Energieeffizienzmaßnahmen bei kältetechnischen Anlagen Rainer Mutschler-Burghard, TÜV Rheinland Industrie Service

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1 Energieeffizienzmaßnahmen bei kältetechnischen Anlagen Rainer Mutschler-Burghard, TÜV Rheinland Industrie Service

2 Agenda Grundlagen des Kältekreislaufes Schema eines Kältekreislaufs Optimierung Verdampferseite Optimierung Verdichterseite Optimierung Verflüssigung Wärmerückgewinnung Quelle: 2

3 Grundlagen des Kältekreislaufes Carnot-Leistungszahl Wobei T 0 die Verdampfungstemperatur und T 1 die Verflüssigungstemperatur - jeweils als Absoluttemperatur in Kelvin ist. Der maximal mögliche Wirkungsgrad (Leistungszahl) eines solchen Prozesses ergibt sich aus dem ersten und zweiten Hauptsatz der Thermodynamik in Abhängigkeit der beiden Temperaturniveaus: Verflüssigungstemperatur und Verdampfungstemperatur. 3

4 Grundlagen des Kältekreislaufes Carnot-Leistungszahl einer Kälteanlage in Abhängigkeit von Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur Reale Kälteprozesse sind weit entfernt von der carnotschen Leistungszahl. Sie erreichen in der Regel nur etwa die Hälfte davon. tatsächliche Leistungszahl einer Kältemaschine = Coefficient of Performance (COP). Das Verhältnis von realem COP zu maximal möglichem COP hier 0,5 - bezeichnet man als Gütegrad. [Quelle: Möller, H. (2006). Energie sparen bei Kälteanlagen im Lebensmittelhandel. Bayerisches Landesamt für Umwelt.] 4

5 Grundlagen des Kältekreislaufes Carnot-Gütegrade eines idealen Vergleichsprozesses bei Verwendung verschiedener Kältemittel [Quelle: Blachnik, Christoph 2012, Kaskade mit CO2/ 134a beste Kompromisslösung, Planung & Technik/ Kältetechnik Ausgabe 7/2012 ] 5

6 Grundlagen des Kältekreislaufes Elektrische Leistungsaufnahme einer Kälteanlage Verdichter hat den größten elektrischen Verbrauch Dieser wird aber maßgeblich durch die Verdampfungsseite bestimmt! 6 6

7 Agenda Grundlagen des Kältekreislaufes Optimierung Verdampferseite Optimierung Verdichterseite Optimierung Verflüssigung Wärmerückgewinnung 7

8 Optimierung Verdampferseite Kühllasten Anfallende Kühllasten in Kühlmöbeln Werden die tiefen Temperaturen überhaupt gebraucht? Wie groß ist der Toleranzbereich der Kühlstellen bzw. welche Kühlanforderungen bestehen? Sollten mehrere Kühlstellen versorgt werden, ist die maximal einstellbare Verdampfungstemperatur durch die Kühlstelle mit der geringsten Verdampfungstemperaturanforderung vorgegeben. [Quelle: Bitzer. (2002). Leistungsregelung von Hubkolben- u. Schraubenverdichtern. Einsparpotenzial Als Faustformel kann man sich merken, dass mit der Anhebung der Temperatur pro Kelvin etwa 2-3% Energie einspart werden können. 8

9 Optimierung Verdampferseite Kühllasten Kälteanlage 1 Kälteanlage 2 Kälteleistung 50 kw 50 kw Verdampfungstemperatur -13 C -9 C COP 2,3 2,58 Elektrische Verdichterleistung 21,7 kw 19,4 kw Vollbenutzungsstunden h/a h/a Jahresstromverbrauch kwh/a kwh/a Energieeinsparung Kosteneinsparung bei 16 ct/kwh Beispiel Relation Verdampfungstemperatur - Stromverbrauch kwh/a /a 9

10 Optimierung Verdampferseite Energiesparende Lüfter Austausch ineffizienter Spaltmotoren in Verdampfern durch EC-Motoren Wirkungsgraderhöhung von ca % auf % Zusätzlich weniger Abwärme im Kühlraum / Kühlgut Stufenlose Drehzahlregelung, höhere Lebensdauer Quelle: EBM Papst 10

11 Optimierung Verdampferseite Abtauung Nach Bedarf, nicht nach Zeitschaltuhr! Idealerweise ist die Abtauregelung Bestandteil einer übergeordneten Kühlstellenregelung, die zusätzlich energetische Vorteile (z.b. Lüftermanagement, automatisierte Anpassung der Verdampfungstemperaturen) mit sich bringt. In Kombination mit einer Heißgasabtauung lassen sich hierbei noch bessere Ergebnisse erzielen. 11

12 Optimierung Verdampferseite Größe und Art der Verdampfer Größere Verdampfer ermöglichen eine Anhebung der Verdampfungstemperatur Abwägung mit Mehrverbrauch durch größere Leistung des Lüfters Einsparmöglichkeiten durch größere Verdampfer Nr. Kälteleistung Verdampfungs- COP Ventilator- Verbrauch Verbrauch Gesamttemperatur leistung Verdichter Ventilator verbrauch 1 10 kw -10 C 3,0 0,48 kw kwh kwh kwh 2 10 kw -8,5 C 3,11 0,48 kw kwh kwh kwh 3 10 kw -8,5 C 3,15 0,75 kw kwh kwh kwh Hocheffiziente Verdampfer (z.b. Mikro-Channel Wärmeüberträger bei Neuanlage/ Austausch Überflutung der Verdampfer (Kältemittelabscheider, Niveauregelung etc.) Quelle: Möller, H. (2006). Energie sparen bei Kälteanlagen im Lebensmittelhandel. Bayerisches Landesamt für Umwelt 12

13 Optimierung Verdampferseite Überhitzung und Unterkühlung Kältekreislauf mit und ohne Überhitzung Die Abbildung zeigt einen Kältekreislauf mit Überhitzung nach dem Verdampfer und Unterkühlung nach dem Verflüssiger. Würde man auf beides verzichten, so könnte theoretisch der mit gestrichelten Linien angedeutete Kreislauf realisiert werden, wenn auch die Wärmetauscher für diesen Kreislauf deutlich größer ausfallen müssten. [Quelle: Möller, H. (2006). Energie sparen bei Kälteanlagen im Lebensmittelhandel. Bayerisches Landesamt für Umwelt.] Grundsätzlich gilt: Energieeinsparung je Kelvin Verflüssigungstemperaturreduzierung/ Verdampfungstemperaturanhebung = 3 %! Genau genommen sind nicht die Verflüssigungs- und Verdampfungstemperatur die Grenzen des Machbaren, sondern die Lufttemperaturen: Die Temperatur im Kühlraum/-gut und die Umgebungstemperatur. Je größer die Wärmeaustauscherflächen, umso näher kommen Verflüssigungs- und Verdampfungstemperatur an die Lufttemperatur, umso höher ist der COP der Kälteanlage. 13

14 Optimierung Verdampferseite Elektronische Expansionsventile In den meisten Kälteanlagen sind thermostatische Expansionsventile (TEV) verbaut. Diese benötigen aufgrund ihrer Regelungseigenschaften einen gewissen Überhitzungswert. Der übliche Wert der Arbeitsüberhitzung liegt bei etwa K. Die für die Überhitzung genutzte Fläche steht nicht mehr für die Verdampfung von weiterem Kältemittel zur Verfügung. Dies ist gleichbedeutend mit einer Verringerung der Kälteleistung bzw. einer Verringerung des Verdampfungsdrucks. Maßnahme TEV können in vielen Fällen durch elektronische Expansionsventile (EEV) ausgetauscht werden. EEV bieten gegenüber TEV sowohl energetische als auch den Anlagenbetrieb betreffend einige Vorteile. Einsparpotenzial In Gewerbekälteanlagen mit NK- und TK-Verdampfern konnten 20% (Sommerbetrieb) bis 35% (Winterbetrieb) gegenüber einem vergleichbaren Objekt mit TEV eingespart werden. Ein EEV kostet inkl. Montage etwa (Vor einem Einsatz von EEV sollte geprüft werden, ob der hierfür angedachte Verdampfer geeignet ist, eine gleichmäßige Kältemittelverteilung im Verdampfer erfolgt, die Ölrückführung gewährleistet ist und welchen Einfluss die Unterkühlung ausübt.) 14

15 Agenda Grundlagen des Kältekreislaufes Optimierung Verdampferseite Optimierung Verdichterseite Optimierung Verflüssigung Wärmerückgewinnung 15

16 Optimierung Verdichterseite Regelung Verdichter Häufig Auslegung auf maximale Last plus Sicherheitszuschläge (Überdimensionierung) Tatsächlich tritt die maximale Last lediglich an etwa 15% bis 25% des Jahres auf. Dieser Fall tritt an besonders heißen und/oder betriebsamen Tagen auf. In Winternächten ist die Überdimensionierung somit besonders ausgeprägt. Die meisten Anlagen arbeiten überwiegend in einem Lastbereich zwischen 50-80% der Maximalleistung. Der Teillastbetrieb macht etwa 50% der Betriebsstunden aus. Der untere Leistungsbereich zwischen 10-30% der Maximalleistung macht etwa 25-35% aus. Ganz allgemein können die folgenden Punkte auf ein Optimierungspotenzial hinweisen: Die Leistung wird durch eine Drossel in der Saugleitung geregelt (Saugdrosselregelung) Mehrere kleine Kühlstellen werden von einem großen Verdichter versorgt Verdichter takten mehr als 6 mal pro Stunde 16

17 Optimierung Verdichterseite Regelung Verdichter Gegenmaßnahmen Anpassung der Leistung der Verdichter an die wechselnden Kühlanforderungen durch eine geeignete Regelung Betrachtung des Gesamtsystems, d.h. dass die Verdichter- bzw. Verbundregelung und die Kühlstellenregelung aufeinander abgestimmt sein sollten. Vielfalt an Regelungsmöglichkeiten (z.b. Verbundanlagen mit Stufung 15%/35%/50% der Verdichter. Verfahren zur Verdichter- u. Verbund-Leistungsregelung Quelle: & Wurm GmbH & Co. KG Elektronische Systeme. (2011). Wurm Systeme. 17

18 Optimierung Verdichterseite Regelung Verdichter Einsparpotenzial Die wesentliche Energieeinsparung bei Verdichtern ergibt sich durch Anpassung der Verflüssigungstemperatur (gleitender Verflüssigungsdruck) an die Außentemperatur und gegebenenfalls Anpassung des Saugdrucks (Erhöhung der Verdampfungstemperatur) im Teillastbereich. Die Energieeinsparungen betragen gegenüber schlecht oder gar nicht geregelten Anlagen bis zu 20% (bei sehr ungünstigen Verdichterkonstellationen bis zu 50%). Effekte verschiedener Regelungen auf die Leistung der Verdichter Quelle: & Wurm GmbH & Co. KG Elektronische Systeme. (2011). Wurm Systeme. 18

19 Optimierung Verdichterseite Leckagen Kältemittelverluste entstehen in allen Kälteanlagen-Systemen. Durchschnittliche Anlage haben ca % Kältemittelverluste. Durch einen hohe Leckagerate sinkt die Anlageneffizienz. Es gibt Angaben darüber, dass die Effizienz einer Kälteanlage bei einer Leckagerate von 20% um 11% abnimmt. Hinzu kommt, dass durch das austretende Kältemittel die Umwelt im starken Maß belastet wird. Gegenmaßnahme Um den Austritt von Kältemittel zu minimieren, sollten regelmäßige Dichtheitsprüfungen durchgeführt werden. Hierbei gibt es verschieden Methoden der Leckprüfung: Druckstandsmethode, Blasentest, Seifenblasentest, elektronisches Lecksuchgerät, Einsatz von Prüfgasen (Die beste Nachweisempfindlichkeit erreicht man mit dem elektronischen Lecksuchgerät (0,2-20 g R134/a). Die anderen Methoden sind bei größeren Nachweisgrenzen geeignet.) 19

20 Agenda Grundlagen des Kältekreislaufes Optimierung Verdampferseite Optimierung Verdichterseite Optimierung Verflüssigung Wärmerückgewinnung 20

21 Optimierung Verflüssigung Absenkung der Verflüssigungstemperatur Absenkung des Verflüssigungsdrucks- / Verflüssigungstemperatur erhöht die Kälteleistung der Anlage. Gleichzeitig verringert sich die aufzuwendende Verdichterleistung. Viele Anlagen werden mit zu hohen Verflüssigungsdrücken/Druckdifferenzen betrieben, da die Zusammenhänge zwischen der Expansionsventilauswahl und dem Verflüssigungsdruck nicht exakt berechnet wurden. Einspareffekt bei Absenkung der Verflüssigungstemperatur um 1 K Quelle: Roth, P. (2007). Energieeinsparung auf der Hochdruckseite einer Kälteanlage. Fürstenfeldbruck: Güntner AG & Co. KG. 21

22 Optimierung Verflüssigung Absenkung der Verflüssigungstemperatur Übliche Temperaturdifferenzen für die Auslegung von Verflüssigern Empfohlene Temperaturdifferenzen für die Auslegung von Verflüssigern Mögliche Sofortmaßnahmen Bei Fixeinstellung der Verflüssigungstemperatur - manuelle Regelung Bei gleitender Regelung der Verflüssigungstemperatur, ggf. Herabsetzung des minimal einzuhaltenden Soll-Werts der Verflüssigungstemperatur. Durch die richtige Luftführung kann verhindert werden, dass bereits aufgeheizte Luft angesaugt wird (Kurzschluss) Verschattung der Verflüssiger Ggf. Besprinkelung Quelle: Roth, P. (2007). Energieeinsparung auf der Hochdruckseite einer Kälteanlage. Fürstenfeldbruck: Güntner AG & Co. KG. 22

23 Optimierung Verflüssigung Pflege und Wartung der Verflüssigungseinheiten Gegenmaßnahmen Aufstellort, Aufstellhöhe Regelmäßige Wartung Bei der Reinigung sollte darauf geachtet werden, dass Ablagerungen nicht nur äußerlich entfernt werden. Verschleißerscheinungen an Verflüssigereinheiten Einsparpotenzial Die Einsparung hängt vom Verschmutzungsgrad ab. Aber auch hier gilt: Jedes Kelvin höhere Verflüssigungstemperatur erhöht den Energieverbrauch um ca. 3 % 23

24 Exkurs Kühlturm Kühltürme? Kältemaschinen entziehen in einem thermodynamischem Kreisprozess Wärme. Diese Wärme muß an anderer Stelle wieder abgegeben werden! Diese Wärmeabgabe erfolgt meistens gegen die uns umgebende Atmosphäre. In der Historie (-> Kraftwerke / Chemiewerke ) wurde das Kondensat oder Kühlwasser in Kühltürmen abgekühlt. In haustechnischen Anlagenbau spricht man heute von Rückkühlwerken. 24

25 Kühlturm Der richtige Kühlturm am Beispiel eines Kraftwerks Quelle : 25

26 Rückkühlwerke Unterscheidungsmerkmale Die Rückkühlwerke der allg. Kälte- und Klimatechnik unterscheiden sich in vielfacher Hinsicht von den Kühltürmen der Kraftwerkstechnik. I) Naturzug Zwangsbelüftet II) Offener Kühlkreislauf Geschlossener Kühlkreislauf III) Naß Trocken IV) Hybride Allen gemeinsam ist die Nutzung von Luft bzw. feuchter Luft als Kühlmedium. 26

27 Trockene Rückkühlwerke Darstellung eines Trocken-Rückkühler Quelle: Baltimore Aircoil Company 27

28 Trockene Rückkühlwerke Trockene Rückkühlwerke sind einfache Luft / Wasser-Wärmetauscher. Da es sich in der Bauform oft um Kreuzwärmetauscher handelt, ist die Wärmeübertragung wiederum etwas komplizierter. Die thermodynamischen Grundlagen der Wärmeübertrag sind physikalisch geklärt und werden durch die Hersteller konstruktiv umgesetzt. Die Massen- bzw. Volumenströme der beiden Medien sind relativ problemlos händelbar. Aber: -> Kein menschlicher Einfluß auf die jeweilige Lufttemperatur zum Zeitpunkt der Kühlung => Im Sommer ist die Lufttemperatur die (theoretische) untere Kühltemperatur z. B. > C Damit sind trockene Rückkühlwerke für viele Anwendungen keine Lösung! => Luft als Kühlmedium muß im Sommer mit deutlich tieferen Temperatur zur Verfügung stehen! 28

29 Trockene Rückkühlwerke Änderung des Kühlmedium -> Luft wird zu feuchter Luft Luft ist ein Gasgemisch Wasser kann ein Gas sein, ist aber unter normalen Umgebungsbedingungen flüssig (meistens oder nicht?) Damit Wasser gasförmig wird muss man es verdampfen bzw. verdunsten. Dazu benötigt man (Wärme-) Energie. Thermodynamischer Effekt: Luft verdunstet Wasser; die notwendige Wärmeenergie dazu kommt aus der Luft. Bei Wasser c v = [kj/kg] Da der Wasser(-dampf) Anteil von den o. g. Faktoren abhängig ist - insbesondere von der Lufttemperatur kommt hier der berühmte Relativitätsbegriff ins Spiel. => Luft hat eine relative Feuchte [% rel. Feuchte]! Um umständliche (Vor-SI-Zeiten) Rechnereien zu verringern, wurden das thermodynamischen Wissen über Luft in einem Arbeitsdiagramm zusammengefaßt: -> das hx- oder Mollierdiagramm. 29

30 Aufbau eines Naß-Rückkühlwerks Quelle: Baltimore Aircoil Company 30

31 h x - Diagramm Das Diagramm des Herrn Mollier ( ) 1. Teil Quelle: 31

32 Technik des Abkühlens Adiabatenkühlung 32 C / 40% rel. F. 32 C / 40% rel. F Neu: 21,5 C / 100% rel. F Linie konstanter Enthalpie Beginn der Befeuchtung Ende der Befeuchtung 32

33 Agenda Grundlagen des Kältekreislaufes Optimierung Verdampferseite Optimierung Verdichterseite Optimierung Verflüssigung Wärmerückgewinnung 33

34 Wärmerückgewinnung In Kälteanlagen fällt an diversen Stellen Wärme an, die teilweise unter Energieaufwand abgeführt werden muss. Die Nutzung von Abwärme und Wärmerückgewinnung (WRG) in Kälteanlagen kann die Energieeffizienz einer Anlage deutlich steigern. Die Abwärmenutzung ist immer dann besonders sinnvoll, wenn Wärme- und Kältebedarf gleichzeitig auftreten. Mögliche Anwendungsbereiche sind u.a.: Brauchwassererwärmung Heizungsunterstützung Trocknungsverfahren Nacherwärmung in Klimaanlagen 34

35 Warum TÜV Rheinland? Erfahrene Energieeffizienz-Experten, Projekterfahrung aus unterschiedlichsten Branchen (z.b. Kunststoffverarbeitung, Papierherstellung, Chemie etc.) Spezialisten in Kälte- & Klimatechnik, BetrSichV Entlastung des Kerngeschäftes: Wir sind Ihr externer Energie- und Umweltmanagementbeauftragter Kostenersparnis: Bei gleichzeitigem Aufbau & Betrieb des Managementsystems in Verbindung mit Energieeffizienzanalysen Gleicher AP für Unternehmen auch für weitere Fragen Direkt vor Ort Internationalität / Vernetzung Akkreditierter Zertifizierer für den Standard ISO 50001, , 9001 und anerkannte Stelle für die Ausstellung der Testate gem. SpaEfV Weitere Dienstleistungen im Portfolio TÜV Rheinland (energetische Inspektionen, BetrSichV, Umweltmanagement u.v.m.) Produkte Schwerpunktberatung Kälte- Klima Energiemanagementsysteme Umweltmanagementsysteme Energieaudits Ganzheitliche Energiekonzepte Messkonzepte und Umsetzungsbegleitung KWK-Konzepte und Gutachten Material und Ressourceneffizienz und vieles mehr 35

36 Geschäftsfeld I.06 Energie & Umwelt Vielen Dank. Wir stehen gern für Fragen zur Verfügung! TÜV Rheinland ist Gründungsmitglied der Deutschen Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen Aktuelle News zum Energiemanagement: Rainer Mutschler-Burghard Geschäftsfeldleitung Geschäftsfeld I.06 Energie & Umwelt TÜV Rheinland Industrie Service GmbH Fon /