ENERGETISCHER VERGLEICH VON SCHRAUBENVERDICHTERN IN FLÜSSIGKEITSKÜHLSÄTZEN FÜR KLIMAKÄLTE- ANWENDUNGEN MIT AMMONIAK UND R134A

Transkript

1 ENERGETISCHER VERGLEICH VON SCHRAUBENVERDICHTERN IN FLÜSSIGKEITSKÜHLSÄTZEN FÜR KLIMAKÄLTE- ANWENDUNGEN MIT AMMONIAK UND R134A Für die Klimakälte sind Flüssigkeitskühlsätze mit indirekter Kühlung Standarderzeugnisse. Der Kälteträger ist im allgemeinen Wasser oder Kühlsole, der in einem Pumpenkreislauf durch die Verbraucher gefördert wird. Er wird im Kaltdampf-prozeß gekühlt. Als Kältemittel wird neben R22, R134a sowie neuen Kältemittel-gemischen mehr und mehr Ammoniak in Deutschland und einigen (nord-) euro-päischen Ländern verwendet. In diesem Beitrag werden R134a und Ammoniak verglichen. In Deutschland dürfen Ammoniak-Kälteanlagen auch in öffentlich zugänglichen Gebäuden betrieben werden, wenn indirekt geschlossene Systeme verwendet werden (indirekte Kühlung) und alle kältemittelführenden Teile im Maschinenraum oder im Freien installiert sind. Die Kältemittelfüllung für Flüssigkeitskühlsätze mit Ammoniak wurde durch die Verwendung von Plattenwärmeübertragern oder Rohrbündel mit Innenverdampfung in jüngster Vergangenheit sehr stark reduziert. Als Richtwert für wassergekühlte Maschinen können 0,060 kg/kw für die trockene Verdampfung und 0,040-0,100 kg/kw (je nach Typ) für überflutete Verdampfer angenommen werden. Dadurch sind in einem weiten Leistungsbereich Flüssigkeits-

2 kühlsätze mit weniger als 50 kg Ammoniak möglich, die in Räumen mit Zugangsberechtigung ohne Maschinenraum aufgestellt werden dürfen. Die mit Ammoniak betriebene Wasserkühlmaschine unterscheidet sich konzeptionell nicht von Flüssigkeitskühlsätzen mit anderen Kältemitteln (s. Bild 1). P e +12 C +27 C Q 0 +6 C Verdampfer t 0 Verdichter t k Verflüssiger +32 C Qc Drosselventil Bild 1:Vereinfachtes Schema eines wassergekühlten Flüssigkeitskühlsatzes mit indirekter Kühlung Der Flüssigkeitskühlsatz verursacht Betriebskosten, die durch die Kälteleistung und den COP-Wert der Energieumwandlung beeinflußt werden, und Finanzierungs-kosten, die durch Anschaffungspreis und Zinskonditionen bestimmt sind. Die laufen-den Finanzierungskosten sind im Vergleich zu den Betriebskosten vergleichsweise klein. Zur Bewertung der technischen Lösung werden die für den Betreiber der Klima-anlage maßgeblichen Energiekosten herangezogen, die benötigt werden, um die geforderte Kälteleistung mit den gewünschten Kaltwassertemperaturen bei den konkret vorhandenen Umgebungsbedingungen bereitzustellen.

3 Betriebskostenvergleich Die Effizienz der Energieumwandlung von Elektroenergie in Kälte hängt nicht nur vom Kältemittel, sondern auch von den technischen Parametern der eingesetzten Komponenten ab. Das sind Verdichter (Gütegrad der Verdichtung) und Wärmeübertrager (Fläche und mittlere logarithmische Temperaturdifferenz). Größere mittlere Temperaturdifferenzen in den Wärmeaustauschern (Absenkung der Verdampfungstemperatur und höhere Verflüssigungstemperatur) verursachen höhere Betriebskosten. Kältemittelabhängige Unterschiede dieser Komponenten (z.b. Wärmeübergang und Energiedichte) könnten durch andere Abmessungen oder andere Werkstoffe kompensiert werden. Deshalb werden für den energetischen Vergleich der verwendeten Kältemittel neben gleichen Kaltwasser- und gleichen Kühlwassertemperaturen bzw. gleichen Lufttemperaturen gleiche Verdampfungs- und gleiche Verflüssigungstemperaturen be-nutzt (s.a. Vergleichsbedingungen), die sich unabhängig vom Kältemittel auch in jedem konkret ausgeführten Flüssigkeitskühlsatz verwirklichen lassen. Das be-deutet, daß die Wärmeaustauscher entsprechend groß ausgeführt werden müssen, damit diese Bedingungen erfüllt werden. ENERGIEKOSTENVERGLEICH FÜR SCHRAUBENVERDICHTER IN EINEM FLÜSSIGKEITSKÜHLSATZ MIT 500 KW KÄLTELEISTUNG Verdampfer werden mit Trockenexpansion oder überflutet betrieben. Verfahrensbedingte Unterschiede der Verdampfungstemperaturen dieser Verdampfersysteme sind üblich. Die Verflüssigung des Kältemittels kann durch Kühlwasser, Luft oder Verdunstungswärme vorgenommen werden. Die Verflüssigervariante bestimmt die Verflüssigungstemperatur. Der Temperaturunterschied zwischen luft- und wassergekühlten Verflüssigern ist beträchtlich. Beide Verflüssiger-Ausführungen werden in den Vergleich einbezogen.

4 1. Überfluteter Verdampfer Ein vereinfachtes Rohrschema eines luftgekühlten Flüssigkeitskühlsatzes mit überflutetem Verdampfer zeigt Bild 2. (Schwerkraftumlauf des Kältemittels) Schraubenverdichteraggregat Ölabscheider Ölkühler kältemittelgekühlt Flüssigkeitsabscheider HD Flüssigkeitssammler HD- Schwimmer luftgekühlter Verflüssiger Plattenverdampfer Bild 2:Schema eines luftgekühlten Flüssigkeitskühlsatzes mit überflutetem Verdampfer und Ammoniak Technisches Konzept: modularer Aufbau aus Standard- Schraubenverdichteraggregat und Apparateblock Merkmale: kältemittelgekühlter Ölkühler, luftgekühlter Verflüssiger, Hochdruckschwimmerregelung, Niederdruckabscheider, minimierte Kältemittelfüllung Kältemaschinenöl: Mineralöl (nicht ammoniaklöslich) PARAMETER: wassergekühlt Kaltwassertemperaturen = 12/6 C Kühlwassertemperaturen = 27/32 C Verdampfungstemperatur t 0 = 3 C Verflüssigungstemperatur t k = 35 C gleiche t m an den Wärmeübertragern für NH 3 und R134a luftgekühlt Kaltwassertemperaturen = 12/6 C Außenlufttemperatur = 32 C Verdampfungstemperatur t 0 = 3 C Verflüssigungstemperatur t k = 45 C gleiche t m an den Wärmeübertragern für NH 3 und R134a

5 2. Trockene Verdampfung Drive line Verflüssiger Expansionsventil Verdampfer Technisches Konzept: drive line bestehend aus: Schraubenverdichter, Elektromotor und Ölabscheider, kein Ölkühler, Kältemitteleinspritzung, wassergekühlter Rohrbündelverflüssiger, Rohrbündelverdampfer mit Innenverdampfung, magnetventilgesteuerte Verdampferregelung, minimierte Kältemittelfüllung Kältemaschinenöl: Polyglykol (ammoniaklöslich) Bild 3:Schema eines wassergekühlten Flüssigkeitskühlsatzes mit trockener Verdampfung und Ammoniak PARAMETER Wassergekühlt luftgekühlt Kaltwassertemperaturen = 12/6 C Kaltwassertemperaturen = 12/6 C Kühlwassertemperaturen = 27/32 C Außenlufttemperatur = 32 C Verdampfungstemperatur t 0 = 0 C Verflüssigungstemperatur t k = 35 C Gleiche t m an den Wärmeübertragern für NH 3 und R134a Verdampfungstemperatur t 0 = 0 C Verflüssigungstemperatur t k = 45 C gleiche t m an den Wärmeübertragern für NH 3 und R134a COP-WERTE UND ENERGIEKOSTENBETRACHTUNG Die Leistungsparameter und Betriebskosten gelten für die beiden Kältemittel für gleich große Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen. Die COP-Werte

6 lassen sich bei gleichbleibenden Kaltwassertemperaturen verbessern, wenn die mittleren logarithmischen Temperaturdifferenzen an einem oder an beiden Wärmeübertragern verkleinert werden. Eine Anhebung der Verdampfungstemperatur um 1K vergrößert die Leistungszahl bei Verwendung des Kältemittels Ammoniak in dem wassergekühlten Flüssigkeitskühlsatz um 2,8% und bei R134a um 3,3%. Mit dieser Maßnahme sind größere Wärmeübertrager verbunden, die zu größeren Herstellungskosten führen. Es ist gängige Praxis, auf diesem Wege Leistungszahlen zu verbessern, so daß die in Bild 4 und Bild 5 dargestellten Effizienzunterschiede der Kältemittel Ammoniak und R134a in ausgeführten Flüssigkeitskühlsätzen nicht in dieser Größe auftreten müssen. Vergrößerungen der COP-Werte sind auch durch Reduzierung der Druckabfälle zwischen Verdampfer und Verdichtersaugseite sowie durch die Verdampferregelung bei Trockenexpansionssystemen mit kleinstmöglichen Saugdampfüberhitzungen möglich. Verdampferregler mit PI-Verhalten erlauben kleinere Überhitzungen (3K sind möglich) als das durch die Regelabweichung (Überhitzung) angetriebene klassische Expansionsventil. überfluteter Verdampfer trockene Verdampfung COP rel. in % Ammoniak R134a Ammoniak R134a wassergekühlt luftgekühlt Bild 4:Vergleich der COP-Werte von Schraubenverdichtern in Flüssigkeitskühlsätzen verschiedener Bauart mit Ammoniak und R134a (bitte Vergleichsbedingungen beachten; mit Schraubenverdichter)

7 Die Entscheidung für die eine oder andere Variante eines Flüssigkeitskühlsatzes wird von den Anschaffungskosten, von den konkreten Bedingungen am Auf-stellungsort und von der zu erwartenden jährlichen Betriebsstundenzahl abhängen. Eine Gesamtkostenrechnung, die Kapitalkosten und Energiekosten berücksichtigt, läßt eine quantitative Entscheidung aus wirtschaftlicher Sicht zu. Elektroenergieverbrauch Ammoniak in % überfluteter Verdampfer R-134a trockene Verdampfung R-134a Ammoniak wassergekühlt luftgekühlt Bild 5:Vergleich der Energieverbräuche von Schraubenverdichtern in Flüssigkeitskühlsätzen verschiedener Bauart mit Ammoniak und R134a (bitte Vergleichsbedingungen beachten; mit Schraubenverdichter) Beim Einsatz von Kolbenverdichtern an Stelle von Schraubenverdichtern ergeben sich keine prinzipiellen Unterschiede für die Energieverbräuche wie oben dargestellt. Oft verbietet das konkrete Umfeld für den Maschinenraum aus Kostengründen den Einsatz einer wassergekühlten Maschine, so daß der erhöhte Energiebedarf des luftgekühlten Flüssigkeitskühlsatzes in Kauf genommen werden muß. In Anbetracht steigender Kühlwasserkosten muß diese Lösung jedoch nicht immer unwirtschaft-licher sein.

8 Die Entscheidung für das eine oder für das andere Kältemittel kann bei einer Gesamtwirtschaftlichkeitsbetrachtung laufstundenabhängig getroffen werden, wenn die reinen Betriebskosten durch die Anschaffungskosten des Flüssigkeitskühlsatzes ergänzt werden. In jedem Fall zeigt die vorliegende Untersuchung, daß die Energiekosten bei Einsatz des Kältemittels Ammoniak erheblich niedriger liegen als bei dem verglichenen Kältemittel R134a. Dem Bedürfnis, umweltgerechten technischen Lösungen den Vorrang einzuräumen, kann durch Einbeziehung des TEWI-Wertes in den Entscheidungsprozeß entspro-chen werden, da der indirekte Anteil des TEWI-Wertes unmittelbar mit dem Energieverbrauch verbunden ist. Herausgegeben von eurammon Postfach D Frankfurt Telefon Fax