Solltemperatur der Kälteerzeugung richtig einstellen
03.12.2019 | Solltemperatur der Kälteerzeugung richtig einstellen | Mario Schafer
Sowohl die Betriebsstunden bestehender wie auch die Installation neuer Kälteerzeugungsanlagen haben eine stark steigende Tendenz. Bei klimatisierten Verwaltungsgebäuden kommt es heute nicht selten vor, dass der Klimakältebedarf den Heizwärmebedarf übersteigt. Entsprechend gross ist der Hebel bei einer Effizienzsteigerung der Kälteerzeugung. Dies lässt sich häufig durch eine Anpassung des Temperaturniveaus erreichen.
Als erster Schritt bei einer Energieoptimierung ist grundsätzlich der Bedarf zu hinterfragen. Ein Verbraucher benötigt am wenigsten Energie, wenn dieser nicht in Betrieb ist. Entsprechend soll zusammen mit den Konsumenten der benötigte Kältebedarf diskutiert werden. Es stellen sich Fragen wie, wann ist jemand da, muss bei 30°C Aussentemperatur unbedingt in Anzug und Krawatte gearbeitet werden?
Betriebszeiten anpassen
Der Energiebedarf lässt sich beispielsweise durch die Anpassung der Betriebszeiten der Lüftung (siehe auch https://www.peik.ch/blog/wie-stelle-ich-die-betriebszeiten-meiner-lueftungsanlage-ein/) reduzieren, da dadurch weniger Kälteenergie für den Luftkühler benötigt wird.
Sobald der Faktor „Zeit“ optimiert ist, kann in einem zweiten Schritt an der Effizienz des Kältesystems gearbeitet werden. Diese hängt von zahlreichen Faktoren ab. Kompressortechnologie, Kältemittelwahl, Konstruktion Verdampfer und Verflüssiger Rückkühlsystem sowie das Temperaturniveau sind einige davon. Eine Kenngrösse zur Beurteilung der Effizienz von Kälteerzeuger bildet der Energy Efficiency Ratio + (EER+). Dieser beschreibt das Verhältnis der Netto-Kälteerzeugerleistung zur Leistungsaufnahme der Kälteanlage (siehe SIA 382/1). Je höher der EER+ ist, desto effizienter die Kälteerzeugung. Um nun diese Effizienz zu verbessern, ohne damit aufwendige Anpassungen an der Hardware vorzunehmen, sollte prioritär das Temperaturniveau eines Kältesystems untersucht werden. Je höher dieses ist, desto weniger Energie ist für die Kälteerzeugung notwendig.
Bestehende Temperaturen anpassen
Falls die bestehenden Solltemperaturen der Kälteerzeugung nicht prozessrelevant sind (z.B. Entfeuchtung der Zuluft in Reinräumen), empfiehlt sich eine schrittweise Anpassung der Temperaturen. Unter der Voraussetzung einer Dokumentation sämtlicher Änderungen kann die Solltemperatur beispielsweise um 1 Kelvin erhöht werden. Dies führt zu einer Effizienzsteigerung von ca. 4% (siehe untenstehendes Berechnungsbeispiel). Anschliessend ist abzuklären, ob die Anpassung zu Problemen führt. Treten nach einer gewissen Zeit keine unerwünschten Effekte oder Reklamationen auf, so kann die Solltemperatur weiter angepasst werden. Sobald die erforderliche Kälteleistung nicht mehr erreicht wird, ist die Temperatur auf den vorherigen Wert zurückzustellen. Dieses Vorgehen kann ggf. mehrmals pro Jahr erfolgen.
Abhängigkeit zum Abgabesystem
Das Kälteabgabesystem beeinflusst die Solltemperatur der Kälteerzeugung massgeblich. So sind zur Kälteabgabe mit grossflächigen Abgabesystemen prinzipiell höhere Pumpenkaltwassertemperaturen möglich, als bei kleineren. Entsprechend ist bereits bei der Planung neuer Anlagen ein Augenmerk auf das Abgabesystem zu legen. Bei bestehenden Anlagen ist stets darauf zu achten, dass die Abgabesysteme weder verschmutzt noch zugestellt sind. Dies gilt sowohl für die Verdampfer- (Kälteabgabe) wie auch für die Verflüssigerseite (Rückkühlung). So ist zur Leistungserbringung bei einem vereisten Verdampfer in einer Kühlzelle eine tieferes Temperaturniveau (T0) erforderlich als bei einem sauberen. Bei einem verschmutzten Rückkühler muss die Kältemaschine zur Abgabe der Wärmeleistung das Kältemittel auf ein höheres Temperaturniveau (Tc) komprimieren. Beide Fälle führen zu einer Effizienzminderung. Die physikalische Grundlage dazu wird durch die Carnot-Leistungszahl beschrieben. Interessieren Sie sich für eine professionelle Untersuchung Ihrer Kälteerzeugung, dann melden Sie sich bei PEIK und vereinbaren einen Termin mit einem Energieberater.
Der folgende Abschnitt richtet sich an die physikalisch und technisch interessierte Leserschaft:
Carnot-Leistungszahl und reale Leistungszahl einer Kältemaschine
Der ideale Kälteprozess nach Carnot ist absolut verlustfrei und dadurch ein rein theoretischer Prozess. Er beschreibt die physikalisch maximal mögliche Leistungszahl einer Kältemaschine und lässt sich anhand der Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur berechnen. Für Kältemaschinen gilt:
Die reale Leistungszahl der Kältemaschine lässt sich anschliessend aus dem Gütegrad berechnen:
Beispielsrechnung Effizienzsteigerung durch Reduktion der Kaltwassertemperatur
Folgendes Beispiel zeigt auf, wie sich die Reduktion der Kaltwassertemperatur auf die Effizienz der Kältemaschine auswirkt.
Eine bestehende Kältemaschine mit einem Gütegrad von 60% produziert zur Klimatisierung von Büroräumen Pumpenkaltwasser. Die dafür erforderliche Verdampfungstemperatur im Kältemittelkreis beträgt 12°C. Die Temperatur im Kältemittelkreis auf der Verflüssigerseite beträgt in diesem Leistungspunkt 40°C (gegeben durch die Rückkühlung und die Aussenkonditionen). Wie verändert sich die Effizienz der Kälteerzeugung, wenn das Temperaturniveau des Pumpenkaltwassers um 1 Kelvin angehoben wird?
Die Erhöhung der Kaltwassertemperatur um 1 Kelvin führt in dem Beispiel zu einer Effizienzsteigerung von 4%.
