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pakt. Kältetechnik
// Vortrag
„Energetische Optimierung
von Kälteanlagen“
© 04.2009 pakt GmbH

Etwa 14 % des gesamten Elektroenergiebedarfs der Bundesrepublik
werden für den Betrieb von Kälte- und Klimaanlagen benötigt.
Damit sind Kälte- und Klimaanlagen bedeutsame Verbraucher und mit
deren optimierter Ausführung sind erhebliche Energieeinsparungen
bei gleichzeitiger Minimierung des CO2 Ausstoßes verbunden.
Optimierung von Altanlagen und optimierte Ausführung von
Neuanlagen erfordern einen entsprechend hohen Finanzaufwand.
Bei der Schulterung hilft die Bundesregierung mit dem Programm:
„Förderung von Klimaschutzmaßnahmen an gewerblichen
Kälteanlagen“
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Bis zu 35 % Förderung der Netto-
investitionskosten möglich!
Voraussetzungen zur Förderung bis 25 %:
Verwendung von Ammoniak, Kohlendioxid oder Propan als
Kältemittel (natürliche Kältemittel)
Verwendung von energieeffizienten Komponenten
Verwendung von elektronischen Expansionsventilen usw.
Einsatz von Frequenzumformern für Verdichter-, Lüfter und
Pumpenmotore
Auslegung für min. 100.000 KWh/a Energieverbrauch bzw.
Energiekosten von 10.000,00 €
Separater Elektroenergiezähler
Wartungsvertrag mit einem Fachbetrieb
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Erweiterte Voraussetzungen zur Förderung
bis 35 %:
Erweiterte Voraussetzungen zur Förderung bis 35 %:
Nichtelektrische Antriebe für Verdichter, z.B. Gasmotor
Nutzung der Abwärme
Weitere Informationen unter www.kaelte-effizent.de
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Bekannte Optimierungsversuche betrafen bisher immer nur
Baugruppen der Anlage und nur selten den gesamten Prozess und
führten zu keiner deutlichen Verbesserung des Prozesses.
Die aufzuwendende Elektroenergie ist abhängig von der zu
überwindenden Temperaturdifferenz zwischen Verdampfungstemperatur
(liegt unterhalb der Kühltemperatur) und der
Verflüssigungstemperatur (liegt oberhalb der Außenlufttemperatur).
Kleine Differenzen sind anzustreben, da diese den günstigsten
Elektroenergiebedarf nach sich ziehen.
Anderseits werden von der Lebensmitteltechnologie und der
Lebensmittelhygiene immer niedrigere Kühlraumtemperaturen
verlangt, welche den Bestrebungen zur Reduzierung des
Energieaufwandes entgegen stehen.
5

Ebenso wirkt die globale Erwärmung, welche eben auch, wegen der
höheren Außentemperaturen, zu größeren zu überwindenden
Temperaturdifferenzen und somit zu höherem Energieverbrauch führt.
Der höhere Energieverbrauch führt dann wiederum zur
Beschleunigung der Globalen Erwärmung.
Ziel unserer Bemühungen ist es einen Beitrag zur Reduzierung des
Elektroenergiebedarfs der Kälteanlagen zu leisten.
Dabei soll natürlich gleichzeitig der Kohlendioxidausstoß minimiert
werden und ein Beitrag zur Eindämmung der globalen Erwärmung
geleistet werden.
In der Lehre und Literatur werden für die Auslegung von Kälteanlagen
immer noch Außentemperaturen, Feuchtkugeltemperaturen und
daraus resultierende Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen
wie vor 50 Jahren angesetzt.
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Ungenügend oder gar nicht berücksichtigt werden die Veränderungen
beim Klima und die veränderten, d.h. erhöhten Energiekosten.
Dies zeigen auch aktuelle Ausschreibungsverfahren, die sich nur an
niedrigen Investitionen orientieren aber nicht die Betriebskosten bzw.
die Lebenszykluskosten einbeziehen.
So werden die von der Deutschen Energieagentur herausgegebenen
Hinweise zur Optimierung von Kälteanlagen, selbst von Fachleuten
nur unzureichend berücksichtigt.
Einzig ist teilweise das Bestreben zu beobachten, dass mit
verfeinerten Steuerungen und stufenlosen Drehzahlreglungen,
Einsparungen erzielt werden sollen. Dies ist sicherlich auch im
Bereich von 2 bis 5 % möglich. Die wesentliche Quelle der
Energieeinsparung wird durch Anpassung der Verdampfungs- und
Verflüssigungstemperatur erreicht.
7

Für eine Ammoniakkälteanlage mit einer
Verdampfungstemperatur von –10 °C und 35 °C
Verflüssigungstemperatur ergibt sich:
Eine Reduzierung des Energieaufwandes um 12 % bei
Senkung der Verflüssigungstemperatur um 5 °C auf 30 °C.
Eine Erhöhung des Energieaufwandes um 27 % bei Erhöhung
der Verflüssigungstemperatur um 5 °C auf 40 °C.
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Der einfache Kaltdampf-Kompressions-Prozess
In Abbildung 1 ist der einfache Kaltdampf-Kompressions-Prozess als
Anlagenschema und im log-p,h-Diagramm dargestellt.
Abbildung 1: Schema
des einfachen Kaltdampf-
Kompressions-Prozess
und die Darstellung im
log-p,h-Diagramm
Er setzt sich aus folgenden Zustandsänderungen des Kältemittels zusammen:
1 - 2: Verdichtung unter Zufuhr von Antriebsleistung
2 - 3: Wärmeabgabe durch Enthitzung und Kondensation
3 - 4: Entspannung
4 - 1: Wärmeaufnahme durch Verdampfung
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Kälteanlagen sollten so konzipiert sein, dass Spitzenlasten
problemlos abgefahren werden können und im Teillastbetrieb eine
hohe Wirtschaftlichkeit erreicht wird.
Nachfolgend sind einige Anlagenvarianten auf der Basis einer
Kälteleistung von 370 KW gegenübergestellt.
10

Energie- und Wasserverbrauch
Variante Typ
elt. Wasser
1. NH3
2. NH3
3. R134a
4. R134a
5. R404a
6. R404a
Alle Varianten mit Economizer
Pumpenzwangsumlauf
Verflüssigung Standart
Pumpenzwangsumlauf
Verflüssigung kombiniert
Trockene Verdampfung
Verflüssigung Standart
Trockene Verdampfung
Verflüssigung kombiniert
Trockene Verdampfung
Verflüssigung Standart
Trockene Verdampfung
Verflüssigung kombiniert
Verdampfungstemperatur
Kondensationstemperatur
COP
Kompressoren
Verflüssiger
luftgekühlt
°C °C KW KW KW m3/h
-7 35 3,8 97,37 0
-7 30 4,48 82,59 9
4,40
1,10
4,40
0,75
1,50
1,45
-8 45 2,35 157,45 15,52 0,00 0,00
-8 30 4,07 90,91 8,76
4,40
1,10
1,47
-8 45 2,46 150,41 15,52 0,00 0,00
-8 30 3,98 92,96 8,76
Verdunstungsv
erflüssiger
4,40
1,10
Verbrauch
1,48
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Vorraussetzung für die weitere Betrachtung:
Alle Varianten mit Economizer
Jahreslaufzeit Kompressoren 4380 h/a
Preise 0,11 €/KWh
2,5 €/m3
Verflüssiger Standart, luftgekühlt 4380 h/a
Verflüssiger kombiniert, luftgekühlt 3500 h/a
Verdunstungsverflüssiger Standart 4380 h/a
Verdunstungsverflüssiger optimiert 1000 h/a
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Betriebskosten
Variante Typ
elt.
1. NH3
2. NH3
3. R134a
4. R134a
5. R404a
6. R404a
Pumpenzwangsumlauf
Verflüssigung Standart
Pumpenzwangsumlauf
Verflüssigung kombiniert
Trockene Verdampfung
Verflüssigung Standart
Trockene Verdampfung
Verflüssigung kombiniert
Trockene Verdampfung
Verflüssigung Standart
Trockene Verdampfung
Verflüssigung kombiniert
Kompressoren
Verflüssiger
luftgekühlt
Verdunstungsverflüssiger
Investitionskosten
T€ T€ T€ T€ T€ T€
46,91 2,6499 16,38 65,94 564,6
39,79 3,465 0,5665 3,62 47,44 615,2
75,86 7,477536 2,35 - 85,69 465,7
43,80 3,3726 0,605 3,69 51,46 492,7
72,47 7,477536 2,46 - 82,40 462,5
44,79 3,3726 0,605 3,70 52,47 488,6
Wasser
Summe
Betriebskosten
13

Deutlich wird die Situation in der nachfolgenden
Darstellung im Diagramm in welchem Investitionen
und Betriebskosten der einzelnen Varianten
gegenübergestellt sind.
Kosten in T €
700,00
600,00
500,00
400,00
300,00
200,00
100,00
0
65,94
564,6
47,44
615,2
85,69
Betriebskosten Investition
465,7
51,46
492,7
462,5
52,47
1 2 3 4 5 6
Varianten
82,4
488,6
14

Die kombinierte Verflüssigung kombiniert einen luftgekühlten
Verflüssiger mit einem Verdunstungsverflüssiger. Dabei hat der
Verdunstungsverflüssiger seine Vorteile bei hohen Außenlufttemperaturen
und der luftgekühlte Apparat bei mittleren und niedrigen
Temperaturen.
Die Kombination ist so konzipiert, dass unterhalb von 10 °C nur noch
luftgekühlt gearbeitet wird, d.h. der Verdunstungsverflüssiger arbeitet
trocken.
Der entscheidende Vorteil der kombinierten Verflüssigung ist, dass
auch im Sommer eine sehr hohe Kälteleistung bei günstigen
Energiekosten zur Verfügung steht.
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Die vorgenannte Betrachtung erfolgte
unter der Annahme von Volllast.
Nachfolgend soll das Teillastverhalten betrachtet werden.
Leistungscharakteristik NH3-Schraubenverdichter ohne Eco
(Grasso TR) bei unterschiedlicher Laststufe
to/tc = - 7/+35 °C
Verflüssigung
tc °C
Kälteleistung
Qo KW
Antriebsleistung
Pe KW
COP = Qo/Pe KW Pe/KW
Qo
KW/KW
35 1051,30 254,9 4,12 0,2425 100,00
30 946,20 223,5 4,84 0,2066 85,21
25 841,00 194,4 5,72 0,1749 72,15
20 735,90 193,7 5,88 0,1700 70,10
%
16

Diagramm zur Leistungscharakteristik
Kälteleistung zu Antriebsleistung
Leistung in KW
1.100
880
660
440
220
0
Leistungscharkteristik
Leistungsstufen 100 bis 10 %
Wie kommen wir in den Teillastbereich?
a) Unterschiedliche Leistungsanforderung der Technologie
b) Jahreslauf der Außentemperatur und der Außenfeuchte
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Leistungscharakteristik NH3-Schraubenverdichter ohne Eco
(Grasso TR)bei unterschiedlicher Verflüssigungstemperatur
to/tc = - 7 °C
Verflüssigung
Tc
°C
Kälteleistung
Q0 KW
Antriebsleistung
Pe KW
COP=Q0/Pe Verhältnis
Pe/Q0 KW/KW
Verhältnis
Pe/Q0/Q0 %
35 1051,30 254,90 4,12 0,2425 100,00%
30 1081,80 223,50 4,84 0,2066 85,21%
25 1111,30 194,40 5,72 0,1749 72,15%
20 1139,70 193,70 5,88 0,1700 70,10%
18

Mit fallender Verflüssigungstemperatur steigt die Kälteleistung. Die
Leistung des Verdampfers bleibt konstant.
Deshalb muss die Leistung des Verdichters zurückgeregelt werden
oder es stellt sich eine entsprechend niedrigere
Verdampfungstemperatur ein.
Beides ist wiederum mit einer Verschlechterung des COP verbunden.
Ausweg !
Frequenzgeregelte Antriebsmotore
Aufteilung der Kälteleistung auf mehrere Verdichter
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Indirekte Kühlung oder direkte Kühlung?
Gegenüberstellung einer Direktverdampfenden NH3-Kälteanlage mit einer
NH3-Solekälteanlage
Kälteleistung Direkt
-5/+35 °C
Indirekt
-7/+35°C
COP ohne Eco 4,41 4,12
COP mit Eco 4,46 4,37
Kraftbedarf Verdichter mit Eco KW 226,76 242,72
Kraftbedarf Verdichter ohne Eco KW 224,22 228,83
Pumpenleistung NH3, n= 3
m3/h
KW
13,08
1,16
erf. Rohrleitungsquerschnitt DN 80/150
Pumpenleistung Glykol -4/+2 °C
m3/h
KW
143,33
17,77
erf. Rohrleitungsquerschnitt DN 150/150
Summe Kraftbedarf mit Eco 227,92 260,49
Summe Kraftbedarf ohne Eco 225,37 246,60
Indirekte Kühlung energetisch schlechter !
20

Indirekte Kühlung energetisch schlechter !
Indirekte Kühlung mit höheren Investitionskosten !
Direkte Kühlung mit höherem Kältemittelvolumen und ggf. höherem
Gefahrenpotential !
Wenn schon indirekt, dann mit den Verbrauchern zugeordneten,
möglichst geregelten Solepumpen und
Aufteilung in Primär- und Sekundärkreis mit hydraulischer Weiche/
Speicher !
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Zentral oder Dezentral?
Besser ist die Frage nach den erforderlichen Temperaturniveaus zu stellen. Sehr
häufig, auch für sehr große Anlagen, wird nur noch mit einem Temperaturniveau auf
der Erzeugerseite gearbeitet und dies liegt auf dem für die Technologie niedrigstem
Niveau, z.B. bei –8 °C Verdampfungstemperatur, obwohl für die Eiswassererzeugung
(Durchlaufkühlung) nur eine Verdampfungstemperatur von –1 °C
notwendig wäre.
Gegenüberstellung Verdampfungstemperatur bei – 8 und - 1°C
NH3-Schraubenverdichteranlage direktverdampfend mit 1000 KW
Kälteleistung
Kälteleistung -8/+35 °C -1/+35°C %
COP ohne Eco 4,28 5,07 118,46%
COP mit Eco 4,23 5,32 125,77%
Kraftbedarf Verdichter mit Eco KW 233,64 197,24 84,42%
Kraftbedarf Verdichter ohne Eco KW 236,41 187,97 79,51%
Eine gesonderte Kälteanlage zur Eiswassererzeugung ist aus energetischer
Sich immer sinnvoll !
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Zentrale Anlage
Zentrale NH3-Kälteanlage
mit 2 Schraubenverdichtern,Pumpenzwangsumlauf
des Kältemittels
Dezentrale Anlage
4 Dezentrale Kälteanlagen
mit je einem Schraubenverdichter,Pumpenzwangsumlauf
des Kältemittels
Den Vergleich für Zentral und Dezentral will ich für
eine Leistung von 1000 KW machen.
100% Kälteleistung zentrale Anlage
-7/+35 °C
Dezentrale Anlage
-7/+35°C
Eiswasser
-1/+35°C
Kälteleistung KW 1000 250 250 250 250
COP ohne Eco 4,12 3,92 3,92 3,92 4,82
COP mit Eco 4,37 4,07 4,07 4,07 4,91
Summe
Kraftbedarf Verdichter mit Eco KW 242,72 63,78 63,78 63,78 51,87 243,19
Kraftbedarf Verdichter ohne Eco KW 228,83 61,43 61,43 61,43 50,92 235,19
50% Teillast zentrale Anlage
-6/+29 °C
Dezentrale Anlage
-7/+35°C
Eiswasser
-1/+35°C
Kälteleistung KW 500 250 - - 250
COP ohne Eco 5,22 3,92 - - 4,82
COP mit Eco 5,45 4,07 - - 4,91
Summe
Kraftbedarf Verdichter mit Eco KW 95,79 63,78 - - 51,87 115,64
Kraftbedarf Verdichter ohne Eco KW 91,74 61,43 - - 50,92 112,34
23

Die dezentrale Anlage ist energetisch schlechter. Dies hängt u.a.
damit zusammen, dass kleinere Schraubenverdichter ein geringeres
COP als größere haben.
Darüber hinaus können bei der zentralen Anlage auch im
Teillastbetrieb die Wärmetauscher mit ihrer vollen Fläche genutzt
werden, was zu entsprechend kleineren Temperaturdifferenzen, d.h. in
der Folge höheren Verdampfungstemperaturen und niedrigeren
Verflüssigungstemperaturen führt.
Die Investitionen für eine dezentrale Anlage liegen über dem Niveau
von zentralen Anlagen.
24

Zur Beantwortung von Fragen, zur Beratung, Erarbeitung von
Konzepten und Angeboten zur Realisierung stehe ich gern
zur Verfügung.
Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Dittrich
pakt GmbH
Potsdamer Anlagenbau und Kältetechnik GmbH
Anni-von-Gottberg-Str. 3, D-14480 Potsdam
Fon +49 (0) 331 - 567 15 55
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pakt. Kühle Köpfe - Klare Konzepte.
Geschäftsführer: Wolfgang Dittrich, Rainer Lingner
Steuer-Nr.: 046/ 116/ 00351
USt.-IdNr.: DE 138 405 328
HRB Nr.: 138 , Amtsgericht Potsdam
Sitz der Gesellschaft: Potsdam
25

Vielen Dank
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Anni-von-Gottberg-Straße 3, D - 14480 Potsdam
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Visitenkarten_06.indd27 16.06.2005, 15:33 Uhr
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