Energieeffiziente Kältemaschine

Autor Dr.-Ing. Marco Zetzsche Projektleiter Entwicklung, Cofely Refrigeration

Kältemaschinen sind aufgrund der hohen Betriebskosten durch steigende Energiepreise längst zu einem entscheidenden Kostenfaktor geworden. Neben den Investitionskosten und den Ausgaben für Wartung, Instandhaltung und fachgerechte Entsorgung machen sie heute einen Großteil der Lebenszykluskosten einer Kältemaschine aus. Genauere Analysen zeigen häufig, dass die Investition in eine neue Kältemaschine wirtschaftlich sinnvoller ist als der fortlaufende Betrieb einer alt gedienten. Viele Betreiber setzen somit auf energieeffiziente Technologien – und profitieren damit von einem hohen Energieeinsparpotenzial sowie deutlich geringeren Betriebskosten.

Ist der Austausch einer alten Kältemaschine gegen eine neue notwendig, um die Energieeffizienz der Anlage zu steigern, sollten gleich die gesamten Versorgungsanlagen im Unternehmen optimiert werden. Neben der Kälte- betrifft dies auch die Wärmeversorgung. Das Ziel ist dabei die Erschließung des größten energetischen Optimierungspotenzials in der Industrie: die Nutzung der Abwärme. Anstatt die Wärme einfach über Kühltürme oder Rückkühlwerke mit zusätzlichem Energieaufwand in die Umgebung abzuführen, kann diese zum Heizen verwendet werden. Damit erhöht sich nicht nur der Nutzen der Kältemaschine. Auch die Leistungszahl, die das Verhältnis von Nutzen zu Aufwand darstellt, lässt sich dadurch ungefähr verdoppeln. Zudem amortisieren sich solche energetischen Optimierungsmaßnahmen oft schon nach wenigen Jahren. Die Abwärmenutzung stellt Betreiber jedoch vor eine Herausforderung: So ist beispielsweise das Temperaturniveau der Abwärme häufig zu niedrig. Gleichzeitig müssen die technischen Anlagen häufig sehr aufwendig geregelt werden. In solchen Fällen übersteigt der technische Aufwand schnell den energetischen Nutzen und hat zur Folge, dass der innovativen Lösung eine konventionelle vorgezogen wird.

Eine Alternative bieten Kältelösungen, die ein intelligentes Konzept zur ganzheitlichen Wärme- und Kälteversorgung integrieren. So hat Cofely Refrigeration mit der Spectrum eine Kältemaschine auf den Markt gebracht, die neben Sicherheit und Zuverlässigkeit auch höchste Energieeffizienz bei niedrigen Betriebskosten bietet (Bild 1 und 2). Spectrum ist in drei Grundgeräten verfügbar, die eine Kälteleistung von ca. 300, 400 und 500 kW in Volllast besitzen (bei Eurovent-Bedingungen). Sie erzielt besonders tiefe bzw. hohe Nutztemperaturen, sorgt somit für eine effiziente Kälteversorgung und ermöglicht eine effektive Wärmerückgewinnung. De Kälteträgertemperaturen decken von -20 bis +10 °C fast alle Kälteanforderungen ab. Ob Kaltwassertemperaturen von +6 °C oder Soleanwendungen bei -20 °C, die Spectrum-Maschine arbeitet in diesen Temperaturbereichen hocheffizient. Gleichzeitig liefert sie Wärmeträgertemperaturen von bis zu +60 °C und ermöglicht somit beispielsweise die Wärmeversorgung von Produktionsprozessen. Alternativ kann die Wärme aber auch für die Gebäudeheizung oder die Warmwasserbereitung eingesetzt werden.

Die Spectrum verfügt über einen integrierten Open-Flash-Economizer. Diese Optimierung des konventionellen Kälteprozesses führt zu einer höheren Kälteleistung und wirkt sich umso deutlicher aus, wenn die Kältemaschine auch für die Wärmerückgewinnung eingesetzt wird. Da Kältebedarf und Wärmebedarf zudem sowohl im Tages- als auch im Jahresverlauf schwanken, sollte die Kältemaschine auch reduzierten Leistungsanforderungen gerecht werden. Zu diesem Zweck verfügt die Spectrum über einen Verdichter mit integriertem Frequenzumrichter. Die Kältemaschine arbeitet damit nicht im Taktbetrieb, sondern bietet eine hohe Teillasteffizienz. Die Leistung kann automatisch im Bereich von 20 bis zu 100 % dem Bedarf angepasst werden. Die erforder- liche Regelung übernimmt die SPS der Kältemaschine. Ein weiterer Vorteil des Umrichterbetriebes ist, dass Wärme- oder Kältespeicher im Heiz- bzw. Kältenetz kleiner dimensioniert werden oder komplett entfallen können.

Bedingt durch die Gesetze der Thermodynamik besitzt jede Kältemaschine ein festes Verhältnis zwischen Kälte- und Wärmeleistung. Die Spectrum-Technologie basiert unter anderem auf der langjährigen Erfahrung von Cofely Refrigeration auf dem Gebiet der Wärmerückgewinnung. So verfügt die Kältemaschine über den Econdenser, einen zusätzlichen Wärme-übertrager. Mit dem Econdenser kann die benötigte Wärme unabhängig vom Kälteprozess ausgekoppelt werden. Gleichzeitig wird nicht benötigte Wärme über den Verflüssiger abgegeben. Eine effiziente Möglichkeit, die Kältemaschine Spectrum zu betreiben, zeigt Bild 3. Dabei wird am Verdampfer Leistung generiert, die für Kälteanwendungen zur Verfügung steht. Mit dem Econdenser kann der Anlagenbetreiber zudem 0 bis 100 % der anfallenden Wärme variabel ins Heiznetz einspeisen. Der nicht benötigte Anteil wird am Verflüssiger über den Kühlturm in die Umgebung abgegeben. Durch diese Maßnahme lassen sich weitere Betriebs- und Investitionskosten einsparen, da je nach Anteil der Wärmerückgewinnung Komponenten wie Kühlturm, Pumpen, Rohrleitungen und Ventilatoren deutlich kleiner dimensioniert werden oder im Idealfall sogar komplett entfallen können. Da bei der Wärmerückgewinnung neben der Kälteleistung auch die geforderte Wärmeleistung geregelt werden muss, sollte auch die Mess-, Steuer- und Regelungstechnik hohe Anforderungen erfüllen. Die Spectrum arbeitet deshalb mit einer SPS, die sich individuell anpassen lässt und über eine Vielzahl an Schnittstellen verfügt. Der Betrieb der Kältemaschine kann zudem mit der hauseigenen Fernüberwachung Coolcare überwacht und kontrolliert werden. Im Fall einer Störung oder wenn bestimmte Prüf- oder Effizienzparameter festgelegte Grenzwerte überschreiten, werden die Anlagenbetreiber automatisch vom Rechenzentrum informiert.

Die Spectrum ergänzt das Portfolio von Cofely Refrigeration, das auch die bewährte Quantum-Technologie sowie die Kältemaschinen Pensum und Marenum umfasst. Sie bietet vor allem bei Anwendungen mit sehr tiefen oder hohen Nutztemperaturen Vorteile. Ausgestattet mit vier wesentlichen Effizienzmerkmalen bildet diese Kältemaschine eine gute Basis für eine energie- und kosteneffiziente Wärme- und Kälteversorgung. Diese sind:

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