Ein Muss: Freikühlung

09.01.2017 | Veröffentlicht in Ausgabe 01-2017 | Druckvorschau

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„Das Gerber“: Einkaufszentrum in der Stuttgarter Innenstadt.
</p> - © Swegon Germany — © Swegon Germany

1 „Das Gerber“: Einkaufszentrum in der Stuttgarter Innenstadt.

86 Ladengeschäfte mit rund 86 000 m² Verkaufsfläche bietet das Einkaufs-zentrum „Das Gerber“ in Stuttgart. Der Kälteleistungsbedarf beträgt rund 4200 kW und aufgrund der inneren Lasten muss ganzjährig gekühlt werden. Ideale Voraussetzungen für die gleitende Freikühlung.

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Über die Freikühlfunktion kann der Energieaufwand für die Bereitstellung des Kältebedarfs signifikant gesenkt werden, wenn über einen längeren Zeitraum mit Kältebedarf die Außenlufttemperatur etwa 3 K niedriger als die Rücklauftemperatur des Kühlmediums ist.
Optimale Voraussetzungen bietet die gleitende Freikühlung mit einer stetigen Verringerung der mechanischen Kälteerzeugung bei sinkender Außenlufttemperatur.

Um für die täglich rund 25 000 Besucher sowie Angestellte und Bewohner im Stadtkaufhaus „Das Gerber“ Abb. 1 ein behagliches Raumklima zu gewährleisten, ist eine Klimatisierung, insbesondere der Gewerbeflächen, zwingend erforderlich. Dass die dafür erforderliche Luftbehandlung sowie die Abführung der Kältelasten mit geringstmöglichem Energieaufwand erfolgt, ist aus ökologischer / baurechtlicher Sicht für den Wert der Immobilie und aufgrund der vom Energieeinsatz getriebenen Betriebskosten wichtig.

Speziell für die Kühlung der Gewerbeflächen wurden diese Aspekte sehr früh bei der Projektentwicklung berücksichtigt und Konzepte bzw. Systeme näher betrachtet, die den Anforderungen mit möglichst geringen Lebenszykluskosten gerecht werden.

Maßgeblich war dabei, dass für die Gewerbeflächen aufgrund interner Wärmelasten ganzjährig Kühlbedarf besteht. Mit diesem Hintergrund und der durchschnittlich geringen Ganzjahrestemperatur in Deutschland war die Systementscheidung schnell gefallen: Effiziente mechanische Kühlsysteme mit optimaler Freikühlung.

Kühlsysteme

Ein Teilprojekt der Klimatisierung der Gewerbeflächen umfasste die Projektierung und Ausführung der Kühlsysteme. Bei einem Kälteleistungsbedarf von insgesamt 4200 kW (Auslegungsfall) wurde der Energieeffizienz der Kälteerzeugung große Beachtung beigemessen. Realisiert wurden schließlich sechs wassergekühlte Kaltwassererzeuger mit stufenloser Leistungsregelung durch Schrauben-verdichter, zwei davon mit gleitender Freikühlung; die Rückkühler wurden auf dem Dach aufgestellt Abb. 2 Abb. 3:

2 Kaltwassererzeuger Wasser/Wasser mit Schraubenverdichtern und gleitender Freikühlung (je 580 kW), Typ: Omega V Echos HE 49.2 EIS LN
2 Kaltwassererzeuger Wasser/Wasser mit Schraubenverdichtern (je 930 kW), Typ: Omega V Echos A 95.2
1 Kaltwassererzeuger Wasser/Wasser mit Schraubenverdichtern (660 kW), Typ: Omega V Echos A 76.2
1 Kaltwassererzeuger Wasser/Wasser mit Schraubenverdichter (520 kW), Typ: Omega V Echos HE 53.2 LN
15 Rückkühler (150 bis 420 kW), Typ: Airblue EKNC / ETLC

Eine Vernetzung der Swegon-Geräte über BACnet ermöglicht ein individuelles Monitoring aller relevanten Betriebsparameter. Die Ausstattung der Kaltwassererzeuger mit Master/Slave-Regelung, Softstarter, einem Modul zur Begrenzung der maximalen Stromaufnahme, eine drehzahlgeregelte Hydraulikpumpe im Rückkühlkreislauf der Freikühleinheiten sowie die geregelten EC-Ventilatoren an den Rückkühlern trugen zu einem sehr guten Kosten-Nutzen-Verhältnis bei.

Warum gleitende Freikühlung?

Die Betriebskosten einer Kälteanlage sollten bei der Investitionsplanung stets eine wesentliche Rolle spielen. Dazu müssen die Folgekosten für den Betreiber transparent werden, denn selbst vielen Fachleuten ist kaum bewusst: Bei einem konventionell betriebenen Kaltwassererzeuger mit Außenluft als Wärmesenke hat die Außentemperatur nur einen relativ geringen Einfluss auf den Energieverbrauch, was besonders relevant ist, wenn der Kühlenergiebedarf von inneren Lasten dominiert wird.

Die Lösung zur Kosteneinsparung bei der Kaltwassererzeugung ist die gleitende Freikühlung. Hierbei sind der Freikühl-Wärmeübertrager und der Kältemaschinen-Verdampfer kaltwasserseitig in Reihe und kühlwasserseitig parallel geschaltet. Bereits bei Außentemperaturen von 5 °C verringern sich die Betriebskosten durch die geringere Leistungsaufnahme des Kaltwassererzeugers um über 50 %. Die Kältemaschine läuft bei reiner Freikühlung gar nicht und bei gleitender Freikühlung mit deutlich verminderter Leistung (Voraussetzung sind drehzahlgeregelte Verdichter mit einem möglichst hohen Teillastwirkungsgrad bzw. mehrere Verdichter(stufen)).

Abb. 4 gibt einen ersten Überblick über die Senkung des Stromverbrauchs in Abhängigkeit von der Außentemperatur und zeigt: Eine Kälteanlage, die nicht ausschließlich tagsüber in den Sommermonaten benötigt wird, sollte immer mit einer Freikühlung installiert werden. Die gleitende Freikühlung mit stufenlosem Übergangsbetrieb von mechanischer Kompressionskälteerzeugung zur alleinigen Freikühlung ermöglicht (neben dem Umschaltbetrieb mit parallel angeordnetem Freikühl-Wärmeübertrager und Kältemaschinen-Verdampfer) die größte Energieeinsparung. Das Einsparpotenzial ist von den jeweiligen Projektgegebenheiten abhängig.

Gegenüber Umschaltsystemen können Systeme mit gleitender Freikühlung niedrige Außenlufttemperaturen zur direkten Kühlung des Mediums über einen längeren Zeitraum verwenden. Das funktioniert, sobald die Außenlufttemperatur etwa 3 K¹⁾ niedriger als die Rücklauftemperatur des Kühlmediums ist. Bei einem Kühlsystem mit einer Kaltwassertemperaturauslegung von 15/10 °C kann ab einer Außentemperatur von ca. 1 °C die erforderliche Kälteleistung zu 100 % über die Freikühlung erbracht werden. .

Betrieb der gleitenden Freikühlung

An einem System mit Kaltwassertemperaturauslegung von 15/10 °C werden nachfolgend die Betriebsarten der gleitenden Freikühlung erläutert. Im Sommerbetrieb bei hohen Außentemperaturen arbeitet das System mit gleitender Freikühlung wie ein normaler Kaltwassererzeuger – 100 % des Kältebedarfs wird über die mechanische Kälteerzeugung gedeckt. Das 3-Wege-Ventil im Kühlwasserkreis hat den Weg A-AB geöffnet: Der Verflüssiger ist vollständig geöffnet und zum Freikühl-Wärmeübertrager vollständig geschlossen. Eine möglicherweise notwendige Verflüssigungsdruckregelung wird mit dem Frequenzumformer für die Kühlwasserpumpe realisiert. Der Rückkühler arbeitet in der Betriebsart Rückkühlung und der Sollwert liegt bei 40 °C Abb. 5.

Wenn die Außentemperatur um 3 bis 4 K niedriger als die Rücklauftemperatur ist, schaltet die Freikühlung zu Abb. 6. Das System arbeitet dann im Mischbetrieb (mechanische Kühlung und Freikühlung), auch als Übergangsbetrieb bezeichnet. Hierzu wird der Sollwert am Rückkühler von 40 °C auf 7 °C umgeschaltet. Die Kühlwasserpumpe arbeitet auf 100 %, um die volle Freikühlleistung zu nutzen. Für einen stabilen Betrieb der Verdichter, wird das 3-Wege-Ventil in Abhängigkeit des Verflüssigungsdrucks stetig geregelt.

Erreicht die Außentemperatur ein Niveau, das es ermöglicht, die benötigte Kälteleistung vollständig über den Rückkühler zu erreichen, wird das 3-Wege-Ventil komplett zum Freikühl-Wärmeübertrager geöffnet (AB-B) und der Verdichterbetrieb gestoppt Abb. 8. Im Winterbetrieb kann die Vorlauftemperatur im Kaltwasserkreis über die Luftmenge am Rückkühler mit einem Drehzahlregler reguliert werden.

Fußnoten

1) Mit einem adiabatischen Sprüh-System kann die Temperatur der den Rückkühler anströmenden Luft abgesenkt werden, sodass eine Freikühlung auch schon bei einer höheren Außenlufttemperatur beginnen kann.