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Effizienz von Kühlanlagen: eine praxisnahe Veranschaulichung

25/11/2017

In den meisten Industrieländern entfallen etwa 6% des Energieverbrauchs auf die Klima- und Kältetechnik. Dasselbe gilt für viele heiße Länder, in denen bis zu 40% der Energie in Städten durch Klimaanlagen verbraucht werden, und dies könnte in aufstrebenden Entwicklungsländern ein großes Problem darstellen.


Aufgrund der aktuellen Klimatrends, die eine Erhöhung der globalen Temperaturen zur Folge haben, liegen Anhaltspunkte für eine progressive Zunahme der Kühllast in den meisten Städten der Welt vor. In diesem Kontext wird die Energieeffizienz von Kühleinrichtungen immer wichtiger. Alle aktuellen Designprojekte müssen mit dem Ziel implementiert werden, praxisnahen Szenarien (die vorkommen, wenn Kühlsysteme in Betrieb sind) möglichst ähnliche Ergebnisse zu erzielen. Der Schlüssel hierzu ist stets, den Energiebedarf des Kühlsystems vorherzusagen und zu verstehen, wie sich das Kühlsystem verhält, wenn es in Betrieb ist. Selbstverständlich ist die Durchführung dieser Aufgabe keineswegs einfach; ihre Nichtdurchführung hingegen erhöht das Risiko, dass die betreffende Einrichtung widrigen Situationen ausgesetzt ist. Es gibt bestimmte Aspekte, die von Kühlanlagenkonstrukteuren berücksichtigt werden müssen.

Die sogenannte Compliance orientiert sich gewöhnlich an den von der Eurovent-Zertifizierungsorganisation definierten ESEER-Werten. Kurz gefasst wird der ESEER berechnet, indem man die EER-Werte für Voll- und Teillastbetrieb bei verschiedenen jahreszeitlichen Luft-/Wassertemperaturen mit den entsprechenden Gewichtungsfaktoren kombiniert. Wie erwartet veröffentlichen Hersteller die ESEER-Werte unter Zugrundelegung von Bedingungen, die generell nicht denjenigen entsprechen, denen eine bestimmte Einrichtung ausgesetzt ist. Deshalb sind ESEER-Werte wichtig, wenn es um den Vergleich der Leistung von ähnlicher Kühlausrüstung geht; allerdings reflektieren sie nicht immer die wahre Leistung einer in Betrieb befindlichen Kühlanlage.

Für die europäische Region normalerweise benutzte ESEER-Werte, wie in der folgenden Tabelle gezeigt:

 

 

Diese Betriebsbedingungen bei verschiedenen Teillasten werden benutzt, um die Effizienz vieler internationaler Kaltwassersätze zu messen; sie spiegeln jedoch nicht unbedingt die Klimaverhältnisse eines bestimmten Landes oder einer bestimmten Region wider. In einigen Gegenden ist es unwahrscheinlich, dass bei der ESEER-Berechnung angenommene Temperaturen, bei Teillasten von 100%, vorliegen. Beispielsweise werden die 30°-C-Temperaturen in Süddeutschland im Schnitt nur 24 Stunden pro Jahr überschritten; Fachleute können jedoch den Wert von 33% (einer Außentemperatur von 30°C entsprechend) benutzen.

 

In diesem Sinne ist festzuhalten und zu bedenken, dass Energiesimulationen nur ungefähr sind und nicht verwendet werden können, um einen präzisen-ESEER Wert zu ermitteln und das Systemverhalten zu verstehen.

 

Praxisnahes Beispiel für die Optimierung der Kühlanlageneffizienz

 

Beim Konstruktionsverfahren werden gewöhnlich die kritischsten Werte benutzt. Bei Kühlanlagen sind dies die höchsten Kühlbedarfswerte während der höchsten Umgebungstemperaturen. Hinzu kommt, dass ein Kühlanlagenkonstrukteur heute auch die Verteilung von Lasten ermitteln muss.

 

All dies hat seinen Grund: Kühlsysteme arbeiten häufig mit Teillasten, und dies kann zu einem Effizienzverlust führen. Beim Auswählen der Ausrüstung, wobei man die Spitzenbelastungen als Bezug nimmt, hat man immer ein Minimum für die Kühlanlagenleistung, das über dem tatsächlichen Bedarf des Gebäudes liegt – entweder wegen der Mindestkühlleistung eines Kaltwassersatzes (als Beispiel) oder weil die Technologie der Ausrüstung die Verwendung von Energie aus einem Rückgewinnungsverfahren erlaubt.

 

Dies mag zwar unwichtig erscheinen, kann aber eine Abnutzung des Systems aufgrund der ständigen Ein- und Abschaltzyklen bewirken, die Effizienz verringern und Probleme bereiten. Dadurch werden wiederum der Wartungsbedarf und die Betriebskosten erhöht.

 

Bei der Auswahl eines Kaltwassersatzes empfiehlt sich, die Möglichkeit der Veränderung des Betriebsbereichs der Kühlanlage zu untersuchen. Beispiel: während der normalen Betriebszeiten liegt der Kühllastbedarf gelegentlich (aufgrund von Überdimensionierung) unterhalb der Mindestleistung. Bei erweitertem Anwendungsbereich der Kühlanlage kann Sequenzierung zur Erhöhung der Effizienz benutzt werden: dabei können Kaltwassersätze abwechselnd oder gleichzeitig arbeiten und die besten Ergebnisse erzielt werden.

 

 

Aus der Kühlanlagen-Leistungsanalyse geht hervor, dass COP-Werte je nach Veränderung der Kühllast schwanken. Bei einer Anlage mit einem einzigen Kaltwassersatz ist die Gesamteffizienz alles andere als optimal. Falls der Kühlbedarf unter zwei gleichen, mit demselben Sequenzmanagement laufenden Kaltwassersätzen aufgeteilt wird, nimmt die Anlagengesamtleistung zu, während die Häufigkeit der Verdichterzyklen abnimmt.

 

 

Die Kombination von Kaltwassersätzen mit ungleichen Kühlleistungen von 35% und 65% erweist sich bei einen höheren ESEER-Gesamtwert als am effizientesten. Wie aus dem obigen Graphen ersichtlich ist, erreicht die Kühlanlage bei recht niedrigen Teillasten eine hohe Effizienz.

 

 

Diese Ergebnisse beantworten die zu Anfang gestellte Frage. Zur Erzielung der besten Energieeffizienz ist es notwendig, alle Variablen auszuwerten, die das Verhalten der Kühlanlage beeinflussen können – darunter rücklauf- und versorgungsseitige Kaltwassertemperaturen, Umweltbedingungen, Kühlbedarf und alles, was im Laufe der Zeit schwanken kann. Weil der Konstrukteur über tiefschürfende, auf Simulationen gestützte Systemkenntnisse verfügt, kann er die betriebliche Leistung vorhersagen: dadurch werden künftig Ausfälle bzw. hohe Wartungskosten vermieden und sind höhere Energieeinsparungen möglich.

 

Weitere Information über die Sequenzierung von Kaltwassersätzen finden Sie im Artikel "Sequenzmanagement für Kälteanlagen".

 

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