Erfahrungen mit der Kälte- und Klimaanlage des Krankenhauses Kamenz

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1 KÄLTETECHNIK /BETRIEBSERFAHRUNGEN Andreas Gassel Erfahrungen mit der Kälte- und Klimaanlage des Krankenhauses Kamenz Das Krankenhaus Kamenz ist mit einer Kombination von Brennstoffzelle, Adsorptionskältemaschine und Kompressionskältemaschine mit Eisspeicher ausgestattet. Das System ist großzügig mit Messtechnik versehen. Der Beitrag stellt die Erfahrungen der ersten zwei Betriebsjahre vor. Experiences with the cooling and air conditioning system of the hospital in Kamenz The hospital in Kamenz is equipped with a combination of fuel cell, adsorption refrigeration system and a compression refrigeration machine with ice storage. The system is generously provided with measuring divices. The paper presents the experiences of the first two years in operation. Keywords: air conditioning, Hospital, total energy system, Asdorption refrigeration system, Compression refrigeration machine, measured values, operational experiences Grundkonzept Das im Jahr 2000 fertiggestellte neue Malteser-Krankenhaus Kamenz verfügt über eine Kapazität von 210 Betten und dient der medizinischen Grundversorgung einer Region mit etwa Einwohnern. Krankenhäuser benötigen relativ kontinuierlich Strom, Wärme und Kälte, weshalb in diesen Objekten schon häufiger Anlagen der Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung installiert wurden. In der Regel handelt es sich hierbei um eine Kombination von Motor-Blockheizkraftwerken und Lithiumbromid-Absorptionskältemaschinen. In Kamenz wurde stattdessen eine Phosphorsäure-Brennstoffzelle sowie eine Adsorptionskältemaschine mit dem Stoffpaar Silicagel/Wasser installiert. Die Brennstoffzelle hat gegenüber einem konventionellen Blockheizkraftwerk den Vorteil höheren Wirkungsgrades, besseren Teillastverhaltens und fast völliger Emissionsfreiheit. Die Adsorptionskältemaschine arbeitet mit geringeren Heiztemperaturen und reagiert flinker auf Laständerungen als Absorptionskältemaschinen. Beide Aggregate sind im Prinzip wartungsarm und zuverlässig. Dies wird ein wenig dadurch eingeschränkt, dass angesichts Innovationsgrad und Kleinserienfertigung nur wenig Erfahrungen vorliegen, es sich daher noch nicht um vollkommen ausgereifte Produkte handelt. Die Adsorptionskältemaschine deckt die Kälte-Grundlast. Für die Spitzenlastdeckung wurde eine Kompressionskältemaschine mit Eisspeicher eingesetzt. Kältemittel ist R 134a. Kälteverbraucher Die Kälte wird vorrangig in konventionellen Klimageräten genutzt. Die Luft wird zentral voraufbereitet (Filterung, adiabate Kühlung, Wärmerückgewinnung und Vorwärmung [16 C]) und in sieben Einzelgeräten weiter behandelt. Es handelt sich hierbei um überwiegend Vollklimaanlagen. Die Befeuchtung erfolgt mit Dampf. Drei Einzelgeräte arbeiten mit 50 % Umluft, die vier anderen mit reiner Außenluft. In Summe beträgt die Zuluft bei den Geräten der ersten Gruppe m 3 /h und bei den Geräten der zweiten Gruppe m 3 /h. Darüber hinaus wurde eine mit etwa 120 m 2 relativ kleine Kühldeckenfläche installiert. Weitere Kälteverbraucher sind die Kühlräume der Küche. Diese sind aber Dr.-Ing. A. Gassel, TU Dresden, Institut für Thermodynamik und TGA Bild 1: Schaltbild der Kälteanlage KI Luft- und Kältetechnik 10/

2 Tabelle1: Tagesganglinien Kälte im Jahr 2001 h max,d Anzahl Kälte Anzahl x Lg. Kälte kj/kg d/a kwh/d MWh > , , ,16 < ,16 Summe 334 Bild 2: Geordnete Jahresdauerlinie des Kälteverbrauchs im Jahr 2001 (Stundenwerte) mit eigenen Kältemaschinen ausgestattet. Seitens des Planers wurde ein Klimakältebedarf von 214 kw ermittelt. Wie die Jahresdauerlinie zeigt, wurde dieser Wert bei Weitem nicht erreicht. Der Unterschied ergibt sich wahrscheinlich aus der nachträglich geplanten adiabaten Kühlung. Der höchste Kälteverbrauch als Stundenwert betrug 160 kw. Hohe Leistungsabnahmen waren jedoch sehr selten. So wurden nur in 200 Stunden des Jahres mehr als 100 kw Kälte benötigt. Bezogen auf die gemessene Maximalleistung ergibt sich eine Vollbenutzungsstundenzahl von 1134 h/a (182 MWh/a). Es wurde nur in 50 % der Stunden überhaupt Kälte benötigt. Der Kältebedarf korreliert relativ gut mit der Außenluftenthalpie. Kältebedarf liegt regelmäßig ab 30 kj/kg vor. Zuweilen gab es einen Kältebedarf bei einer Enthalpie zwischen 10 und 30 kj/kg. Hierbei sind jedoch auch einige Versuchsfahrten der Kältemaschinen enthalten. Die Korrelation mit der Außenlufttemperatur ist deutlich schlechter als mit der Enthalpie. Dies deutet darauf hin, dass der Kältebedarf zu einem großen Teil entfeuchtungsbedingt ist. Die Untersuchung der Temperaturabhängigkeit lieferte aber noch das wichtige Ergebnis, dass ein ernstzunehmender Kältebedarf erst ab einer Temperatur von 15 C auftritt. Der Kälteverbrauch weist einen charakteristischen Tagesgang auf. In der Nacht wird etwa 40 % des Spitzenwertes verbraucht. Gegen Uhr steigt der Kälteverbrauch stark an und erreicht seinen Maximalwert zwischen und Dann fällt der Verbrauch kontinuierlich auf den Nachtwert ab. Der Tagesgang entspricht nicht den Planungsansätzen. Dabei war davon ausgegangen worden, dass nachts in der Regel keine Kälte verbraucht wird. Eine Abhängigkeit vom Wochentag liegt nicht vor. Vorstellung der Adsorptionskältemaschine Bild 4: Tagesganglinien des Kälteverbrauchs In Kamenz ist eine Adsorptionskältemaschine eines japanischen Herstellers installiert. Diese verwendet das Stoffpaar Silicagel/Wasser. Ebenso wie bei Absorptionsmaschinen wird Heizwärme als Antriebsenergie genutzt, um Wärme von einem unteren Temperaturniveau (Kälte) auf ein mittleres Temperaturniveau zu heben und dann über einen Kühlturm an die Umgebung abzugeben. Gegenüber einer Absorptionsmaschine besteht der Vorteil einer deutlich geringeren Heiztemperatur, dem Nichtvorliegen eines Kristallisationsrisikos und der schnelleren Verfügbarkeit nach Einschalten. Nachteile sind der gegenwärtig noch höhere Preis sowie große Masse und Volumen. Auch ist die Technik noch nicht ganz ausgereift. Es fehlen Erfahrungen. Bis jetzt existieren erst 20 Maschinen dieses Typs in Europa. Da Silicagel als Feststoff nicht pumpfähig ist, besitzt die Maschine zwei Silicagelkammern zwischen denen zyklisch umgeschaltet wird. Der Zyklus dauert zehn Minuten und verursacht charakteristische Schwankungen in Austrittstemperaturen und Kälteleistung. Die Maschine wurde ursprünglich für eine Heiztemperatur von 80 C ausgelegt. Real arbeitete sie meist bei etwa 65 C. Dies ist ein für Sorptionskältemaschinen außerordentlich geringer Wert. Speziell für die Sonnenkollektoren ist dieses Niveau sehr von Vorteil. Es führt jedoch zu Einschränkungen hinsichtlich Leistung und Effizienz der Kältemaschine. Verfügbarkeit Von allen Stunden der bisherigen Messperiode wurde die Adsorptionskältemaschine in 62 % der Stunden nicht benötigt, weil kein Kältebedarf vorlag oder dieser extrem klein war. In den realen Betriebsstunden arbeitete die Maschine selten im Dauerbetrieb. Meistens lag Teilbetrieb vor, das heißt die Maschine arbeitete intermittierend. In 2 % der Stunden war die Adsorptionskältemaschine nicht verfügbar und in 1% war sie in Betrieb, arbeitete aber nicht korrekt. Tabelle2: Vergleich von Auslegungs- und Messdaten Bild 3: Abhängigkeit des Kältebedarfs [kw] von der Außenluftenthalpie [kj/kg] im Jahr 2001 Auslegung Typischer Dauerbetrieb Kälte Kühlung Heizung Kälte Kühlung Heizung Eintritt C ,5 64,4 Austritt C ,5 30,1 58,3 Volumenstrom m 3 /h Leistung kw KI Luft- und Kältetechnik 10/2002

3 Bild 5: Betriebsstatistik III/00... II/02 Bild 6: Quartalsbilanzen der AdKM Die Nichtverfügbarkeit wurde zunächst im Jahr 2000 durch ein Leck an der Vakuumpumpe verursacht. Dies konnte geklärt werden, trat aber im Jahr 2002 noch einmal kurzzeitig auf. Alle weiteren Nichtverfügbarkeiten sowie alle Fehlbetriebszeiten können auf zwei Phänomene aufgeteilt werden 1. Die Maschine ist in Betrieb, liefert aber fast keine Kälte. An Wärme wird etwa 40 % des Nennwertes benötigt. Eine Temperaturspreizung auf Heiz- und Kälteseite ist nur unmittelbar nach Zyklusumschaltung festzustellen. 2. Die Maschine ist in Betrieb, liefert wenig Kälte (30 % der Nennleistung) und verbraucht 50 % mehr Wärme als im Nennfall. Charakteristisch ist, dass bis etwa 90 Sekunden nach Zyklusumschaltung die Kälteaustrittstemperatur größer als die Eintrittstemperatur ist. Da der innere Prozess nicht beobachtet werden kann, sind nur Mutmaßungen zu den Ursachen möglich: 1. Wasserhaltung: Als Kältemittel kommt Wasser zum Einsatz. Ein Teil dieses Wassers ist stets im Silicagel gebunden, ein anderer Teil befindet sich in flüssiger Form in Verdampfer und Kondensator. Aufgrund von Schwankungen der äußeren Temperaturen und des Zykluszustandes variiert diese Menge. Zum Ausgleich steht ein Teil des Verdampfervolumens zur Verfügung. Dieses ist relativ gering. Es scheint möglich, dass der Störfall Typ 1 durch einen Mangel an Kältemittel und der Störfall Typ 2 durch einen Überschuss an Kältemittel verursacht wird. In neueren Maschinen von Mayekawa wurde dieses Problem durch Installation eines großen Kondensatbehälters ausgeschlossen. 2. Wärmeleitung im Silicagel: eine Hypothese besagt, dass die Maschine in einen Zustand geraten kann, in dem sich sehr wenig Wasser im Silicagel befindet. Dies führt zu einer starken Verringerung der Wärmeleitfähigkeit und damit Verschlechterung der Dynamik. Der Störfall Typ 1 kann dadurch verursacht sein. Abhilfe ist kaum möglich, das Phänomen wäre nur in einem Versuchsstand zu klären. 3. Wärmerückgewinnung: Zwischen zwei Hauptzyklen gibt es eine Wärmerückgewinnungsphase, in der die sensible Wärme der Kammern rückgewonnen wird. Es handelt sich um einen Prozeß, der nicht messtechnisch überwacht wird. Ein Fehler an dieser Stelle kann den Störfall Typ 2 verursachen. Eine Zunahme dieses Problems im II. Quartal 2002 und die parallele Verschlechterung des Kälteverhältnisses kann dadurch verursacht sein. 4. Probleme mit dem Vakuum: Das Problem ist hierbei nicht wirklich das Vakuum, sondern die Inertgase. Diese behindern den Transport des Wasserdampfes in der Kältemaschine. Feststellbar wäre dann ein Störfall Typ 1. Eine Messung ist schwierig. Überwacht wird nur der Druck. Da der kritische Inertgaspartialdruck wesentlich geringer ist als der Gesamtdruck, ist Tabelle 3: Quartalsbilanzen der AdKM Quartal Q heiz Q kälte COP III/00 90,1 42,6 0,47 IV/00 12,1 5,3 0,44 I/01 5,3 1,2 0,23 II/01 72,8 31,4 0,43 III/ ,7 0,4 IV/01 52,4 14,7 0,28 I/02 3,8 0,6 0,16 II/02 98,9 28,5 0,29 Summe ,38 eine brauchbare Messung aufgrund der Fehler nicht möglich. Bilanzen Seit Eröffnung des Krankenhauses lieferte die Adsorptionskältemaschine eine Kältemenge von 168 MWh und verbrauchte dafür 490 MWh Wärme. Das Kälteverhältnis COP beträgt im Mittel 0,38. Dieser Wert ist zwar besser als die Daten, die wir von einigen Absorptionskälteanlagen kennen, liegt aber deutlich unter dem Auslegungswert von 0,6. Folgende Randinformationen sind bei der Wertung dieses Messwertes noch zu berücksichtigen: die Maschine arbeitet oft nicht kontinuierlich, sondern ihr Betrieb wird oft unterbrochen. Das Kälteverhältnis sinkt dadurch. Insbesondere im Winterhalbjahr ist das Kälteverhältnis dadurch geringer. Bei kontinuierlichem Betrieb traten manchmal COP bis 0,63 auf die Maschine wird nicht mit dem Auslegungswert von 80 C, sondern nur mit etwa 65 C beheizt aufgrund Verschmutzung an Wärmeübertragern stieg die Rückkühltemperatur im Laufe der bisherigen Betriebszeit kontinuierlich um etwa 1 Kelvin an im 4. Quartal 2001 wurde die Solltemperatur der Kälte von 8 C auf 6 C gesenkt. Dies führte zu einer deutlichen Verringerung des Kälteverhältnisses es gibt auch bei kontinuierlichem Betrieb und günstigen Randbedingungen ein Defizit der Maschine Betriebszustände Im Folgenden werden für einzelne typische Zeiten des Dauerbetriebs Soll- und Istwerte zusammengestellt. Die Istwerte wurden gemessen, die Sollwerte entstammen dem Katalog des Herstellers. KI Luft- und Kältetechnik 10/

4 Tabelle 4: Übersicht zu typischen Betriebszuständen Typ Istwerte Sollwerte Häufigkeit (bzw. Zeit) Volumenströme: Heizung: 17,2.. 26,0 m 3 /h Kühlwasser: 54,7.. 68,0 m 3 /h Kaltwasser: 16,0.. 22,6 m 3 /h Es zeigt sich die Abhängigkeit von Leistung und Kälteverhältnis von Heiz- und Kühlwassertemperatur, der verheerende Einflüsse von Störfällen bei Wasserstand oder Rückkühlung sowie ein genereller Mangel bei Kälteverhältnis und Leistung. Die Maschine liefert etwa 20 % weniger Kälte als im Katalog für die jeweiligen Parameter aufgeführt ist, verbraucht aber dennoch die Nennwärmemenge. Kompressionskältemaschine/ Eisspeicher Da nicht genug Heizwärme aus Brennstoffzelle und Solaranlage zur Verfügung steht und um die Versorgungssicherheit zu erhöhen wurde die Adsorptionskältemaschine nicht für die komplette Kälteleistung ausgelegt, sondern eine Kompressionskältemaschine installiert. Damit dies keine Vergrößerung des Leistungsbezuges an Elektroenergie hervorruft, wurde sie mit einem Eisspeicher gekoppelt. Es bestand die Absicht, dass sie in den Nachtstunden den Eisspeicher lädt und am Tage fast nie arbeitet. Dies konnte nicht durchgehend umgesetzt werden. Kälte Khlg. Heizung COP Lstg. COP t aus Lstg. t ein t ein Lstg. Kälte C kw C C kw kw Bestwert 8, ,7 69, , , :00 gut gekühlt 8, ,2 63, , ,61 in 2000 oft Störfall Typ 1 18, ,8 67,4 63 0,19 selten Störfall Typ 2 9, ,4 65, ,09 Störfall Kühlung 21,9 9 47,7 78,1 48 0,19 sehr selten gut geheizt 7, ,3 78, , ,59 manchmal normal 8, ,2 63, , ,57 ab 2001 oft Konkret handelt es sich um eine Hubkolbenmaschine mit zwei getrennten Kreisen. Die Leistung liegt bei 80 kw im Eisspeicherladefall. Der Eisspeicher hat eine latente Wärmekapazität von 397 kwh. Im Messzeitraum lieferte die Kompressionskältemaschine eine Kältemenge von 138 MWh. Dies sind etwa 40 % des Gesamtkältebedarfs. Von der Adsorptionskältemaschine kamen 60 %. Die genaue Bilanzierung der Kompressionskältemaschine ist nicht einfach, da es zu zahlreichen Ausfällen der Aufzeichnung des Stromverbrauchs kam. Am Besten war die Aufzeichnungsqualität im 2. Quartal Die nachfolgende Tabelle zeigt die Werte getrennt nach Eisspeicherladebetrieb (t austritt < 0 C) und Normalbetrieb (t austritt > 0 C). Der Betriebszeit von 436 Stunden stand eine Stillstandszeit von 1748 Stunden gegenüber. Dies ergibt sich aus der Einordnung in die Spitzenlastdeckung. Zumeist arbeitete die KKM im Eisspeicherladebetrieb. Hier wurde eine Arbeitszahl von 2,98 erreicht. Im Normalbetrieb betrug die Arbeitszahl 3,68. Diese Werte scheinen angemessen. Sie sind aber nicht deshalb günstig, weil die Kältemaschine sehr gut ist, sondern weil die Rückkühltemperatur mit etwa 25 C sehr niedrig ist. So beträgt der exergetische Nutzungsgrad nur 33 %. Die angegebenen Leistungszahlen gelten für alle Betriebsstunden. Wie auch die Tabelle 5: Betriebszustände der KKM im zweiten Quartal 2002 τ Kälte Rückkühlung Strom ε η ex t ein t aus V kälte Q Kälte t ein t aus V Rück P el % h/a C C m 3 /h kw C C m 3 /h kw Eisspeicherlad ,8 4,1 23,7 52,4 24,8 27,0 20,2 17,6 2,98 34 Normalbetrieb 122 7,7 4,1 22,2 76,8 24,8 28,4 20,9 20,9 3,68 32 Stillstand 1748 Adsorptionskältemaschine arbeitet die Kompressionskältemaschine intermittierend. Wenn die Maschine längere Zeit unterbrechungsfrei arbeitet ist die Arbeitszahl höher: im Normalbetrieb 3,89 und im Eisspeicherladebetrieb 3,14. Letzteres entspricht schon fast der Angabe des Herstellers (3,33). Wie alle anderen Werte in der Tabelle auch, sind die Kälteleistungen mittlere Werte. Maximal wurde eine Kälteleistung im Eisspeicherladefall von 66 kw und im Normalbetrieb von 123 kw erreicht. Das die Nennleistung von 80 kw im Eisspeicherladefall nicht erreicht wurde, ist nicht Ergebnis einer Unzulänglichkeit der Maschine, sondern der Regelungseinstellungen. Hilfsenergiebedarf Bei der Bewertung von Kälteanlagen wird der Hilfsenergiebedarf oft unterschätzt oder gar vernachlässigt. Dabei ist dies eine wesentliche Größe, die deutlichen Einfluss auf die Wirtschaftlichkeit hat. Es handelt sich hierbei überwiegend um den Antriebsstrom für Pumpen und Kühlturmventilatoren. Der Eigenbedarf der Kältemaschinen, der hauptsächlich von der Elektronik und Hilfspumpen verursacht wird ist im Vergleich tatsächlich vernachlässigbar. Beim Hilfsenergiebedarf kommt erschwerend hinzu, dass sich zwar eine Kältemaschine oft im Teillastbereich befindet, die umgebenden Förderströme aber nicht reduziert werden. Das heißt die Kältemaschine wird etwa nur mit der Vollbenutzungsstundenzahl wirksam, die Hilfsenergieverbraucher jedoch mit der Betriebsstundenzahl. In Kamenz ist dies anders. Eine Reihe von Pumpen ist drehzahlgeregelt und arbeitet daher im Teillastbereich sparsamer. Die Adsorptionskältemaschine hatte im Jahr 2001 einen Hilfsenergiebedarf von 27 MWh verursacht. Dieser stand einer Kältebereitstellung von 108 MWh gegenüber, was 25 % entspricht. Der Verbrauch wurde zu einem relativ großen Teil durch die primäre Kühlwasserpumpe verursacht. Diese war herstellerseitig überdimensioniert und nicht regelbar. Sie wurde inzwischen ausgetauscht. Auch die sekundäre Kühlwasserpumpe verbrauchte viel Elektroenergie. Im Vergleich dazu war der Verbrauch des Kühlturmventilators relativ gering. Dieser wird zweistufig drehzahlgeregelt und arbeitet etwa 90 % seiner Betriebszeit auf der unteren Stufe. Auch auf der Heizseite wurde sehr wenig Förderstrom gebraucht. Der Druckverlust auf der Heizseite der AdkM 482 KI Luft- und Kältetechnik 10/2002

5 von EU-Thermie gefördert. Weitere Fördermittel bzw. Sponsorengelder gaben der Freistaat Sachsen, die Verbundnetz Gas AG, Thyssengas sowie die Gasversorgung Sachsen Ost GmbH. ist sehr gering und die Pumpe wird drehzahlgeregelt. Die Kompressionskältemaschine hat in ihrer Umgebung einen Hilfsenergieverbraucher weniger. Die KKM benötigte in Relation zur Kältebereitstellung 12 % Hilfsenergie. Diese wurde vor allem für die Kühlwasserpumpe und die primäre Kältepumpe benötigt. Danksagung Bild 7: Übersicht zum Hilfsenergiebedarf Die innovative Energietechnik des Krankenhauses Kamenz wurde im Rahmen Schlüsselwörter Schlüsselwörter Klimatisierung Krankenhaus Kraft-Wärme-Kälte-Kopplung Adsorptionskältemaschine Kompressionskältemaschine Messwerte Betriebserfahrungen Zusammenfassung und Ausblick 1. Das Krankenhaus benötigte in 50 % aller Zeiten Kälte. Der Kältebedarf setzt ab einer Außenluftenthalpie von 30 kj/kg ein. Es gibt keinen Wochengang. Der höchste Kältebedarf liegt 15 Uhr vor. Nachts fällt der Kältebedarf auf 40 % des Tagesspitzenwertes. 2. Die Adsorptionskältemaschine arbeitete bei Heiztemperaturen ab 60 C. Es traten einige Probleme in der Betriebsführung auf. Bei Leistung und Kälteverhältnis war ein Defizit von etwa 20 % zu beobachten. Maximal wurde zwar ein Kälteverhältnis von fast 0,64 erreicht, im Mittel betrug es aber nur 0, Die Kompressionskältemaschine erreichte eine Jahresarbeitszahl von 2,98 im Eisspeicherladebetrieb und von 3,68 im Normalbetrieb. 4. In Relation zur Kältebereitstellung benötigte die Adsorptionskältemaschine 25 % und die Kompressionskältemaschine 12 % elektrische Hilfsenergie für die peripheren Pumpen und Ventilatoren. Weitere Informationen zum Projekt sind der Internetpräsentation: zu entnehmen Für die Verarbeitung des großen Messdatenbestandes (ca 6 Mill. Werte je Monat) wurde eine internetbasierte Datenbankanwendung entwickelt. Diese bieten wir zur Nachnutzung in vergleichbaren Projekten an. Informationen unter: KI Luft- und Kältetechnik 10/