Der Hydraulikkreislauf bei Klimaund

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1 KÄLTETECHNIK /PUMPEN Frank-Hendrik Wurm Horst-Georg Schmalfuß Betriebserfahrungen bei Einsatz elektronisch geregelter Pumpen in Klima- und Kälteanlagen Im Beitrag werden Anwendungserfahrungen mit elektronisch geregelten Pumpen für klima- und kältetechnische Anwendungen beschrieben. Die energetischen Vorteile durch den Einsatz geregelter Pumpen in solchen Anlagen werden im Laborund im Feldbereich untersucht und nachgewiesen. Electronic controlled pumps for air conditioning and refrigerating plants In this article experiences using electronic controlled pumps for air conditioning and refrigerating plants are described. The use of controlled pumps in these applications enables remarkable energy savings. This a- dvantage has been investigated and proofed in laboratory and field conditions. Keywords: electronic controlled pumps, air conditioning and refrigerating plants, energy saving Der Hydraulikkreislauf bei Klimaund Kälteanlagen gehört immer noch zu den vernachlässigten Komponenten in dieser Technik. Raumluftprobleme sind aus unterschiedlichen Gründen wichtiger, insbesondere um die operative Funktion sicherzustellen. Funktionsprobleme in dem Hydraulikkreislauf lassen sich meist durch etwas größer dimensionierte Pumpen und/oder Drosselblenden lösen. Effizienzanalysen des Hydraulikkreislaufes finden nur selten statt. Trotz dieses Defizit kommen elektronisch geregelte Pumpen immer häufiger zum Einsatz, [1, 2]. Hauptmotiv hierfür sind weniger eventuelle Funktionsverbesserungen sondern die zunehmende Erkenntnis, Energieeinsparung zu realisieren. In Erhebungen an ausgeführten Anlagen ist die elektrische Antriebsleistung der Pumpe 3-6% der Kälteleistung. Der Energieanteil kann wegen der sehr viel höheren Laufzeit der Pumpe im Vergleich zur Laufzeit der Kältemaschine zwischen 10 und 150 % (!) der elektrischen Energie zur Erzeugung der Kälte betragen (Bild 1). Funktionsstörungen infolge der elektronischen Regelung der Pumpen müssen natürlich ausgeschlossen werden. Die Verkettung von 4 Hydraulikkreisläufen (Bild 2) und damit von 5 Wärmeaustauschern: Kühlturm, Kondensator, Verdampfer, Kaltwasser-Wärme-austauscher und Endgerät muss Beachtung finden, [3]. Als Hersteller von elektronisch geregelten Pumpen hat WILO in Zusammenarbeit mit der Universität Essen und der TU Dresden systematische Untersuchungen, [4] im Labor- und im Feldbereich vorgenommen, um quantitative Aussagen zur Leistungs- und Energieeinsparungen zu erhalten und zusätzliche Informationen über denkbare Funktionsstörungen zu erarbeiten. Untersuchungen im Laborbereich (Kaltwasser-Verteilkreis): Die Untersuchungen der Universität Essen zur Effizienz elektronisch geregelter Pumpen konzentrieren sich auf den Kaltwasserverteilkreis, weil hier mit einfachen Mitteln der größte Effekt in der Leistungsund Energieersparnis zu erzielen ist. Wesentliche technische Begrenzungen für den Einsatz dieser elektronischen Regelung sind nicht zu erwarten. Der Versuchsaufbau (Bild 3) erlaubt den Vergleich von 3 Fällen: 1 ungeregelte Pumpe mit Regelventil (heutiger technischer Standard) 2 geregelte Pumpe mit Regelventil (wird zur Zeit mit Erfolg eingesetzt) 3 geregelte Pumpe ohne (!) Regelventil (neue technische Lösung, bedarf der technischen Weiterentwicklung) Die Messungen werden im Labor an einem 20 m 2 -großen mit Kühldecke ausgerüstetem Raum bei konstanter Raumtemperatur und variabler, künstlich eingestellter Kühllast im Bereich von 50 bis 100 % durchgeführt. Die Messung zeigt eine Ersparnis an elektrischer An- Dr. F.-H. Wurm, Dr. H.-G. Schmalfuß, WILO GmbH, Dortmund Bild 1: Leistungs- und Energieanteil von Pumpen in der Klima- und Kältetechnik Wesentliche Unterschiede durch die unterschiedlichen Laufzeiten von Kältemaschinen und Pumpen KI Luft- und Kältetechnik 8/

2 Bild 2: Verkettung der Hydraulik-Kreisläufe; aus [3] Bild 3: Untersuchungen im Laborbereich (Kaltwasser-Verteilkreis) triebsleistung von 70 % bei einer Kühllast im Teillastbereich von 50 % (Bild 4) im Vergleich zu einer ungeregelten Pumpe. Die wesentliche größere Bedeutung kommt der elektrischen Antriebsenergie zu (Bild 5). Die elektrische Antriebsenergie der ungeregelten Pumpe beträgt 37 % des Energieverbrauchs der Kältemaschine bei Teillast von 50 %. Dieser Wert reduziert sich auf 10 % bei der geregelten Pumpe ohne Einsatz eines Regelventiles. Die ungeregelte Pumpe ist also um den Faktor 3,7 schlechter, d.h. sie hat einen Energieverbrauch, der um den Faktor 3,7 höher ist. Diese Zahlen sind ermittelt aufgrund von Leistungsmesswerten und einer Annahme zur Pumplaufzeit, die 3 mal höher angesetzt ist als die Laufzeit des Kompressors. Technische Begrenzungen durch den Einsatz elektronisch geregelter Pumpen im Bereich der Kaltwasser-Verteilung sind im Fall 2, d.h. mit Regelventil, nicht erkennbar. Der mit obigen Zahlen zitierte Maximalfall (Fall 3, ohne Regelventil) ist noch nicht realisierbar wegen der noch zu erarbeitenden Regelalgorithmen bei Parallelbetrieb. Der Fall 2, mit Regelventil, zeigt in den Bildern 4 und 5 eine Leistungsersparnis von 4 % und einer Energiereduktion um den Faktor 2. Diese Werte geben eine Zielorientierung für den Einsatz elektronisch geregelter Pumpen. Untersuchungen zum Einfluss der Pumpenregelung auf die Genauigkeit der Temperaturregelung zeigten, dass keine Nachteile oder Funktionsstörungen zur Konstanz der Raumtemperatur festgestellt werden konnten ( Bild 6). Die positiven Ergebnisse im Laborbereich, insbesondere die hohen Werte für die Leistungs- und Energieersparnis waren so deutlich nicht bekannt und Anlass für die Messungen und Erarbeitung von Betriebserfahrungen im Feldbereich. Untersuchungen im Feldbereich (Kaltwasser- Verteilkreis) Die Untersuchungen im Feldbereich sind in Zusammenarbeit mit der TU Dresden im Malteser Krankenhaus in Kamenz durchgeführt worden. Die Anlage (Bild 7) beinhaltet eine Kompressions- und eine Adsorptions-Kältemaschine. Die Kältegrundversorgung ist über die Adsorptions-Kältemaschine gesichert, weil eine Brennstoffzelle (200 kw elektr. ; 220 kw therm. ) und eine Solaranlage mit möglichst hoher Stundenzahl betrieben werden sollen. Die im direkten Verbund mit einem Eisspeicher arbeitende Kompressions-Kältemaschine deckt den Mittel- und Spitzenlastbereich ab. Geregelte Pumpen in ausgewählten Hydraulikkreisläufen sollen zur deutlichen Senkung des elektrischen Hilfsenergiebedarfes beitragen. Die Anlage arbeitet seit dem 1. August 2000 im aktiven Versorgungsbetrieb. Umfangreiche Messtechnik ermöglicht ein detailliertes Monitoring. Die Auswertung der Messdaten des ersten Betriebsjahres unterstreicht die Dominanz des Kältebedarfes im Bereich von 20 bis 50 %. Die in der Praxis nachgewiesenen Laufzeiten der Pumpen im Vergleich zu den Laufzeiten der beiden Kältemaschinen unterstreichen das große Potenzial beim Einsatz geregelter Pumpen ( Bild 8). Der Kaltwasser-Verteilkreis beinhaltet Kühldecken und Induktionsgeräte. Die Pumpe (Bild 9) kann geregelt und ungeregelt gefahren werden. Über eine Betriebszeit von mehreren Monaten wurden Betriebserfahrungen erarbeitet, Aussagen zur Leistungs- und Energieeinsparung ermittelt und mögliche technische Einsatzgrenzen erfasst. Bild 4: Untersuchungen im Laborbereich Leistungsersparnis an der geregelten Pumpe Bild 5: Untersuchungen im Laborbereich Energieanteil der Pumpe bezogen auf die elektrische Energie der Kältemaschine, ermittelt aufgrund von Leistungsmesswerten und angenommenen Pumpenlaufzeiten 372 KI Luft- und Kältetechnik 8/2002

3 Die im Feldbereich erhaltenen Messergebnisse über den Zeitraum Juli 2001 bestätigen das erhebliche Einsparpotenzial in Leistung (Bild 10 und 11) und Energie (Bild 12), das bereits die Labormessungen aufzeigten. Danach dürfte eigentlich in Verteilkreisen von derartigen Anlagen ungeregelte Pumpen nicht mehr zum Einsatz kommen. Dem Planer, Installateur und dem Betreiber ist bestimmt nicht sehr bewusst, dass beim Standard- Einsatz der ungeregelten Pumpe der elektrische Energieverbrauch der Pumpe über 100 % zusätzlich zur elektrischen Antriebsleistung der Kältemaschine betragen kann, abhängig von der längeren Laufzeit der Pumpe gegenüber der Laufzeit des Kompressors. Im Malteser Krankenhaus, Kamenz, wurde dieses Verhältnis mit 28 % (Bild 13) als Tageswert ermittelt, an der Kälteversorgungsanlage zur Klimatisierung der Universität GH Essen wurde ein entsprechender Tageswert mit 101 % gemessen (Bild 14). Bild 6: Untersuchungen im Laborbereich Genauigkeit der Temperaturregelung, Vergleich geregelte mit ungeregelter Pumpe Untersuchungen im Feldbereich (Kaltwasser- Verdampferkreis) Dieser Hydraulikkreislauf ist charakterisiert durch die direkte Anbindung über den Wärmetauscher Verdampfer an die Kältemaschine und unterliegt folgenden technischen Begrenzungen: a. Einfrierschutz b. Verdichtungsendtemperatur Der Kreislauf hat keine Drosselregelung. Durch diese nicht vorhandenen Drosselverluste und infolge der obigen technischen Begrenzungen (Bild 15) ist das Einsparpotenzial an Pumpenleistung und -energie begrenzt. Die denkbaren Wirkungsgradverbesserungen in der Kältemaschine durch günstigere Wärmetauschertemperaturen sind noch nicht beachtet und auch noch zu untersuchen. Bild 7: Untersuchungen im Feldbereich (Kaltwasser-Verteilkreis und Verdampferkreilauf), Malteser Krankenhaus, Kamenz Bild 8: Untersuchungen im Feldbereich Laufzeiten der Pumpen im Vergleich zu den Laufzeiten der Kältemaschinen; September 2000 bis August 2001; Pumpen-Nr. Bild 7 und Bild 16 Bild 9: Untersuchungen im Feldbereich Ansicht und Schaltschema der Pumpe Nr.1 im Kaltwasser-Verteilkreis KI Luft- und Kältetechnik 8/

4 Bild 10: Untersuchungen im Feldbereich Gemessene Leistung an der geregelten Pumpe im Juli 2001 (Kaltwasser- Verteilkreis Pumpe Nr.1) Bild 11: Untersuchungen im Feldbereich Leistungsersparnis an der geregelten Pumpe (Kaltwasser-Verteilkreis Pumpe Nr.1, Datenbasis Stundenmittelwerte Untersuchungen im Feldbereich konnten nicht durchgeführt werden, weil die messtechnischen Ermittlungen obiger genannter technischer Begrenzungen noch nicht möglich war. Untersuchungen im Feldbereich (Rückkühlkreislauf) Die Bilder 16 und 17 zeigen die Anlage im Malteser Krankenhaus in Kamenz. Das offene, nasse Rückkühlwerk arbeitet direkt auf den Kondensator der Kompressions-Kältemaschine. Die Adsorptions- Kältemaschine darf nicht im direkten offenen Rückkühlkreis betrieben werden und ist deshalb über einen Wärmeaustauscher getrennt. Der Rückkühlkreislauf beinhaltet also 4 Wärmeaustauscher: Kühlturm, Wärmeaustauscher für die Adsorptions-Kältemaschine und 2 Kondensatoren. Diese Anordnung verursacht relativ komplexe Wärmeaustauschvorgänge, insbesondere bei dem hohen Zeitanteil des Niedriglastbetriebes. Über den Kühlturm wirken Lufttemperatur und Luftfeuchte als Einflussgrößen, auf der Kältemaschinenseite sind Temperaturgrenzen und auf der Kühlwasser- und Kältemittelseite strömungstechnische Grenzen zu berücksichtigen. Eine Generalisierung zum Einsatz von geregelten Pumpen, wie es im Kaltwasser-Verteilkreis möglich ist, kann man im Rückkühlkreislauf derzeit nicht vornehmen. Jeder Einsatz von geregelten Pumpen im Rückkühlkreislauf bedarf einer gesonderten, sehr detaillierten Prüfung. Bild 12: Untersuchungen im Feldbereich Energieersparnis an der geregelten Pumpe (Kaltwasser-Verteilkreis Pumpe Nr.1, Datenbasis Stundenmittelwerte Bild 13: Untersuchungen im Feldbereich Energieverbrauch an den Pumpen verglichen mit Energieverbrauch einer Kältemaschine Momentaufnahme 20./ Bild 14: Untersuchungen im Feldbereich GH Essen Energieverbrauch an der geregelten Pumpe verglichen mit Energieverbrauch einer Kältemaschine Momentaufnahme Bild 15: Untersuchungen im Feldbereich Energieersparnis an der geregelten Pumpe im Kaltwasser-Verdampferkreislauf 374 KI Luft- und Kältetechnik 8/2002

5 Bild 16: Untersuchungen im Feldbereich (Rückkühlkreislauf), Malteser Krankenhaus, Kamenz Bild 17: Untersuchungen im Feldbereich Ansicht und Schaltschema der Pumpe Nr.9 im Rückkühlkreislauf Aufgrund der speziellen Kopplung von Kompressions- und Adsorptionskältemaschine ist in diesem Fall eine Leistungsund Energieersparnis zu erwarten. Bild 18 zeigt eine deutliche Leistungsersparnis an der Pumpe, gemessen im Juli 2001, der dazugehörige geregelte Ventilator (Bild 19) zeigt ebenfalls eine vorbildliches Teillastverhalten. Der Ventilator ist nicht überdimensioniert, wie es die große Differenz zum Nennwert indizieren könnte. Die Ventilatordimensionierung ist vorgenommen worden für die maximale Außentemperatur von 32 C, die in diesem Zeitraum nicht aufgetreten ist. Beide Bilder 18 und 19 zeigen deutliche Vorteile in der Leistungsersparnis im Rückkühlkreislauf (!) und beweisen, dass Funktionsprobleme am Kühlturm nicht vorliegen. Die entsprechenden Zusammenfassungen der Leistungs- und Energieersparnis in Abhängigkeit der Rückkühlleistung sind den Bildern 20 bis 23 zu entnehmen. Zusammenfassung Durch den Einsatz elektronisch geregelter Pumpen in der Klima- und Kältetechnik besteht ein erhebliches Potenzial zur Energieeinsparung. Die Verkettung von mehreren Hydraulikkreisläufen und Wärmeaustauschern (Kühlturm, Kondensator, Verdampfer, Kaltwasser-Wärmeaustauscher, Endgerät) muss bei Einführung zusätzlicher Regelung - wie es die Pumpenregelung ist beachtet werden. Bild 18: Untersuchungen im Feldbereich Gemessene Leistungsersparnis an der geregelten Pumpe im Juli 2001 (Rückkühlkreislauf Pumpe Nr.9) Bild 19: Untersuchungen im Feldbereich Gemessene Leistungsersparnis am geregelten Ventilator (Kühlturm), gleicher Zeitraum wie Bild 17 Bild 20: Untersuchungen im Feldbereich Leistungsersparnis an der geregelten Pumpe (Rückkühlkreislauf Pumpe Nr.9, Datenbasis Stundenmittelwerte) Bild 21: Untersuchungen im Feldbereich Häufigkeitsverteilung Betriebsstunden (Rückkühlkreislauf Pumpe Nr.9), Zeitraum: bis KI Luft- und Kältetechnik 8/

6 Bild 22: Untersuchungen im Feldbereich Energieverbrauch der Pumpen (Rückkühlkreislauf Pumpe Nr.9, Zeitraum: bis Bild 23: Untersuchungen im Feldbereich Energieersparnis an der geregelten Pumpe (Rückkühlkreislauf Pumpe Nr.9, Datenbasis Stundenmittelwerte) Systematische Untersuchungen im Laborbereich und Messungen sowie Betriebserfahrungen im Feldbereich geben qualitative und quantitative Aussagen über die Leistungs- und insbesondere die Energieersparnis sowie Erkenntnisse über eventuelle Funktionsprobleme. Der Unterschied zwischen dem Leistungsund Energieanteil bezogen auf die elektrische Antriebsleistung bzw. -energie des Kältekompressors ist erheblich und resultiert aus den längeren Betriebszeiten der Pumpe gegenüber der Betriebszeit des Kompressors. Der Bericht enthält eine Grundorientierung über den Einsatz geregelter Pumpen in der Klima- und Kältetechnik. Weitere Untersuchungen insbesondere auf die erwähnte Verkettungsproblematik und Entwicklungen von Regelalgorithmen sind erforderlich. Literatur [1] Lutz, P.: HVAC-Frequenzumrichter sorgen für optimales Klima beim SWR, HLH, 51 (2000) 9, S [2] Grundfos Werbeprospekt 2000, Pumpen für umweltfreundliche Kälte- und Klimaanlagen [3] Schmalfuß, H.-G., Wurm, F.-H., Ipach, D.: Energieeinsparung in Klima- und Kälteanlagen durch Einsatz elektronisch geregelter Pumpen, KI Luft- und Kältetechnik, 37 (2001) 1, S. 20 [4] Zschernig, J., Rühling, K., Preußer, S.: Pumpen in der Kälte- und Klimatechnik Beispiel Malteser Krankenhaus, TU Dresden; Institut für Energietechnik (2001) unveröffentlichte Berichte Schlüsselwörter Elektronisch geregelte Pumpe Klima- und Kälteanlagen Energieeinsparung 376 KI Luft- und Kältetechnik 8/2002