0325966ABC EVASOLK-Schlussbericht Oeffentlich 13August2013

Evaluierung der Chancen und Grenzen von solarer Khlung im Vergleich zu Referenztechnologien

Schlussbericht ffentlicher Teil

Zuwendungsempfnger: Frderkennzeichen:

Fraunhofer ISE (Koordination) Fraunhofer-Institut fr Solare Energiesysteme Heidenhofstrae 2

79110 Freiburg

ILK Dresden Institut fr Luft- und Kltetechnik gemeinntzige Gesellschaft mbH Bertolt-Brecht-Allee 20

01309 Dresden

ZAE Bayern Bayerisches Zentrum fr Angewandte Energieforschung e.V. Walther-Meissner-Strae 6 85748 Garching

0325966A

0325966B

0325966C

Vorhabenbezeichnung:

EvaSolK: Evaluierung der Chancen und Grenzen von solarer Khlung im Vergleich zu Referenztechnologien

Laufzeit des Vorhabens:

01.06.2010 bis 31.12.2012

Autoren:

Edo Wiemken, Dipl.-Phys.

Dr. Mathias Safarik, Dipl.-Ing. (FH)

Peter Zachmeier, Dipl.-Ing. (FH)

Kilian Hagel, Dipl.-Ing. (FH)

Sebastian Wittig, Dipl.-Ing.

Prof. Dr. Christian Schweigler, Dipl.-Phys.

Bjrn Nienborg, Dipl.-Ing. (FH), M.Sc.

Anna R. Petry Elias, Dipl.-Wirt.-Ing (FH)

Gefrdert vom Bundesministerium fr Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages.

Die Verantwortung fr den Inhalt dieser Verffentlichung liegt bei den Autoren.

Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Khlung im Vergleich zu Referenztechnologien

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13. August 2013


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Inhaltsverzeichnis

1 Aufgabenstellung ............................................................................................................................................................. 5

2 Zusammenfassung ........................................................................................................................................................... 7

3 Referenztechnologie .................................................................................................................................................... 10

3.1 Vermessung bestehender Anlagen 10

3.2 Vermessungen ILK Dresden 11 3.2.1 Beschreibung der Kltesysteme ................................................................................................................................... 11 3.2.2 Messmethode ........................................................................................................................................................................ 13 3.2.3 Ergebnisse .............................................................................................................................................................................. 16 3.2.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerung ................................................................................................................ 23

3.3 Vermessungen ZAE Bayern 24 3.3.1 Kaltwassersatz zur Versorgung einer Flchenkhlung ..................................................................................... 24 3.3.2 Kaltwassersatz zur Versorgung einer Umluftkhlung ....................................................................................... 30 3.3.3 Mono-Split-Gert Markenanbieter .......................................................................................................................... 37 3.3.4 Khlzelle zur Lebensmittelkhlung ............................................................................................................................ 43 3.3.5 Zusammenfassung und Schlussfolgerung ................................................................................................................ 49

3.4 Prognose Kltetechnik Expertenumfrage 50

4 Analyse solarthermische Khlung .......................................................................................................................... 55

4.1 Marktbersicht und technische Analyse von Absorptions- und Adsorptionsklteanlagen kleiner Leistung 55

4.2 Praxisdaten Absorption / Adsorption 55

4.3 Entwicklungspotenzial Apparatetechnik 56

4.4 Entwicklungspotenzial Systemtechnik 56

5 Vergleichsstudie Solare Khlung in Gebuden .................................................................................................. 57

5.1 Vorbemerkungen 57

5.2 Methodischer Ansatz 59 5.2.1 Standorte ................................................................................................................................................................................ 59 5.2.2 Anwendungen ....................................................................................................................................................................... 61 5.2.3 Systemkonfigurationen .................................................................................................................................................... 64 5.2.4 Modellierung und Simulation ........................................................................................................................................ 66 5.2.5 Referenz + PV ........................................................................................................................................................................ 67 5.2.6 Bewertungsgren ............................................................................................................................................................. 68 5.2.7 Kosten und Preise ............................................................................................................................................................... 76

5.3 Ergebnisse 78 5.3.1 Standardkonfigurationen ................................................................................................................................................ 78 5.3.2 Andere Konfigurationen .................................................................................................................................................. 89 5.3.3 Abschtzungen zu optimierter TKM-Technik ........................................................................................................ 93 5.3.4 Alternative Kostenbeurteilung ..................................................................................................................................... 95 5.3.5 Vernderungen im Netzaustausch .............................................................................................................................. 97 5.3.6 Sensitivitt .......................................................................................................................................................................... 100

5.4 Zusammenfassung Vergleichsstudie Solare Khlung in Gebuden 104


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6 Solare Prozesskhlung .............................................................................................................................................. 108

6.1 Technische Analyse und Anwendungsbeispiele 108

6.2 Anlagenverfgbarkeit 113

6.3 Erarbeitung und Vergleich beispielhafter Systemkonfigurationen 115 6.3.1 Anforderungen .................................................................................................................................................................. 115 6.3.2 Solarthermische Klteerzeugung .............................................................................................................................. 115 6.3.3 Kompressions-Absorptions-Kaskade...................................................................................................................... 116 6.3.4 Absorptionsklteanlage mit Kompressionsklte-Backup .............................................................................. 117 6.3.5 Solarelektrische Klteerzeugung .............................................................................................................................. 118

6.4 Simulationsrechnungen und -modelle 118 6.4.1 Randbedingungen und Systemauswahl ................................................................................................................. 118 6.4.2 Netzgekoppeltes Kompressionskltesystem (Referenz) ............................................................................... 119 6.4.3 PV-untersttztes Kompressionskltesystem ...................................................................................................... 120 6.4.4 Solarthermische Khlung ............................................................................................................................................. 121

6.5 Ergebnisse 123 6.5.1 Netzgekoppeltes Kompressionskltesystem (Referenz) ............................................................................... 123 6.5.2 PV-untersttztes Kompressionskltesystem ...................................................................................................... 123 6.5.3 Solarthermische Khlung mit netzelektrischem Kompressions-Backup ............................................... 125

7 Verffentlichungen ..................................................................................................................................................... 128

8 Literatur ......................................................................................................................................................................... 129

Anhnge ................................................................................................................................................................................... 132

Anhang A5.1 Nomenklatur 133

Anhang A5.2 Standorte (solare Khlung in Gebuden) 134

Anhang A5.3 Anwendungen (solare Khlung in Gebuden) 136

Anhang A5.4 Konfigurationen (solare Khlung in Gebuden) 141

Anhang A5.5 Virtuelle Messstellen (solare Khlung in Gebuden) 143

Anhang A5.6 Komponentenbeschreibung 144

Anhang A5.7 Energiepreise, Wandlungsfaktoren 153

Anhang A5.8 Solarthermische Khlung in Kltenetzen 154


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1 Aufgabenstellung

Aufgrund einer hohen zeitlichen Korrelation von Solarstrahlung und Khlbedarf scheint solare

betriebene Khlung ein interessanter Weg zu sein, um Klte aus erneuerbaren Energien zu erzeu-

gen. Entwicklungen und Forschungen zu diesem Thema werden im Allgemeinen unter dem Begriff

Solare Khlung gefhrt. Obwohl der Begriff lediglich Khlung und Solarenergie miteinander ver-knpft, impliziert der Begriff bis dato im Allgemeinen solarthermische Khlung. Dabei wird Solar-

energie als Wrme genutzt und dient als Antrieb fr eine thermisch betriebene Kltemaschine. Wird

Solarenergie mittels Photovoltaikmodulen in elektrische Energie umgewandelt die ihrerseits eine

Kompressionskltemaschine antreibt, so liegt auch eine solare Khlung vor. Der Konversionspfad

ber elektrische Energie wurde bislang aber kaum beschritten oder beforscht, da Kosten fr PV-

Strom noch vor 10 Jahren ber dem 2 - 3fachen der privaten Endkundenpreise lagen. Somit er-

schien der Weg, Solarenergie in Strom und anschlieend Klte umzuwandeln, zu kostenintensiv und

somit zu wenig Erfolg versprechend.

Seit einigen Jahren, insbesondere seit Einfhrung des Erneuerbaren-Energien-Gesetzes in Deutsch-

land im Jahr 2000, hat sich die Photovoltaik zum Massenmarkt entwickelt und die Kosten konnten

stark gesenkt werden. Inzwischen liegt der Preis fr die Einspeisung von elektrischer Energie aus

Photovoltaik unter dem Bezugspreis fr Haushaltskunden. Somit erscheint die Idee, Solarenergie

ber den Konversionspfad der elektrischen Energie zur Khlung zu nutzen, inzwischen als potenzi-

ell interessant.

Obwohl in der Vergangenheit bereits einige ffentlich gefrderte Projekte zum Thema Solare Kh-

lung (thermisch) durchgefhrt wurden, konnte sich diese Art der Khlung noch nicht als relevante

Gre am Markt etablieren. Allerdings wurden im Rahmen dieser Projekte bereits Erfahrungen

gesammelt, wie solarthermische Khlungen aufgebaut werden knnen, welche Besonderheiten zu

beachten sind und in welchen Punkten noch Optimierungsbedarf besteht.

Ziel des Projektes EvaSolK (Evaluierung der Chancen und Grenzen von Solarer Khlung im Ver-

gleich zu Referenztechnologien) ist es, das Potenzial von solarer Khlung bezglich Primrenergie-

einsparungen und CO2-Emissionsvermeidungen im Vergleich zu Referenztechnologien zu ermitteln

und aussichtsreiche Anwendungen unter Einbeziehung von Kostenabschtzungen darzustellen.

Die inhaltliche Gliederung des Projektes ist in Abbildung 1.1 gezeigt. Arbeitsschwerpunkte bilden

dabei das Monitoring zu konventioneller Kltetechnik und die Durchfhrung der Vergleichsstudien

zur Solaren Khlung. Im Monitoring wurden acht unterschiedliche Anlagen der konventionellen

Khl- und Kltetechnik messtechnisch begleitet, um einen stichprobenartigen berblick ber Be-

trieb und Leistung der Referenztechnik zu erhalten. Die Ergebnisse sind sowohl fr die Durchfh-

rung der Vergleichsstudien im Projekt als auch fr projektbergeordnete Abschtzungen zur Leis-

tungsfhigkeit der gegenwrtigen Kltetechnik von Bedeutung.

In den Vergleichsstudien wurden zahlreiche Modellrechnungen zu unterschiedlichen Anwendungen

und mit unterschiedlichen Anlagenkonfigurationen durchgefhrt, um Vor- und Nachteile der unter-

schiedlichen Optionen fr eine solar untersttzte Khlung darzustellen. Aus Aufwandsgrnden

beschrnkt sich der untersuchte Anwendungsbereich in EVASOLK auf geschlossene Systemtechni-

ken; Anlagen mit luftgesttzter offener Klimatisierung (z.B. offene sorptionsgesttzte Klimatisie-

rung mit solarer Wrme) sind nicht Gegenstand der Untersuchungen.


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Referenztechnik

Monitoringkonventionelle

Khlung

PrognoseKltetechnik

Solare Khlung

Analysesolarthermische

Khlung

Analyse solare Prozesskhlung

Vergleichsstudien

VergleichsstudieSolare Khlung in

Gebuden

Vergleichsstudie Solare

Prozesskhlung

Identifizierung vorteilhafter

Anwendungen

Abbildung 1.1 Projektstruktur von EVASOLK.


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2 Zusammenfassung

Eine detailliertere Zusammenfassung der Einzelergebnisse im Projekt findet sich jeweils im Ab-

schnitt 3.2.4 und 3.3.5 sowie jeweils am Ende der Abschnitte 5 und 6.

Im Teil Referenztechnologie des Projektes (Abschnitt 3) wurde der gegenwrtige Stand der den

Markt dominierenden Kompressionskltetechnik fr Klimatisierungs- und Prozesskhlanwendun-

gen im Leistungsbereich bis 50 kW Klteleistung betrachtet.

ber die Angaben der Hersteller zur Effizienz im Nennbetrieb hinaus liegen nur sehr wenige verf-

fentlichte Ergebnisse von Anlagen im realen Betrieb vor. Innerhalb des Projektes wurden daher acht

Kompressionsklteanlagen vermessen, sechs im Bereich der Komfortklimatisierung, zwei im Be-

reich der Prozesskhlung.

Die Ergebnisse der Vermessung zeigen eine weitgehende bereinstimmung der im Jahres- bzw.

Saisonverlauf erreichten Effizienzwerte mit Modellen, die im Bereich der Normung zur Beschrei-

bung der energetischen Effizienz verschiedener Typen von Kompressionsklteanlagen verwendet

werden. Allerdings gilt dies nur, wenn die Anlagen bestimmungsgem bzw. sinnvoll betrieben

werden. Infolge berdimensionierung der Klteanlage, ungnstiger Regelung bzw. fehlender Kom-

munikation zwischen Erzeuger und Verbraucher traten teilweise berproportional hohe Hilfsener-

gieverbruche auf bzw. wurden die Anlagen in sehr niedriger Teillast betrieben. Dadurch lag die

Effizienz einiger Anlagen unter den eigentlich zu erwartenden Werten.

Insgesamt dienten die gewonnenen Ergebnisse zur Validierung der im Simulationsteil des Vorha-

bens verwendeten Modelle fr die Kompressionskltetechnik.

Mittels einer Expertenbefragung wurden Entwicklungstendenzen und potentiale im Bereich der Kompressionskltetechnik ermittelt. Dabei wurde deutlich, dass die meisten Befragten von einer

weiter zunehmenden Verbreitung von Klimagerten in Gebuden ausgehen. Eine berwiegende

Mehrheit geht auch davon aus, dass die Energieeffizienz der Gerte in Zukunft weiter steigen wird

und auch die Bedeutung der Effizienz als Entscheidungskriterium des Kunden zunimmt.

Im Abschnitt 4 des Berichtes wird hauptschlich auf den separaten Bericht zur Analyse der solar-

thermischen Khlung hingewiesen. In diesem Dokument wird eine grundlegende Einfhrung in die

Technik der thermisch angetriebenen Klteanlagen gegeben. Zudem werden die verschiedenen

Mglichkeiten der thermischen Khlung aufgezeigt sowie die Abgrenzung der einzelnen Techniken

untereinander gezogen. Neben einer Marktbersicht werden die wichtigsten Erfahrungen von

solarthermischen Khlsystemen, die in vergangenen Projekten gesammelt wurden, dargestellt und

auf typische Probleme eingegangen. Diese beruhen zumeist auf einer mangelhaften Planung bzw.

Ausfhrung des gesamten Khlsystems, bei dem der thermische Klteerzeuger nur eine Komponen-

te ist. Eine hufige Folge hiervon ist ein erhhter Bedarf an elektrischer Energie. Gerade der ange-

strebte geringe elektrische Energiebedarf, verglichen mit konventioneller Kompressionskltetech-

nik, ist aber eines der Hauptargumente fr solarthermische Khlung. Ebenso werden die positiven

Erfahrungen von solarthermischen Khlungsprojekten herausgestellt, auf erzielte Erfolge hingewie-

sen und somit das Potenzial dieser Technik gezeigt.


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Zudem werden in diesem Berichtsteil aktuelle Entwicklungstrends bei geschlossenen thermischen

Klteerzeugern vorgestellt sowie das Optimierungspotenzial von System- und Apparatetechnik

diskutiert. Damit wird eine Abschtzung gegeben, welche Wirkung und Effizienz thermische ange-

triebene Klteerzeuger zuknftig erreichen knnen.

In der Vergleichsstudie Solare Khlung in Gebuden (Abschnitt 5) wird nicht ausschlielich solare

Khlung, sondern die energetische Einbettung der Khlung in die Gebudeversorgung Heizen und

Brauchwarmwasserbereitung betrachtet. Durch Modellrechnungen wurden einerseits unterschied-

liche marktgngige Anwendungen und Konfigurationen solarthermisch untersttzter Verfahren

verglichen mit konventioneller Gebudeversorgung (Referenz). Auf der anderen Seite erfolgte auch

ein Vergleich konventioneller Gebudeversorgung mit Erweiterung um einen netzgekoppelten PV-

Generator mit der Referenz. Hier wurden keine expliziten Manahmen der Steigerung des Eigen-

verbrauchs photovoltaisch erzeugten Stroms durch Speicherung oder Regelung betrachtet; lediglich

die PV-Generatorleistung wurde limitiert um bereits ohne weitere Manahmen eine hohe Aufnahme

des generierten Stroms vor Ort zu ermglichen.

Hinsichtlich der Marktverbreitung befindet sich die solarthermische Khlung gegenber konventio-

neller Kltetechnik noch deutlich im Nachteil; insbesondere die thermisch angetriebene Kltetech-

nik ist mit den Fertigungszahlen berwiegend im Kleinserien- oder Einzelstckbereich vergleichs-

weise teuer. Dies schrnkt gegenwrtig die Wirtschaftlichkeit solarthermischer Khlung auf An-

wendungsgebiete ein, in denen auch ein ganzjhrig hoher Brauchwarmwasserbedarf vorliegt und

damit eine sehr hohe Ausnutzung des Kollektorsystems gewhrleistet ist. Hier sind hohe Primr-

energieeinsparungen und CO2-Emissionsvermeidungen erreichbar. Eine sorgfltige Auslegung der

thermisch angetriebenen kltetechnischen Komponente (keine Auslegung auf Spitzenlast) unter-

sttzt die Wettbewerbsfhigkeit. Aufgrund der Kostendegression in den Investitionskosten der

Hauptkomponenten Solarkollektor und thermisch angetriebene Kltetechnik sind zudem groe

Anlagen noch gegenber Installationen mit kleiner Nennklteleistung im Vorteil.

Sdeuropische Standorte schneiden in der solarthermischen Khlung durch hohe Einstrahlungen

in der wirtschaftlichen Darstellung in der Regel deutlich gnstiger ab als Standorte in Mitteleuropa.

In der Entwicklung der Technologie sollte daher der Exportcharakter bercksichtigt werden.

Whrend in naher Zukunft nur moderate Effizienzsteigerungen in thermisch angetriebenen Verfah-

ren (Kollektoren und Kltemaschinen) erwartet werden knnen, sind deutliche Kostensenkungen in

diesen Hauptkomponenten und auch durch standardisierte Installationen eher wahrscheinlich.

Damit erweitert sich der Kreis der wirtschaftlich vorteilhaften Anwendungen, bleibt aber vermut-

lich noch mittelfristig auf Anwendungen mit zustzlich hohem Warmwasserbedarf beschrnkt.

Fr die Optionen der konventionellen Gebudeversorgung mit PV-Generator zeigt sich, dass dieser

Ansatz gegenwrtig deutlich wirtschaftlich vorteilhafter ist, wenn es hauptschlich um die Substitu-

tion von Netzstrom geht und fossile Energietrger keine dominante Rolle spielen. Je nach Anwen-

dungsart kann dabei die Unruhe im lokalen Stromnetz deutlich zunehmen (Netz-Stress) und als Hinweis auf wachsende Netzbelastung interpretiert werden. Der letzte Aspekt wurde hier nicht

monetr quantifiziert, kann aber in Regionen mit instabilem Stromnetz neben der Wirtschaftlichkeit

ein weiteres Entscheidungskriterium fr die Auswahl der Technologie darstellen.


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Fr den Bereich der solaren Prozesskhlung (Abschnitt 6) wurden eine bersicht zu den techni-

schen Ausfhrungsmglichkeiten hinsichtlich der solaren Klteerzeugung und der Kltespeicherung

sowie eine bersicht verfgbarer Komponenten erstellt. Zudem erfolgte eine beispielhafte Darstel-

lung bisher umgesetzter Projekte.

Im weiterfhrenden Teil wurden auf Grundlage der besonderen Anforderungen beispielhafte Sys-

temkonfigurationen fr solarthermisch und photovoltaisch untersttzte Prozesskltesysteme ent-

wickelt und analysiert sowie Vor- und Nachteile bewertet.

Je ein photovoltaisches und ein solarthermisches System wurden modelliert und unter Variation

verschiedener Parameter am Standort Palermo verglichen. Unter den gewhlten Randbedingungen

erreichte das photovoltaisch angetriebene System hhere Primrenergieeinsparungen und solare

Deckungsgrade als das solarthermisch untersttzte System. Auch wenn im Rahmen dieser Betrach-

tungen kein Kostenvergleich vorgenommen wurde, kann davon ausgegangen werden, dass unter

Annahme der aktuellen, deutschen Kostenstrukturen die solarelektrische Variante auch wirtschaft-

liche Vorteile bietet, sowohl gegenber dem Referenzsystem also auch gegenber der solarthermi-

schen Variante. Konzentrierende Kollektoren wurden nicht simuliert. Sie erreichen bei den erfor-

derlichen hohen Antriebstemperaturen einen hheren Wirkungsgrad, so dass derartige Systeme

bezglich der Primrenergieeinsparung und des solaren Deckungsgrades eher mit der photovoltai-

schen Variante konkurrieren knnen.


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3 Referenztechnologie

Autoren: Sebastian, Wittig, Mathias Safarik (ILK), Peter Zachmeier (ZAE)

3.1 Vermessung bestehender Anlagen

Obwohl Kompressionsklteanlagen den Markt der Kltetechnik dominieren, gibt es wenig Er-

fahrung bezglich deren in typischen praktischen Anwendungen erreichten Effizienzwerten. Es

sind lediglich Angaben von Prfstandmessungen verfgbar, die zur Klassifizierung herangezo-

gen werden knnen. Diese Werte stammen zum Teil von den Herstellern selbst, zum Teil von

externen Prfstellen wie z.B. der Eurovent Organisation. Die Werte werden allerdings unter La-

borbedingungen ermittelt. Inwieweit diese von der Realitt abweichen bzw. welche Besonder-

heiten oder gar Komplikationen - im Feld zustzlich auftreten, wird dabei nicht erfasst.

Um fr die Simulation eine Basis mit realen Jahresarbeitszahlen bzw. Effizienzwerten zu erhal-

ten, wurden insgesamt acht verschiedene Kompressionsklteanlagen fr ein Jahr messtech-

nisch berwacht. Die untersuchten Klteanlagen waren sowohl Bestandsanlagen als auch Neu-

installationen bei zufllig ausgewhlten Anwendern, die fr eine Projektzusammenarbeit ge-

wonnen wurden. Um ein mglichst realistisches Bild zu erhalten, wurde kein Einfluss auf die

Planung und Ausfhrung der Anlagentechnik genommen. Somit sollten typische Betriebszu-

stnde inklusive eventueller ber- oder Unterdimensionierung sowie die reale Einbindung ins

Gebude erfasst werden. Dieser Punkt ist insofern interessant, da das Monitoring von solar-

thermischen Khlungen hufig suboptimale Systemeinbindungen mit erhhtem sekundren

Energieverbrauch aufzeigt.

Nr. Anlagentyp Institut

Raumkhlgerte im Bro- und Wohnbereich (Komfortklimatisierung)

1 Kaltwassersatz, 515 kW zur Versorgung von Umluftkhlern (Kltemittel: R410A; Q0 = 13.1 kW)

ILK

2 Kaltwassersatz, 3050 kW zur Versorgung einer Flchen-/Deckenkhlung (Kltemittel: R407C; Q0 = 46.6 kW)

ZAE

3 Kaltwassersatz, 3050 kW zur Versorgung von Umluftkhlern (Kltemittel R410A; Q0 = 54 kW)

ZAE

4 Mono-Split-Gert, 25 kW, Baumarktklasse (Kltemittel: R410A, Q0 = 2.65 kW)

ILK

5 Mono-Split-Gert, 25 kW, Markenanbieter (Kltemittel: R410A, Q0 = 5 kW)

ZAE

6 Multi-Split-Gert, 1540 kW, Markenanbieter (Kltemittel: R410A, Q0 = 40 kW)

ILK

Anlagen zur Khllagerung

7 Normalkhlung von Lebensmitteln o.. (z.B. Gemse, Blumen), 1050 kW, mglichst Solesystem, sonst direktverdampfendes System (Kltemittel: R407C, Q0 = 17.4 kW)

ILK

8 Khlzelle zur Lebensmittelkhlung (z.B. Handel, Gastronomie); 25 kW, direktverdamp-fendes System (Kltemittel: R134a; Q0 = 2.0 kW)

ZAE

Tabelle 3.1.1 Im Betrieb untersuchte Kompressionsklteanlagen


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Das Monitoringprogramm umfasst Messungen an acht Klteanlagen, die sich hinsichtlich Ein-

satzzweck und Leistungsgre unterscheiden und sowohl Kaltwasserstze als auch direktver-

dampfende Systeme umfassen. Es wurden sechs Anlagen zur Gebudekhlung und klima-tisierung sowie zwei weitere Anlagen aus der gewerblichen Khllagerung vermessen. Der Kl-

teleistungsbereich der untersuchten Installationen umfasst ca. 2.5 kW bis 50 kW. In Tabel-

le 3.1.1 sind die definierten Anwendungsbereiche mit den jeweils vermessenen Anlagen aufge-

fhrt. Der Tabelle kann ebenfalls das jeweils zustndige Institut entnommen werden.

Von den acht betrachteten Klteanlagen wurden vier Anlagen vom ILK Dresden ausgesucht und

berwacht, weitere vier betreute das ZAE Bayern. Da diese Arbeiten hauptschlich von den je-

weiligen Instituten erledigt wurden, werden die Vorkommnisse und Ergebnisse der beiden Pro-

jektpartner getrennt dargestellt.

3.2 Vermessungen ILK Dresden

3.2.1 Beschreibung der Kltesysteme

Kaltwassersatz, 515 kW

Der Kaltwassersatz mit einer Nenn-Klteleistung von 13.1 kW ist auf dem Dach des Wirt-

schaftsgebudes einer Bundeswehrkaserne installiert (Abbildung 3.2.1). Er versorgt ber einen

Wasser-Glykol-Kreislauf Umluftkhler in verschiedenen Brorumen. Aufgrund bautechnischer

und formeller Verzgerungen konnte die Vermessung an diesem Gert erst im April 2012 be-

gonnen werden. Hinzu kamen technische Probleme nach der Inbetriebnahme, sodass whrend

der Projektlaufzeit nur 5.5 Stunden Verdichterbetrieb ausgewertet werden konnten.

Abbildung 3.2.1 Kaltwassersatz, Q0 = 13.1 kW (links) und Umluftkhler (rechts)

Mono-Split Gert, 25 kW, Baumarktklasse

Das in einem Baumarkt erworbene Gert (Abbildung 3.2.2) mit einer Nenn-Klteleistung von

2.65 kW wurde im Mai 2011 einer Laborvermessung unterzogen, mit der das Messverfahren

berprft wurde. Ende Juni 2011 wurde das Gert dann in einem vom ILK genutzten Bro in

Dresden in Betrieb genommen und ber die verbleibende Zeit der Khlsaison 2011 sowie der


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gesamten folgenden Khlsaison bis September 2012 betrieben worden. In diesem Zeitraum

leistete der Verdichter etwa 2800 Betriebsstunden.

Abbildung 3.2.2 Mono-Split-Gert, Q0 = 2.65 kW; Auen- (links) und Innengert (rechts)

Multi-Split-Gert, 1540 kW, Markenanbieter

Die VRF-Multi-Split-Anlage wurde im Frhsommer 2011 im Hauptgebude des ILK in Dresden

installiert (Abbildung 3.2.3). Insgesamt wird das Gebude von 6 Aueneinheiten mit einer

Nenn-Klteleistung von je 40 kW versorgt. Die vermessene Einheit khlt und heizt Bros auf

der Nord- und Sdseite des 3. OG sowie auf der Sdseite des 2. OG (insgesamt 25 Innengerte).

Der Messbetrieb lief vom Juni 2011 bis September 2012. Ausgewertet wurden 1219 Stunden

Khlbetrieb im Jahr 2011 und 2026 Stunden im Jahr 2012.

Normalkhlung von Lebensmitteln, 1050 kW

In einem Lehr- und Forschungsgebude in Dresden werden mehrere Khlzellen (+6C) betrie-

ben, die ber Luftkhler mittels Wasser-Glykol-Gemisch gekhlt werden (Temperaturen im

Vor-/Rcklauf: -2/+4C). Die Klte wird von zwei Solekhlstzen mit einer Nenn-Klteleistung

von je 17,4 kW erzeugt (Abbildung 3.2.3). Einer dieser Solekhlstze wurde vermessen. Mess-

werte wurden in dem Zeitraum April 2011 bis September 2012 aufgezeichnet. Den Auswertun-

gen liegen Messdaten von ca. 5726 Stunden Verdichterbetrieb zugrunde.

Abbildung 3.2.3 Multi-Split-Gert, Q0 = 40 kW (links); Solekhler, Q0 = 17.4 kW (rechts)


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3.2.2 Messmethode

Allgemeine Vorgehensweise

An den oben genannten Systemen wird messtechnisch die jeweils momentane Effizienz in ei-

nem ca. einjhrigen Messzyklus erfasst, um die aus Normen und Regelwerken entnommenen

Effizienzwerte der Klteerzeugung fr den Systemvergleich durch Ergebnisse aus der beschrie-

benen, nicht reprsentativen Auswahl an vermessenen Gerten zu untersetzen.

Zur Beurteilung der Klteanlagen bei direktverdampfenden Systemen (Split-Anlagen) werden

Kltemittel-Massenstrom (flssig), Kondensationsdruck, Verdampfungsdruck, Temperatur des

Kltemittels nach dem Kondensator (flssig) sowie vor dem Verdichter (gasfrmig), Lufttempe-

ratur am Kondensator-Eintritt, Auenluftfeuchte, ggf. luftseitige Temperaturen an einem In-

nengert und elektrische Leistungsaufnahme des Auengertes (Verdichter, Ventilator, Steue-

rung) gemessen. Unter Nutzung der vorliegenden Stoffdaten des jeweiligen Kltemittels wird

die momentane Klteleistung aus dem Messwerten berechnet.

Bei Kaltwasserstzen bzw. Solekhlern kann die Klteleistung ber den Kltetrgerkreislauf bi-

lanziert werden, sodass Kaltwasser-/Sole-Volumen- oder Massenstrom, Temperaturen des Kl-

tetrgers am Ein- und Austritt aus der Klteanlage zu vermessen sind. Darber hinaus werden

Lufttemperatur am Kondensator-Eintritt, Auenluftfeuchte, ggf. luftseitige Temperaturen an

einem Innengert und elektrische Leistungsaufnahme der Klteanlage (Verdichter, Ventilator,

Steuerung, evtl. Pumpe) erfasst (Abbildung 3.2.4).

Abbildung 3.2.4 Exemplarische Darstellung der Messstellen an einem Kaltwassersatz / Solekhler (links) und einem Split-Gert (rechts), T Temperaturerfassung mit PT-100 direkt im Medium, M Luft-feuchteerfassung, F Massestromerfassung mit Coriolis-Massendurchflussmesser, P Druckerfassung, J elektrische Leistungserfassung

Smtliche Sensoren sind mit einem Datalogger verbunden, welcher ber Fernzugriff bedient

und ausgelesen werden kann. Bei der Auswahl der Sensoren und des Installationsortes wurde

die Notwendigkeit der sehr genauen Messung der Kltemittel-Drcke, -Temperaturen sowie


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des Massestroms bercksichtigt (Genauigkeiten der verwendeten Messtechnik siehe Tabel-

le 3.2.1).

Sensor / Messbaustein Messbereich Genauigkeit

Drucksensor 0...40 bar (absolut) 0,1 % (FS)

Temperatursensor -50...100 C 0,1 K

Coriolis-Durchflussmesser (Mono-Split) 0...450 kg/h 0,1 % (FS)

Coriolis-Durchflussmesser (Multi-Split) 02000 kg/h 0,15 % (FS)

Magnetisch-Induktiver Durchflussmesser (Sole/Kaltwassersatz)

0,312 m/s 0,3 % + 2 mm/s

Elektrische Leistungsmessung 03 kW / 015 kW 2 % (FS)

Tabelle 3.2.1 Messbereich und Genauigkeit verwendeter Sensoren / Messbausteine

Aus den gemessenen bzw. berechneten Werten zur Klteleistung und dem elektrischen Ener-

giebedarf (Endenergie) lsst sich die Klteleistungszahl (EER) ableiten. Wenn nicht anders an-

gegeben beinhalten die Berechnungen nur den Endenergiebedarf des Auengertes (Verdich-

ter, Rckkhlung, Elektronik). Eventuell vorhandene Kaltwasserpumpen und Ventilatoren bzw.

weitere Verbraucher im Innengert werden zu Vergleichszwecken unterschiedlich bercksich-

tigt, was jeweils entsprechend gekennzeichnet wird.

Die Anlagenperformance lsst sich dann bei verschiedenen Temperaturbedingungen abbilden.

Soweit die erfassten Messwerte es zulassen, wird dazu die Leistungszahl ber der Temperatur-

differenz zwischen der Auenluft (zur Rckkhlung) und der Innenluft bei Split-Systemen bzw.

der Kltetrgervorlauftemperatur bei Kaltwassersystemen aufgetragen. Zur Einordnung dieser

Ergebnisse erfolgt die Gegenberstellung mit einer aus der Norm DIN V 185997 [18599, 2007] abgeleiteten Kennlinie zu den jeweiligen Kompressionskltesystemen. Diese Norm dient zur

Bewertung der Gesamtenergieeffizienz von Gebuden. Darber hinaus werden die Hersteller-

angaben mit den Messergebnissen verglichen. Die aus den Messwerten ber eine mglichst ge-

samte Khlsaison gemittelte Klteleistungszahl (sEER) wird, soweit mglich, ebenfalls berech-

net.

Validierung der Messmethode

Das Mono-Split-Gert wurde vor dem Monitoring einer Laborvermessung unterzogen. Dies er-

mglichte eine berprfung der Messmethode und eine Abschtzung der Ergebnisbeeinflus-

sung durch die Installation von Messtechnik im Kltekreislauf. Zur Vermessung im Labor wurde

der in Abbildung 3.2.5 dargestellte Versuchsaufbau gewhlt. Auen- und Innengert werden in

zwei durch eine Wand getrennten Klimazellen installiert. In beiden Zellen ist die Lufttempera-

tur ber Umluftkhler einstellbar. Die Lufttemperatur der Kalorimeterkammer, in der sich das Innengert befindet, wird durch einen elektrischen Widerstandsheizer auf die Soll-

Temperatur geregelt. Eine Einstellung der Luftfeuchte innerhalb der Kalorimeterkammer war nicht mglich. Im stationren Messbetrieb trat kein Kondensatanfall durch Luftentfeuchtung

auf. Die Kalorimeterkammer befindet sich innerhalb einer weiteren Klimazelle (Groe Zel-le), in der gleiche Temperaturbedingungen wie in der Kalorimeterkammer eingestellt wur-den.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 15

Abbildung 3.2.5 Versuchsaufbau der Laborvermessung des Mono-Split Gertes, T Temperatur mit PT-

100 direkt im Medium, M Luftfeuchte, F Massestrom mit Coriolis-Massendurchflussmesser, P Druck, J

Leistung

Die vom Innengert aufgenommene Wrme kann kalorimetrisch durch Summation der vom

elektrischen Widerstandsheizer abgegebenen Wrme und der durch die Trennwand zwischen

kleiner Zelle und Kalorimeterkammer bertragenen Wrme bestimmt werden. Letztere lsst sich aus den gemessenen Oberflchentemperaturen der Trennwand und einer bekannten

Konstante ableiten. Damit lsst sich die Klteleistung des Gertes errechnen. Parallel und unab-

hngig davon wird die Messmethode angewendet, welche auch bei dem Monitoring zum Ein-

satz kommt. Dabei werden an verschiedenen Stellen des Kltekreislaufes Druck, Temperatur

und Massestrom erfasst (vgl. auch Abbildung 3.2.5). Aus diesen Messwerten lsst sich ebenfalls

die Klteleistung berechnen. Die Abweichungen der Ergebnisse aus beiden Messmethoden lie-

gen in einem sehr kleinen Bereich von 2,2 % (siehe Abbildung 3.2.6). Der Einfluss der fr das Monitoring im Kltekreislauf installierten Messtechnik kann damit als ausreichend gering be-

wertet werden.

2.0

2.1

2.2

2.3

2.4

2.5

-5 0 5 10 15

Gem

essen

e K

lt

ele

istu

ng

[kW

]

Differenz Lufteintrittstemperatur Auen- / Innengert [K]

Messmethode Monitoring (Innentemp. 21 C)

kalorimetrisch Methode (Innentemp. 21 C)

Messmethode Monitoring (Innentemp. 27 C)

kolorimetrische Methode (Innentemp. 27 C)

Abbildung 3.2.6 Gegenberstellung der im Laborversuch parallel mit zwei verschiedenen Mess-

methoden bestimmten Werte fr die Klteleistung


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 16

3.2.3 Ergebnisse

Kaltwassersatz 515 kW

Bei dem vermessenen Kaltwassersatz kommt es immer wieder zu technischen Problemen und

Ausfllen whrend des Messzeitraumes. Die Anlage ist nicht leistungsgeregelt. Entsprechend

der Schalthysterese liegt die Kltetrgervorlauftemperatur zwischen ca. 9 C und 17 C (Abbil-

dung 3.2.7). Bei Erreichen des unteren Grenzwertes wird der KM-Verdichter deaktiviert und

erst bei Erreichen des oberen Grenzwertes aktiviert. Hierdurch ergibt sich ein intermittieren-

der Betrieb der Anlage. Die relativ kurze Klteerzeugungsphase von unter 5 Minuten innerhalb

eines Intervalls, sowie die geringe Temperaturdifferenz von Vor- und Rcklauftemperatur des

Kaltwassers bei deaktiviertem Kaltwassererzeuger lassen auf eine geringe bzw. keine Kltelast

in diesem Zeitraum schlieen. Messdaten zu Betriebsphasen mit hheren Kltelasten und ln-

geren Betriebszyklen liegen nicht vor.

Verdichter luft, KW-Pumpe luft

Verdichter steht, KW-Pumpe luft weiter, keine signifikante Klteabnahme

3 min 11 min

Abbildung 3.2.7 Typischer Leistungs- und Temperaturverlauf whrend der kurzen Betriebsphase des

Kaltwassersatzes im Juli - hier 04.07.2012 (1 Kaltwasser-Rcklauf (hellgrn), 2 Kaltwasser-Vorlauf

(blau), 3 Auentemperatur (dunkelgrn), 4 Klteleistung (hellgrn), 5 elektrische Leistung (rot))

In Abbildung 3.2.8 sind die bisherigen, nicht reprsentativen Ergebnisse dargestellt, wobei zwi-

schen den EER-Werten mit und ohne Kaltwasser-Pumpe (KW-Pumpe) unterschieden wird. In-

teressant ist dieser Vergleich, da die KW-Pumpe durchgngig, unabhngig vom Betrieb des

Kaltwassererzeugers bzw. der Umluftkhler in Betrieb ist. Der Bauherr hatte sich aufgrund der

investiven Mehrkosten gegen eine bedarfsgesteuerte Zuschaltung der KW-Pumpe entschieden.

Bei einer Zuschaltung der KW-Pumpe nach Bedarf ergeben sich EER-Werte, die sich je nach Be-

triebszykluslnge zwischen den dargestellten Ergebnissen einordnen wrden.

Die aus den Messwerten berechnete Kennlinie ohne KW-Pumpe liegt nur leicht unterhalb der

aus der DIN V 18599-7 entsprechend abzuleitenden Kennlinie. Signifikante Unterschiede zur

gemessenen Kennlinie zeigen die Herstellerangaben, die deutlich hhere Leistungszahlen ver-

sprechen. Mgliche Grnde fr die schlechte Anlagenperformance sind:

Der Kltetrger ist aus Frostschutzgrnden ein Gemisch aus Wasser und Glykol. Hierdurch

wird der EER negativ beeinflusst.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 17

Das instationre Betriebsverhalten mit Verdichterlaufzeiten von nur 3 bis 5 min. Die weni-

gen vor-liegenden Messergebnisse deuten darauf hin, dass die Leistungszahl im Beharrungs-

zustand deutlich ber den bisher aufgetretenen Werten im ausschlielich intermittierenden

Betrieb liegt.

Die noch nicht endgltig geklrte Ursache der immer wieder aufgetretenen technischen St-

rungen hat mglicherweise einen negativen Einfluss auf den EER. Auch unabhngig davon

vorhandene technische Mngel sind denkbar (z.B. Kltemittelmangel).

Das Ableiten eines sEER-Wertes ist mit den vorliegenden Messwerten nicht mglich, da bis-

her kein regulrer Betrieb ohne immer wiederkehrende technische Strungen ber einen

lngeren Zeitraum vermessen werden konnte.

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20 25 30

EE

R

Differenz Auen- und Kaltwasservorlauftemperatur [K]

ohne KW-Pumpe (KW-Soll-Vorlauftemp.: 9 C)

mit KW-Pumpe (KW-Soll-Vorlauftemp.: 9 C)

ohne KW-Pumpe nach DIN 18599-7 (KW-Vorlauftemp.: 8 C)

Herstellerangaben (KW-Vorlauftemp.: 8 C)

Abbildung 3.2.8 Aus den nicht reprsentativen Messungen am Kaltwassersatz resultierende Werte fr

den EER (mit/ohne Kaltwasserpumpe) im Vergleich zu den Kennlinien aus der DIN V 18599-7 und den Her-

stellerangaben

Mono-Split Gert, 25 kW, Baumarktklasse

An Tagen mit gemigten Auentemperaturen arbeitet das Gert im Taktbetrieb. Die Khllast

des Raumes konnte zu jeder Zeit gedeckt und die Raumsolltemperatur von 24 C eingehalten

werden. Abbildung 3.2.9 zeigt einen Tagesverlauf an einem heien Sommertag. Bis 11:00 Uhr

arbeitet das Gert im Taktbetrieb, danach bis zum Ende des eingestellten Zeitprogramms um

17:00 Uhr im Dauerbetrieb. Die eingestellte Raumsolltemperatur von 24 C wird leicht ber-

schritten, die Khllast kann aufgrund des hohen Fensteranteils und einer Auentemperatur von

ber 30 C nicht vollstndig gedeckt werden. Der EER des Auengertes verringert sich mit an-

steigender Auentemperatur, sinkt aber selbst bei 32 C Auentemperatur nicht unter einen

Wert von drei. Im Tagesmittel wird ein Wert von 3.48 ohne Innengert und 3.00 mit Innengert

erreicht.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 18

COP = 3,48

nur Auengert

COP = 3,0

Inkl. Innengert

Abbildung 3.2.9 Betriebsdaten und Anlageneffizienz des Mono-Split-Gertes an einem heien Sommer-

tag (AGAuengert; IGInnengert; KMKltemittel; Kond.Kondensator)

Aus den gesammelten Messdaten der beiden Khlsaisons werden Klteleistungszahlen fr je-

den Betriebszyklus berechnet (aus der vom Auengert aufgenommenen elektrischen Leistung

bzw. Arbeit und der Klteleistung/-arbeit im Zeitraum zwischen Starten und Abschalten des

Verdichters). In Abbildung 3.2.10 sind die ermittelten Werte des EER aller Klteerzeugungs-

phasen vom Juni 2011 bis September 2012 dargestellt. Die Wertedarstellung erfolgt bewusst in

drei Zeitabschnitten (Khlsaison 2011, Khlsaison 2012 vor August, August September 2012). Hierbei fallen sehr deutlich unterschiedliche EER-Niveaus auf. Von 2011 zu 2012 ist ein

signifikanter Effizienzverlust erkennbar. Im August 2012 wurde aufgrund dieser Beobachtung

eine Gertewartung veranlasst. Dabei war ein Leck an einer Messstelle im Kltekreislauf und

Kltemittelmangel feststellbar (ca. 30 % der ursprnglichen Kltemittelfllmenge war entwi-

chen). Nach der Beseitigung des Lecks und dem Auffllen des Kltemittels ergaben sich hhere

Effizienzwerte (Messwerte August September 2012). Darber hinaus lie sich feststellen, dass im ersten Tageszyklus erkennbar schlechtere EER-Werte erreicht werden, als im nachfol-

genden Betrieb - sehr wahrscheinlich bedingt durch instationre Anlaufvorgnge.

Die Monitoringergebnisse stimmen gut mit den Ergebnissen aus den Labormessungen berein.

Wobei dies besonders fr die Monitoringergebnisse des Zeitraumes kurz nach den Labormes-

sungen gilt (Anfang Saison 2011). nderungen der Kltemittelfllmengen verursachen entspre-

chende Abweichungen innerhalb der anderen Zeitrume. Darber hinaus wurde eine Luftent-

feuchtung am Verdampfer whrend der Labormessungen verhindert (geringe Luftfeuchtigkeit

in der Klimazelle). Eine Kondensation von Wasser kann whrend des Monitorings nicht ausge-

schlossen werden und fhrt evtl. zu geringfgig hheren Leistungszahlen.

Die vom Hersteller angegebene Leistungszahl konnte prinzipiell besttigt werden, auch wenn

sie leicht ber den gemessenen Werten am Nennpunkt liegt (Gemessen ca. 3.0; Herstelleranga-

ben 3.2). Die Anlage mit korrekter Kltemittelfllmenge arbeitet 25 50 % ber dem Effizienz-niveau welches aus der DIN V 18599-7 fr ein solches Gert ableitbar ist (vgl. Abbil-

dung 3.2.11).

Aufgrund der Leckage lsst sich kein sEER-Wert fr eine gesamte Khlsaison angeben, der sich

bei einem technisch einwandfreien Zustand einstellt. Je nach betrachtetem Auswertungszeit-

raum liegt der Wert bei 3.5 (gesamter Messzeitraum, inkl. Leckage) bis 4.1 (nach Behebung der

Lecks im Kltekreislauf, aber nicht reprsentativer Auentemperaturverteilung). Diese Werte

gelten fr den Fall, bei dem der Strombedarf des Innengerts in die Berechnung mit einbezogen

wird. Ohne Einbeziehen des Innengertes ergeben sich Werte von 4.1 bis 4.7.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 19

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15

EE

R

Differenz Auenluft- und Raumlufttemperatur [K]

1. Betriebszyklus pro Tag

Restliche Betriebszyklen (Saison 2011)

Restliche Betriebszyklen (Saison 2012, vor August)

Restliche Betriebszyklen (August - September 2012)

nach DIN V 18599 - 7

Herstellerangaben

Loborvermessung

Abbildung 3.2.10 Aus den Messungen am Mono-Split-Gert resultierende Werte fr den EER im Vergleich

zu der Kennlinie aus der DIN V 18599-7 und den Herstellerangaben (Werte beinhalten den elektrischen Leis-

tungsbedarf des Innengertes)

Multi-Split Gert, 1540 kW, Markenanbieter

Die Auswertung der Messergebnisse bzw. die Bewertung der Effizienz wird durch die Komple-

xitt dieser Anlage erschwert. So treten z.B. Zustnde auf, bei denen die Kondensataustritts-

temperatur aus dem Auengert deutlich unter der Lufttemperatur liegt. Dies lsst auf einen

Verdampfer im Auengert schlieen, mit dem eine zustzliche Unterkhlung des Kondensats

hergestellt wird, um bei langen Leitungswegen eine Verdampfung des (Hochdruck-)Klte-

mittels vor Erreichen der Innengerte zu vermeiden. Die Blasenfreiheit des Kltemittels ist fr

die ordnungsgeme Funktion der Expansionsventile an den Innengerten erforderlich. Bei-

spielhaft fr einen sehr warmen Tag sind in Abbildung 3.2.11 einige Messergebnisse dargestellt.

Abbildung 3.2.11 VRF-Multi-Split-Gert, Temperaturen und Leistungszahl, Tag mit hohen Auen-

temperaturen (AG_Luft-Ein Lufttemperatur am Eintritt des Auengertes, T_c Austrittstemperatur des

Kltemittels am Kondensator des Auengertes, saugseitige Eintrittstemperatur des Kltemittels am Au-

engert)


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 20

Bei der vermessenen Anlage handelt es sich um ein Gert mit VRF-Technologie (Variable Refri-

gerant Flow, dt.: variabler Kltemittelmassestrom). Ein variabler Kltemittelmassestrom wird

ber die kombinierte Nutzung mehrerer Verdichter im Verbund und die Kombination mit einer

Verdichter-Drehzahlregelung realisiert. Hierdurch kann die Anlage auch im Teillastbereich be-

trieben werden. Um Erkenntnisse bezglich des Teillastbetriebes der Anlage zu gewinnen wur-

de das in Abbildung 3.2.12 aufgetragene Kennfeld aus den Messwerten abgeleitet. Bei der Dar-

stellung erfolgt ausschlielich die Bercksichtigung der Auentemperatur (keine Differenz zur

Innentemperatur), da mit einem Auengert mehrere Innengerte bei voneinander abwei-

chenden Raumlufttemperaturen betrieben werden. Neben der Abhngigkeit von der Auen-

temperatur wird die Leistungszahl stark davon beeinflusst, in welchem Teillastbereich Klte

erzeugt wird. Die gemessenen Daten wurden in Klteleistungsklassen eingeordnet. So ergibt

sich je Klasse eine leistungsspezifische Kennlinie, welche die Temperaturabhngigkeit des EER

abbildet. Hier ist gut ersichtlich, dass bei einer sehr geringen Klteleistung (bis ca. 12 % der

Nennleistung) die Leistungszahlen ber alle Bereiche der Auentemperatur sehr niedrig sind

(2.0 3.0). Verursacht wird dies durch die Teillastregelung der Anlage. Bei einer Klteleistung ber 25 % der Nennleistung arbeitet die Anlage deutlich effizienter mit Leistungswerten zwi-

schen ca. 4.0 bei 32 C und 10.0 bei 12 C Auentemperatur.

0

2

4

6

8

10

12

10 15 20 25 30 35 40

EE

R

Auentemperatur [ C]

Q0=0..5KW

Q0=5..10KW

Q0=10..15kW

Q0=15..40KW

nach DIN V 18599-7

Herstellerangaben (Q0=40kW)

Abbildung 3.2.12 Gemessenes Kennfeld des Multi-Split-Gertes. In Leistungsbereichen oberhalb einer

Leistung von 10 kW ergeben sehr hnliche Kennlinien, sodass die Bereiche von 15 bis 40 kW zur besseren

bersichtlichkeit zusammengefasst wurden. (Auswertungszeitraum: Mrz September 2012, Werte ohne

Innengerte)

Eine hohe Effizienz der Anlage kann aber auch im unteren Leistungsbereich wichtig sein. Be-

sonders dann, wenn die Anlage in diesem Bereich hufig betrieben wird. Abbildung 3.2.13 zeigt

dazu die Anteile der erzeugten Klte innerhalb verschiedener Klteleistungsklassen fr das Jahr

2011 sowie fr das Jahr 2012. Im Jahr 2011 wurde knapp die Hlfte der Kltearbeit im Leis-

tungsbereich 0...5 kW bereitgestellt. Im Jahr 2012 ist die Verteilung etwas in Richtung grerer

Leistungsklassen verschoben. Dennoch zeigt sich, dass gerade einmal 8.8 % (2011) bzw. 21.3 %

(2012) der Klte in der oberen Hlfte des Leistungsbereiches erzeugt wird. Eine bessere Aus-

lastung des Systems im Jahr 2012 beeinflusst die ber die Khlsaison gemittelte Leistungszahl

(sEER) signifikant positiv (2011: 3.1; 2012: 4.4; 2011 und 2012: 3.9). Die Dimensionierung ei-

ner solchen Anlage hat damit einen erheblichen Einfluss auf die Gesamtenergieeffizienz.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 21

45.6

23.2

13.59.0

4.91.8 1.0 1.1

17.6

31.0

16.813.3

9.17.1

3.81.3

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

5.5

6.0

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0..5 5..10 10..15 15..20 20..25 25..30 30..35 35..40

EE

R

An

teil

am

Gesam

tklt

eerz

eu

gu

ng

[%

]

Klteleistungsklassen [kW]

Anteil (Jul. - Nov. 2011)

Anteil (Mar. - Sep. 2012)

EER (jeweils ber gesamten Temp.-Bereiche gemittelt)

EER (nach DIN V 18599-7)

Abbildung 3.2.13 Verteilung der erzeugten Klte ber definierte Klteleistungsbereiche fr Juli Novem-

ber 2011 und Mrz September 2012, sowie die ber den gesamten Auentemperaturbereich gemittelten

EER der jeweiligen Klteleistungsbereiche in Gegenberstellung zur Kennlinie aus der DIN V 18599-7

Die Herstellerangaben zur Leistungszahl im Nennpunkt sind plausibel (vgl. Abbildung 3.2.12),

auch wenn damit das Verhalten im Teillastbereich keine Bercksichtigung findet. Die aus der

DIN V 18599-7 abgeleitete Kennlinie liegt zentral im gemessenen Kennfeld, kann aber als ein-

zelne Kennlinie die Zusammenhnge zwischen Leistungszahl, Klteleistung und Temperatur

nicht abbilden. Die Kennlinie aus der Norm und der aus den Messungen, ber alle Temperatur-

bereiche gemittelte Kennlinie der Anlageneffizienz beschreiben ein hnliches Anlagenverhal-

ten (vgl. Abbildung 3.2.13). Die Betriebsbedingungen (Verteilung der Auentemperatur wh-

rend des Anlagenbetriebes) beeinflussen den Verlauf dieser Kurve, sodass Abweichungen zu

erwarten sind.

Normalkhlung von Lebensmitteln o.., 1050 kW, Solesystem

Die Auswertung der Daten zeigt einen in der Regel taktenden Betrieb des Solekhlers (vgl. Ab-

bildung 3.2.14), der nicht ber eine Leistungsregelung verfgt und einen kleinen Pufferspeicher

versorgt. Von diesem werden die verschiedenen Verbraucher versorgt. Fr die Auswertung

wurde ein Algorithmus zur Bercksichtigung des An- und Nachlaufverhaltens entwickelt, da die

Solepumpe 1 min vor Start des Khlers in Betrieb geht und nach Ende des Verdichterbetriebs

fr 1 min nachluft.

Die Dauer eines Betriebszyklus wirkt sich auf die Effizienz der Anlage aus. Daher wurden die

ermittelten Daten nach der Lnge des Betriebszyklus sortiert. In Abbildung 3.2.15 ist beispiel-

haft die Leistungszahl als Funktion des Temperaturhubs fr Betriebszyklen dargestellt, die zwi-

schen 20 und 30 min lang waren. Der EER liegt zwischen ~2.4 bei einem Temperaturhub von

10 K und 1.4 bei einem Temperaturhub von 30 K.

Die Beurteilung der Anlageneffizienz ist aufgrund der relativ niedrigen Sole-

Vorlauftemperaturen (bis zu -4 C) nicht ohne weiteres mglich. Der Anlagenhersteller liefert

ausschlielich einen EER-Wert fr Standardbedingungen (2.78 bei 7/12 C und 35 C Auen-

temperatur). Ein Vergleich der gemessenen EER-Werte mit der DIN V 18599-7 ist streng ge-

nommen nicht mglich, da die Norm-Standardwerte fr die Nennklteleistungszahlen nur fr


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 22

Kaltwasseraustrittstemperaturen zwischen 6 C und 14 C vorgibt. Um neben den Herstelleran-

gaben eine zustzliche Bewertung der Ergebnisse zu ermglichen, wird eine lineare Extrapola-

tion der in der Norm vorgegebenen Standardwerte vorgenommen und die entsprechende

Kennlinie zum Teillastverhalten abgeleitet (ebenfalls Abbildung 3.2.15). Bei einem Vergleich zu

den Messwerten ergeben sich hnliche Kennlinienniveaus. ber den gesamten Messzeitraum

von April 2011 bis Mrz 2012 lsst sich ein sEER-Wert von 2.33 berechnen. Bei diesem Wert ist

der Energiebedarf der Solepumpe nicht beinhaltet.

Abbildung 3.2.14 Exemplarischer Verlauf der Messwerte zur Verdeutlichung des Sole-Pumpen-

Betriebsverhaltens (1 Temp. Kltetrger Eintritt in Solekhler (grn, linke Achse), 2 Kltetrger Austritt

aus Solekhler (dunkelblau, linke Achse), 3 Auenlufttemperatur, Temp. Eintritt Solekhler (rot, linke Ach-

se), 4 Volumenstrom Kltetrger (dunkelgrn, linke Achse), 5 Elektrische Leistungsaufnahme, W (hell-

blau, rechte Achse (4)), 6 Klteleistung, kW (orange, linke Achse))


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 23

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

2.2

2.4

2.6

2.8

3.0

-20 -10 0 10 20 30 40

EE

R

Differenz Auen- und Soleaustrittemperatur [K]

Messungen (-2/+4 C)

DIN V 18599 - 7 (Extrapolation auf VL -2 C)

Hersteller-angaben (7/12 C)

Abbildung 3.2.15 Abhngigkeit der Leistungszahl des Solekhlers von der Temperaturdifferenz zwischen

Auentemperatur und Kltetrgeraustrittstemperatur fr Betriebsintervalle von 2030 min (Messzeitraum

April 2011 bis Mrz 2012), Leistung der Solepumpe nicht bercksichtigt

3.2.4 Zusammenfassung und Schlussfolgerung

An drei der vier ausgewhlten Kompressionskltesysteme konnten Messungen ber einen Zeit-

raum von ber einem Jahr zur Effizienzermittlung erfolgreich durchgefhrt werden. Die von

den Herstellern dieser Anlagen angegebenen Leistungszahlen erweisen sich in der Praxis als

weitestgehend plausibel. Dies gilt besonders fr die beiden vermessenen Split-Gerte. Aller-

dings lassen sich aus den Datenblattangaben zu dem Multi-Split-Gert keinerlei Erkenntnisse

zum Teillastverhalten ableiten. Bei sehr geringer Teillast (unter 12 % der Nennklteleistung)

arbeitet die Anlage deutlich unterhalb der Performance des Nennpunktes (bis zu 50 % weniger

effizient), was bei einem Vergleich mit anderen Systemen aber zwingend bercksichtigt werden

muss. Bei dem Gert der Kategorie Normalkhlung von Lebensmitteln o.., 1050 kW treten groe Abweichungen zwischen Messergebnissen und Herstellerangaben auf. Dies ist jedoch mit

den niedrigen Kltetrgertemperaturen (-2 / +4 C) bei dem vermessenen Gert erklrbar. Der

Hersteller hat nur Angaben zu einem hheren Temperaturniveau gemacht (7 / 12 C). Insge-

samt liefern die Ergebnisse belastbare Basisdaten fr Vergleiche mit solarthermischen Klte-

systemen.

Fr eines der vier vermessenen Gerte (Kaltwassersatz der Grenklasse 515 kW) sind die Messdaten nur sehr bedingt aussagekrftig. An diesem Gert traten whrend des Messzeitrau-

mes immer wieder Strungen auf, die keinen regulren Betrieb zulieen.

Interessant ist das relativ gute Abschneiden des Mono-Split-Gertes im Vergleich zum Multi-

Split-Gert mit variablen Kltemittelmassestrom (VRF). Trotz einer geringeren Klteleistungs-

zahl im Nennpunkt (Mono-Split: 3.23; Multi-Split: 3.62) liegt der sEER des Mono-Split-Gertes

mit 4.1 leicht ber dem Wert des Multi-Split-Gertes mit 3.9 (jeweils ohne Endenergiebedarf

des/der Innengerte(s), fr den gleichen Messzeitraum von Mitte 2011 bis September 2012).

Bei diesem Vergleich bleiben allerdings die unterschiedlichen Betriebsbedingungen der beiden

Anlagen unbercksichtigt, da z.B. beim VRF-Gert eine Erfassung der Lufttemperaturen aller 25

Innengerte nicht mglich war. Dennoch belegen die Monitoring-Ergebnisse die Bedeutung ei-

ner sorgfltigen Auslegung.


FKZ 0325966A / 0325966B / 0325966C Seite 24

Die aus der DIN V 18599 Teil 7 abgeleiteten Kennlinien liefern z.T. relativ gute bereinstim-

mungen mit den Messwerten (Kaltwassersatz, Multi-Split-Gert, Solekhler). Teilweise ergeben

sich aber auch grere Abweichungen, so liegen die der Norm entnommenen Leistungszahlen

des Mono-Split-Gertes je nach Auentemperatur 25 50 % niedriger als die gemessenen. Zu-dem wird das komplexere Kennfeld der Multi-Split-Anlage mit VRF nur sehr stark vereinfacht

abgebildet. Diese Norm dient als Werkzeug fr ein Kennwertverfahren zur Bewertung der Ge-

samtenergieeffizienz von Gebuden. Darin enthaltene Kennwerte unterliegen zwangslufig be-

stimmten Vereinfachungen und Verallgemeinerungen, sodass sie nicht alle installierten Anla-

gen korrekt abbilden knnen.

Die geringe Anzahl vermessener Anlagen lsst keine allgemein gltigen Aussagen zu, unter-

sttzt aber die Annahmen innerhalb des Systemvergleichs solarthermischer und solarelektri-

scher Khlung.

3.3 Vermessungen ZAE Bayern

Die vier vom ZAE Bayern betreuten Kompressionsklteanlagen umfassen zwei Kaltwasserstze

im Leistungsbereich 30-50 kW Klteleistung, eine Mono-Split-Komfortklimaanlage eines Mar-kenherstellers sowie eine Khlzelle zur Lebensmittelkhlung. Nachfolgend werden die ent-sprechend dieser Kriterien ausgewhlten Anlagen vorgestellt.

3.3.1 Kaltwassersatz zur Versorgung einer Flchenkhlung

Installiertes System

Fr die Vermessung eines Kaltwassersatzes zur Flchenkhlung konnte ein Unternehmen ge-

wonnen werden, welches in einem zweigeschossigen Broneubau eine Flchenkhlung vorsah.

Da das Gebude mit einer kontrollierten Lftungsanlage ausgestattet wurde, kann auch die

Luftfeuchtigkeit reguliert werden. Dadurch wird unter anderem die Kondensatbildung durch

Taupunktunterschreitung an gekhlten Oberflchen vermieden. Dies erlaubt es, auch an

schwl-warmen Tagen hohe Kltelasten zu decken, da die Vorlauftemperatur der Flchenkh-

lung nicht angehoben werden muss. Bei unkonditionierter Lftung msste, im Gegensatz zu

dieser Systemkonfiguration, die Vorlauftemperatur der Flchenkhlung angehoben werden, um

eine Taupunktunterschreitung zu vermeiden. Dies resultiert allerdings in einer verminderten

Khlleistung. Allerdings wird gerade an Tagen mit hoher Luftfeuchtigkeit Khlung als beson-

ders angenehm empfunden.

In dem betrachteten System wurde ein Kaltwassersatz von Daikin, Typ EUWAB20KAZW1, mit

einer Nennklteleistung von 46.6 kW verbaut. Der Kaltwassersatz besteht aus zwei identischen,

unabhngigen Kltekreisen. Somit ist es fr den Kaltwassersatz mglich, eine grobe Leistungs-

regelung ber die Stufen 0-50-100% vorzunehmen. Der Kaltwassersatz ist auerhalb des Ge-

budes im Bereich des Firmenparkplatzes aufgestellt. Zur Klteverteilung, die sich im Keller des

Gebudes befindet, fhrt eine ca. 100 m lange Leitung. Im Technikraum im Keller wird die Klte

ber einen Wrmebertrager auf einen Sekundrkreis bertragen. Dieser Wrmebertrager ist

ber einen kurzen Kreis mit einer hydraulischen Weiche verbunden, die auch als Pufferspeicher

fr das gesamte Kltesystem wirkt. Da der Kaltwassersatz sowie die Primrleitung im Freien

sind, wird der Primrkreis mit einer 34%igen Glykolmischung betrieben. Zwischen dem Kalt-

wassersatz und dem Pufferspeicher ist somit ein zustzlicher Wrmetrgerkreis mit System-

trennung durch einen Wrmetauscher erforderlich. Der Aufbau ist in Abbildung 3.3.1 skizziert.


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Abbildung 3.3.1 Systemskizze Einbindung Kaltwassersatz in Khlsystem Flchenkhlung

Durch die realisierte Anbindung des Kaltwassersatzes ergeben sich folgende Konsequenzen fr

den Betrieb bzw. die Effizienz der Klteerzeugung.

Verglichen mit den Bedingungen auf einem Prfstand, bei denen die Kaltwasserpumpe in einen

direkt benachbarten Kaltwasserpufferspeicher frdert, muss die Umwlzpumpe fr den unter-

suchten Kaltwassersatz eine erhhte hydraulische Arbeit leisten. Deshalb macht der Energie-

bedarf der Pumpe einen signifikanten Anteil am gesamten Energieverbrauch aus. Zum einen

muss die Pumpe das Fluid ber eine lngere Wegstrecke pumpen und anschlieend durch ei-

nen druckverlustbehafteten Wrmebertrager frdern. Zum anderen handelt es sich bei dem

gepumpten Fluid um Glykol, welches verglichen mit Wasser eine erhhte Viskositt und eine

verringerte Wrmekapazitt aufweist. Des Weiteren ist die regelungstechnische Anforderung

des Kaltwassersatzes nicht optimal gelst. Befindet sich das Gesamtsystem im Khlmodus, so

wird der Kaltwassersatz angefordert. Da der Kaltwassersatz auf die Temperaturen im primren

Glykolkreislauf regelt, wird die Umwlzpumpe unabhngig vom Ladezustand des Kaltwasser-

pufferspeichers in Betrieb genommen. Dies fhrt besonders bei schwachen Khllasten dazu,

dass die Umwlzpumpe eine deutliche lngere Laufzeit als die Kompressoren des Kaltwasser-

satzes aufweist und somit unntigerweise Hilfsenergie durch die Pumpe verbraucht wird.

Ebenso arbeitet der Kaltwassersatz, bedingt durch den Zwischenkreis auf der Fluidseite, mit

niedrigeren Temperaturen als das Kltesystem bentigt. Dies verringert die Effizienz der Klte-

erzeugung zustzlich.

Messtechnik

Fr die Erfassung der Klteleistung und elektrischen Leistungsaufnahme wurden im Frh-

sommer 2011 einige Messsensoren installiert. Fr die thermische Leistungsbilanzierung wurde

ein magnetisch induktives Volumenstrommessgert sowie zwei PT-100 Temperatursensoren

im Glykolkreislauf installiert. Um den elektrischen Energiebedarf zu messen, wurde sowohl ein

Leistungsmessgert fr den gesamten Energiebedarf des Kaltwassersatzes verwendet als auch

jeweils ein Leistungsmesser, um die Komponenten Pumpe, Lfter und einen Verdichter einzeln

zu erfassen. Zustzlich wurden die Luftfeuchtigkeit und Temperatur sowohl in einem gekhlten

Referenzbro sowie am Kaltwassersatz erfasst. Dadurch kann die Leistung und Effizienz bei ge-

gebenen Randbedingungen ermittelt werden. Zustzlich wurden noch zwei Drucksensoren in

Wrmetauscher Primrkreispumpe

Kaltwassersatz Umwlzpumpe

Pufferspeicher

Pufferladepumpe

Lftungsgert

Flchenkhlung


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einem der beiden Kltekreislufe installiert, um die interne Drucklage bei verschiedenen Be-

triebsbedingungen zu ermitteln.

Durch die Installation der Drucksensoren im Kltekreislauf 1 des Kaltwassersatzes entstand ei-

ne geringe Undichtigkeit, die zu einem Kltemittelverlust fhrte. Da dieser Schwund gering war,

machte er sich erst nach einem lngeren Betriebszeitraum durch eine verminderte Klteleis-

tung und Effizienz bemerkbar. Ebenso sank die Drucklage des Kltekreislaufes bei gleichen Be-

triebsbedingungen ab. Da diese Verminderung in Effizienz und Klteleistung auf eine nicht

rckwirkungsfreie Messtechnik zurckzufhren war, wurde die Effizienz dieses Kltekreislau-

fes bei der Bewertung nicht bercksichtigt. Fr die Auswertung wurden nur die Effizienzwerte

des Kltekreislaufes herangezogen, der nicht durch Messtechnik beeinflusst wurde.

Betriebsergebnisse und Analyse

In den beiden Betriebsjahren 2011 und 2012 wurden Betriebsdaten gesammelt und die Leis-

tung und Effizienz berechnet. Die Ergebnisse sind nachfolgend in Tabelle 3.3.1 dargestellt.

Kltekreis 1 Kltekreis 2

Mo

na

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Jah

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An

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[kWhth] [kWhel] [kWhel] [-] [-] [kWhth] [kWhel] [kWhel] [-] [-]

Jul 11 26 5576 1850 1593 3.01 3.50 2331 684 614 3.41 3.80

Aug 11 31 4756 1974 1602 2.41 2.97 1703 541 448 3.15 3.80

Sep 11 28 2976 1215 970 2.45 3.07 1263 364 299 3.47 4.23

Okt 11 9 462 186 148 2.49 3.13 211 58 48 3.63 4.42

Jul 12 26 3099 1300 1042 2.38 2.97 2582 920 749 2.81 3.45

Aug 12 30 4066 1781 1433 2.28 2.84 3480 1292 1054 2.69 3.30

Sep 12 19 1310 562 449 2.33 2.91 828 303 246 2.73 3.37

Okt 12 5 50 21 17 2.36 3.00 45 16 12 2,87 3.62

Gesamt 174 22295 8889 7254 2.51 3.07 12443 4178 3470 2.98 3.59

Tabelle 3.3.1 bersicht Energieverbrauch und Effizienz Kaltwassersatz Flchenkhlung

In Tabelle 3.3.1 ist neben der bereitgestellten Klte auch die bezogene elektrische Arbeit des

Kaltwassersatzes insgesamt und der Primrpumpe dargestellt. Ebenso ist die Effizienz ber den

saisonalen EER (sEER) dargestellt. Dabei wird fr jeden Monat die erzeugte Klte durch die be-

zogene elektrische Arbeit dividiert. Im Wert sEER Kaltwassersatz werden als elektrische Ver-braucher nur Verdichter, Ventilator und Regelung betrachtet, im Wert sEER inkl. Pumpe wird noch zustzlich die Pumpe des Primrkreislaufes miteinbezogen. Dadurch wird der energeti-

sche Einfluss der Primrkreispumpe verdeutlicht. Die elektrische Arbeit, die von der Primr-

kreispumpe bei Verdichterstillstand bezogen wird, ist hier nicht ausgewiesen. Diese betrug im

ersten Betriebsjahr 766 kWh und im zweiten Jahr 462 kWh.


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Betrachtet man die Effizienz des Kaltwassersatzes, so zeigt sich eine deutliche Abweichung zwi-

schen Kltekreis 1 und Kltekreis 2 im Jahr 2011. Dies ist durch die Leckage im Kltekreislauf 1,

welche durch die Messtechnik hervorgerufen wurde, zu erklren. Zum Jahreswechsel

2011/2012 wurde die Leckage behoben und Kltemittel im Kltekreislauf 1 nachgefllt. Da der

Kaltwassersatz mit dem Kltemittel R407C betrieben wird, welches einen Temperaturgleit von

ca. 7 K aufweist, kann davon ausgegangen werden, dass die einzelnen Komponenten des Kl-

temittels sich in unterschiedlicher Konzentration verflchtigt haben. Durch das Nachfllen mit

neuem Kltemittel entstand im Kltekreislauf ein Gemisch, welches von R407C abweicht. Die

Schwersieder haben einen zu groen Anteil was fr den Betrieb nicht optimal ist. Deshalb er-

reicht der Kltekreislauf 1 im Jahr 2012 ebenfalls einen geringeren Effizienzwert als der Klte-

kreislauf 2, abzulesen in der Spalte sEER Kaltwassersatz.

Vergleicht man die Effizienz des Kltekreislaufes 2 in den beiden Betriebsjahren, so ist eine

deutliche Verschlechterung im zweiten Betriebsjahr festzustellen. Besonders gut ist dies am

Wert sEER Kaltwassersatz zu sehen. Insgesamt war das Jahr 2012 zwar tendenziell wrmer, wodurch der Kaltwassersatz hufiger mit hheren Rckkhltemperaturen betrieben wurde.

Die Gre der Abweichung in der Effizienz kann hierdurch aber nicht erklrt werden. Ebenso

wurde im Jahr 2012 die Sollvorlauftemperatur des Kaltwassersatzes erhht, wodurch der Ein-

fluss einer hheren Auentemperatur auf die Anlageneffizienz, teilweise ausgeglichen wird. Die

Ursache fr die Verschlechterung der Effizienz konnte nicht zweifelsfrei festgestellt werden.

Mgliche Grnde sind eine Verschmutzung der Wrmetauscher, insbesondere des Kondensa-

tors durch Luftstaub bzw. Ablagerungen oder ein Verlust von Kltemittel. Da der Kltekreis-

lauf 2 nicht mit Druckmesssensoren ausgestattet worden war, wre ein Kltemittelverlust auf

technische Undichtigkeiten zurckzufhren.

Sollte die Ursache fr den Effizienzverlust im Kltekreislauf ein Kltemittelverlust sein, so muss

fr die kobilanz das Treibhausgaspotenzial des Kltemittels mit bercksichtigt werden. Eine

Abschtzung des Umwelteinflusses einer potenziellen Leckage ergibt folgendes Ergebnis: der

Kaltwassersatz hat eine Fllmenge von 5.9 kg R407C je Kltekreislauf. Der GWP-Wert von

R407C betrgt 1500, d.h. ein Kilogramm Kltemittel ist so klimawirksam wie 1500 kg CO2. Die

elektrische Energie im deutschen Strommix wird mit 562 g CO2-quivalent/kWh angesetzt.

[UBA, 2011]. Jedes entwichene kg Kltemittel R407C entspricht ca. 2670 kWh elektrischer

Energie.

Allgemein lsst sich feststellen, dass eine Verringerung der Effizienz bei Kltemaschinen, die

nicht messtechnisch berwacht werden und gleichzeitig grozgig dimensioniert wurden,

schwierig festzustellen ist, da die Kltelast trotzdem gedeckt wird und somit die Kltemaschine

ihren Zweck erfllt. Durch den Einsatz eines Kltemittels mit hohem Temperaturgleit ist auch

ein Ausgleich von mglichen Kltemittelverlusten nur unter hherem Aufwand mglich, da der

Kltekreis nicht nachgefllt werden kann. Dieser muss zuerst vollstndig evakuiert und an-

schlieend komplett neu befllt werden, um die vorgesehene Kltemittelmischung herzustel-

len.

Bei dem vom ZAE vermessenen Kaltwassersatz wre die Effizienzeinbue vermutlich nicht auf-

gefallen, da die Khllast auch im zweiten Betriebsjahr problemlos gedeckt wurde. Dies liegt

hauptschlich daran, dass die Leistung des Kaltwassersatzes deutlich ber der Khllast liegt.

Der Kaltwassersatz hat eine Nennklteleistung von 46 kW, wenn beide Kltekreislufe zeit-

gleich in Betrieb sind. In den betrachteten zwei Jahren, in denen der Kaltwassersatz ber eine

Dauer von insgesamt 1758 h im Einsatz war, waren nur whrend 36 h beide Kltekreislufe


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zeitgleich in Betrieb. Dies entspricht einem Volllastanteil von 2 %. In den meisten Zeitrumen

htte also noch eine Klteleistungsreserve von ber 50 % zur Verfgung gestanden.

Erwartet wurde, dass der Kaltwassersatz bei kleinerer externer Temperaturspreizung effizien-

ter arbeitet. Dies wurde auch beobachtet, allerdings fllt die Steigerung des EER weitaus gerin-

ger aus, als aus dem Rckgang des externen Temperaturhubs geschlossen werden kann. Zudem

sinkt die Klteleistung ab, wenn ein Mindestverflssigungsdruck unterschritten wird. Dies soll

anhand von Abbildung 3.3.2 verdeutlicht werden. Das Leistungsverhltnis ist hierbei auf der

sekundren Ordinate angetragen, die restlichen Werte beziehen sich auf die primre (linke)

Ordinate.

Abbildung 3.3.2 Auswirkung geringer Temperaturhbe auf Kltekreislauf

In Abbildung 3.3.2 ist eine nchtliche Betriebsphase, in der der Kaltwassersatz fr mehrere

Stunden durchgehend lief. Die Kaltwasservorlauftemperatur (KW-Vorlauf) steigt zu Beginn des

betrachteten Zeitraums von ~10 C auf 13 C an und sinkt langsam wieder auf 10 C, die Auen-

temperatur sinkt im Betrachtungszeitraumes von ~22 auf 12 C ab. Der EER-Wert des Kaltwas-

sersatzes steigt von ~3.0 auf ca. 3.5 an. Whrend also der externe Temperaturhub von 9 K auf

2 K gesunken ist, steigt der EER nur um ca. 20 % an. Hier wirken zwei Effekte. Zum einen ist der

interne, vom Kltekreislauf zu bewltigende Temperaturhub hher als der externe Tempera-

turhub, da die beiden Wrmetauscher Verdampfer und Kondensator technisch bedingt eine

gewisse Grdigkeit aufweisen. Zum anderen wird fr die Zirkulation des Kltemittels im Klte-

kreislauf ein Druckunterschied bentigt, um die Strmung des Kltemittels aufrecht zu erhal-

ten. Ebenso bentigt das Expansionsventil eine Druckdifferenz, um den Verdampfer ausrei-

chend mit Kltemittel zu versorgen. Erreicht den Verdampfer nicht gengend Kltemittel, so

sinkt der Verdampfungsdruck ab und die Klteleistung geht zurck. Dies ist der Fall vor 2 Uhr.

Kurz nach 2 Uhr halbiert sich die Leistungsaufnahme des Ventilators. Um die bersichtlichkeit

der Grafik zu bewahren, ist dies nicht im Diagramm dargestellt. Als Reaktion auf die verschlech-

terte Rckkhlung steigt der Kondensatordruck. Da das Expansionsventil nun einen greren

Vordruck sieht, strmt mehr Kltemittel in den Verdampfer und das Verdampfungsdruckniveau

steigt auslegungsgem an. Der erhhte Verdampfungsdruck fhrt zu einem greren gefr-


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derten Massenstrom an Kltemittel, wodurch die Klteleistung ansteigt. Die Verdichterleistung

steigt wegen des erhhten Massenstroms und Kondensationsdruckes ebenfalls an. Der EER

hingegen fllt geringfgig auf ~3.25 ab.

Anforderungsprofil und Eignung fr solare Khlung

Eine Korrelation von Auentemperatur und Solarstrahlung mit der erzeugten Klte ist nur par-

tiell zu sehen. Beim Khlbedarf berlagern sich verschiedene Effekte, weshalb sich keine direk-

te Abhngigkeit herausbildet. So ist die Belegung des Gebudes je nach Monat und vor allem je

nach Wochentag verschieden, wodurch die inneren Lasten variieren. Zustzlich wirkt sich die

thermische Gebudemasse bei Tagen mit einem groen Temperaturgeflle zwischen Tag und

Nacht sehr gnstig aus. So wird durch die kontrollierte Belftung in der Nacht ein Teil der

Wrmelasten abgefhrt. Dadurch fhren wenige heie Tage nicht sofort zu einer erhhten

Khlleistung, da dies aufgrund von thermischer Gebudetrgheit nicht ntig ist.

Datum Wochen-

tag Energie-bedarf

Klte

Auen-temperatur

whrend des Betriebs

Max. Auen-temperatur

whrend des Betriebs

Solar-strahlung

Solar-strahlung /

Energie-bedarf

[kWhel] [kWhth] [C] [C] [Wh/m] [1/1000 m]

23.07.2012 Mo. 15 22 16 23 7542 504

24.07.2012 Di. 73 175 21 30 7095 97

25.07.2012 Mi. 116 278 21 28 5323 46

26.07.2012 Do. 108 260 23 31 6873 64

27.07.2012 Fr. 23 54 25 33 6639 295

28.07.2012 Sa. 2 0 20 25 3187 1609

29.07.2012 So. 52 132 17 22 4500 86

30.07.2012 Mo. 80 188 16 22 5460 68

31.07.2012 Di. 144 341 17 24 5047 35

01.08.2012 Mi. 146 360 21 30 7014 48

02.08.2012 Do. 175 396 22 27 5303 30

03.08.2012 Fr. 209 481 19 25 4789 23

04.08.2012 Sa. 148 374 19 26 5023 34

05.08.2012 So. 80 212 21 27 4878 61

06.08.2012 Mo. 118 289 17 20 1496 13

07.08.2012 Di. 138 328 16 22 4530 33

08.08.2012 Mi. 146 349 15 20 4707 32

09.08.2012 Do. 165 412 16 25 4993 30

10.08.2012 Fr. 144 373 17 23 5282 37

11.08.2012 Sa. 89 199 15 21 5263 59

12.08.2012 So. 103 251 15 24 6793 66

Tabelle 3.3.2 Energiebedarf, Kltebedarf und Solarstrahlung von 3 Wochen


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In Tabelle 3.3.2 ist die erzeugte Klte, der elektrische Energiebedarf des Kaltwassersatzes in-

klusive der primren Kaltwasserpumpe sowie Auentemperatur und Solarstrahlung darge-

stellt. Zudem ist das Verhltnis von Solarstrahlung zu elektrischem Energiebedarf abgebildet.

Das Verhltnis von Solarstrahlung zu Energiebedarf schwankt in den abgebildeten Wochen

sehr stark zwischen 13 und 1609. Lsst man einzelne Ausreiser auer Acht, so liegt der Wert

zumeist zwischen 30 und 60, d.h. er variiert um den Faktor 2. Zwischen Kltebedarf und Solar-

strahlung ist keine direkte Abhngigkeit zu erkennen. Eine solar elektrische Klimatisierung

knnte in dieser Anwendung nur mit Netzuntersttzung arbeiten. Besonders an Tagen mit ho-

her Solarstrahlung und geringem Klimatisierungsbedarf msste das Stromnetz elektrische Leis-

tung von der Photovoltaik abnehmen und wrde so durch die Rckspeisung belastet. Solche Si-

tuationen knnen besonders an Wochenenden oder Feiertagen auftreten, wenn das Bro nicht

genutzt wird und gleichzeitig eine hohe Solarstrahlung zu verzeichnen ist.

Eine solarthermische Klimatisierung wre auf Speicher bzw. Notkhleinrichtungen und ein Kl-

tebackup angewiesen, da fr einen autarken Betrieb ebenfalls eine hohe Korrelation von Solar-

strahlung und Kltebedarf ntig ist.

Fazit

Der unbeeinflusste Kltekreislauf 2 des Kaltwassersatz arbeitete im ersten Jahr mit Effizienz-

werten (Monatsmittelwert des EER) von 3.8-4.4, im zweiten Betriebsjahr fllt die Effizienz auf

Werte von ca. 3.3 3.6. ber den Zeitraum von zwei Jahren erreicht dieser Kltekreislauf einen gesamten Effizienzwert von 3.6. Die angegebene Effizienz bercksichtigt die Klteleistung am

Kaltwassersatz bezogen auf den Energieverbrauch des Kaltwassersatzes auer der Kaltwasser-

pumpe. Wird die Kaltwasserpumpe mit einberechnet, so fllt die Effizienz von 3.6 auf 3.0 ab.

Whrend der reine Klteerzeuger gnstige Leistungszahlen aufweist, wird die gesamte Effizi-

enz durch die Systemauslegung gemindert. Da die Effizienzminderung durch das System nicht

direkt auf andere Standorte oder Anwendungen bertragen werden kann, dient als Input fr

die Simulation nur die Effizienz des Klteerzeugers. Das Optimierungspotenzial des Systems

wird aber zur Kenntnis genommen, da der schdliche Einfluss einer unzulnglichen Systemein-

bindung auch hufig bei thermisch getriebenen Klteerzeugern beobachtet wird.

3.3.2 Kaltwassersatz zur Versorgung einer Umluftkhlung

Installiertes System

Der zu vermessende Kaltwassersatz, der eine Umluftkhlung bedienen soll, unterscheidet sich

vom Kaltwassersatz der Flchenkhlung hauptschlich durch sein niedrigeres Temperaturni-

veau im Kaltwasserkreis. Um einen solchen Kaltwassersatz zu vermessen, wurde ein Betrieb

gewonnen, dessen Produktionshalle zur Verbesserung der Arbeitsbedingungen gekhlt werden

soll. Zustzlich werden noch einige Brorume gekhlt, in der Produktionshalle fllt jedoch die

Hauptkhllast an. Diese Khllast resultiert zum grten Teil aus der Abwrme der eingesetzten

Maschinen und ist nur geringfgig von der Solarstrahlung und der Umgebungstemperatur ab-

hngig. Da die Produktion unter Reinraumbedingungen abluft, erfolgt das gesamte Luftma-

nagement ber eine Lftung mit speziellen Filtern. Bei niedrigen Auentemperaturen wird die

Klteleistung teilweise durch die zugefhrte Frischluft bereitgestellt. Die Brorume knnen in

dieser Zeit ber Fensterlftung temperiert werden, da sie nicht der Reinraumanforderung un-

terliegen. Der Kaltwassersatz wurde im Zuge eines Lftungsumbaus neu installiert.


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Bei der betrachteten Kltemaschine handelt es sich um ein Aggregat von Airwell vom Typ AQH

60 ELN mit einer Nennklteleistung von 54 kW. Der Kaltwassersatz besitzt einen Kltekreislauf

mit zwei Verdichtern, die sich in ihrer Leistungsgre geringfgig voneinander unterscheiden.

Somit kann eine Leistungsregelung in den Stufen 0-44-56-100 % realisiert werden. Der Kalt-

wassersatz ist im Auenbereich vor dem Lagerraum aufgestellt. Aus Frostschutzgrnden ist

deshalb eine Glykolmischung im Kltetrgerkreislauf ntig. Die prinzipielle Verschaltung ist in

Abbildung 3.3.3 dargestellt.

Abbildung 3.3.3 Systemskizze Einbindung Kaltwassersatz in Khlsystem Umluftkhlung

Im Gegensatz zum Kaltwassersatz der Flchenkhlung erfolgt bei dieser Anlage keine System-

trennung, d.h. die Klte wird bis zum Verbraucher ber eine Glykolmischung transportiert. So-

mit sind auch keine weiteren Umwlzpumpen mehr ntig und die im Kaltwassersatz verbaute

Pumpe bernimmt die Versorgung aller Verbraucher. Der Leistungsbedarf ergibt sich somit aus

einer typischen lokalen Einsatzsituation und ist somit gegenber Prfstandwerten deutlich er-

hht. Der Verzicht auf einen Medienwechsel ist zwar einerseits gnstig, da das erzeugte Tempe-

raturniveau nicht unter dem bentigten liegt. Andererseits bentigt die Glykolmischung, vergli-

chen mit Wasser, mehr hydraulische Pumparbeit, da die Viskositt hher und die Wrmekapa-

zitt geringer ist. Sobald der Kaltwassersatz eingeschaltet wird, luft die Umwlzpumpe per-

manent, um alle potenziellen Verbraucher bedienen zu knnen.

Messtechnik

Messtechnisch wurde der Kaltwassersatz hnlich ausgerstet wie der Kaltwassersatz der Fl-

chenkhlung. Fr die thermische Leistungsermittlung wurde ebenfalls ein magnetisch indukti-

ves Durchflussmessgert sowie je ein PT-100 Sensor in Vor- und Rcklauf der Kaltwasserlei-

tung integriert. Von den elektrischen Verbrauchern wurden der primre Verdichter, der Venti-

lator, die Umwlzpumpe sowie der gesamte Anschluss des Kaltwassersatzes erfasst. Zudem

wurden je ein kombinierter Feuchte- und Temperatursensor in der Produktionshalle und im

Auenbereich des Kaltwassersatzes montiert sowie jeweils ein Drucksensor im Hoch- und Nie-

derdruckteil des Kltekreislaufes.

Betriebsergebnisse und Analyse

In den beiden Betriebsjahren 2011 und 2012 wurden Betriebsdaten gesammelt und die Leis-

tung und Effizienz bilanziert. Im Jahr 2011 wurden die Daten ab Frhsommer aufgezeichnet,

vom Jahr 2012 liegen die Daten vollstndig vor. Die Daten von 2012 sind in Tabelle 3.3.3 darge-

stellt.

Umwlzpumpe

Kaltwassersatz

Bro

Produktion

Kaltwasserkassette

Lftungsanlage


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Monat Erzeugte

Klte

Energie-bedarf Gesamt

Energie-bedarf

Kltebetrieb

Energie-bedarf Pumpe

sEER Gesamt

sEER Kaltwasser-

satz

[kWhth] [kWhel] [kWhel] [kWhel] [-] [-]

Januar 19 31 18 14 0.6 1.1

Februar 74 6 6 5 11.7 41.1

Mrz 203 86 75 36 2.4 4.1

April 214 82 77 35 2.6 4.5

Mai 1063 423 392 183 2.5 4.4

Juni 1873 687 643 261 2.7 4.4

Juli 2915 961 936 325 3.0 4.6

August 1782 618 604 232 2.9 4.6

September 2760 925 909 343 3.0 4.7

Oktober 856 337 327 119 2.5 3.9

November 64 21 20 9 3.0 5.0

Dezember 33 67 61 7 0.5 0.6

Gesamt 11857 4244 4068 1569 2.8 4.4

Tabelle 3.3.3 bersicht Energieverbrauch und Effizienz Kaltwassersatz zur Versorgung einer Um-luftkhlung

In Tabelle 3.3.3 ist die erzeugte Klte, die umgesetzte Energie und die Effizienz fr die einzelnen

Betriebsmonate dargestellt. Der Effizienzwert sEER des Kaltwassersatzes (Monatswert) wird

aus der umgesetzten Klte und dem Energiebedarf des Kaltwassersatzes (ohne die Kaltwasser-

pumpe) gebildet. Im sEER Gesamt wird der gesamte Stromverbrauch inklusive der Kaltwasse-

rumwlzpumpe bilanziert. Der Wert Energiebedarf Kltebetrieb entspricht dem gesamten

Energiebedarf abzglich der Pumparbeit bei Verdichterstillstand.

Die Effizienz im Februar erscheint besonders hoch, allerdings tritt hierbei vornehmlich freie

Khlung auf. Dadurch wird mit geringem Aufwand eine hohe Kltemenge erzeugt, wodurch die

Effizienz einen hohen Wert erreicht.

Der Kaltwassersatz stellt eine deutlich hhere Nennleistung zur Verfgung als Kltelast anlag.

Die hchste gemessene Kltelast betrug 15 kW, typischerweise betrug die Kltelast bei Betrieb

des Kaltwas

0325966ABC EVASOLK-Schlussbericht Oeffentlich 13August2013

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