Energieeffizienz von Kälteanlagen. optimierte Betriebsoptimierung

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1 HOCHSCHULE BIBERACH BIBERACH UNIVERSITY OF APPLIED SCIENCES GLT-Anwendertagung g2011 Donnerstag, Frankfurt Energieeffizienz von Kälteanlagen durch verbesserte Regelung und optimierte Betriebsoptimierung Prof. Dr.-Ing. Martin Becker Fakultät Architektur & Gebäudeklimatik Studienfeld Enegie&Klima Institut für Gebäude- und Energiesysteme (IGE) Fachgebiet MSR-Technik und Gebäudeautomation ti GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 1

2 Übersicht Motivation für Thematik Warum Kältetechnik? Energiekenngrößen und Bilanzgrenzen Methodik, Messverfahren und Beispiele Ausblick GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 2

3 Motivation: Zeitgemäße Energie- und Gebäudetechnik fordert: Richtiges Zusammenspiel aus Gebäudehülle (Bauphysik, Fassadentechnik, ) Anlagentechnik (Heizung, Kühlung, Beleuchtung, MSR-Technik, ) Betrieb von Räumen, Anlagen und Gebäuden unter Berücksichtigung der Nutzungsanforderungen und Einsatz von Gebäudeautomation und Gebäudemanagement [Quelle: Prof. Dr. Martin Becker, ] Studienfeld Energie & Klima, Prof. Dr. Martin Becker, Okt-11, GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 3

4 Regelkreis des aktiven Energiemanagements OPTIMIERUNG DATENMANGEMENT KostenK t Datenerfassung Effizienz Datenarchivierung Verfügbarkeit Emissionen Regelkreis des nachhaltigen und energieeffizienten Gebäudebetriebs DIAGNOSE MONITORING Visualisierung Wärme/Kälte EnergiekenngrößenE i k Klima/Lüftung Benchmarking Elektro Soll-/Ist-Vergleich Wasser/Abwasser Modellierung/Kennfelder Raumnutzung Energieampel/Energie-Cockpit Nutzung(sprofile) Studienfeld Energie & Klima, [Quelle: Prof. Dr. Martin Becker, ] Prof. Dr. Martin Becker, Okt-11, GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 4

5 Motivation und Leitfragen Verbesserte Energieeffizienz von Kälteanlagen Wichtige Leitfragen: Wie lässt sich eine hohe Energieeffizienz erzielen? Was sind passende Energieeffizienzkenngrößen? g Wie lässt sich Energieeffizienz messen und methodisch bewerten? Wie lässt sich Energieeffizienz im Betrieb aufrecht erhalten (Energiemanagement) Wie lässt sich Energieeffizienz vergleichend bewerten -> >EnergieBenchmarking Energie-Benchmarking GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 5

6 Gesamtregelkreis-Struktur mit Wechselwirkungen der Einzelregelkreise bei einer einfachen Kompakt-Kälteanlage Becker, M.: Kap. 13 Anwendungen: Regelung von Kälteanlagen, In: Regelungs- und dsteuerungstechnik t ikin der Versorgungstechnik, VDE-Verlag, 6. neu bearbeitete und erweiterte Auflage 2010, S GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 6

7 Vermaschte Regelkreise in einem kältetechnischen Gesamtsystem Abwärmesenke Nutzenübergabe (inkl. Speicherung) Rückküh lung, Freie Küh hlung, WR RG Pumpe ssiger Verflü Verdichter Expansionsventil Verdamp fer Pumpe Kü (w bz ühler wasser, Luf zw. Puffer ft) rspeicher Kältemittel- kreislauf Kühlmittel- kreislauf Kälteträgerkreislauf Becker, M.: Kap. 13 Anwendungen: Regelung von Kälteanlagen, In: Regelungs- und Steuerungstechnik in der Versorgungstechnik, VDE-Verlag, 6. neu bearbeitete und erweiterte Auflage 2010, S GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 7

8 Wie lässt sich eine hohe Energieeffizienz erreichen? 1. Geräte, Komponenten mit hoher Effizienz Pumpen, Ventilatoren, Ventile, Verdichter, Wärmeübertrager, Abtauvorrichtung, Intelligente t Steuer- und dregelkomponenten (adaptiv, wissensbasiert) i 2. Optimales Zusammenspiel der Komponenten in Kälteanlage Effiziente Anlagenkonzepte (direkt, indirekt) mit/ohne Speicher Minimierung von Verteilverlusten Minimierung von Leckagen 3. Bedarfsabhängige Betriebsführung Betrieb der Kälteanlage nach Nutzungsanforderungen (Kältelastprofil) Optimale Steuerung, Regelung des Energieverbundes Einbindung in übergeordnete Gebäudeautomation (Leittechnik) 4. Ermittlung von Energieeffizienz-Kenngrößen (KPI - Key Performance Indices) Erfassung von Energieverbräuchen und weiteren energetischen Schlüsselgrößen Informations-Verdichtung zu Energy Performance Indikatoren Kontinuierliches Monitoring und Visualisierung -> Energie-Benchmarking GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 8

9 Optimierte Betriebsführung und verbesserte Energieeffizienz von Kälteanlagen Motivation für Anlagen-Monitoring Die Wahrheit der Energieeffizienz zeigt sich im Betrieb! GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 9

10 Bewertung der Energieeffizienz im laufenden Anlagenbetrieb Unterscheide: Energiebedarf b d f berechnete Größe unter fest definierten i Randbedingungen di Energieverbrauch gemessene Größe unter tatsächlichen Nutzungsrandbedingungen (Teillast, Nutzung, Klima) Energiebedarfskenngröße = (berechnete) kwh / (Bezugsgröße x Zeitraum) Energieverbrauchskenngröße = (gemessene) kwh / (Bezugsgröße x Zeitraum) Bsp.: 25 kwh /(m 3 x Jahr) oder 3200 kwh /(lfd m Kühlmöbel x Jahr) oder x kwh / m 2 Displayfläche x Jahr Energieeffizienzkenngröße (Key Performance Indicator, KPI) = (berechnete oder gemessene) Kenngröße als Nutzen/ Aufwand Bsp.: x kwh/kwh (Nutzkälteenergie / elektr. Energie) Hierbei wichtig: Festlegung g einer eindeutigen System- bzw. Bilanzgrenze GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 10

11 Ausgangspunkt: Wie lässt sich Energieeffizienz aus systemischer Sicht ermitteln und bewerten? Aufwand Nutzen Elektr. Leistungen P el. Kälteleistung Q o,n -> spez. Energie- -> Wie genau messen? Verbrauchskenngrößen -> Wo messen? Maß für Energieeffizienz = Offene Fragen: Systematik für Mess-Methodik Methodik? In-Situ Messverfahren, Messgenauigkeit? Bilanzgrenze für Bewertung? Benchmarking von Anlagen? Mindestwerte? Nutzen Efficiency i Lights Aufwand GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 11

12 Beispiel für Kältemaschine Kälteanlage Kältetechnisches Anlagensystem II III I Bilanzgrenze I: Kältemaschine (KM) Bilanzgrenze II: Kälteanlage (KA) Bilanzgrenze III: Kältetechnisches Anlagensystem (KAS) GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 12

13 Festlegung von eindeutigen Systemgrenzen zur energetischen Bewertung KWKK Kälteanlage (KA) Kältemaschine (KM) Kältetechnisches Anlagensystem (KAS) II I III WRG Kältekreislauf mit Verdichter Wärmeübertrager Zusatzeinrichtungen wie Ölsumpfheizung Regelung, g, Abtauung,.. Hydraulik inkl. Speicher Wärmesenke Kältenutzungsanlage (KNA) Bilanzraum 0: Komponenten (z.b. Verdichter, Wärmeübertrager,..) Bilanzraum I: Kältemaschine (KM) Bilanzraum II: Kälteanlage (KA), Bilanzraum III: Kältetechnisches Anlagensystem (KAS) WRG: Wärmerückgewinnung g KWKK: Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 13

14 Festlegung von eindeutigen Systemgrenzen zur energetischen Bewertung II Rückkühler Speicher Verteil Transmissions Verluste Verluste Verluste Q S Q V Q T von Kälteanlage aufgenommene Kälteenergie Q o Nutzenübergabe Kälteenergie Q o,nutz I Wärme übertrager Kältemaschine Elektr. Energie + Hilfsenergien Kältespeicher mit Mischventilen Elektr. Hilfsenergien Pumpen, Hilfsaggregate Kälte Erzeugung g Kälte Verteilung Kälte Nutzung III Raum (Nutzung) Raumtemperatur Raumfeuchte GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 14

15 Festlegung von eindeutigen Systemgrenzen zur energetischen Bewertung Speicher Verteil Transmissions Verluste Verluste Verluste Q Q S V QT von Kälteanlage aufgenommene Kälteenergie Q o Nutzenübergabe Kälteenergie Q o,nutz Leistungs bzw. Arbeitszahl Energie Aufwand W el,i Q o,nutz Arbeitszahl = W el,i Elektr. lk Energie Elektr. lk Hilfs + Hilfsenergien energien Kälte Erzeugung Kälte Verteilung Raum (Nutzung) Kälte Nutzung GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 15

16 Vorschlag für Messkonzept und Kenngrößen zur Bewertung der Gesamt-Energieeffizienz (Total Energy Efficiency Ratio) von Kälteanlagen Aufwand: = Nutzen Messung der elektr. Leistung (inkl. aller Hilfsenergien) TEER Aufwand mit Elektrozähler im gewählten Bilanzraum Bei größeren Anlagen (z.b. > 12 kw Nennkälteleistung) separate Messung elektr. Verbrauch des/der Verdichter(s) Nutzen: Direkte Messung der Nutz-Kälteleistung mit Kältemengenzähler im gewählten Bilanzraum (externes Messverfahren) Indirekte Messung der Kälteleistung über Energiebilanzverfahren (internes Messverfahren, Komponenten-Kennlinienmodelle) Gesamt-Energieeffizienz i im gewählten Bilanzraum (BR): Berechnung einer Leistungszahl TCOP (Total Coefficient of Performance) und einer Arbeitszahl TEPF (Total Energy Performance Factor) des Gesamtsystems Leistungszahl: TCOP =. Q o, BR Pel,i Beachte! = Arbeitszahl:. Q o, BR* Zeit TEPF = (Pel,i * Zeit) ) GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 16

17 Beispiel 1: Kaltwassersatz als Testanlage an GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 17

18 Beispiel 1: Kaltwassersatz als Testanlage an TCOP system boundary I system boundary II system boundary III TEPF GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 18

19 Beispiel 2: Kälteversorgung für Rechenzentrum GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 19

20 Beispiel 2: Kälteversorgung für Rechenzentrum TCOP system boundary I system boundary II system boundary III TEPF GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 20

21 Analysesoftware cool.check Hochschule h Biberach Quelle: Köberle, T.; Becker, M. Institut für Gebäude- und Energiesysteme GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 21

22 Entwicklung Prototyp Messequipment cool.box Quelle: Köberle, T.; Becker, M. Hochschule h Biberach Institut für Gebäude- und Energiesysteme GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 22

23 VDMA (März 2011) Regelung, Energiemanagement und effiziente Betriebsführung Bedeutung von Automatisierung und Energiemanagement Hinweise für verbesserte Regelung und Betriebsführung Festlegung von Bilanzgrenzen Monitoring und energetische Bewertung Messkonzepte zur Bewertung der Energieeffizienz im laufenden Betrieb Anhang: Tabelle mit sinnvollen Messgrößen für erweitertes Monitoring Anhang: Übersicht zu typischen Steuerund Regelungsaufgaben GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 23

24 Fazit Kälteanlagen bieten ein Potential zur Energieeinsparung von 20-40% durch verbesserte Regelung und optimierte i t Betriebsführung Kontinuierliches Monitoring und Energiemanagement ist Basis zur Bewertung und Verbesserung der Energieeffizienz Wichtig: Passendes Messverfahren (direkt/indirekt) mit eindeutiger Festlegung des Bilanzraumes für die Bewertung der Gesamtenergieeffizienz im laufenden Betrieb VDMA Einheitsblatt liefert Basis-Methodik und Empfehlungen für verbesserte Regelung und Betriebsführung von Anlagen Mobiles Messsystem cool.box und Auswertesoftware cool.check für In-Situ Messung der Energieeffizienz von Kälteanlagen GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 24

25 Ausblick der FuE-Arbeiten an Validierung und Weiterentwicklung der Methodik in Praxis für verschiedenste Anwendungsfelder (Klimakälte, Gewerbekälte, Industriekälte, Supermärkte, ) -> Anlagen- und Energie-Monitoring it i von Kälteanlagenl in Praxis! Durchführung von FuE-Projekten für Langzeit-Monitoring von Anlagen und wissenschaftliche Begleitung zur Bewertung der Energieeffizienz (Wahl Bilanzraum, Ermittlung Effizienzkenngrößen, Nutzungsprofile, Umgebungsbedingungen, Hilfsenergie) Mindest-Effizienz-Kenngrößen in Praxis für Typ-Anlagen Effizienz-Ampel Energie-Cockpit GLT Anwendertagung 2011, Frankfurt Seite 25