Prozessvisualisierung und Simulation von Betriebsverhalten zur Optimierung Eine der maßgeblichen Herausforderung des Anlagenbaus in den Bereichen Industrie, Gewerbe, Logistik und Einzelhandel ist die individuelle Lösung von unterschiedlichen Anforderungen, die sich aus dem Nutzungsprofil ergeben. Dazu gehören primär das Temperaturniveau, die zuverlässige Leistungsbereitstellung, die möglichst verlustfreie Verteilung der Leistung, ein möglichst energieeffizienter Betrieb und die Vermeidung von schädlichen Betriebszuständen. Dabei spielt auch der jeweilige Standort der Anlage mit seinen klimatischen Bedingungen eine wichtige Rolle. Es sind in Laufe der Zeit vielfältige Systemlösungen entstanden, die mit unterschiedlichen thermodynamischen Prozessen arbeiten. Die starke Individualisierung in diesem Bereich steht einer einfachen Bewertung über eine energieeffiziente Betriebsweise der Anlagen im Wege. Ferner stellt der Einfluss der Bauteile, vom Verdampfer über Regelventile bis zum Verdichter, auf die gesamte Betriebsweise einer Kälteanlage ein sehr komplexes Gebilde dar. Einzelne Bauteile beeinflussen sich durch ungünstige Betriebspunkte gegenseitig und haben stellenweise erheblichen Einfluss auf die Gesamtbilanz der Systeme. Einer möglichen Sanierung der Anlagen stehen häufig nicht verfügbare Zahlen über die Amortisationszeiträume entgegen. Diese werden in der Regel von verantwortlicher Stelle bei den Betreibern der Anlagen verlangt, um entsprechende Entscheidungen treffen zu können. Um Amortisationszeiträume bestimmen zu können, ist aber belastbares Material über Betriebsweise und Einsparpotential erforderlich. Umfassende Systeme zur Messdatenerfassung zur Bewertung der Betriebsparameter sind im Anlagenbestand häufig nicht vorhanden. Bei Neuanlagen ist der Trend zu Lösungen erkennbar, Betriebsparameter zu archivieren und per Fernabfrage abzurufen. Nach wie vor stellt es eine Herausforderungen dar, aus diesen Informationen essentielle Werte zu bestimmen. Eine belastbare Beurteilung der Energieeffizienz und der Leistungsdaten der Anlagen ist daher nur mit hohem Aufwand durchführbar, da unzählige Punkte betrachtet werden müssen. Mit dem auf einem Auslegungstool basierenden System wird die Lücke zwischen den reinen Aufzeichnungen, der Effizienzberechnung und der Simulation der Betriebskosten geschlossen, um in vertretbaren Aufwand an aussagkräftige Zahlen zu kommen. Exemplarisch für die Arbeitsweise wurde im November 2012 eine Tiefkühl - Verbundkälteanlage mit 14 Verdampfern und sechs Schraubenverdichtern hinsichtlich ihrer Funktionsweise messtechnisch erfasst. Die Verdichter verfügen dabei über einen Economizer Kreislauf zur zusätzlichen Unterkühlung der Flüssigkeit. Die Verdampfer verfügen über thermostatische Expansionsventile, was bei dem Alter der Anlage von ca. 15 Jahren zum Zeitpunkt der Messung nicht verwunderlich ist. Als Kältemittel kommt R 404A zum Einsatz, wie bei den meisten Anlagen dieses Alters. Parallel dazu lagen Daten des Betreibers über den Energiebedarf der Anlage vor der Sanierung vor, die mit 1,3 Millionen kwh als zu hoch angesehen wurden. Die durch den Betrieb der Anlage verursachten Kosten betrugen fast 180000 /Jahr. Basierend auf den Messwerten wurden die einzelnen Komponenten betrachtet, Simulationen im Ist-Zustand sowie in möglichen optimalen Sollzustand vorgenommen, um das Potential einer Optimierung zu untersuchen. Daraufhin wurde auf den Ergebnissen der Messungen eine Sanierung bzw. der Austausch von Komponenten vorgenommen. Im Dezember 2013 wurde die Anlage erneut messtechnisch erfasst, um die Güte der Sanierung zu beurteilen.
Blick in die Funktionsweise der Anlage Der Economizer Kreislauf mit dem zusätzlichen Unterkühler stellt ein wesentlich komplexeres Gebilde dar als ein Standard Kältekreislauf. Reichen hier vier Temperaturen und zwei Drücke aus, um die Güte des Prozesses in erster Näherung zu beurteilen, sind bei Economizer - Kreisläufen mindestens sechs Temperaturen und drei Drücke. Um eine ordnungsgemäße Bestimmung der Anlagenfunktion vorzunehmen, ist es erforderlich, folgende Werte am Verdichterverbund messtechnisch zu erfassen: - Verdampfungs- und Verflüssigungsdruck - Unterkühlung der Flüssigkeit Eingang Expansionsventil Verdampfer - Überhitzung am Expansionsventil Verdampfer - Überhitzung bzw. Temperatur am Saugstutzen Verdichter - Heißgastemperatur Ausgang Verdichter Ferner müssen am Economizer - Wärmetauscher weitere Werte messtechnisch erfasst werden, um die Darstellung zu vervollständigen: - Unterkühlung Ausgang Sammler / Eingang Expansionsventil Economizer - Überhitzung am Expansionsventil Economizer - Druck in der Economizer Saugleitung Abb 1. zeigt die Positionierung der einzelnen Messpunkte. Bei dem vorliegenden System werden die Werte von der Hardware über zwei Messgeräte gesammelt und anschließend via USB Anschluss an die Software übergeben. Dort wird der thermodynamische Vergleichsprozess in Echtzeit im h, log p Diagramm dargestellt. Über die mindestens erforderlichen Messpunkte hinaus sind im CoolTool DiaGnostics Standard System weitere Sensoren und Amperezangen enthalten. Damit können zusätzliche Messungen bei Bedarf, z.b. zur Fehlersuche, zur Inbetriebnahme oder zur vergleichenden Leistungsmessungen, problemlos möglich. Bei Bedarf kann die Berechnungen so von den hier benutzen 9 Kanälen auf bis zu 32 Kanäle erweitert werden. Basierend auf den neun aufgenommenen Werten kann dann folgendes in Echtzeit während der Messung berechnet und angezeigt werden: - die EER/COP - Werte Kühlen und Heizen der Anlage - der polytrope Gesamtwirkungsgrad der Verdichter - Kälteleistung der Anlage bei bekannten Verdichtern Weitere Messpunkte und die elektrischen Daten der Anlage können optional erfasst werden und können weitere Ergebnisse liefern: - Druckverlust Economizer Wärmetauscher - Gesamtleistungsaufnahme der Anlage - Theoretische Kälteleistung aus EER/COP und Stromaufnahme - Anteil der Lüftermotoren und anderer Nebenverbraucher am Energiebedarf
Berechnung komplexer Werte in Echtzeit Die Bestimmung des Polytropen Gesamtwirkungsgrad der Verdichter stellt dabei ein wichtige Größe zur Beurteilung dar. Je nach verwendetem Kältemittel, Verdichterbauart und dessen Arbeitsprinzip nimmt dieser Gesamtwirkungsgrad der Verdichter unterschiedliche Werte an. Ein offener Verdichter hat einen hohen Wirkungsgrad als ein Vollhermetischer, kleine Bauformen haben durch den kleinen Elektromotor geringere Werte. Und auch hinsichtlich Hubkolben, Schraube, Rollkolben und Scroll gibt es bedingt durch unterschiedliche mechanische Wirkungsgrade einen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad. Innerhalb der CoolTool DiaGnostics Software werden für die unterschiedlichsten Bauformen und Leistungsgrößen der Verdichter die zu erwartenden minimalen und maximalen Werte für den Gesamtwirkungsgrad bestimmt. Parallel dazu wird aus dem thermodynamischen Vergleichsprozess der gemessene Werte errechnet. Liegt der gemessene Werte außerhalb der zu erwartenden Werte, gibt es ein grundsätzliches Problem. Ursache für einen zu hohen gemessenen Wert kann z.b. im Öl gelöstes Kältemittel sein, das erst im Verdichter ausgast und dort die Verdichtungsendtemperatur senkt. Konsequenz ist ein scheinbar guter COP/EER. Ist der Wert zu klein, kann schlichtweg der Verdichter verschlissen sein oder hat durch Bruch eines Ventils einen kleinen inneren Heißgas - Bypass. Liegt der gemessene Werte innerhalb der zu erwartenden Werte, kann auch die Leistung des Verdichters einfach bestimmt werden: Bei jedem Messpunkt wird die Kälteleistung basierend auf den Stoffwerten wie Dichte des Kältemittels in der Saugleitung, im Verdampfer nutzbare Enthalpie und anderen relevanten Daten für den Verdichter bestimmt. Die nötigen technischen Daten für den Verdichter können der CoolTool Datenbank entnommen werden.
Abb. 1: Positionierung der Messpunkte am Master und am Sputnik: Die Masterbox misst den Verdichterverbund, der Sputnik den Economizer. Minimal sechs Temperaturen und drei Drücke müssen für eine hinreichende Anzahl von Messpunkten vorhanden sein. Der Sputnik sendet die gesammelten Werte an die Masterbox, die alle Daten zusammenfasst.
Abb. 2 : Darstellung der gemessenen Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur, der Unterkühlung, der Überhitzung sowie der Verdichtungsendtemperatur. Nahezu konstante Werte während der Messung. Alle Verdichter werden angefordert. Abb. 3 : Messung des Ist-Zustandes der Verdichter in Echtzeit. In diesem Fall mit Economizer - Betrieb, einer Verflüssigungstemperatur von +39 C bei +1 C Außentemperatur, einem Polytropen Gesamtwirkungsgrad von 73% sowie einem EER/COP Wert von 1,71.
Abb. 4: Ergebnisse Messung der effektiven Kälteleistung durch CoolTool DiaGnostics mit im Schnitt 321,9 kw für die Gesamtanlage.. Ergebnisse der Messungen ist Ist-Zustand Die Messung im Ist-Zustand im November 2012 lieferte für den Verdichter einen Gesamtwirkungsgrad von 73%. Ein Wert der durchaus in normalen Bereich liegt und auf einen gutem Wartungs- bzw. Verschleißzustand der Verdichter trotz des ansehnlichen Alters von 15 Jahren deutet. Ferner war die Überhitzung nach dem Fühler der Expansionsventile mit 5 bis 6 K sehr gering, ebenfalls ein Zeichen für eine sehr gut gewartete Dämmung. Die Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur, die Unterkühlung der Flüssigkeit, die Überhitzungen an den Expansionsventilen sowie die Verdichtungsendtemperatur waren über den gemessenen Zeitraum fast konstant wie Abb. 2 zeigt. Der EER/COP Wert betrug im Mittel 1,71, ein für eine Tiefkühlanlage durchaus akzeptabler Wert. Weniger günstig für den Energiebedarf der Anlage ist die hohe Verflüssigungstemperatur von konstant +39 C, bei +1 C Außentemperatur ungewöhnlich hoch. Ein Hinweis darauf, das die Regelung die niedrige Umgebungstemperatur während der Messung nicht zu besseren EER/COP Werten ausnutzt, indem die Verflüssigungstemperatur gesenkt wird. Der Wert, der aber den größten Einfluss auf den Energiebedarf der Anlage hat, ist die mittlere Verdampfungstemperatur ca. 37 C, bei 22 C Raumtemperatur als absoluten unteren Werten zu tief. Die Ursache dafür konnte auch schnell bei der Darstellung der Messung im h, log p Diagramm ermittelt werden: die Überhitzung an den Fühlern der Expansionsventile der Verdampfer ist mit 12 bis 13 K etwas zu hoch. Eine der Konsequenzen der zu tiefen Verdampfungstemperatur ist die gemessene mittlere Kälteleistung von im Mittel 321,9 kw, eine Abweichung von 27,7% gegenüber den angegebenen Wert von 445 kw. Die geringere effektive Kälteleistung erklärt auch, warum alle Verdichter angefordert werden.
Ergebnisse der Messungen Die Verdichter und die Verdampfer weisen in sich keinerlei mangelhafte Betriebszustände auf. Größe, Auswahl, Wartungszustand und Verschleiß sind auf Basis der Messungen kein Indikator für einen erhöhten Energiebedarf. Die untersuchte Anlage weist aber zwei wesentliche Faktoren auf, die den Energiebedarf stark erhöhen. Folgende Ursachen können schnell ermittelt werden: Betriebsverhalten der Expansionsventile: Die eingebauten Expansionsventile haben, trotz der großen Unterkühlung, durch den ordnungsgemäß funktionierenden Economizer, eine zu kleine Leistung. Dadurch kommt nicht genügend Massenstrom in die Verdampfer. Konsequenz ist eine schlechte Auslastung der Verdampferfläche und damit verbunden eine zu große Überhitzung von 12..13K statt 7 K. Ferner sinkt als Konsequenz die Verdampfungstemperatur um etwa 7 K von -30 C auf 37 C und damit verbunden auch die Kälteleistung. Eine Nachberechnung der installierten Expansionsventile, die wie die Verdichter in der CoolTool Datenbank enthalten sind, offenbarte, das die Leistung der Ventile um etwa 45% zu klein ausgelegt worden sind gegenüber den Leistungen der installierten Verdampfer. Dabei stellte sich auch heraus, das die Ventilkörper bereits mit den größtmöglichen Düsen bestückt sind. Einstellung der Regelung: Um den Vordruck des Kältemittels an den Expansionsventilen möglichst groß und möglichst konstant zu halten, erlaubt die Regelung nicht, den Verflüssigungsdruck unter äquivalent +39 C abzusenken. Hier kann man nur die Hypothese aufstellen, das die eh schon zu kleinen Expansionsventile bei sinkenden Vordruck noch mehr Leistung verlieren würden. Mit der Folge, dass die Verdampfungstemperatur und damit die Kälteleistung der Anlage noch weiter sinken würde. Aus diesem Grund wurde wahrscheinlich der Nennwert für den Verflüssigungsdruck innerhalb der Regelung ganzjährig hochgesetzt. Diese beiden relativ kleinen Ursachen führen dazu, das das Potential der Anlage zu einem energieeffizienten Betrieb nicht ausgeschöpft wird. Die eigentlich mit gut dimensionierten Verflüssiger, Verdampfern, Rohrleitungen und Verdichter können nicht im optimalen Bereich betrieben werden.
Mögliches Optimierungspotential Kleine Ursache, große Wirkung: Um den Energiebedarf der Anlage zu reduzieren, müssen die vierzehn Expansionsventile gegen Typen mit deutlich höherer Leistung getauscht werden. Dabei ist aber auch zu beachten, das die neuen Regelorgane den Massenstrom nicht nur bei einer mittleren Temperaturdifferenz dtm = 8K zwischen Raum- und Verdampfungstemperatur zuverlässig regeln können. Ferner müssen die Betriebspunkte auf die minimale Verflüssigungstemperatur, die die Regelung zulässt, abgestimmt werden. Um das Potential des Ganzjahresbetriebes zur Reduzierung des Energiebedarfs auszunutzen, kann über die Verflüssigerlüfterregelung die minimale Verflüssigungstemperatur bei thermostatischen Expansionsventilen erfahrungsgemäß auf 25 C gesenkt werden. Bei der Verwendung von elektronischen Expansionsventilen kann dies sogar auf +18 C abgesenkt werden. Mögliche Konsequenzen für einen Sollzustand der Anlage: - Anhebung der Verdampfungstemperatur auf 30 C - Überhitzung der Expansionsventile auf 7 K reduzieren bei allen Betriebszuständen. - Anhebung der EER/COP Werte der Verdichter auf 1,96 bei 30 C/+39 C - Ansenkung der minimale Verflüssigungstemperatur auf +25 C bei Thermostatischen Expansionsventilen mit EER/COP von 2,63 - Ansenkung der minimale Verflüssigungstemperatur +18 C bei Elektronischen Expansionsventilen mit EER/COP von 3,54 - Anhebung der Kälteleistung im Auslegungspunkt der Anlage auf 445 kw Energiebedarf bei Ist-Zustand und bei Sollzustand Simulation mit CoolTool Energieoptimierung Der zu erwartende Energiebedarf einer Kälteanlagen hängt von der Konstruktion, der Regelung und dem einzusetzenden Kältemittel ab. Ferner ist die Leistungsanforderung und der Standort mit den entsprechenden klimatischen Verhältnissen von Bedeutung, um je nach Anlagenkonzept beurteilen zu können, welche Lösung energetische die Beste ist. Zur Bestimmung des Energiebedarfs der Anlage wurde die Anlage innerhalb der CoolTool Energiesimulation als Gewerbeanwendung betrachtet und das energetische Verhalten am Standort Duisburg mit klimatischen Daten simuliert. Dabei wird von den mittleren zu erwartenden Tagestemperaturen ausgegangen. Die in einer Auflösung beträgt dabei 24 Stunden. Für jeweils einen exemplarischen Tag eines Monats wird dabei eine Tagessimulation durchgeführt. Das ergibt 288 Berechnungen um den Energiebedarf für ein Jahr zu Simulieren. Um möglichst aussagekräftige Werte zu erhalten, wurden dabei auch neben dem Energiebedarf für den Verdichter auch weitere Aggregate betrachtet: - Leistungsbedarfs Verdichter abhängig vom Kältemittel und Regelzustand - Verflüssigungstemperatur abhängig von Außenluftzustand - Leistungsbedarf Ventilatoren Verdampfer/ Verflüssiger unabhängig vom Kältemittel - Leistungsbedarf für Abtauungen unabhängig vom Kältemittel Grundlage für die Simulation ist ein R 404A Prozess mit insgesamt 6 Schraubenverdichtern, die in der Summe ein Hubvolumen von 1500 m³/h aufweisen. Die Betriebszustände werden mit der entsprechender Absenkung der Verflüssigungstemperatur in Abhängigkeit von der Außentemperatur betrachtet. Dabei werden auch das Teillastverhalten durch die Leistungsanforderung auf die minimalen, durch die Regelung bestimmte Verflüssigungstemperaturen, berücksichtigt.
Tabelle 1: Grundlage der Berechnung ist bei beiden Betrachtungen der Anlage gleiche Kälteleistung und gleiche Leistungsanforderung am Standort Duisburg mit den entsprechenden Klimadaten. Abb. 5: Darstellung von minimaler und maximaler Verflüssigungstemperatur im Sollzustand nach Sanierung mit thermostatischen Expansionsventilen mit ausreichender Leistung bei allen Betriebszuständen. Die Verflüssigungstemperatur kann bis auf 25 C abgesenkt werden ohne das der Massenstrom in Verdampfer zusammenbricht.
R404A Ist-Zustand R404A Soll-Zustand 1 nach Sanierung Thermost. E-Ventile Kälteleistung TK /[kw] 320 445 445 Kältemittel R 404A R 404A R 404A Tc min / [ C] 39 C 25 C 18 C To / [ C] -37 C -30 C -30 C Energiebedarf Gesamt / 1324556 875195 842162 [kwh/a] ESEER Anlage 1,27 1,92 2,03 Differenz 449361 482394 Minderverbrauch /[%] 33,9 36,4 Einsparung [ /a]* 62910 67535 * bei 0,14 /kwh R404A Soll-Zustand 2 nach Sanierung Elektr. E-Ventile Tabelle 2: Vergleich der wichtigsten Kenngrößen der Anlage hinsichtlich Energiebedarf bei Ist- und den beiden möglichen Sollzuständen. Auf Basis der Einsparpotentiale kann nun eine Kostenkalkulation zum Umbau der Anlage erfolgen. Durch Anhebung der Verdampfungstemperatur und durch Absenkung der Verflüssigungstemperatur bei entsprechenden Außentemperaturen lassen sich, je nach Wahl der Expansionsventile, zwischen 33,9% und 36,4% der Betriebskosten einsparen. Die Einsparung im ersten Fall, mit thermostatischen Expansionsventilen, liegt mit 62910 pro Jahr deutlich über den Umbaukosten für die thermostatischen Ventile. Die Amortisationszeit lag bei unter einem halben Jahr. Im zweiten Fall wären die Kosten für den Einbau von elektronischen Ventilen deutlich höher gewesen, die Ersparnis aber nur etwa 7,5% höher. Die Anlage wurde daraufhin mit thermostatischen Expansionsventilen ausgerüstet, die bis zu einer Verflüssigungstemperatur von +25 C den notwendigen Massenstrom an den Verdampfern gewährleisten können. Dabei musste der gesamte Ventilkörper getauscht werden, da in die vorhandenen keine ausreichend großen Düsen passten. Der Auslegungspunkt der neuen Expansionsventile wurde, wie in Abb. 11 zu sehen ist, nicht nur der maximalen Verflüssigungstemperatur von 45 C angepasst, sondern auch der neuen, minimal zulässigen von +25 C. So konnte der durch die Regelung minimal zulässige Verflüssigungsdruck problemlos gesenkt werden. Die Regelung wurde zudem mit einem druckgesteuerten Drehzahlregler für die Motoren der Verflüssigerlüfter ergänzt. Bestätigung der simulierten Zahlen Nach einem Jahr wurde die Anlage erneut untersucht. Abb. 8 zeigt, das Temperaturen nicht mehr so konstant sind, wie bei der ersten Messung. Eine Folge des Zu- und Wegschaltens der Verdichter, da die Kälteleistung deutlich angehoben werden konnte. Der Prozess, wie in Abb. 9 erkennbar, ist deutlich zusammengerückt. Obwohl höhere Außenluftzustände als bei der ersten Messung vorlagen, betrug die Verflüssigungstemperatur nur 28 C. Die Verdampfungstemperatur liegt nun zwischen Werten von 30 C und 31 C. Als Folge ist die Kälteleistung im Mittel 429,8 kw, 25,8% höher als bei der erstem Messung. Der durch die Simulation abgeschätzte neue Energiebedarf nach der Sanierung von etwas unter 900000 kwh/jahr wurde durch die Aufzeichnungen des Betreibers bestätigt.
Die Ursache für den erhöhten Energiebedarf der Anlage ist eigentlich klein, hatte aber eine große Wirkung. Gewerbliche und industrielle verursachen hohe Betriebskosten, die schon nach einigen wenigen Jahren die Investitionskosten übersteigen. Hier lohnt sich in vielen Fällen eine Untersuchung, ob sich durch einfach Maßnahmen das Potential der Anlage besser ausnutzen lässt. Durch die Messung, Visualisierung der Betriebsweise der Anlage sowie der anschließenden Simulation des Einsparpotentials konnten schnell belastbare Zahlen vorgelegt werden. Die Entscheidung zu einem Umbau war damit eine ökonomisch sinnvolle Maßnahme.
Abb. 6: Energiebedarf graphisch dargestellt im Ist-Zustand. Der Energiebedarf Abb. 7: Graphische Darstellung des Energiebedarfs und der EER/COP Werte bei Sollzustand mit thermostatischen Expansionsventilen mit tc min von +25 C. Erkennbare ein deutlicher Unterschied den Winter- und Sommermonaten.
Abb 8. Regelverhalten der Anlage nach Sanierung, Verdichter werden zu- und weg geschaltet, die Verdampfungstemperatur liegt bei 30 bis 31 C und die Verflüssigungstemperatur bei +28 C Abb. 9: Durch die Installation der korrekten Ventile ist die Überhitzung an den Expansionsventilen zurückgegangen, die Verdampfungstemperatur gestiegen und die Einstellwerte für die Verflüssigungstemperatur konnten gesenkt werden.
Abb. 10: Die gemessene Kälteleistung für das Gesamtsystem liegt nach dem Umbau im Mittel bei 429,8 kw. Abb. 11: Die neuen Expansionsventile wurden nicht nur nach ausreichender Kälteleistung im Auslegungspunkt, sondern auch für den minimalen Verflüssigungsdruck bei äquivalent 25 c ausgelegt.