abb. 15: Beispiel für eine andere Regelstrategie des Kaltwassernetzes Die Pumpe 1 wird dabei so geregelt, daß die Differenz der Vor- und Rücklauftemperatur möglichst konstant bleibt. Die Pumpe 2 wird so gefahren, daß die Rücklauftemperatur möglichst hoch ist. Damit wird ein energetisch optimiertes System erreicht und für die Kälteanlage werden klare Temperaturbedingungen erzielt.

18 4 Zusammenfassung Dieser Vortrag sollte einen Einblick in die die Kälteversorgung der Universität Essen vermitteln. Es wurden Probleme aufgezeigt, die im wesentlichen hydraulisch beding sind und die es noch zu lösen gilt. Es sollte klar geworden sein, daß eine gute Abschätzung bezüglich des Kältelastprofils auch hinsichtlich künftiger Planungen von großer Bedeutung ist. Eine vorausgehende Fehlplanung könnte bei einer späteren Ausführung Probleme ergeben, die vermeidbar gewesen wären. Unter dem Aspekt der Umweltverträglichkeit stellt sich das hier vorgestellte Anlagenkonzept beispielhaft dar. Unter der Verwendung von Ammoniak als Kältemittel, deren Technologie als ausgereift gilt, kommt eine Wasserkälteanlage zum Einsatz deren Kältemittel weder giftig, brennbar, explosiv noch umweltschädigende Wirkungen aufweist (GWP=0). Darüber hinaus ist es unbegrenzt verfügbar und kostet im Vergleich zu anderen Kältemitteln nahezu nichts. Aufgrund des relativ hohen COP-Wertes ist der gerne für Vergleichszwecke herangezogene TEWI-Wert sehr niedrig so daß eine große Zukunftsperspektive dieser neuen Technologie vorhersehbar ist. Nachteilig hingegen wirken sich die relativ hohen Investitionskosten aus. Das Problem der vorliegenden Hydraulik stellt eine nicht unlösbare Aufgabe dar. Drehzahlgeregelte Pumpen die in gewisser Weise miteinander kommunizieren können sind seit einigen Jahren auf dem Markt. Eine Wirtschaftlichkeitsberechnung für den Einsatz solcher Pumpen sollte auf jeden Fall in Betracht gezogen werden. Eine weitere Möglichkeit die Betriebskosten zu senken ist in der Anhebung des Temperaturniveaus, wie es derzeit in der Universität Essen praktiziert wird, zu suchen. Letztendlich entscheidet der Verbraucher über den Kältebedarf. Seit der Inbetriebnahme der neuen Kälteanlagen wurde sowohl der Differenzdruck gesenkt wie auch die Kaltwasservorlauftemperatur angehoben, was in beiden Fällen zu einer Energieeinsparung geführt hat und der Verbraucher trotzdem ausreichend versorgt wurde. Ergänzend in diesem Zusammenhang sollte man sich noch klarmachen, daß bei einer Optimierung der Hydraulik darüber hinaus noch ein Einsparpotential bei den Netzpumpen vorhanden ist. Auch wenn zeitweise keine Kälteanlage im Einsatz ist sind die Netzpumpen in Betrieb, so daß in der Gesamtenergiebilanz der Kältebereitstellung ein nicht unerheblicher Teil der Betriebskosten den Pumpen zuzuordnen ist. Hinsichtlich künftiger politischer Entscheidungen bezüglich derzeit noch zugelassener Kältemittel und Kältemittelgemische, deren GWP-Wert größer als Null ist (z.b. R134a GWP 100a = 1300), sollte dieser Art von Großkälteanlagen besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden. Zu beachten gilt allerdings, das Ammoniak ein toxisches Gefährdungspotential hat und entspechende Sicherheitseinrichtungen vorgesehen werden müssen. Beim Einsatz von Wasser als Kältemittel sind solche Maßnahmen hingegen nicht erforderlich.