F-Gase-Verordnung setzt Planer und Betreiber unter Druck

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Mit der geplanten Verschärfung der F-Gase-Verordnung und höheren Energiekosten nimmt die Komplexität bei Planung, Ausführung und Betrieb von kältetechnischen Anlagen weiter zu. Hinzu kommen sicherheitstechnische Aspekte durch den Trend zu brennbaren und giftigen „natürlichen“ Kältemitteln mit ganz unterschiedlichen Ansprüchen an den Aufstellungsort. Kopfzerbrechen bereitet vielfach die Norm DIN EN 378. Eindrücke vom DKV-Kolloquium „Effizienz, Betriebskosten und Investment“, das am 24. Januar 2023 in München stattfand.  

Der Artikel kompakt zusammengefasst
■ Die lange Nutzungsdauer von Kälteanlagen erfordert, bei der Planung den gesamten Lebenszyklus zu betrachten. Die jüngsten Entwicklungen verdeutlichen, dass es bei Kältemitteln mit einer potenziellen Gefahr für die Umwelt keine langfristigen Bestandsschutzgarantien gibt.
■ Für viele Anwendungsbereiche gibt es bereits Lösungen auf der Basis natürlicher Kältemittel. Als Ersatz bestehender Kälteanlagen bieten sie zudem ein hohes Energieeinsparpotenzial. Aufgrund der sicherheitstechnischen Anforderungen sind aber die planerischen und baulichen Anforderungen höher.
■ Eine konstruktiv oder regelungstechnisch unsachgemäße Abtauung von Verdampfern kann die Gesamtenergieeffizienz einer Kälteanlage erheblich verringern und auch Schäden verursachen. Mit einer durchdachten projektspezifischen Abtauung kann die Gesamtenergieeffizienz erheblich verbessert werden.
 

Die Zeit der einfachen Lösungen bei kältetechnischen Anlagen scheint mit der geplanten Verschärfung der F-Gase-Verordnung endgültig vorbei zu sein. Neben ODP (Ozonzerstörungspotenzial), GWP (Treibhauspotenzial/Global Warming Potencial) und TEWI (Total Equivalent Warming Impact, Rechenwert für den Treibhauseffekt eines Kältemittels in einer definierten Anwendung), könnte künftig auch der gesamte CO₂-Fußabdruck von Kältemitteln und kältetechnischen Komponenten bei der Planung eine Rolle spielen. Aufgrund einer möglichen Gesamtbilanzierung von Betriebsstoffen und Materialien ist davon auszugehen, dass auch der Energieaufwand für die Herstellung und die Entsorgung von Kältemitteln bei der Ökobilanz einer Kälteanlage berücksichtigt werden müssen.

Für den Betreiber kältetechnischer Anlagen stellt sich die Frage, welche zusätzlichen Kosten er bei der Abschätzung von Investitions- und Betriebskosten einplanen muss, welche Kosten er für sicherheitstechnische Maßnahmen aufgrund der Kältemittelwahl einkalkulieren sollte und welche Effizienzmaßnahmen sich über einen definierten Lebenszyklus seiner Anlagen lohnen. In diesem Zusammenhang kommt die Norm DIN EN 378 „Kälteanlagen und Wärmpumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen“ ins Spiel, die vielfach bereits als „wichtigste Norm der Kältebranche“ angesehen wird.

Zweifel an Wirtschaftlichkeit von CO₂-Kälteanlagen

Von den Herstellern synthetischer Kältemittel wird zunehmend bezweifelt, ob natürliche Kältemittel den strengen Kriterien einer wirtschaftlichen Überprüfung standhalten. Hans-Dieter Küpper von Chemours Deutschland argumentiert auf der Basis der sogenannten WAVE-Studie, (Wetland Aire Valley Engineering, Halifax, United Kingdom (UK), ein auf Gebäudetechnik spezialisiertes Beratungsunternehmen), dass die Opteon(HFO)-Kältemittel des Unternehmens gegenüber natürlichen Kältemitteln bei gewerblichen Kälteanlagen das bessere Preis-Leistungsverhältnis bieten. Untersuchungen in Spanien, UK und Finnland hätten gezeigt, dass bei Betrachtung der Gesamtemission die Opteon-Kältemittel deutlich besser abschneiden als vergleichbare Anlagen mit dem Kältemittel R744 (CO₂).

In Supermärkten kleiner und mittlerer Größe hätten die sogenannten Low-GWP-A2L/HFO-Kältemittel gute Voraussetzungen für ökologisch und ökonomisch optimierte Kälteanlagen, so Küpper. Ein weiteres Argument für die Opteon-Serie sei die einfache und sichere Handhabung und Wartung der Kälteanlage. Küpper betont, dass bei einem HFO-Kältemittel mit einem GWP < 150 und dessen Einsatz in einer Wärmepumpe etwa 99 % der Emissionen durch den Stromverbrauch, also durch die Effizienz und das Betriebsverhalten des Gerätes erzeugt werden.

Die Aussagen von Küpper hinsichtlich der Ergebnisse der WAVE-Studie sorgten allerdings für Widerspruch. Die vorherrschende Meinung war, dass synthetische Kältemittel künftig primär für Wartungsarbeiten und für besonders sensible Anwendungen gebraucht werden, beispielsweise in der pharmazeutischen Industrie. Allgemein würden die halogenfreien, also die natürlichen Kältemittel, an Bedeutung gewinnen, so der Tenor der Diskussion. Welche Bedeutung CO₂ künftig in der Gewerbekälte spielen wird, zeigen auch die Marktaktivitäten von Daikin und Panasonic: Beide Unternehmen bieten neuerdings invertergeregelte Kompakt-Verflüssiger mit CO₂ als Kältemittel für Normal- und Tiefkälteanwendungen an.

Einsparpotenzial Frequenzumformer

ASERCOM

Eher verspätet entdecken die Betreiber kältetechnischer Anlagen das Energiesparpotenzial der stufenlosen Leistungsregelung mittels Frequenzumformer (Bilder 2 und 3). Typisch für einen großen Teil der bestehenden gewerblichen Kälteanlagen sind Ein-/Aus-Schaltungen oder einfache Stufenschaltungen.

Mit dem Strompreisanstieg von teilweise über 100 % ändern sich die Rahmenbedingungen und damit die Wirtschaftlichkeit von Modernisierungsmaßnahmen in der Kältetechnik ganz wesentlich. Als Vorbild gilt die Gebäudetechnik, bei der drehzahlgeregelte Pumpen und Ventilatoren mittlerweile als Standard angesehen werden.

Ahmed Kitap, Bitzer Kühlmaschinenbau (vormals Kimo), sieht in der Drehzahlregelung von Kältemittel-Verdichtern folgende Vorteile:

● geringere Saugdruckschwankungen
● konstante Verdampfungstemperatur
● Reduzierung der Verdichterstarts durch Absenken bzw. Anheben der Kälteleistung
● weniger Stress für den Verdichter, das bedeutet längere Lebensdauer
● höherer Anlagenwirkungsgrad
● höhere Regelgüte

Beispielsweise könne durch die Erhöhung der Verdampfungstemperatur um 2,5 K der Wirkungsgrad um bis zu 10 % erhöht werden. Eine Absenkung der Verflüssigungstemperatur um 1 K bewirke eine Steigerung des Wirkungsgrads um weitere 2 bis 3 %.

Wer Anlagen mit frequenzgeregeltem Verdichter plant oder vorhandene Anlagen nachrüsten will, hält sich am besten an die ASERCOM-Guidelines über den „Einsatz von Frequenzumrichtern mit Verdrängungs-Kältemittelverdichtern“ (www.asercom.org).

Schwachstelle Abtauung

ASERCOM

Was nützen optimal geplante und gebaute Kälteanlagen, wenn bei der Abtauung von Luftkühlern bzw. Verdampfern die anlagenspezifischen Eigenheiten des Abtauprozesses verkannt werden. Tatsache ist, dass durch unsachgemäßes Abtauen beträchtliche Energiemengen verschwendet werden und sogar die Geräte durch eine „Vergletscherung“ zerstört werden können. Unstrittig ist, dass die Ansammlung von Eis an Verdampfern zu einer dauerhaften Leistungsminderung führt. Neben der wärmeisolierenden Wirkung der Eisschicht kann auch das zusätzliche Gewicht eines Eispanzers langfristig den Verdampfer zerstören.

Eric Gerstenberger, Thermofin, Heinsdorfergrund, stellte auf dem Kolloquium die Verfahren Glykolabtauung, Elektroabtauung und Heißgasabtauung gegenüber und ging auf die jeweiligen Vor- und Nachteile der Abtauverfahren ein.

Während die Glykolabtauung von Verdampfern relativ einfach zu regeln ist, sind bei der Heißgasabtauung unterschiedliche Schaltungen notwendig, je nachdem ob Verdampfer mit Trockenexpansion oder überflutete Verdampfer eingebaut sind. Wichtig bei allen Verfahren ist die exakte Positionierung der Abtausensoren und eine auf das Anlagenkonzept bezogene Abtaustrategie, da es sonst zu einem unnötigen Wärmeeintrag bzw. zu unnötig langen Abtauzeiten kommt.

Ein bekanntes Problem bei der Abtauung sind undichte Kältemittelventile, die den Abtauprozess negativ beeinflussen, sodass nur ein Teil des Eises abgetaut wird. Zu hohe Abtautemperaturen führen bei Luftkühlern zur Nebelbildung bei der Abtauung, was wiederum an den unbeheizten Flächen des zu kühlenden Raums zu Eisansatz führt. Auch Ventilatorblätter können durch die Nebelbildung vereisen und dadurch den Lüfter zerstören.

In jedem Fall empfiehlt Gerstenberger den Einsatz von EC-Ventilatoren, da diese bedarfsgeführt eingesetzt werden können und zu einem deutlich geringeren Wärmeeintrag in den zu kühlenden Raum führen. Grundsätzlich müssen bei Ventilatoren in Kühlräumen Mindestlaufzeiten zum Schutz der Lager des Ventilators beachtet werden.

Besondere Sorgfalt bei der Wahl der Abtaustrategie sei bei Anlagen mit R717 (Ammoniak) und R744 (Kohlenstoffdioxid) notwendig. Hier seien wegen der hohen Verdampfungsenthalpie lange Ventilator-Nachlaufzeiten einzuplanen. Eine Missachtung dieser kältemittelspezifischen Besonderheiten führe zu einer ineffizienten Abtauung bei hohem Energieeinsatz.

Mit Abtauenergie Räume kühlen

Klassische Abtausysteme beruhen weitgehend auf dem Prinzip, den Eisansatz an einem Luftkühler mithilfe von extern erzeugter Energie abzuschmelzen. Konkret geht es darum, einen vereisten Wärmeübertrager inklusive Gehäuse bis zur Schmelztemperatur des Eises zu erwärmen und zwar so lange, bis alle Lamellen eisfrei sind. Zwangsweise werden dadurch auch die umgebende Luft und damit der zu kühlende Raum mit erwärmt.

Dies bewirkt einen latenten Energieeintrag durch die Verdunstung des Kondensats. Letztendlich muss die in den Kühlraum eingebrachte Wärmeenergie durch zusätzliche Kühlenergie nach dem Abtauvorgang wieder kompensiert werden. Im Grunde genommen handelt es sich bei den klassischen Abtauverfahren um eine „Energievernichtung“, die nicht mehr mit unserem heutigen Verständnis eines sorgsamen Umgangs mit Energie zu vereinbaren ist.

Cool Expert

Für Friedhelm Meyer von Cool Expert, Allendorf (Eder), war dieses Paradoxon Anlass zur Entwicklung des, Zitat, „derzeit effizientesten Abtauverfahrens für Luftkühler in indirekten Kälteanlagen“. Sein „Defrost Power Pack“ folgt dem Prinzip eines elektrischen Durchlauferhitzers, der über einen Bypass den jeweiligen Luftkühler von innen heraus erwärmt. Im Vergleich mit einer konventionellen elektrischen Abtauheizung spare diese Art der dezentralen Abtauung rund 80 % an Energiekosten sowie weitere Energiekosten durch die verkürzten Abtauintervalle ein. Ein weiterer Vorteil des Verfahrens sind die niedrigen elektrischen Anschlusswerte und damit die Vermeidung von Lastspitzen.

Für Kälteanlagen mit subkritischer CO₂-Prozessführung, zum Beispiel für den Tiefkühlbereich von Supermärkten, empfiehlt Meyer den „Defrost Power Pack Air“. Das Besondere daran ist ein Rohr-im-Rohr-Verdampfer, wobei das innere Rohr (CO₂) die Verdampferfunktion, das äußere Rohr (Glykol 50 %) hingegen die Abtaufunktion übernimmt (Bild 4). Der Trick ist, dass die Abtauwärme über eine Deckenkassette in einem Plus-Kühlraum gewonnen wird, die im Idealfall über dem Obst- und Gemüsebereich installiert ist. Im Abtaufall fördert eine Zirkulationspumpe die in der Deckenkassette erwärmte Sole in den Rohr-im-Rohr-Verdampfer und taut diesen damit ab. Laut Erfahrungen von Cool Expert liegt der Return of Investment (ROI) dieser Technologie bei nur 22 Monaten.

Hohes Einsparpotenzial bei Kühlhäusern

Die Betreiber von Kühlhäusern zählen zu den großen Verlierern der aktuellen Energiekrise. Nach Angaben des TIS, Transport-Informations-Service im Gesamtverband der Versicherer, gibt es in Deutschland (Quelle: Ingenieurbüro Michael Weilhart, www.tiefkuehlhaus.info) rund 750 gewerbliche und betriebliche Kühlhäuser mit einem gekühlten Volumen von 21,6 Mio. m³, entsprechend 4,5 Mio. Europaletten-Plätzen.

Mehr als die Hälfte des Volumens wird durch die 239 Mitglieder des VDKL (Verband Deutscher Kühlhäuser und Kühl-Logistikunternehmen) bereitgestellt. Neben den hohen Energiekosten trifft die Branche auch die geplante Verschärfung der F-Gase-Verordnung, die im Grunde genommen den Ausstieg aus den synthetischen Kältemitteln einleitet.

Dass der rechtzeitige Umstieg auf natürliche Kältemittel bei bestehenden Kühlhäusern auch wirtschaftlich interessant ist, zeigt ein Beispiel der SKA GmbH, Gesellschaft für Kältetechnik, Illertissen. Aufgabe war, eine bestehende R507C-Kälteanlage (teilhalogenierter Fluorkohlenwasserstoff) durch eine hocheffiziente NH₃-Schwerkraftanlage zu ersetzen. Konkret ging es um zwei Kühllager, eines mit 6000 m³ und eines mit 10 200 m³.

SKA GmbH

Wichtige Eckpunkte der Sanierung waren die Senkung der Kondensationstemperatur, der Einsatz frequenzgeregelter Verdichter und effizienter Antriebsmotoren. Eine wesentliche Entscheidung des Unternehmens bei der Sanierung der Kühlhäuser war der Verzicht auf ein Kanalsystem zugunsten einer Luftverteilung über einen thermisch unterstützten Kaltluftsee. Voraussetzung dafür war, den Luftkühler außerhalb der Lagerfläche im Deckenbereich anzuordnen und einen Freiraum für die vertikale Luftzirkulation zwischen Regalsystem und Außenwand sowie unterhalb des Kühlers zu schaffen.

Eingesetzt werden Isolierkühler mit drückenden Axialventilatoren von Güntner. Diese Bauart ist bekannt für ihr effizientes Abtauverhalten ohne Wärmeeintrag in den Kühlraum und ihre gute Zugänglichkeit für Servicearbeiten. Direkt auf einer Galerie, angeordnet bei den Isolierkühlern, sind die Schwerkraftabscheider (Bild 5) der NH₃-Kälteanlage, die von zweistufigen frequenzgeregelten Verdichtern (V450T) von Grasso versorgt werden.

Durch die Positionierung auf gleicher Ebene konnte auf eine Umwälzpumpe verzichtet werden. Wichtige Bauteile zur Verbesserung der Energieeffizienz sind innen aufgestellte, geregelte Verdunstungskondensatoren, die im Winter weitgehend mit Naturzug arbeiten. Mit diesem auf NH₃ aufbauenden Kältekonzept konnte der spezifische Energiebedarf der beiden Kühlhäuser von 83 kWh/(m³ ∙ a) auf 23 kWh/(m³ ∙ a) gesenkt werden, das entspricht einer Einsparung von rund 70 %.

Komplexe Planungsanforderungen durch EN 378

Wer heute einen Supermarkt plant, eine Kältemaschine oder eine Wärmepumpe einbauen will oder eine gewerbliche bzw. industrielle Kälteanlage saniert, tut gut daran, sich zunächst mit der DIN EN 378, „Kälteanlagen und Wärmpumpen – Sicherheitstechnische und umweltrelevante Anforderungen“ auseinanderzusetzen. Die Berechnungsgänge sind keinesfalls trivial:

Wegen der Komplexität der Aufgabe sprechen Insider von „stundenlanger Arbeit“, um zu normgerechten Lösungen zu kommen. Nicht umsonst haben die Kollegen in der Schweiz bereits eine Software entwickelt (siehe Info-Kasten), um die komplexen Anforderungen der EN 378 hinsichtlich Kältemittelauswahl, Kältemittelgefahrenklasse, Kältemittelfüllmenge, Anforderungen an den Aufstellungsraum, installierte Leistung und Effizienzansprüche auf digitalem Weg zu erledigen.

Rivacold

Michael Hendriks, Rivacold GmbH, Fellbach, drückt es so aus: „Die Wahl des Kältemittels, dessen Drucklage, die Leistung der Anlage bzw. die Füllmenge sind bestimmende Größen für die sicherheitstechnischen Ansprüche an den Maschinenraum bzw. an den Aufstellungsort.“

Dies gelte besonders bei Verwendung von brennbaren oder giftigen Kältemitteln. Hendriks: „Die Komplexität der Planung von Anlagen mit natürlichen Kältemitteln wird häufig unterschätzt.“ Schon wegen der Haftungsfrage müsse der Planer genauer hinschauen. Als Beispiel nannte Hendriks den Trend zu CO₂-Kälteanlagen in Supermärkten, die bei weitem nicht so fehlertolerant seien wie Anlagen mit halogenierten Kältemitteln.

„Man darf die Anlage nicht vor sich hin nudeln lassen, sonst arbeitet sie ineffizient“, bemerkt Hendriks. So müsse das elektronische Expansionsventil exakt ausgelegt und die Regelcharakteristik genau eingestellt werden. Dies gelte insbesondere für Kleinanlagen, die bedeutend komplexer seien als Anlagen größerer Leistung.

Bei brennbaren Kältemitteln spiele besonders die Füllmenge eine Rolle. „Hohe Füllmengen, beispielsweise von Propan, führen zu höheren sicherheitstechnischen Vorgaben an Maschinenräume und damit zu höheren Baukosten“, räumt Hendriks ein. Bei der Lebensmittelkühlung seien dezentrale Geräte, beispielsweise Stopferaggregate (steckerfertige Kälteaggregate) mit Propan als Kältemittel, oft wirtschaftlicher als eine Zentralanlage (Bild 6).

Bei größeren Leistungen empfiehlt Hendriks, Verdichter und Druckbehälter im Außenbereich aufzustellen oder mit indirekten Systemen (Kühlsole) zu arbeiten. Daneben müsse auch die Umweltkonformität beachtet werden, was die Planung nicht einfacher mache.

Ausblick

Teile der Kältebranche versuchen mit allen Mitteln, die Ära der synthetischen Kältemittel zu verlängern, andere gehen in die Offensive und bieten innovative Lösungen mit natürlichen Kältemitteln an. Beide Lager sind sich einig, dass bei kältetechnischen Anwendungen noch ein hohes Potenzial an energiesparenden Verfahren besteht, insbesondere bei der Regelung von Kältemittelverdichtern und bei der Abtauung von Verdampfern.

Neben der Verknappung von synthetischen Kältemitteln durch die F-Gase-Verordnung ist der Preis für Energie die Triebfeder für energetische Sanierungen. Praxisbeispiele zeigen, dass bei Kühlhallen Energieeinsparungen von bis zu 70 % möglich sind. Eher unterschätzt wird derzeit noch die Auswirkung der EN 378, die im Übrigen auch für die Planung von Wärmepumpen größerer Leistung gilt. In der Schweiz wird die EN 378 aktuell als „wichtigste technische Norm der Kältebranche“ eingeschätzt.

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Wolfgang Schmid

ist freier Fachjournalist für Technische Gebäudeausrüstung, München, wsm@tele2.de

Margot Dertinger-Schmid