die Scroll-effizienz

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Zur Klimatisierung und Kühlung von Gebäuden haben Wasser- und Flüssigkeitskühlsätze die Aufgabe,
kaltes Wasser oder Wasser-Glykol-Gemische zu erzeugen, die zum Betrieb von Kühlern in RLT-Geräten,
Kühldecken, Ventilatorkonvektoren und Induktionsgeräten benötigt werden. Im Kälteleistungsbereich von etwa 20 bis 350 kW haben in den vergangenen Jahren mit Scrollverdichtern ausgestattete
Wasserkühlsätze die Marktführerschaft übernommen.
Die Scroll-Effizienz
Wasserkühlsätze mit Scrollverdichtern für Klimaanwendungen
Zum Einstieg in den Beitrag wird
anhand eines Beispiels zunächst
beschrieben, wie ein Wasserkühlsatz zur Erzeugung von Klimakälte
arbeitet. Dieses Beispiel berücksichtigt einen typischen Fall, bei
dem der Wasserkühlsatz Kaltwasser für den Kühler in einem RLTGerät erzeugt. Das im Wasserkühlsatz erzeugte Kaltwasser (Temperatur etwa 6 bis 8 °C) wird von einer
Pumpe zum Kühler im RLT-Gerät
befördert. Beim Durchströmen des
Kühlers nimmt das Wasser Wärme
aus der zu kühlenden Luft auf und
strömt mit einer Temperatur von
12 bis 14 °C aus dem Kühler zurück
zum Verdampfer des Wasserkühlsatzes. Dort reicht die Temperatur
von 12 bis 14 °C aus, um das Kältemittel, zum Beispiel R410A, zu verdampfen. Das nun gasförmige
Kältemittel wird vom Verdichter
angesaugt und dort verdichtet.
Dabei erhöhen sich Druck und
Temperatur des Kältemitteldampfs. Das nun unter hohem
Druck stehende heiße Kältemittelgas gelangt anschließend in den
Abb. 1: Häufig werden luftgekühlte Wasserkühlsätze auf Gebäudedächern aufgestellt. Über Rohre gelangt dann das kühle Wasser zu den Verbrauchern im Gebäude.
(Abb. Swegon Climate Systems)
Verflüssiger (Kondensator), in dem
es seine Wärme an einen weiteren
Stoffstrom abgibt. Für diese Wärmeabgabe gibt es zwei Varianten:
luftgekühlte und wassergekühlte
Wasserkühlsätze.
Luftgekühlte Wasserkühlsätze
Bei luftgekühlten Wasserkühlsätzen besteht der Verflüssiger aus
Luft-Kältemittel-Wärmeübertragern, bei denen das gasförmige
chern oder im Freien in direkter
Nähe zum Gebäude aufgestellt.
Rund 70 % der in Deutschland verkauften Scroll-Wasserkühlsätze
sind luftgekühlt.
Wassergekühlte Wasserkühlsätze
Abb. 2: Ein luftgekühlter Wasserkühlsatz mit den im oberen Bereich angeordneten
Wärmeübertragern (Verdampfer) und den Axialventilatoren zur Luftförderung.
(Abb. Rhoss)
Kältemittel in den Kupferrohren
strömt (siehe Abbildung 2 ).
Bei den Verflüssiger-Wärmeübertragern gibt es zwei Varianten.
Erstens die klassischen Wärmeübertrager aus Kupferrohren mit
Aluminiumlamellen, zweitens die
noch recht junge Entwicklung von
Microchannel-Verflüssigern. Aufgrund ihrer speziellen Bauform
mit Kältemittelkanälen, die nur
wenige Millimeter Durchmesser
haben und somit im Vergleich zu
den Kupferrohr-Aluminiumlamellen-Wärmerübertragern bei gleichem Bauvolumen eine deutlich
größere Wärmeübertragungsfläche aufweisen, steigt bei den Microchannel-Wärmeübertragern
die energetische Effizienz des
Wasserkühlsatzes und die notwendige Kältemittelmenge kann
verringert werden (siehe Abbildung 3).
Von Axialventilatoren, die sich
oberhalb der Wärmeübertrager
befinden, wird Außenluft durch
die Verflüssiger-Wärmeübertrager
gesogen. Da die Außenluft kühler
ist als das heiße Kältemittelgas,
entzieht sie dem Gas Wärme, wodurch das Kältemittel kondensiert. In Abhängigkeit von der
Temperatur der Außenluft und
von der Menge der abzuführenden Wärme wird für die Wärmeabführung und für die Verflüssi-
gung des Kältemittels ein mehr
oder weniger großer Außenluftvolumenstrom benötigt. Um diesen
Luftvolumenstrom möglichst exakt an den Bedarf anzupassen und
elektrische Energie zu sparen,
werden die Ventilatoren über eine
Regelung (in Abhängigkeit des
Verflüssigerdrucks) entweder
drehzahlgeregelt betrieben, oder
es werden Ventilatoren einzeln zuoder abgeschaltet.
Luftgekühlte Wasserkühlsätze
werden meist auf Gebäudedä-
Bei wassergekühlten Wasserkühlsätzen ist der Verflüssiger des Kältekreislaufs ein KältemittelWasser(Sole)-Wärmeübertrager.
Darin gibt der Kältemitteldampf
seine Wärme an einen Wasseroder Solekreislauf ab, der mit einem im Freien aufgestellten Rückkühler oder bei großen Leistungen
mit einem Kühlturm verbunden
ist. In dem Rückkühler wird dann –
ähnlich wie bei luftgekühlten Wasserkühlsätzen – die dem Verflüssiger entzogene Wärme an die Außenluft abgegeben (siehe Abbildung 4).
Wassergekühlte Wasserkühlsätze
werden meist in Technikräumen
von Gebäuden aufgestellt, wenn es
im Außenbereich zum Beispiel besonders hohe Anforderungen an
niedrige Schallemissionen gibt
oder auf dem Dach beziehungsweise neben dem Gebäude die
Platzverhältnisse eingeschränkt
sind.
So werden die Geräte
ruhig gestellt
Abb. 3: Ein Microchannel-Wärmeübertrager (Vordergrund) und ein konventioneller Kupferrohr-AluminiumlamellenWärmeübertrager im Vergleich.
(Abb. cci Dialog GmbH)
Neben den thermischen Leistungen geht es bei Wasserkühlsätze
oft auch um einzuhaltende Schallleistungspegel. Da Wasserkühlsätze oft Schallleistungspegel von 90
dB(A) und mehr aufweisen, müssen häufig bei Geräten, die im Freien aufgestellt werden, Maßnahmen zur Geräuschminderung vorgenommen werden. Dafür bieten
die Hersteller ihre Geräte optional
in „low noise-“ oder sogar in „super
low noise“-Ausführungen an. Bei
diesen Geräten werden die Schallemissionen zum Beispiel durch eine
Kapselung der Verdichter, den Einsatz besonders geräuscharmer
Ventilatoren, flexible Verbindungs-
Kältemittel für Scroll-Wasser­
kühlsätze
Abb. 4:
Ein wassergekühlter
Wasserkühlsatz mit dem im oberen
Bereich angeordneten Kältemittel-WasserWärmeübertrager. (Abb. Aermec)
leitungen zwischen Verdichter und
Verflüssiger sowie durch vergrößerte Verflüssigerflächen um mehrere dB(A) verringert. Eine andere
oder ergänzende Maßnahme ist,
den Wasserkühlsatz in einer schallreduzierenden Einhausung aufzustellen.
Leistungszahlen und Label
Eine wichtige Größe zur Beurteilung der energetischen Effizienz
eines Wasserkühlsatzes ist der EERWert (EER = Energy Efficiency Ratio). Er beschreibt den Nutzen des
Wasserkühlsatzes (erzeugte Kälteleistung Qth in kW) im Verhältnis
zum dafür benötigten Aufwand,
also dem Bedarf an elektrischer
Energie zum Betrieb des Verdichters, der Verflüssigerventilatoren
und der Leistung der Umwälzpumpe für den Kaltwasserkreislauf (in
Pel). Aus dem von der europäischen
Zertifizierungsorganisation Eurovent, Paris, entwickelten Verfahren
zur Leistungsprüfung von Wasserkühlsätzen bei Nennleistung (EER)
wurde ein Labellingsystem abgeleitet, nach dem die Wasserkühlsätze in Abhängigkeit vom EERWert in die Effizienzklassen A
(beste) bis G (schlechteste) eingeordnet werden (siehe Tabelle).
Luft
Wasser
A
> 3,1
> 5,05
B
> 2,9
> 4,65
C
> 2,7
> 4,25
D
> 2,5
> 3,85
E
> 2,3
> 3,45
F
> 2,1
> 3,05
G
< 2,1
< 3,05
Die Effizienzlabel A bis G für Wasserkühlsätze in Abhängigkeit von den
EER-Werten und der Bauart luft- oder
wassergekühlt.
In Ergänzung zum EER-Wert gibt es
noch den ESEER-Wert (European
Seasonal Energy Efficiency Ratio),
der eine Arbeitszahl des Wasserkühlsatzes charakterisiert. Der
ESEER-Wert ist eine Kombination
aus EER-Werten, die bei 100 %,
75 %, 50 % und 25 % der Nennleistung des Wasserkühlsatzes ermittelt werden. Auf Basis dieser Einzelwerte ergibt sich der ESEER zu
ESEER = 0,03 x EER100 + 0,33 x
EER75 + 0,41 x EER50 + 0,23 x
EER25
ESEER-Werte liegen meist um etwa
25 bis 35 % über den EER-Werten
und reichen bei den derzeit energetisch besten Scroll-Wasserkühlsätzen bis etwa ESEER > 5,0.
Ein in früheren Jahren noch sehr
wichtiges Thema war, mit welchen
Kältemitteln kompakte Wasserkühlsätze betrieben werden sollen.
Diese Diskussionen sind zwischenzeitlich beendet, da sich speziell für
Scroll-Wasserkühlsätze das Kältemittel R410A durchgesetzt hat.
Hinzu kommt ein geringer Prozentsatz von Geräten, die mit dem Kältemittel R407C betrieben werden.
Das Kältemittel R134a wird meist
in Schrauben- und Turbo-Wasserkühlsätzen eingesetzt. Gegenüber
den synthetischen Kältemitteln
spielen natürliche Kältemittel wie
Ammoniak, Propan/Butan und CO2
in Scroll-Wasserkühlsätzen trotz
ihrer oft guten thermodynamischen Eigenschaften und Umweltvorteilen eine vernachlässigbar
geringe Rolle. Hier wird oft auf die
negativen Eigenschaften der natürlichen Kältemittel (brennbar,
giftig, hoher Druck) verwiesen. Da
die Wasserkühlsätze aber industriell hergestellt werden und kompakte, hermetisch dichte Kältekreisläufe aufweisen, ist der Einsatz von natürlichen Kältemitteln
in Scroll-Wasserkühlsätzen – die
aber darauf hin noch technisch zu
entwickeln oder anzupassen sind
– problemlos möglich. Außerdem
ist zu erwarten, dass die kommende F-Gase-Verordnung stark zu einer stärkeren Nutzung natürlicher
Kältemittel in Wasserkühlsätzen
beitragen wird.
Wasserkühlsätze und die F-GaseVerordnung
Da Wasserkühlsätze mit Kältemitteln arbeiten, unterliegen sie Anforderungen aus mehreren Verordnungen. Die wichtigste ist die FGase-Verordnung der EU, die ab
Anfang 2014 in einer verschärften
Fassung in Kraft treten soll. Ausführliche Beiträge zur F-Gase-Verordnung und deren Anforderungen befinden sich in cci Wissen-
sportal (www.cci-dialog.de). Daher
nachfolgend nur einige wichtige
Anforderungen aus diesen Verordnungen:
–– Jegliche Eingriffe in den Kältemittelkreislauf, zum Beispiel das
Befüllen bei der Installation und
bei der Inbetriebnahme sowie
das Nachfüllen von Kältemitteln
bei Service und Wartung des
Geräts, dürfen ausschließlich
von dafür zertifizierten Fachleuten vorgenommen werden.
–– In Abhängigkeit vom Baujahr des
Wasserkühlsatzes und von der
Menge des darin befindlichen
Kältemittels gibt es Inspektionsund Kontrollpflichten zur Dichtheit des Kältekreislaufs von drei
bis 12 Monaten. Die neue F-Gase-Verordnung sieht vor, dass
diese Kontrollpflichten künftig in
Abhängigkeit von der Art des
Kältemittels (GWP-Wert) neu
definiert werden. Dabei sollen
Wasserkühlsätze mit natürlichen Kältemitteln (geringe GWPWerte) gegenüber mit F-Gasen
betriebenen Geräten erheblich
bevorteilt werden.
–– In der Diskussion über die neue
F-Gase-Verordnung ist auch, ab
2020 neue Kälteanlagen mit FGasen (R134a, R407C, R410A)
generell zu verbieten und bis
dahin Steuern auf F-Gase-Kältemittel einzuführen.
Dr. Manfred Stahl, cci Zeitung
13/2013 (Nov.)
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