Energetische und betriebswirtschaftliche Bewertung von Kühlsystemen für Kühllager

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1 Energetische und betriebswirtschaftliche Bewertung von Kühlsystemen für Kühllager Groß, R., Timmer, H. Lehrstuhl für Wärmeübertragung und Klimatechnik RWTH Aachen Einleitung Kühlhäuser stellen heute einen unverzichtbaren Bestandteil der Lebensmitteldistribution dar. Vor allem wegen der stetig zunehmenden Nachfrage an schnell zubereitbarer Tiefkühlkost, deren Kühlkette auf dem Weg vom Hersteller zum Verbraucher gewahrt werden muß, trifft man bei Kühlhäusern heute auf einen Wachstumsmarkt. Zur Bereitstellung der erforderlichen Kühlenergie sind neben den zur Zeit auf diesem Gebiet bundesweit ausschließlich eingesetzten Kompressionskälteanlagen auch Alternativen auf Basis des Absorptionsprozesses in Betracht zu ziehen und zu bewerten. Hierbei kann im Einzelfall die Abwärme zur Deckung des Wärmebedarfs von angrenzenden Räumen, Gebäuden oder zur Brauchwassererwärmung genutzt werden. Um bereits in der Planungsphase, je nach Standort und vorhandener Infrastruktur, die richtige Kühlsystemauswahl treffen zu können, benötigt man einfache Bewertungsmaßstäbe für die unterschiedlichen Systeme. Vorgehensweise Ziel der nachfolgenden Überlegungen ist daher, eine Systemauswahl für Kühllager für die Lebensmitteldistribution bei unterschiedlichen Lagergrößen, die aber im wesentlichen geometrisch ähnlich sind, durchführen zu können. Derartige Kühllager werden in der Regel als kombinierte Kühl- / Tiefkühlhäuser mit auf zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus konzipierten Gebäudebereichen ausgeführt. Unter Zugrundelegung der architektonischen Gestaltung und bauphysikalischen Umsetzung eines zu planenden Kühlhauses lassen sich als Eingangsgröße für eine weitergehende Analyse der durchschnittliche, über das Jahr integrierte Bedarf an Kälte und Wärme sowie die auftretenden Spitzenlasten ermitteln. Am Ende der Analyse steht die Systementscheidung bezüglich der Anlagentechnik, Kompressions- oder Absorptionskälte, sowie einer eventuellen Abwärmenutzung zur Wärmebedarfsdeckung im Bereich Heizung oder Brauchwassererwärmung. Dazu können aus einfachen Energie- und Kostenbetrachtungen Bewertungskriterien in Form von Kennzahlen gebildet werden. 1

2 Bei dem Referenzfall handelt es sich um den Anbau eines Kühl- und Tiefkühlzentrums an ein vorhandenes Trockenlager mit zwei Kühlzellen als Haus in Haus -Bauweise innerhalb eines Hohlraums mit je 2. m 2 Grundfläche und Betriebstemperaturen von +2 C für die Kühlung bzw. -22 C für die Tiefkühlung (Bild 1). Angeliefertes Kühlgut wird von den Rampen über eine Schleuse in den Vorraum und von dort in die jeweilige Kühlzelle transportiert. Oberhalb der Schleuse befinden sich Technik- und Sozialräume. Sozialräume: > + 21 C Hohlraum: > + 5 C Anlieferung Schleuse Rolltor Vorraum: + 2 C Kühltrakt: + 2 C Tiefkühltrakt: - 22 C hintereinanderliegend Rampe Bild 1: Prinzipskizze eines Kühl- und Tiefkühllagers. In der hier erstellten Auswahlroutine für Kühlsysteme werden folgende Aspekte berücksichtigt bzw. Annahmen getroffen: Personen-, Beleuchtungs-, Maschinenwärme Luftwechsel infolge Öffnung der Schleusen und Rolltore [1] Hinterlüftung des Hohlraums mit Außenluft Lagerumschlag in der Kommissionierungsphase [1] Zugrundelegung mittlerer Monatstemperaturen nach DIN 471 [2] Vernachlässigung der Sonneneinstrahlung Mit diesen Randbedingungen lassen sich alle Energieflüsse sowie der Wärme- und Kältebedarf im Jahresverlauf in Abhängigkeit von der Lagergröße ermitteln. Hierbei zeigt sich, daß bei einer mittleren Jahrestemperatur von 9 C und einem Umschlagfaktor von 1/Woche der Anteil des Kältebedarfs durch Lagerumschlag ca. 4 % beträgt und sich somit jede Veränderung des Umschlagfaktors deutlich auf den Kältebedarf auswirkt. Charakterisierung von Kühlsystemen Wird das Referenzlager auf eine andere Größe skaliert, können die Wärmeströme durch Leitung, Konvektion, Luftwechsel, Lagerumschlag und sonstiger Quellen im Auslegungsfall 2

3 entsprechend der veränderten Kühlflächen und Volumina des Gebäudes angepaßt werden. Die zur energetischen Bewertung eines in der Lebensmitteldistribution üblichen, kombinierten Kühl- / Tiefkühlprozesses und anschließende Systemauswahl herangezogene Kenngröße muß berücksichtigen, daß die Kühlenergie bei zwei verschiedenen Niveaus zur Verfügung zu stellen ist. Hierzu wird das Kühlenergieverhältnis κ als Anteil der auf dem niedrigen Temperaturniveau anfallenden Kälteleistung zu der insgesamt benötigten Kälteleistung eingeführt und als Funktion der Kühllagerfläche berechnet (s. Bild 2). Q& tiefes Temperaturniveau κ = [ ; ] Q& 1 (1) Für das Lager des Referenzfalls ergibt sich ein Kühlenergieverhältnis von,6, das auch bei einer Skalierung des Lagers nur geringfügig variiert. Leistung [kw] Kühlraum Tiefkühlraum Vorraum Sozialräume Kühlenergieverhältnis,62,61,6,59,58 Kühlenergieverhältnis, Netto-Kühllagerfläche [qm],56 Bild 2: Bei mittlerer Jahrestemperatur erforderliche Kälte- und Wärmeleistung und Kühlenergieverhältnis in Abhängigkeit von der Kühllagerfläche. Unter Verwendung des Kühlenergieverhältnisses werden im folgenden beispielhaft zwei Kühlsysteme, eine Kompressions- bzw. Absorptionskälteanlage, anhand zweier Leistungskennzahlen miteinander verglichen. 3

4 Kompressionskälteanlage Im hier geforderten Leistungsbereich von ca. 25 kw kommen handelsübliche, zweistufige Kompressionsmaschinen mit Mitteldruckflasche und Abwärmenutzung nach Bild 3 in Betracht. Ein solcher Kompressionsprozeß mit Abwärmenutzung ermöglicht mit dem Kältemittel Ammoniak Verdampfertemperaturen von -35 C zur Tiefkühlung und -8 C zur Vorkühlung. 5 Q H 4 log p 45 C P t,hd Q H HD 5* C P t,nd -35 C ND 8 6* Q N h Bild 3: Zweistufiger Kompressionsprozeß mit Mitteldruckflasche. Als Kriterien zur Bewertung der Anlage dienen zum einen die Leistungsziffer ε als das Verhältnis von erzeugter Kälteleistung zur zugeführten technischen Leistung sowie der Wärmerückgewinnungsfaktor ψ als das Verhältnis von nutzbarer Abwärme zur gesamten erzeugten Kälteleistung. ε = &Q P t Q& A ψ = Q& (2) (3) Beide Kennzahlen lassen sich als Funktion des Kühlenergieverhältnisses beschreiben (Bild 4). Der Abfall der Leistungszahl mit steigendem Kühlenergieverhältnis ist durch die Zunahme an Kälteenergie auf dem niedrigen Temperaturniveau zu erklären. Dies bedingt eine Erhöhung des Wärmerückgewinnungsfaktors, da dann mehr Abwärme zur Verfügung steht. Wie aus Bild 4 zu ersehen, verbessert die Unterkühlung im Hochdruckteil den Prozeß. 4

5 Leistungsziffer ε 3,6 3,4 3,2 3, 2,8 2,6 2,4 2,2 2, 1,8 Leistungsziffer Unterkühlung Leistungsziffer Standardprozeß WRG-Faktor Standardprozeß WRG-Faktor mit Unterkühlung,1,2,3,4,5,6,7,8,9 1 Kühlenergieverhältnis κ Referenzfall 1,6 1,5 1,5 1,4 1,4 1,3 1,3 1,2 Wärmerückgewinnungsfaktor ψ Bild 4: Leistungsziffer und Wärmerückgewinnungsfaktor als Funktion des Kühlenergieverhältnisses für eine Kompressionskälteanlage. Absorptionskälteanlage Zweistufige, direktbefeuerte Ammoniak - Absorptionsanlagen im Leistungsbereich um 25 kw und Verdampfertemperaturen von -3 C / -8 C mit der Möglichkeit der Abwärmenutzung sind zur Zeit auf dem deutschen Markt nicht erhältlich [3], befinden sich aber in der Entwicklung. Zur energetischen Bewertung dieses Anlagentyps wird das Wärmeverhältnis COP herangezogen, das als Quotient aus erzeugter Kälteleistung zur erforderlichen Heizleistung definiert und in Bild 5 für einen theoretischen NH 3 - Vergleichsprozeß ebenfalls als Funktion des Kühlenergieverhältnisses κ dargestellt ist. COP Q& & = Q H (4) 5

6 ,25 Wärmeverhältnis Wärmerückgewinnungsfaktor Wärmeverhältnis COP,2 11 1,15 9 8,1 7 6,5 5,1,2,3,4,5,6,7,8,9 1 Referenzfall Kühlenergieverhältnis κ Wärmerückgewinnungsfaktor ψ Bild 5: Wärmeverhältnis und Wärmerückgewinnungsfaktor als Funktion des Kühlenergieverhältnisses für eine Absorptionskälteanlage. Für ein Kühlenergieverhältnis von κ =,6 ergibt sich ein COP-Wert von nur,12. Die hohe Kondensationstemperatur des derart konzipierten Prozesses von 6 C ermöglicht jedoch die vollständige Rückgewinnung der Abwärme, sofern gleichzeitig ein ausreichend hoher Wärmebedarf vorliegt. Ein handelsüblicher einstufiger, etwa mit Prozeßdampf indirekt beheizter Ammoniak- Absorptionsprozeß kann aufgrund der zu geringen Kondensatorendtemperatur nur ohne Abwärmenutzung betrieben werden, arbeitet aber im Auslegungsfall mit einem COP-Wert von,4. Direkt mit Gas beheizte Absorptionsanlagen erreichen aufgrund der Feuerungsverluste einen etwas niedrigeren COP-Wert von,36. Systementscheidung durch Kostenanalyse Neben den Investitionskosten sind zur Bewertung der Prozeßvarianten die Betriebskosten von entscheidender Bedeutung. Um einen Vergleich zwischen Kompressions- und Absorptionsmaschinen zu ermöglichen, muß das Wärmeverhältnis über das Energiepreisverhältnis zwischen Strom und dem Energieträger zur Beheizung des Austreibers auf die Leistungsziffer abgebildet werden. Bei direkt befeuerten Absorptionsanlagen ergibt sich ein Wärmepreisverhältnis von 7 und somit ein korrigierter COP-Wert von 2,5, der nun direkt mit der Leistungsziffer des Kompressionsprozesses zu vergleichen ist (Bild 4: Leistungsziffer 2,4 bei κ=,6). 6

7 Bild 6 zeigt in Form eines Ablaufschemas das Verfahren, mit dessen Hilfe eine Kühlsystemauswahl für kombinierte Kühl- / Tiefkühlhäuser durchgeführt werden kann, die ausgehend von einem Referenzfall geometrisch ähnlich und somit skalierbar sind. Lagerkapazität gesamte Lagerfläche bestimmen κ = f(a) Korrektur Lagerumschlag Wärmebedarf, Kältebedarf = f(a) Kühlenergieverhältnis Kältebedarf im Jahresverlauf Wärmebedarf im Jahresverlauf COP = f(κ) ε = f(κ) Ψ = f(κ) Wärmeverhältnis Leistungsziffer Wärmerückgewinnungsfaktor Nutzbare Abwärme bestimmen Betriebskosten ermitteln Investitionskosten Systementscheidung Bild 6: Systemauswahl für kombinierte Kühl- / Tiefkühlhäuser. Fazit Marktanalysen haben gezeigt, daß Absorptionsanlagen zur Zeit in dem betrachteten Anwendungsfall aufgrund der hohen Investitionskosten trotz geringerer Betriebskosten vor allem wegen der fehlenden Möglichkeit zur Abwärmenutzung nicht wirtschaftlich sind. Eine zukünftige Entscheidung wird allerdings maßgeblich von neuen technischen Entwicklungen auf dem Gebiet der Absorptionskälteanlagen und dem aktuellen Energiepreisverhältnis abhängen. 7

8 Literatur: [1] Drees, H.: Kühlanlagen", 15. Auflage, Verlag Technik GmbH Berlin, [2] Recknagel/Sprenger: Heizung + Klimatechnik 94/95", Oldenbourg Verlag [3] Deutsche Babcock-Borsig AG: Kälte aus Wärme", Informationsbroschüre und Referenzliste,