Dipl.-Ing.(FH) Frank Petersen Juni 2008
Modul 7: Nichtwohnbauten
Thema: Kältetechnik + Anlagenoptimierung
� Aufgaben der Kälteversorgung
� Der Kälteprozeß
� Bauarten der Kältetechnik
� Kältemittel
� Besonderheiten der Klimakaltwasser-Hydraulik
� Energetische Optimierungen
Script-Auszüge
Dozent: Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
1) Aufgabenstellung der Kälteversorgung
Themenübersicht:
2) Der Kälteprozeß
3) Bauarten der Kältetechnik
4) Kältemittel
5) Besonderheiten der Klimakaltwasser-Hydraulik
6) Energetische Optimierungen
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Am Beispiel Verwaltungsgebäude:
1) Aufgabenstellung der Kälteversorgung
4.000 m² Büro-Nutzfläche
Fassade: zu 2/3 verglast, äußerer Sonnenschutz
200 Räume á 18m² (für je 2 Personen)
400m² Besprechungsräume, klimatisiert
>> Kühllastberechnung geregelt in VDI 2078
Büroklimatisierung, Modelle
Im Auftrag der FH-BS/WF
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Bild-1 // Vollklimatisierung [Kühllast je nach LW nur teilweise]
Büroklimatisierung, Modelle
Im Auftrag der FH-BS/WF
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Bild-3 // Quellluft in Verbindung mit Kühldecke
Büroklimatisierung, Modelle
Im Auftrag der FH-BS/WF
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Bild-5 // Stille Kühlung + freie Lüftung
Heizen auf 22°C
Büroklimatisierung, Modelle
Im Auftrag der FH-BS/WF
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Bild-7 // Induktionsgerät mit AU-Luft, zentrale Abluft, „nackte Decke“
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
2) Der Kälteprozeß
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Der ideale Kälteprozeß
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
zugeführt
Kälte
Q
QCOP
&
&
=
Leistungszahl
oder neudeutsch Coefficient of performance
Zum Vergleich die „ideale Leistungszahl“ (verlustfrei) nach Carnot
0
0
TT
TCOP
C
KCK
−→ =< εε
Aufwand
NutzenK =ε
5,263
263,15K313,15K
263,15KC40C;10 C0 tt =
−
>>°=°−=
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
zugeführt
Volllast bei e WärmepumpngHeizleistu
Q
QCOP
&
&
=
zugeführt
Volllast bei ungKälteleist
Q
QEER
&
&
=
Energy Efficiency Ratio Energie Effizienz Rate
Coefficient of performance
EER = Nennkälteleistungszahl
berücksichtigt wird dabei auch der Bedarf an elektrischer Leistung für jegliche Sicherheits- und
Kontrollvorrichtung sowie die Ventilator- und die Pumpenleistung im Verflüssigungskreislauf.
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Der reale Kälteprozeß
0
0
TT
T
C
KCK
−
=< εε
1kWs=1kJ
1bar=100.000 Pa
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Stoffdiagramm zum Kältemittel R134a
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Stoffdiagramm zum Kältemittel R22
Seit 2000 inDeutschland
verboten
Seit 2000 inDeutschland
verboten
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
3) Bauarten der Kälteerzeuger
Bauarten >>
Im Jahre 1834 bauteder US-AmerikanerJacob Perkins(1766–1849) die ersteKompressions-kältemaschine mitdem Kältemittel Ether,die er am 14. August1835 unter demNamen Äthereis-
maschine patentierenlässt. Das KältemittelEther hat jedoch denNachteil, dass es mitLuftsauerstoff hochex-plosive Peroxide bildetund die Äthereis-maschinen zuweilenexplodierten.
Quelle: wikipedia
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Bauarten der Kälteerzeuger
a) Hubkolben
Carrier Serie 30gk
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Bauarten der Kälteerzeuger
b) drehende Verdichter
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Scrollverdichter
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Schraubenverdichter
200 – 1500 kW
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Splitgeräte [Scroll]bis 75kW je Verdichter
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Max. 50m
Leitungslänge
zwischen Innen- und
Außengeräten
Spiralverdichter [Scroll]
Statt Klimakaltwasser wird direkt Kältemittel bis zumInnengerät geführt
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Rückkühler [Wasser bzw. Glykol/Wasser] 1/2
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Naßkühlturm bzw. Verdunstungskühlturm 1/4
Offener Kühlturm
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Verflüssiger [Kältemittel]
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2007
Im Auftrag der FH-BS/WF
4) Das Kältemittel
klimatische Kenngrößen von Kältemittel
ODP >> Ozonabbaupotential (Kältemittel R11 = 1,0)
GWP >> direktes Treibhauspotenzial
Beispiel GWP100 R134a = 1300 { 1kg R134a entspricht 1300kg CO2 [Zeithorizont = 100a] }
Beispiel GWP100 CO2 = 1
TEWI >> Total Equivalent Warming Impact
klimatische Kenngrößen von Kältemittel
ODP >> Ozonabbaupotential (Kältemittel R11 = 1,0)
GWP >> direktes Treibhauspotenzial
Beispiel GWP100 R134a = 1300 { 1kg R134a entspricht 1300kg CO2 [Zeithorizont = 100a] }
Beispiel GWP100 CO2 = 1
TEWI >> Total Equivalent Warming Impact
.... und die Diskussionen um die Auswirkungen auf´s Klima
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
4) Das Kältemittel
Für Klimatisierung am gebräuchlichsten >>
R 134a
R 407c
R 410A
R 717TEWI >> Total Equivalent Warming Impact
Kältetechnik + Anlagenoptimierung
Dipl.-Ing.(FH) Frank Petersen Jun 2008
Das ideale Kältemittel
� Das Kältemittel sollte nicht brennbar, weder explosiv noch giftig sein
� Das Kältemittel soll nicht umweltschädlich sein
� Das Kältemittel sollte leicht feststellbar sein, damit Undichtigkeiten imSystem ohne Mühe gefunden werden können
� Es sollte eine hohe Verdampfungswärme aufweisen
� Die den Kondensationstemperaturen entsprechenden Drücke solltennicht zu hoch sein, damit schwere Konstruktionen der Kältemaschinevermeidbar sind
� Die Drücke im Arbeitsbereich der Kältemaschine (zwischenVerdampfungs- und Kondensationstemperatur) sollten über demAtmosphärendruck liegen, um das Eindringen von Luft in die Anlagezu verhindern
� Der Kältemitteldampf sollte ein niedriges spezifisches Volumenhaben, um Kompressorgröße und Kompressorhub klein zu halten (beiKolbenkompressoren)
� Das Kältemittel soll gute Verträglichkeit mit den normalen Schmier-mitteln aufweisen
� Es soll möglichst günstige, den Wärmeübergang beeinflussendeStoffgrößen besitzen (Wärmeleitzahl, Viskosität, Dichte)
� Das Kältemittel darf die in Kälteanlagen verwendeten Werkstoffe nichtangreifen und soll chemisch stabil sein
� Es sollte billig und leicht zu handhaben sein
Hinweis
Kältemittel R22 ist in Deutschland für Neuanlagen seit dem 1.1.2000 verboten
Kenngrößen von Kältemittel
ODP >> Ozonabbaupotential (Kältemittel R11 = 1,0)
TEWI >> Total Equivalent Warming Impact
Kühlen durch Befeuchten
Adiabate Kühlung
Im Auftrag der FH-BS/WF
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Kühlen durch Befeuchten
Adiabate Kühlung
Im Auftrag der FH-BS/WF
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
AU Zu
AB FO
Erw
ärm
en d
urch
ZU
Bef
euch
ten
+ K
ühle
n
Erh
itzen
dur
ch e
xter
ne E
nerg
iezu
fuhr
Bef
euch
ten
und
Kühl
en
Ent
feuch
ten
und
Erw
ärm
enK
ühle
n
Bef
euch
ten
+ K
ühle
n
SGK - Technologie
Auch gebräuchlich:DEC-Technologie
Desiccant
Evapuration
Cooling
Sorptions
Gestützte
Klimatisierung
Kühlen durch Befeuchten
Adiabate Kühlung
Im Auftrag der FH-BS/WF
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
AU Zu
AB FO
Beispiel 20.000 m³/h
AB: 20.000m³/h x 1,2kg/m³ x 3g/kg = 72 kg/h Wasser
AB: 72 kg/3.600s * 2.450 kJ/kg = 49 kW
ZU: 20.000m³/h x 1,2kg/m³ x 2,5g/kg = 60 kg/h Wasser
ZU: 60 kg/3.600s * 2.450 kJ/kg = 40,8 kW
ZU
AB
AU
Sommer
DIN 1946
Kältetechnik + Anlagenoptimierung
Dipl.-Ing.(FH) Frank Petersen Jun 2008
Systemvarianten für eine Kälteerzeugungsanlage
Bauart des Verdichters (angegebene Leistungen = Kälteleistung)
• Scroll-Verdichter (bis zu 12-stufige Anlagen; je Stufe bis ca. 75 kW)
• Kolbenverdichter (ca. 50 – 600 kW)
• Schraubenverdichter (ca. 150 – 1.500 kW)
• Turboverdichter (ca. 1.300 – 4.000 kW)
• Absorptions-Kältemaschinen (250-5.000 kW) [Stoffpaar >> Lithium-Bromid mit Wasser als Kältemittel oder Wasser mit Ammoniak (NH3)als Kältemittel]; (in Deutschland sind bereits mehr als 1.000 MW Kälteleistung installiert)
• Adsorptions-Kältemaschinen (hydrophiler Feststoff > „Silikagel“);bisher nur wenige Geräte in der Praxiserprobung
Art des Rückkühlprozesses
• indirekt: das Kältemittel wird mittels Wasser rückgekühlt; imNormalfall gibt das Wasser dann seinerseits die aufgenommeneWärme an die Umgebungsluft ab (via Trockenkühler oder Kühlturm)
• direkt: das Kältemittel durchläuft einen außen aufgestelltenVerflüssiger
Bauart Kälteerzeugungsanlage
• Klassische Kombination aus a) wassergekühlter Kältemaschine[irgendwo im Gebäude] und b) Rückkühlwerk auf dem Dach(Rückkühlwasser enthält Glykol);
• Kaltwassersatz für Außenaufstellung: Kältemaschine mit luftge-kühltem Verflüssiger (Prinzip der „direkten Rückkühlung“); dieGeräteeinheit wird als Unit auf dem Dach aufgestellt.Hinweis für Winterbetrieb: entweder das Klimakaltwasser enthält Glykol oder die Maschine erhältfür Winterbetrieb eine elektrische Heizung
• Kaltwassersatz für Innenaufstellung: Kältemaschine mit luftgekühltemVerflüssiger; die Geräteeinheit wird als Unit innerhalb des Gebäudesaufgestellt, die notwendige Luft für den Rückkühlprozeß wird überKanäle herangeführt.Hinweis für Winterbetrieb: das Klimakaltwasser kann ohne Glykol betrieben werden(thermostatische Absicherung über Außenluftklappe)
Kältetechnik + Anlagenoptimierung
Dipl.-Ing.(FH) Frank Petersen Jun 2008
• „Kompaktanlage“: luftgekühlte Kältemaschine für Dachaufstellung mitim Gehäuse integrierten Komponenten wie Klimakaltwasserpumpe,Pufferspeicher und Regelung (anschlußfertige Blackbox).
• Splitgeräte: Kombination aus a) Wasserkühlmaschine [irgendwo imGebäude] und b) Verflüssiger auf dem Dach; die Verbindung wirdüber Kältemittelleitungen hergestellt („Heißgas“-Leitungen); max.Höhenunterschied ca. 35-45m
• „Kleinkälte-Splitanlage“: luftgekühlte Kältemaschine ohne Verdampferfür Dachaufstellung in Verbund mit einem verbraucherseitigenDirektverdampfer >> keine Erzeugung von Klimakaltwasser,stattdessen zirkuliert das Kältemittel auch innerhalb des Gebäudesdirekt zum Umluftgerät für die Raumkühlung (Anwendung z.B. beiEDV- und Technikräumen oder in der Gastronomie-/Lebensmittel-branche zur Lagerung von Lebensmitteln oder Kühlung vonNaßmüllräumen)
• „Multisplitanlage“: luftgekühlte Kältemaschine ohne Verdampfer fürDachaufstellung in Verbund mit mehreren verbraucherseitigenDirektverdampfern >> keine Erzeugung von Klimakaltwasser,stattdessen zirkuliert das Kältemittel auch innerhalb des Gebäudesdirekt zu den Umluftgeräten für die Raumkühlung.
Bauart Rückkühlwerk bzw. Verflüssiger
• Trockenkühler: Kühlung des Rückkühlwassers mit Luft überAxialventilatoren (effektivere Bauform bei „V“-Anordnung derWärmeübertrager)
• Naßkühlturm: das Rückkühlwasser wird direkt versprüht; derHauptkühleffekt entsteht durch die Verdunstung des Wassers.
• Trockener Kühlturm: das Rückkühlwasser läuft durch WÜ-Rohrschlange, ohne Kontakt mit der Atmosphäre; die WÜ-Rohrschlange wird mit Wasser besprüht >> wintertauglich
• Luftgekühlter Verflüssiger: Bauform wie „Tischkühler“, jedoch direktvom Kältemittel durchströmt (eingangsseitig dampfförmig,ausgangsseitig flüssig).
Betriebstemperaturen
• Einsatz für Klimakaltwasser (oberhalb des Nullpunktes)
• Einsatz für Klimakaltwasser, jedoch mit Eisspeicher
• Einsatz für Tieftemperaturbereiche (z.B. Lebensmittel)
Kältetechnik und Anlagenoptimierung
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Besonderheiten der Klimakaltwasser-
Hydraulik
5)
Kleine Temperaturdifferenzen = große Rohrleitungen
Stabile Betriebsverhältnisse notwendig, keine starkschwankenden Volumenströme (Pufferspeicher, hydraulische Weiche)
Tauwassergefahr (Dämmung + Korrosion)
Frostgefahr bei frei verlegten Leitungen (Glykol, elektr. Beheizung)
Anlagenvarianten >>
�
�
��
�
Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008
Im Auftrag der FH-BS/WF
Kältetechnik undAnlagenoptimierung
Sommer
Übergangszeit
Winter
BTA: nachts über KM
EDV: mittelbar 24/24h über KM
Heizung: AUS
BTA: nachts über Freecooling
EDV: mittelbar über Freecooling
Heizung: AUS
BTA: heizt über Fernwärme
EDV: mittelbar über RL-Hzg.
Heizung: EIN
BT
A =
Baute
ilaktivie
rung
BK
A =
Beto
nkern
aktivie
rung
Atlantik-Haus (St. Pauli)
Kältetechnik + Anlagenoptimierung
Dipl.-Ing.(FH) Frank Petersen Juni 2008 Seite 1/2
Kältetechnische Anlagen
Energierelevante Hinweise für Planung und Betrieb
Checkliste:
(1) Geräteauswahl in Richtung besserer maschinentechnischer Wirkungsgrade (COP/EER)
(2) Temperaturniveau auf Verbraucherseite: soweit das Investitionsbudget dies zuläßt,werden auf der Verbraucherseite größere Kühlregister vorgesehen; ermöglicht bei glei-cher Kälteleistung den Betrieb mit höherer mittlerer Temperatur des Klimakaltwassers.Vorteil >> Verbesserung des maschinentechnischen Wirkungsgrades der Kältemaschi-ne bei Anhebung der Verdampfungstemperatur.
(3) Homogenes Temperaturniveau auf Klimakaltwasserseite: bei verschiedenen Tempera-turniveaus auf der Verbraucherseite bestimmt derjenige Verbraucher die einzustellendeVerdampfungstemperatur, der das niedrigste Temperaturniveau anfordert; dies kann fürden COP der Maschine sehr ungünstig sein.Also bei unterschiedlichen Temperaturen auf der Verbraucherseite >> getrennte Anla-gen
(4) Temperaturniveau im Rückkühlprozess: bei Verwendung von Wasser bzw. Wasser-Glykol als Rückkühlmedium ist die Trockenkühlung die energetisch ungünstigste Wahl;bei Direktverflüssigung empfiehlt sich a) der Hybridkühlturm [Kombination aus Trocken-kühlung für Winterbetrieb und Naßkühlung im Sommer] und b) die Nachkühlung des be-reits verflüssigten Kältemittels.Ziel >> Absenken der Verflüssigungstemperatur
(5) Verbraucherseite mit Systemen höherer Betriebstemperaturen: Kühldecke und Beton-kernaktivierung erbringen die Kühlleistung mit höhereren Temperaturen auf der Klima-kaltwasserseite als herkömmliche Systeme wie Umluftgeräte, Induktionsgeräte, Kühlungüber RLT etc.
(6) Verbraucherseite volumenstromvariabel: das Klimakaltwasser erwärmt sich uner-wünschterweise über 2 Quellen, a) die Pumpenleistung und b) über die Umgebung wäh-rend der „Spazierfahrt“ durch das Gebäude. Dieser Effekt wird auf das unvermeidlicheMaß reduziert, indem nur die verbrauchsbezogen notwendige Wassermenge zirkuliertund diese zielorientiert umgewälzt wird anstatt ziellos das Gebäude zu durchfahren.Hilfsmittel >> hydraulische Weiche im Verbraucherkreis [ergibt konstanten Volumen-strom für die Kältemaschine und variablen Volumenstrom für den Verbraucherkreis]
(7) Wärmetransport über Luft minimieren: die Systeme „Kühldecke“, „Bauteilaktivierung“und „Stille Kühlung“ sind gesamtenergetisch besser als der Transport von Kühlleistungin Form eines Luftvolumenstroms
(8) Regelung optimieren >> Betriebszeiten eingrenzen
(9) Klimatisiertes Nutzvolumen einschränken >> nicht den ganzen Raum kühlen sondernnur den Schaltschrank
(10) Zu kühlende Luftmengen in Klimaanlagen klein halten: z.B. über Quellluft statt impuls-reicher Induktionslüftung >> die Abwärme wird ungekühlt „nach oben“ weggeschoben[nur der Aufenthaltsbereich bis ca. 2,3 Meter über OKFFb wird klimatisiert; oberhalb die-ser Zone wird eine beliebige Temperaturerhöhung zugelassen]
(11) Nutzung der „Abfall“-Wärme aus Rückkühlprozess (z.B. bei Kühlräumen) >> z.B. fürBeheizung und/oder Warmwasserbereitung [direkt oder über Wärmepumpe]
Kältetechnik + Anlagenoptimierung
Dipl.-Ing.(FH) Frank Petersen Juni 2008 Seite 2/2
(12) Nutzung der Fortluft zu Rückkühlzwecken: im Vergleich zur Trockenkühlung besser, dageringeres Temperaturniveau [Voraussetzung: konsequent paralleler Betrieb von Kälte-und Lüftungsanlage sowie ein ausreichender Luftvolumenstrom]
(13) Nächtliche freie Kühlung: durch geöffnete Fenster [Voraussetzung: Doppelfassadeoder gelüfteter Innenhof] oder unkonditionierte mechanische Lüftung
(14) Freie Kühlung im Winter: bei Einsatz von Trockenkühlern kann in der kalten Jahreszeitdie Kältemaschine komplett weggeschaltet werden und die Kälteerzeugung erfolgt direktüber die Trockenkühler
(15) Solare Kühlung: Kälte zur Klimatisierung solar erzeugen über Sonnenkollektoren inVerbindung mit einer Absorptionskältemaschine [„Kälte auf Bestellung“ >> wenn dieSonne scheint ...]
(16) Eisspeicher: Stromkosten minimieren durch Kappung der Leistungsspitze >> Ab-schalten der Kältemaschinen im Zeitbereich hoher elektrischer Abnahmen durch Vor-haltung einer „Kältereserve“ mittels Eisspeicher
(17) Kälteerzeugung über Außenluft: bei ganzjährigen Dauerverbrauchern (z.B. LAN-Raum)ermöglicht die Kälteerzeugung durch Nutzung des niedrigen Temperaturniveaus derAußenluft ein Abschalten der Kälteerzeugungsanlage in der kalten Jahreszeit