Script-Auszüge. Kältetechnik + Anlagenoptimierung. Nichtwohnbauten. Modul 7: Thema:

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1 Modul 7: Nichtwohnbauten Thema: Kältetechnik + Anlagenoptimierung Aufgaben der Kälteversorgung Der Kälteprozeß Bauarten der Kältetechnik Kältemittel Besonderheiten der Klimakaltwasser-Hydraulik Energetische Optimierungen Script-Auszüge Dozent: Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen Dipl.-Ing.(FH) Frank Petersen Juni 2008

2 Themenübersicht: 1) Aufgabenstellung der Kälteversorgung 2) Der Kälteprozeß 3) Bauarten der Kältetechnik 4) Kältemittel 5) Besonderheiten der Klimakaltwasser-Hydraulik 6) Energetische Optimierungen

3 1) Aufgabenstellung der Kälteversorgung Am Beispiel Verwaltungsgebäude: m² Büro-Nutzfläche Fassade: zu 2/3 verglast, äußerer Sonnenschutz 200 Räume á 18m² (für je 2 Personen) 400m² Besprechungsräume, klimatisiert >> Kühllastberechnung geregelt in VDI 2078

4 Büroklimatisierung, Modelle Bild-1 // Vollklimatisierung [Kühllast je nach LW nur teilweise]

5 Büroklimatisierung, Modelle Bild-3 // Quellluft in Verbindung mit Kühldecke

6 Büroklimatisierung, Modelle Bild-5 // Stille Kühlung + freie Lüftung Heizen auf 22 C

7 Büroklimatisierung, Modelle Bild-7 // Induktionsgerät mit AU-Luft, zentrale Abluft, nackte Decke

8 2) Der Kälteprozeß

9 Der ideale Kälteprozeß

10 Leistungszahl εk = Nutzen Aufwand oder neudeutsch Coefficient of performance COP = Q& Q& Kälte zugeführt Zum Vergleich die ideale Leistungszahl (verlustfrei) nach Carnot COP εk < εkc = T C T 0 T 0 263,15K t 0 = 10 C; tc = 40 C >> = 313,15K 263,15K 5,263

11 Energy Efficiency Ratio Energie Effizienz Rate EER = Nennkälteleistungszahl berücksichtigt wird dabei auch der Bedarf an elektrischer Leistung für jegliche Sicherheits- und Kontrollvorrichtung sowie die Ventilator- und die Pumpenleistung im Verflüssigungskreislauf. EER = Q& Kälteleistung bei Volllast Q& zugeführt Coefficient of performance COP = Q& Heizleistung Wärmepumpe bei Volllast Q& zugeführt

12

13 Der reale Kälteprozeß 1bar= Pa εk < εkc = T 0 TC T 0 1kWs=1kJ

14 Stoffdiagramm zum Kältemittel R134a

15 Stoffdiagramm zum Kältemittel R22 Seit 2000 in Deutschland verboten

16 3) Bauarten der Kälteerzeuger Im Jahre 1834 baute der US-Amerikaner Jacob Perkins ( ) die erste Kompressionskältemaschine mit dem Kältemittel Ether, die er am 14. August 1835 unter dem Namen Äthereismaschine patentieren lässt. Das Kältemittel Ether hat jedoch den Nachteil, dass es mit Luftsauerstoff hochexplosive Peroxide bildet und die Äthereismaschinen zuweilen explodierten. Quelle: wikipedia Bauarten >>

17 Bauarten der Kälteerzeuger a) Hubkolben Carrier Serie 30gk

18 Bauarten der Kälteerzeuger b) drehende Verdichter

19 Scrollverdichter

20 Schraubenverdichter kw

21 Splitgeräte [Scroll] bis 75kW je Verdichter

22 Spiralverdichter [Scroll] Statt Klimakaltwasser wird direkt Kältemittel bis zum Innengerät geführt Max. 50m Leitungslänge zwischen Innen- und Außengeräten

23 Rückkühler [Wasser bzw. Glykol/Wasser] 1/2

24 Naßkühlturm bzw. Verdunstungskühlturm 1/4 Offener Kühlturm

25 Verflüssiger [Kältemittel]

26 4) Das Kältemittel... und die Diskussionen um die Auswirkungen auf s Klima klimatische Kenngrößen von Kältemittel ODP >> Ozonabbaupotential (Kältemittel R11 = 1,0) GWP >> direktes Treibhauspotenzial Beispiel GWP 100 R134a 100 = 1300 { 1kg R134a entspricht 1300kg CO 2 [Zeithorizont = 100a] } Beispiel GWP 100 CO = 1 TEWI >> Total Equivalent Warming Impact Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2007

27 4) Das Kältemittel Für Klimatisierung am gebräuchlichsten >> TEWI >> Total Equivalent Warming Impact R 134a R 407c R 410A R 717

28 Kältetechnik + Anlagenoptimierung Das ideale Kältemittel Das Kältemittel sollte nicht brennbar, weder explosiv noch giftig sein Das Kältemittel soll nicht umweltschädlich sein Das Kältemittel sollte leicht feststellbar sein, damit Undichtigkeiten im System ohne Mühe gefunden werden können Es sollte eine hohe Verdampfungswärme aufweisen Die den Kondensationstemperaturen entsprechenden Drücke sollten nicht zu hoch sein, damit schwere Konstruktionen der Kältemaschine vermeidbar sind Die Drücke im Arbeitsbereich der Kältemaschine (zwischen Verdampfungs- und Kondensationstemperatur) sollten über dem Atmosphärendruck liegen, um das Eindringen von Luft in die Anlage zu verhindern Der Kältemitteldampf sollte ein niedriges spezifisches Volumen haben, um Kompressorgröße und Kompressorhub klein zu halten (bei Kolbenkompressoren) Das Kältemittel soll gute Verträglichkeit mit den normalen Schmiermitteln aufweisen Es soll möglichst günstige, den Wärmeübergang beeinflussende Stoffgrößen besitzen (Wärmeleitzahl, Viskosität, Dichte) Das Kältemittel darf die in Kälteanlagen verwendeten Werkstoffe nicht angreifen und soll chemisch stabil sein Es sollte billig und leicht zu handhaben sein Kenngrößen von Kältemittel ODP >> Ozonabbaupotential (Kältemittel R11 = 1,0) TEWI >> Total Equivalent Warming Impact Hinweis Kältemittel R22 ist in Deutschland für Neuanlagen seit dem verboten Dipl.-Ing.(FH) Frank Petersen Jun 2008

29 Kältetechnik + Anlagenoptimierung Dipl.-Ing.(FH) Frank Petersen Jun 2008

30 Adiabate Kühlung Kühlen durch Befeuchten

31 Adiabate Kühlung SGK - Technologie Befeuchten und Kühlen Erhitzen durch externe Energiezufuhr Erwärmen durch ZU Befeuchten + Kühlen Auch gebräuchlich: DEC-Technologie FO AB Desiccant Evapuration Cooling AU Zu Sorptions Gestützte Klimatisierung Entfeuchten und Erwärmen Kühlen Befeuchten + Kühlen Kühlen durch Befeuchten

32 Adiabate Kühlung AB AU Beispiel m³/h AB: m³/h x 1,2kg/m³ x 3g/kg = 72 kg/h Wasser AB: 72 kg/3.600s * kj/kg = 49 kw ZU: m³/h x 1,2kg/m³ x 2,5g/kg = 60 kg/h Wasser ZU: 60 kg/3.600s * kj/kg = 40,8 kw DIN 1946 ZU FO AB Sommer AU Zu Kühlen durch Befeuchten

33 Kältetechnik + Anlagenoptimierung Systemvarianten für eine Kälteerzeugungsanlage Bauart des Verdichters (angegebene Leistungen = Kälteleistung) Scroll-Verdichter (bis zu 12-stufige Anlagen; je Stufe bis ca. 75 kw) Kolbenverdichter (ca kw) Schraubenverdichter (ca kw) Turboverdichter (ca kw) Absorptions-Kältemaschinen ( kw) [Stoffpaar >> Lithium- Bromid mit Wasser als Kältemittel oder Wasser mit Ammoniak (NH 3 ) als Kältemittel]; (in Deutschland sind bereits mehr als MW Kälteleistung installiert) Adsorptions-Kältemaschinen (hydrophiler Feststoff > Silikagel ); bisher nur wenige Geräte in der Praxiserprobung Art des Rückkühlprozesses indirekt: das Kältemittel wird mittels Wasser rückgekühlt; im Normalfall gibt das Wasser dann seinerseits die aufgenommene Wärme an die Umgebungsluft ab (via Trockenkühler oder Kühlturm) direkt: das Kältemittel durchläuft einen außen aufgestellten Verflüssiger Bauart Kälteerzeugungsanlage Klassische Kombination aus a) wassergekühlter Kältemaschine [irgendwo im Gebäude] und b) Rückkühlwerk auf dem Dach (Rückkühlwasser enthält Glykol); Kaltwassersatz für Außenaufstellung: Kältemaschine mit luftgekühltem Verflüssiger (Prinzip der direkten Rückkühlung ); die Geräteeinheit wird als Unit auf dem Dach aufgestellt. Hinweis für Winterbetrieb: entweder das Klimakaltwasser enthält Glykol oder die Maschine erhält für Winterbetrieb eine elektrische Heizung Kaltwassersatz für Innenaufstellung: Kältemaschine mit luftgekühltem Verflüssiger; die Geräteeinheit wird als Unit innerhalb des Gebäudes aufgestellt, die notwendige Luft für den Rückkühlprozeß wird über Kanäle herangeführt. Hinweis für Winterbetrieb: das Klimakaltwasser kann ohne Glykol betrieben werden (thermostatische Absicherung über Außenluftklappe) Dipl.-Ing.(FH) Frank Petersen Jun 2008

34 Kältetechnik + Anlagenoptimierung Kompaktanlage : luftgekühlte Kältemaschine für Dachaufstellung mit im Gehäuse integrierten Komponenten wie Klimakaltwasserpumpe, Pufferspeicher und Regelung (anschlußfertige Blackbox). Splitgeräte: Kombination aus a) Wasserkühlmaschine [irgendwo im Gebäude] und b) Verflüssiger auf dem Dach; die Verbindung wird über Kältemittelleitungen hergestellt ( Heißgas -Leitungen); max. Höhenunterschied ca m Kleinkälte-Splitanlage : luftgekühlte Kältemaschine ohne Verdampfer für Dachaufstellung in Verbund mit einem verbraucherseitigen Direktverdampfer >> keine Erzeugung von Klimakaltwasser, stattdessen zirkuliert das Kältemittel auch innerhalb des Gebäudes direkt zum Umluftgerät für die Raumkühlung (Anwendung z.b. bei EDV- und Technikräumen oder in der Gastronomie-/Lebensmittelbranche zur Lagerung von Lebensmitteln oder Kühlung von Naßmüllräumen) Multisplitanlage : luftgekühlte Kältemaschine ohne Verdampfer für Dachaufstellung in Verbund mit mehreren verbraucherseitigen Direktverdampfern >> keine Erzeugung von Klimakaltwasser, stattdessen zirkuliert das Kältemittel auch innerhalb des Gebäudes direkt zu den Umluftgeräten für die Raumkühlung. Bauart Rückkühlwerk bzw. Verflüssiger Trockenkühler: Kühlung des Rückkühlwassers mit Luft über Axialventilatoren (effektivere Bauform bei V -Anordnung der Wärmeübertrager) Naßkühlturm: das Rückkühlwasser wird direkt versprüht; der Hauptkühleffekt entsteht durch die Verdunstung des Wassers. Trockener Kühlturm: das Rückkühlwasser läuft durch WÜ- Rohrschlange, ohne Kontakt mit der Atmosphäre; die WÜ- Rohrschlange wird mit Wasser besprüht >> wintertauglich Luftgekühlter Verflüssiger: Bauform wie Tischkühler, jedoch direkt vom Kältemittel durchströmt (eingangsseitig dampfförmig, ausgangsseitig flüssig). Betriebstemperaturen Einsatz für Klimakaltwasser (oberhalb des Nullpunktes) Einsatz für Klimakaltwasser, jedoch mit Eisspeicher Einsatz für Tieftemperaturbereiche (z.b. Lebensmittel) Dipl.-Ing.(FH) Frank Petersen Jun 2008

35 5) Besonderheiten der Klimakaltwasser- Hydraulik Kleine Temperaturdifferenzen = große Rohrleitungen Stabile Betriebsverhältnisse notwendig, keine stark schwankenden Volumenströme (Pufferspeicher, hydraulische Weiche) Tauwassergefahr (Dämmung + Korrosion) Frostgefahr bei frei verlegten Leitungen (Glykol, elektr. Beheizung) Anlagenvarianten >>

36 Kältetechnik und Anlagenoptimierung Atlantik-Haus (St. Pauli) Im Auftrag der FH-BS/WF Sommer BTA: nachts über KM EDV: mittelbar 24/24h über KM Heizung: AUS Übergangszeit BTA: nachts über Freecooling EDV: mittelbar über Freecooling Heizung: AUS Winter BTA: heizt über Fernwärme EDV: mittelbar über RL-Hzg. Heizung: EIN BTA = Bauteilaktivierung BKA = Betonkernaktivierung

37 Kältetechnik + Anlagenoptimierung Kältetechnische Anlagen Energierelevante Hinweise für Planung und Betrieb Checkliste: (1) Geräteauswahl in Richtung besserer maschinentechnischer Wirkungsgrade (COP/EER) (2) Temperaturniveau auf Verbraucherseite: soweit das Investitionsbudget dies zuläßt, werden auf der Verbraucherseite größere Kühlregister vorgesehen; ermöglicht bei gleicher Kälteleistung den Betrieb mit höherer mittlerer Temperatur des Klimakaltwassers. Vorteil >> Verbesserung des maschinentechnischen Wirkungsgrades der Kältemaschine bei Anhebung der Verdampfungstemperatur. (3) Homogenes Temperaturniveau auf Klimakaltwasserseite: bei verschiedenen Temperaturniveaus auf der Verbraucherseite bestimmt derjenige Verbraucher die einzustellende Verdampfungstemperatur, der das niedrigste Temperaturniveau anfordert; dies kann für den COP der Maschine sehr ungünstig sein. Also bei unterschiedlichen Temperaturen auf der Verbraucherseite >> getrennte Anlagen (4) Temperaturniveau im Rückkühlprozess: bei Verwendung von Wasser bzw. Wasser- Glykol als Rückkühlmedium ist die Trockenkühlung die energetisch ungünstigste Wahl; bei Direktverflüssigung empfiehlt sich a) der Hybridkühlturm [Kombination aus Trockenkühlung für Winterbetrieb und Naßkühlung im Sommer] und b) die Nachkühlung des bereits verflüssigten Kältemittels. Ziel >> Absenken der Verflüssigungstemperatur (5) Verbraucherseite mit Systemen höherer Betriebstemperaturen: Kühldecke und Betonkernaktivierung erbringen die Kühlleistung mit höhereren Temperaturen auf der Klimakaltwasserseite als herkömmliche Systeme wie Umluftgeräte, Induktionsgeräte, Kühlung über RLT etc. (6) Verbraucherseite volumenstromvariabel: das Klimakaltwasser erwärmt sich unerwünschterweise über 2 Quellen, a) die Pumpenleistung und b) über die Umgebung während der Spazierfahrt durch das Gebäude. Dieser Effekt wird auf das unvermeidliche Maß reduziert, indem nur die verbrauchsbezogen notwendige Wassermenge zirkuliert und diese zielorientiert umgewälzt wird anstatt ziellos das Gebäude zu durchfahren. Hilfsmittel >> hydraulische Weiche im Verbraucherkreis [ergibt konstanten Volumenstrom für die Kältemaschine und variablen Volumenstrom für den Verbraucherkreis] (7) Wärmetransport über Luft minimieren: die Systeme Kühldecke, Bauteilaktivierung und Stille Kühlung sind gesamtenergetisch besser als der Transport von Kühlleistung in Form eines Luftvolumenstroms (8) Regelung optimieren >> Betriebszeiten eingrenzen (9) Klimatisiertes Nutzvolumen einschränken >> nicht den ganzen Raum kühlen sondern nur den Schaltschrank (10) Zu kühlende Luftmengen in Klimaanlagen klein halten: z.b. über Quellluft statt impulsreicher Induktionslüftung >> die Abwärme wird ungekühlt nach oben weggeschoben [nur der Aufenthaltsbereich bis ca. 2,3 Meter über OKFFb wird klimatisiert; oberhalb dieser Zone wird eine beliebige Temperaturerhöhung zugelassen] (11) Nutzung der Abfall -Wärme aus Rückkühlprozess (z.b. bei Kühlräumen) >> z.b. für Beheizung und/oder Warmwasserbereitung [direkt oder über Wärmepumpe] Dipl.-Ing.(FH) Frank Petersen Juni 2008 Seite 1/2

38 Kältetechnik + Anlagenoptimierung (12) Nutzung der Fortluft zu Rückkühlzwecken: im Vergleich zur Trockenkühlung besser, da geringeres Temperaturniveau [Voraussetzung: konsequent paralleler Betrieb von Kälteund Lüftungsanlage sowie ein ausreichender Luftvolumenstrom] (13) Nächtliche freie Kühlung: durch geöffnete Fenster [Voraussetzung: Doppelfassade oder gelüfteter Innenhof] oder unkonditionierte mechanische Lüftung (14) Freie Kühlung im Winter: bei Einsatz von Trockenkühlern kann in der kalten Jahreszeit die Kältemaschine komplett weggeschaltet werden und die Kälteerzeugung erfolgt direkt über die Trockenkühler (15) Solare Kühlung: Kälte zur Klimatisierung solar erzeugen über Sonnenkollektoren in Verbindung mit einer Absorptionskältemaschine [ Kälte auf Bestellung >> wenn die Sonne scheint...] (16) Eisspeicher: Stromkosten minimieren durch Kappung der Leistungsspitze >> Abschalten der Kältemaschinen im Zeitbereich hoher elektrischer Abnahmen durch Vorhaltung einer Kältereserve mittels Eisspeicher (17) Kälteerzeugung über Außenluft: bei ganzjährigen Dauerverbrauchern (z.b. LAN-Raum) ermöglicht die Kälteerzeugung durch Nutzung des niedrigen Temperaturniveaus der Außenluft ein Abschalten der Kälteerzeugungsanlage in der kalten Jahreszeit Dipl.-Ing.(FH) Frank Petersen Juni 2008 Seite 2/2