Ein Leben für Wärmepumpen und Kältetechnik · anlässlich seiner offiziellen Vorstellung der...

Ein Leben

für Wärmepumpen

und Kältetechnik

Ehrenkolloquium

Prof. Dr.-Ing.

Johannes Reichelt

03. Juli 2014

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Hochschule Karlsruhe - Technik und WirtschaftMoltkestr. 30, 76133 KarlsruheTelefon (0721) 925 - 0Telefax (0721) 925 - 2000Internet: www.hs-karlsruhe.de

Ein Leben für Wärmepumpen und Kältetechnik

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Valerius-Füner-

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Anstelle eines Vorworts

„Lieber Herr Füner“ – so fing die Ansprache von Johannes Reichelt anlässlich seiner offiziellen Vorstellung der Valerius-Füner-Stiftung vor etwas mehr als zehn Jahren an. Dazu zeigte der Beamer ein Foto von Professor Füner. Kollege Reichelt konnte seinem Vorgänger nicht mehr persönlich dafür danken, dass er ihn an die Hochschule Karlsruhe geholt hatte.

Wir, die Nachfolger der Professoren Füner und Reichelt haben nun den Vorteil, dass wir uns persönlich bei ihm bedanken können.

Dieses Ehrenkolloquium ist unser Dank an die stete Unterstützung durch unseren Vorgänger Prof. Dr.-Ing. Johannes Reichelt. In Erwartung, dass er jegliche Lobhuldigungen ablehnen würde, haben wir elf seiner Absolventen gebeten, jeweils technische Fachvorträge zu halten. Die thematische Bandbreite dieser Vorträge zeigt, wie breit die „Reicheltsche Lehre“ in die Kälte- und Klimaindustrie wirkt.

Da es insbesondere die Wärmepumpen dem Jubilar angetan haben – sie sind seit seinen Tagen bei Stiebel Eltron Anfang der 1980er Jahre sein Steckenpferd – sind wir sehr glücklich mit Dr.-Ing. Frank Schmidt einen hochkarätigen Wärmepumpen-fachmann als Gastredner gewonnen zu haben.

Bei einem Ereignis wie dem 75. Geburtstags eines geschätzten Kollegen, darf allerdings ein klein wenig Lob für den Jubilar nicht fehlen. Die entsprechenden Grußworte überbringt der langjährige Weggefährte von Johannes Reichelt, Prof. Dr. sc. techn. (ETH) Max Ehrbar aus der Schweiz.

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75 Jahre sind eine ganz schön lange Zeit. Nicht vielen Menschen ist es vergönnt, in diesem – fast schon biblischen Alter – noch körperlich und geistig fit, sich um die Geschäfte eines Test- und Weiterbildungszentrums, die Organisation von zwei bis drei Symposien im Jahr und die Belange der Valerius-Füner-Stiftung zu kümmern.

Johannes Reichelt meistert all diese Aufgaben auch jetzt – oder vielleicht auch gerade jetzt? – noch spielend. So hält er am TWK zahlreiche Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter beschäftigt und macht sich zu Hause so rar wie eh und jeh.

Meine erste Begegnung mit Johannes Reichelt hatte ich in Dresden auf einer IIR-Tagung im Jahr 1990. Dort tranken wir nur kurz gemeinsam eine Tasse Kaffee.

Doch bereits bei unserem zweiten Treffen anlässlich des internationalen Kältekongresses des Internationalen Kälteinstituts (IIR) in Montreal im August 19911, lernte ich eine – vielleicht DIE – Eigenschaft von Johannes Reichelt kennen, die sein gesamtes Leben prägt und die, wenn man dem Spruch, den ich 1992 in Hannover in einem Gasthaus las, glauben mag, für sein langes und gesundes Leben ausschlaggebend sein könnte:

„Wer die Gabe der Begeisterungsfähigkeit hat,

wird zwar älter, aber niemals alt.“

1 Johannes Reichelt lobte mich damals nach meinem ersten internationalen Vortrag äußerst überschwänglich vor meinem Doktorvater Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. Horst Kruse – der selber als gebürtiger Schleswig-Holsteiner nur meinte „Na ja, war ja nicht schlecht“.

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Bleiben Sie noch lange jung und uns und unserem Studien-schwerpunkt wohlgesonnen!

Dies wünschen Ihnen Ihre zahlreichen Nachfolger von der Hochschule Karlsruhe.

Prof. Dr.-Ing. habil. Michael KauffeldLeiter des Instituts für Kälte-, Klima- und UmwelttechnikProdekan der Fakultät für Maschinenbau und MechatronikHochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft

Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld

Hochschule Karlsruhe –Technik und Wirtschaft


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Inhaltsverzeichnis

Vorwort 1Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld, Hochschule Karlsruhe

Grußwort 7Prof. Dr. rer. nat. Karl-Heinz Meisel, Hochschule Karlsruhe

Kältetechnik und Wärmepumpen im Wandel der Zeit 15Dr. Frank Schmidt, Viessmann Wärmepumpen GmbH

Das Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik (IKKU) 24Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld, Hochschule Karlsruhe

CO2 - Supermarktkälteanlagen mit integrierter Gebäudeheizung und -klimatisierung 38Udo Görner, Epta Deutschland GmbH

Thermische Energiespeicher für das Studentenwerk in Karlsruhe 50Bernd Gantner, Hafner-Muschler GmbH & Co. KG

Die Kältetechnik als Teil des Gebäudesystems - zukünftige Aufgaben und Herausforderungen 60Prof. Dr.-Ing. Volker Siegismund, Hochschule Biberach

Entwicklungsphasen eines CO2-Akkumulatorsmit integriertem inneren Wärmeübertrager 74Marlene Kreutz, Eaton Germany GmbH


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Einflussmöglichkeiten von Einspritzventilen auf die Überhitzungsregelung 88Jörg Saar, Danfoss GmbH

Klimatisierung von Elektro- und Hybridfahrzeugen 110Rainer Burger, TWK GmbH

Sonnenenergienutzung zur Gebäudeklimatisierung 128Irmgard Bauer, Ritter Energie- und Umwelttechnik

Bewertung von R744 - Supermarktkälteanlage für warme Klimazonen 144Dr.-Ing. Armin Hafner, SINTEF

Systemeffizienzsteigerung durch moderne Verdichtertechnologien 172Tilo Roller, BITZER Kühlmaschinenbau GmbH

Vergleich der Leistungsdichte unterschiedlicherLamellen-Wärmeaustauscher-Geometrien 184Franz Jäger, Güntner GmbH & Co. KG

Trends in der Automobilindustrie -Thermodynamik meets Micro-Controller 202Christian Maier, TKI Automotive GmbH

Leben und Wirken von Johannes Reichelt 207Prof. Dr. sc. techn. (ETH) Max Ehrbar, Institut für Energiesysteme/NTB

Die Valerius-Füner-Stiftung 221

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Begrüßung des Rektors

Prof. Dr. Karl-Heinz Meisel

Anlässlich des Ehrenkolloquiums für Herrn

Prof. Dr.-Ing. Johannes Reichelt an der

Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft

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Sehr geehrter Herr Professor Reichelt,

sehr geehrte Damen und Herren,

im Namen des Rektorats begrüße ich sie alle recht herzlich zu dem Ehrenkolloquium, das von der Hochschule Karlsruhe – um genauer zu sein: vom Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik – anlässlich des 75. Geburtstags von Herrn Professor Reichelt veranstaltet wird.

Weltweit gilt das Internet als die allumfassende Wissensquelle. Wenn man bei Google den Begriff „Kältetechnik“ eingibt, erhält man an erster Stelle einen Verweis auf

www.twk-karlsruhe.de

mit der Erläuterung:

„TWK - Test- und Weiterbildungszentrum Wärmepumpen und Kältetechnik ... Schulungen auf den Gebieten Kältetechnik, Wärmepumpen und mobile Kälte- Klimatechnik.“

Geht man auf die Homepage vom TWK, kann man dort erfahren, dass die TWK GmbH (Geschäftsführer u. a. Prof. Dr. Reichelt) eine Einrichtung der Valerius-Füner-Stiftung (Vorsitzender Prof. Dr. Reichelt) ist.

Die Aktivitäten im Bereich „Kältetechnik“ haben an unserer Hochschule und deren Umfeld eine lange erfolgreiche Tradition. Diese ist wesentlich von der Person von Prof. Dr. Reichelt geprägt.

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„Damit das Mögliche entsteht,

muss immer wieder das Unmögliche versucht werden.“

(Hermann Hesse, Brief (Sept. 1960) an Wilhelm Gundert)

Sie kennen dieses Zitat vielleicht, es stammt von Hermann Hesse. Dieser Satz lässt mich an einen Menschen denken, der voller Leidenschaft seinen Zielen nachstrebt und mit großem Engagement und tiefer Überzeugung für seine Sache, sein Projekt, eintritt. Und hier kommen Sie ins Spiel, Herr Professor Reichelt: Die Kälte- und Wärmepumpentechnik als Studienschwerpunkt im Maschinenbau an der Hochschule Karlsruhe besteht seit den 1950er Jahren. Zwischen den 1950er Jahren und 1980 legte Prof. Dr.-Ing. Valerius Füner an der Hochschule Karlsruhe (damals noch Staatstechnikum Karlsruhe genannt) den Grundstein für den Studienschwerpunkt: Er baute an der Hochschule eine praxisbezogene kältetechnische Ausbildung auf. Die Wirkenszeit von Prof. Dr. Reichelt an der Hochschule Karlsruhe schloss daran an und begann im Jahr 1980, als er im Fachbereich Maschinenbau für das Lehrgebiet „Kälte- und Klimatechnik sowie Maschinenmesstechnik“ als zweiter Professor berufen wurde, der in diesem Bereich tätig war. Er baute die Lehrgänge in der Kältetechnik stetig weiter aus. Heute besuchen im Mittel rund 600 Teilnehmer pro Jahr die angebotenen Kurse im TWK.

1980 wurde die Hochschule Karlsruhe (damals noch Fachhochschule genannt) auf Antrag von Herrn Prof. Dr. Reichelt eine von drei in Deutschland zugelassenen, neutralen DIN-Prüfstellen für Wärmepumpen und Kältetechnik. Die Mess- und Prüfaktivitäten wurden seitdem ebenfalls immer stärker ausgebaut.

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1985 wurde Prof. Dr. Reichelt Leiter des Transferzentrums Kälte-Klimatechnik, das 1987 in die Steinbeis-Stiftung eingegliedert wurde. Vierzehn Jahre nach seiner Berufung an die Hochschule Karlsruhe, 1994, wurde ihm eine C3-Professur mit der zusätzlichen Funktion „Koordinierung der Auslandskontakte im Bereich der Kälte- und Klimatechnik“ übertragen.

1996 gründete er das schon erwähnte Test- und Weiterbildungszentrum Wärmepumpen und Kältetechnik (TWK). Ein Weiterbildungszentrum, das vor einigen Jahren als gemeinnützig anerkannt wurde und sich zu einem bundesweit etablierten Test- und Weiterbildungszentrum für Wärmepumpen und Kältetechnik entwickelte.

Prof. Dr. Reichelt war auch in den Folgejahren überaus engagiert: So gründete er im Jahr 2001 die Valerius-Füner-Stiftung, die die Ingenieuraus- und -weiterbildung im Bereich der Kälte- und Klimatechnik an der Hochschule Karlsruhe fördert. Pro Jahr unterstützt die Stiftung das Fachgebiet Kälte- und Klimatechnik finanziell mit einer fünfstelligen Summe und lobt jährlich den Valerius-Füner-Preis aus, den die besten Absolventinnen und Absolventen des Studiengangs Maschinenbau mit Schwerpunkt Kälte-, Klima- und Umwelttechnik erhalten.

Hier an der Hochschule hat er nicht nur Spuren in Lehre und Forschung hinterlassen, sondern hat ein ganz praktisches und wertvolles „Erbe“ geschaffen, indem er sich mit großem Engagement für die umfangreiche Renovierung des Kältelabors in den Jahren 2002/2003 einsetzte und die dafür notwendige Finanzierung (eine sechsstellige Summe) durch Unternehmen einwarb.

Wenn heute von einem Kältetechnikzentrum die Rede ist, wird es nicht lange dauern, bis der Ort Karlsruhe genannt wird.

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Der Ursprung dieser Entwicklung liegt an der Hochschule Karlsruhe; darauf dürfen wir sehr stolz sein und an dieser Stelle spreche ich unserem Jubilar einen großen Dank und große Anerkennung für seine Mitarbeit daran aus. Wie fruchtbar sein Wirken war und ist, verdeutlichen auch die Anzahl und die Themen des heutigen Ehrenkolloquiums. Viele Redner haben mit ihm sicherlich über die Jahre zusammengearbeitet und bauen auf den Erkenntnissen seiner Lehre und des Test- und Weiterbildungszentrums auf. Das Thema, dem sich Professor Dr. Reichelt größtenteils in seinem Berufsleben gewidmet hat, hat Geschichte und ist gleichzeitig aktueller denn je: Seit Urzeiten versucht der Mensch seine Umgebung und auch seine Lebensmittel zu temperieren. Höhlen wurden durch Feuerstellen erwärmt, Fleisch durch Kühlung in Schnee haltbar gemacht. Über Jahrtausende stand das Heizen im Vordergrund, doch seit der Römerzeit gibt es auch Bestrebungen zur gezielten Abkühlung von Räumen, was heute mit dem Begriff „Klimatechnik“ umschrieben wird. Heute begegnet uns der Themenkomplex Kälte-, Klima- und Umwelttechnik in jedem erdenklichem Lebensbereich. In Zeiten stetig knapper werdender Energieressourcen gewinnen diese Bereiche zunehmend an Bedeutung und Gewicht.

Bei Kälte- und Klimaanlagen muss in Zukunft der Energiebedarf stark reduziert werden. Es gibt jedoch kaum Ingenieure mit den notwendigen mechatronischen und kältetechnischen Kenntnissen. Daher haben Studierende mit dem Schwerpunkt Kälte-, Klima-, Umwelttechnik (KKU) sehr gute Berufsaussichten.

Im Jahr 2004 trat Prof. Dr. Reichelt in den verdienten Ruhestand ein. Ich will kurz skizzieren, wie sich sein Erbe an der Fakultät für Maschinenbau und Mechatronik weiterentwickelt hat:

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2006 wurde ein fakultätsübergreifendes Institut für Forschungsaufgaben auf dem Gebiet der Kälte-, Klima- und Umwelttechnik gegründet (Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik, IKKU). Am Institut forschen in verschiedenen Arbeitsgruppen insgesamt 8 Professoren, die von derzeit 30 wissenschaftlichen Mitarbeitern unterstützt werden: Die Arbeitsergebnisse fließen direkt in die Lehre im Maschinenbau, in der Mechatronik und der Sensorsystemtechnik ein. Auf ca. 600 Quadratmetern Laborfläche werden zentrale Forschungsvorhaben z. B. zu den Themenschwerpunkten Eisbrei, Energieeffizienz von Kälte- und Klimaanlagen, solare Klimatisierung, Adsorptionstechnik, Blockheizkraftwerke und Wasserreinigung durchgeführt. Ich möchte mich auch bei der Steinbeis-Stiftung für Wirtschafts¬förderung und dem „Verbund der Stifter“ bedanken, die zum 1. September 2012 gemeinsam eine Stiftungsprofessur im Bereich „Energieeffizienz“ eingerichtet haben.

Die Vorarbeiten von Prof. Dr. Reichelt und die nachfolgende Entwicklung des Instituts machen dieses zu einem bundesweit einzigartigen Forschungszentrum der Kälte-, Klima- und Umwelttechnik. Unsere Studierenden erhalten in diesem Fachgebiet eine fundierte Hochschulausbildung, die sie für die Industrie zu gefragten Fachkräften macht. In Kooperation mit Industrieunternehmen und Universitäten konnten am IKKU schon zahlreiche Promotionen erfolgreich betreut werden. Jährlich entscheiden sich erneut ca. 40 Studierende für den Studienschwerpunkt Kälte-, Klima- und Umwelttechnik.

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Sie sehen also, lieber Herr Professor Reichelt, Sie haben eine gute Grundlage für nachfolgende Generation gelegt.

Ich danke den Organisatorinnen und Organisatoren für die Einladung zu dieser Feier und wünsche Ihnen allen noch einen interessanten Aufenthalt hier an der Hochschule Karlsruhe. Die zahlreichen und unterschiedlichen Vorträge, die nun folgen, versprechen ein spannendes Kolloquium.

An dieser Stelle möchte ich Ihnen, Herr Professor Reichelt, nochmals zu Ihrem 75. Lebensjahr gratulieren und wünsche Ihnen für die Zukunft alles erdenklich Gute.

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit.

Prof. Dr. Karl-Heinz Meisel

Rektor der Hochschule Karlsruhe - Technik und Wirtschaft

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Kältetechnik und Wärmepumpen

im Wandel der Zeit

Kurzfassung des anlässlich des Jubiläums von Herrn Prof. Reichelt gehaltenen Vortrages

Einleitung

Kältetechnische Anlagen und Wärmepumpen beruhen auf denselben technischen und physikalischen Grundlagen, sofern es sich um kompressorenbetriebene Systeme, auf die ich mich in meinem Vortrag konzentrieren möchte, handelt. Dennoch haben beide Anwendungen seit der Konstruktion und ersten Anwendung des Kältekreisprozesses durch Carl Linde vor fast 150 Jahren eine sehr unterschiedliche Entwicklung erfahren.

Während die Kältetechnik bereits vor mehr als 100 Jahren größere Erfolge feiern konnte, hat es bis zur Nutzung desselben Kältekreises für Heizungszwecke, d. h. als Wärmepumpe, bis in die 60er Jahre des vorherigen Jahrhunderts gebraucht.

In den letzten ca. 15 Jahren haben sich die Wärmepumpen hinsichtlich ihrer Energieeffizienz und ihres Gebrauchsnutzens durch die erheblichen Anstrengungen der Hersteller deutlich positiv entwickelt.

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Und erst jetzt können wir im großen Umfang eine Entwicklung begleiten, bei der kältetechnische Anlagen und Wärmepumpen zu Gesamtsystemen zusammengefügt werden, weil das Bestreben, Energie einzusparen, einen inzwischen sehr hohen Stellenwert erlangt.

Gerne will ich als Vorstandsmitglied des Bundesverbandes Wärmepumpen und aus der Sicht eines Herstellers, der jetzt auch in die Kältetechnik eingestiegen ist, die Marktentwicklung der letzten Jahre kurz darstellen und insbesondere die zukünftigen Trends, die sich andeuten bzw. schon Einzug genommen haben, aufzeigen.

Unterschiedliche Triebkräfte, die zur Entwicklung von Kälte-technik und Wärmepumpen führten:

Zielsetzung Kältetechnik:

„Kälte produzieren, um vor allem in der Lebensmittelbranche Produkte haltbarer und über weitere Strecken transportierbar zu machen“

Die Entwicklung kältetechnischer Anlagen hat zu einem großen Entwicklungssprung in der Industrialisierung der Lebensmittelproduktion und Qualitätsverbesserung geführt. Es wäre nicht mehr vorstellbar, diese Welt ohne durchgängige Kühlketten mit Lebensmitteln auskömmlich versorgen zu können. Auch zahlreiche andere Anwendungen und Prozesse wären ohne Kälte bzw. Kühlung nicht denkbar. Bei der Entwicklung standen Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit nicht im Vordergrund, da konkurrierende alternative, im großen Stil einsetzbare Technologien nicht verfügbar waren und sich auch heute noch nicht anbieten.

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Zielsetzung Wärmepumpen:

Im Gegensatz zur Kältetechnik bestand die Zielsetzung in der Wärmepumpenentwicklung darin, eine Heizungstechnik hervorzubringen, die im Gegensatz zu konventionellen Heizungssystemen einen geringeren Primärenergieeinsatz erfordert bzw. deren Energiekosten geringer sind. Damit hat die Wärmepumpe im Gegensatz zur Kältetechnik über viele Jahre einen sehr schweren Stand gehabt, weil konventionelle Energien sehr kostengünstig, scheinbar unbegrenzt verfügbar waren und auch der Strom nicht sonderlich effizient hergestellt werden konnte. Über viele Jahre hinweg hat der sogenannte Primärenergiefaktor die Öko-Bilanz der Wärmepumpe nicht befördert sondern ihre Akzeptanz eher behindert. Wachsende Bedeutung konnte die Wärmepumpe erst mit der zunehmenden Verbreitung von Fußbodenheizungen erlangen, die der Wärmepumpe gemäß den Regeln des Carnot‘schen Kreisprozesses bei dem damit verbundenen geringeren Temperaturhub einen deutlich effizienteren Betrieb ermöglicht.

Historie

Durch die sehr unterschiedlichen Zielsetzungen hat die Kältetechnik eine sehr viel längere Historie; auf die optimale Effizienz hinsichtlich des Energieaufwandes kam es lange Zeit kaum an – genau vor 100 Jahren wurde übrigens auch die erste Klimaanlage in den USA installiert.

Die Wärmepumpe, die stets im Wettbewerb zu Gas, Öl und Kohleheizungen stand, konnte sich aus Kostengründen technisch lange Zeit nicht durchsetzen und beschränkte sich bis in die 80er Jahre auf Labor- und Versuchsmuster, sowie eine Vermarktung in nur sehr geringem Umfang.

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Die erste richtige Chance erhielt sie in Deutschland in der Zeit der ersten Ölkrise Anfang der 80er Jahre, da die Furcht vor weiter steigenden Öl- und Gaspreisen und der größeren Abhängigkeit von öl- und gasexportierenden Ländern zunahm und sie auch wirtschaftlich überlegen schien.

Viele Unternehmen stürzten sich auf dieses damals sehr viel versprechende Geschäftsfeld. Allerdings verschwand die Wärmepumpe relativ schnell wieder in der Versenkung, da sie die in sie gesetzten Erwartungen nicht erfüllte und ihr Ruf stark unter der vielfach schlechten Qualität zahlreicher Hersteller gelitten hat.

Wenige Unternehmen haben durchgehalten, um Ländermärkte, in denen die Wärmepumpe nicht so stark gelitten hat (Schweiz und Skandinavien) und wenige überzeugte Anhänger auch in Deutschland bedienen zu können.

Das Geschäft mit der Wärmepumpe lief erst in der zweiten Hälfte der 90er Jahre wieder an, da wiederum stark steigende Energiepreise und die Einsicht, dass die konventionellen Energien wohl doch nicht unerschöpflich sind, diese Entwicklung begünstigten. Neben Spezialisten haben sich nun auch große Hersteller konventioneller Heizungstechniken für dieses Geschäftsfeld interessiert.

Aktuelle Entwicklung

Die Kältetechnik in der Kühlung und Klimatisierung hat eine enorme Entwicklung genommen Heute werden p. a. mehrere hundert Millionen Kompressoren, Kältekreise und Klimaanlagen hergestellt.

Allein in deutschen Lebensmittelfilialen stehen mehrere tausend Kilometer Kühlstrecke.

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Bei den Wärmepumpen hat die rasante Entwicklung der letzten Jahre zu einem Absatz von deutlich mehr als 300.000 Einheiten p. a. in Europa geführt. Durch den intensiven Wettbewerb konnten beeindruckende Entwicklungsleistungen in der Qualitätsverbesserung und Effizienzsteigerung erzielt werden. Zudem ist es gelungen, die Herstellkosten signifikant zu reduzieren.

Die erzielte Effizienzsteigerung führte auch hin zu einer starken Zunahme der Luft-/Wasser-Wärmepumpen, die sich bei vertretbaren Jahresarbeitszahlen und gleichzeitig geringeren Investitionskosten im Vergleich zu Sole-Wärmepumpen einer steigenden Beliebtheit erfreuen.

Dieser Prozess wurde stark durch den Eintritt ostasiatischer Unternehmen in den europäischen Markt beschleunigt, die aus der Klimabranche kommend, mit reversiblen Split-Klimaanlagen Heizungssysteme anboten. Nach anfänglichen erheblichen Problemen hat sich nun ein interessantes Marktsegment etabliert, das insbesondere durch den Inverter, d. h., die Leistungsregelung in Abhängigkeit von Außentemperatur und Wärmebedarf, auf sich aufmerksam machte.

Diese Technologie wurde inzwischen auch von europäischen Wärmepumpenherstellern übernommen und auch bei sogenannten Monoblock-Wärmepumpen etabliert.

Wenig Beachtung hatte bis vor wenigen Jahren das Thema „Abwärmenutzung der Kühlanlagen“ – Beispiele aus dem Lebensmittelhandel zeigen, dass Kälteanlagen und konventionelle Heizungen, die in zahlreichen Filialen nebeneinander existieren, keine Zukunft mehr haben, weil erkannt wurde, dass die Abwärme aus den Kälteaggregaten sehr gut zu Heizzwecken genutzt werden kann.

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Obwohl diese Erkenntnis trivial zu sein scheint, ist die Umsetzung oft nicht einfach. Heute werden – auch getrieben durch die Kältemitteldiskussion – völlig andersgeartete Kühl- und Heizsystem entwickelt, wie z. B. Kühlmöbel mit autarken Propan-Kältekreisen und nachgeschalteten Wärmepumpen, die die Abwärme auf das für Heizzwecke gewünschte Temperaturniveau anheben.

Allmählich setzt sich die Erkenntnis durch, dass die Wärmepumpe die ökologischste aller Heizungstechniken ist, da sie bis zu 75 % des Heizenergiebedarfs der Umwelt entnimmt – allerdings wird der Einsatz der Wärmepumpe in Deutschland durch die hohen Strompreisbelastungen des EEG und anderer Abgaben behindert.

Trotzdem wird inzwischen bereits ein Drittel der Neubauten mit Wärmepumpen ausgestattet.

Die Kritik am Stromverbrauch der Wärmepumpen, die insbesondere während der kalten Jahreszeit mit geringer Photovoltaikstromeinspeisung und längeren windstillen Perioden, entsprechende Kraftwerkskapazitäten erfordert, besteht weiterhin.

Vielfältige Potentiale und Chancen in der nahen Zukunft

Die Wärmepumpe bietet zahlreiche Chancen und Potenziale, um in der nahen Zukunft noch effizienter arbeiten, einen größeren Beitrag zur Reduzierung von CO2-Emmissionen leisten und als wichtiges Regelelement im immer volatiler werdenden Stromnetz wirken zu können.

Die Wärmepumpe ist optimal geeignet, überschüssigen Strom zu absorbieren und Wärme auf „Vorrat“ zu produzieren.

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Der Kritik am Stromverbrauch während dunkler und windarmer Perioden kann effizient mit den sogenannten Hybrid-Wärmepumpen begegnet werden.

Die Wärmepumpe wird daher in Zukunft optimal geeignet sein, im sich entwickelnden Smart Grid eine wesentliche Rolle zu spielen, da sie je nach momentaner Verfügbarkeit des Stroms, gezielt mit Strom betrieben bzw. überschüssigen Strom absorbieren oder auf die Energiequelle Gas umschalten kann. Erste Ergebnisse zeigen, dass die Gesamteffizienz hierdurch ansteigen und sich für den Anlagenbetreiber günstigere Betriebskosten ergeben werden. Die Entscheidung wird im Smart Grid zukünftig über entsprechende Preissignale getroffen.

Die Wärmepumpe kann zahlreiche der heute in Deutschland installierten und zum Teil völlig überalterten 20 Mio. Heizungsanlagen ersetzen und dabei einen erheblichen ökologischen Beitrag leisten.

Der Verbrauch selbsterzeugten Photovoltaikstroms führt zu wirtschaftlich interessanten Lösungen für den Betreiber von Photovoltaikanlagen. Er kann den kostengünstig erzeugten Strom nicht nur für Heizzwecke sondern auch für die Gebäudekühlung mittels Wärmepume im Sommer nutzen, da gerade dann eine gute Zeitgleichheit zwischen Stromangebot und Kühlbedarf besteht.

Wärme und Kälte wachsen zusammen: Abwärme kann zu Heizzwecken genutzt werden.

Allerdings muss das Problem der wirtschaftlich vertretbaren temporären bzw. saisonalen Speicherung gelöst werden. Hierfür bieten sich sogenannte Eisspeicher in Verbindung mit einer Wärmepumpe an. Hochinteressante Realisierungsbeispiele zeigen die vielfältigen Anwendungsmöglichkeiten.

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Dr. Frank Schmidt

Mitglied des Verwaltungsrates der Viessmann GruppeCOO Wärmepumpen und Kühlsysteme

Was bleibt zu tun?

Die Effizienzsteigerung der Luft-WP sowie die Geräuschreduzierung muss weiter voran getrieben werden.

Dem erheblichen Preisdruck durch die Intensivierung des Wettbewerbs insbesondere durch ostasiatische Marktteilnehmer muss wirkungsvoll durch besondere Entwicklungsanstrengungen begegnet werden.

Es sind noch intelligentere Regelungskonzepte, die komplexe Systeme mit einer Vielzahl an Komponenten und stark variierenden Rahmenbedingungen beherrschen, zu entwickeln.

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Das Institut für Kälte-, Klima-

und Umwelttechnik (IKKU)

Die Lehre und Forschung in der Kälte-, Klima- und Umwelttechnik an der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft boomt. Das 2006 gegründete Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik (IKKU) wurde in diesem Jahr durch Professor Dr.-Ing. Jens Denecke um den Schwerpunkt Sicherheitstechnik erweitert. Im von Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld geleiteten IKKU forschen nun gemeinsam:

• Prof. Dr.-Ing. Michael Arnemann (Kältetechnik, Klimatechnik, Fahrzeugklimaanlagen, quasi-statische Simulation thermischer Systeme und Energieeffizienz). Michael Arnemann ist seit 2006 Mitglied im Vorstand des Deutschen Kälte- und Klimatechnischen Vereins e. V. Er war von 2008 bis 2012 Vorsitzender des DKV.

• Prof. Dr.-Ing. Marco Braun (Dynamische Simulation, Fahrzeugklimaanlagen und Wirtschaftlichkeit von Kälte- und Klimaanlagen)

• Prof. Dr.-Ing. Jens Denecke (Sicherheitstechnik, Strömungs-mechanik und 2-Phasenströmungen)

• Prof. Dr.-Ing. Jan Hoinkis (Verfahrenstechnik, Stoffübertragung, Wasserreinigung und Umkehrosmose)

• Prof. Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld (Kältetechnik, Natürliche Kältemittel, Ice Slurry (Eisbrei) und Minichannel-Wärmeübertrager). Michael Kauffeld ist seit 2011 Präsident der Kommission B2 – Kältemaschinen des Internationalen Kälteinstituts IIR

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• Prof. Dr.-Ing. Maurice Kettner (Verbrennungsmotoren, Block-heizkraftwerke, Verbrennungsprozesse)

• Prof. Dr.-Ing. Matthias Stripf (Adsorptions- und Absorptions-prozesse, Strömungsmechanik, Kühlung thermisch hoch-belasteter Bauteile und Energieeffiziente Regelverfahren)

• Prof. Dr.-Ing. Matthäus Wollfarth (Fahrzeugklimaanlagen, Verdichter, Expansionsventile, Geräuschreduzierung von Kälte- und Klimaanlagen). Matthäus Wollfarth ist seit 2013 im Vorstand des DKV.

Auf ca. 600 Quadratmetern Laborfläche werden Forschungsvorhaben z. B. zu den Themenschwerpunkten Eisbrei, Phase Change Materials (PCM), Minichannel-Verflüssiger, Energieeffizienz von Kälte- und Klimaanlagen, solare Klimatisierung, Sorptionskältemaschinen und -wärmepumpen, Blockheizkraftwerke und Wasserreinigung durchgeführt.

Die acht Professoren werden von etwas mehr als dreißig wissenschaftlichen Mitarbeitern unterstützt, die überwiegend durch Drittmittel finanziert sind. So konnte der Umsatz des IKKU im Forschungsbereich in den vergangenen acht Jahren sukzessive auf inzwischen 1,3 Millionen Euro gesteigert werden, siehe Bild.

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Umsatzentwicklung am IKKU

Allein im Jahr 2013 wurden 26 Forschungsprojekte durchgeführt – die Abschnitte zwischen zwei dünnen schwarzen Linien in Bild 1 markieren jeweils ein Projekt. Man erkennt sehr gut, wie die einzelnen Forschungsschwerpunkte (Umwelttechnik, Kältetechnik, Verbrennungsmotoren / BHKW und Adsorption) mit der Berufung des jeweiligen Professors Fahrt aufgenommen haben. Neueste Ergänzung ist der Bereich Sicherheitstechnik mit Prof. Dr. Jens Denecke, der sich auch mit der Sicherheit von Kälteanlagen mit brennbaren oder giftigen Kältemitteln (z. B. Kohlenwasserstoffe respektive Ammoniak) befassen wird.

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Michael Arnemann arbeitet seit 1999 im Bereich der Fahrzeugklimatisierung mit einem Schwerpunkt in der Verdichter-entwicklung. Die Eigenschaften von Öl-Kältemittelgemischen bzw. deren Wirkung in Kälte- und Wärmepumpen sind seit seiner Promotion zum gleichen Thema sein spezielles Steckenpferd.

Ein weiteres wichtiges Tätigkeitsfeld ist seit Jahren die Wärmeübertragung. Für die Industrie hat er eine Auslegungssoftware für Wärmeübertrager entwickelt, die auch Fertigungskosten berücksichtigt. Aktuell betreut er eine Promotion zum Thema Sprühkühlung im Formenbau. Darüber hinaus gilt sein besonderes Interesse der energetischen Analyse von Kälte-, Klima- und Wärmepumpen, um deren Effizienz zu verbessern. In diesem Zusammenhang arbeitet er seit Jahren z. B. an Forschungsprojekten des Bundesministeriums für Umwelt, Naturschutz, Bau und Reaktorsicherheit (BMUB). Zur Untersuchung dynamischer Vorgänge in Kälteanlagen und um den Einfluss relevanter Parameter auf die Kälteleistung zu erforschen, wurden im IKKU zwei mit umfangreicher und präziser Messtechnik ausgestattete Versuchsanlagen aufgebaut. Diese Anlagen werden auch im neuen Masterstudiengang mit dem Schwerpunkt Energieeffizienz in der Kälte-, Klima- und Umwelttechnik eingesetzt.

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Effizienzanalyse einer Kälteanlage mittels Exergieflussbild

Marco Braun deckt die dynamische Simulation von Kälteanlagen im IKKU ab. Er kann hierbei auf langjährige Erfahrungen in der Automobilbranche zurückgreifen. Dort entwickelte er als Projektleiter bei der Daimler AG mit Unterstützung der Daimler Forschung und mehreren Universitäten ein Simulationstool für die dynamische Simulation von PKW-Klimaanlagen. 2006 ist dieses Tool als Standard für den Modellaustausch in der deutschen Automobilindustrie ausgewählt worden. Zusätzlich dazu verfügt Marco Braun über Erfahrung mit der Entwicklung von Absorptionswärmepumpen. Derzeit beschäftigt er sich auch mit der Anwendung von Blockheizkraftwerken zur Wohnraumbeheizung. Hier verfügt das IKKU über zwei Stirling-Motor-Blockheizkraftwerken. Eines vom Typ WhisperGen, an dem derzeit Untersuchungen zum Wirkungsgrad laufen, sowie ein weiteres, welches aus einem Entwicklungsprojekt der Firma Meyer & Cie. übernommen wurde und in Eigenentwicklung weitergeführt werden soll.

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Jens Denecke hat Verfahrenstechnik an der TU Clausthal studiert und danach am KIT im Bereich Strömungsmaschinen promoviert. Anschließend war er sechs Jahre bei der BASF für Strömungssimulationen und Sicherheitstechnik zuständig. Er wird im IKKU den Bereich Strömungslehre verstärken und den Bereich Sicherheitstechnik aufbauen. Insbesondere der durch die neue F-Gase Verordnung der EU favorisierte Wechsel weg von HFKW hin zu natürlichen Kältemitteln stellt die Kältetechnik vor ganz neue Herausforderungen im Umgang mit brennbaren und/oder giftigen Stoffen. Hier will Jens Denecke entsprechende Forschung initiieren.

Jan Hoinkis arbeitet im Bereich der Wasserreinigung bzw. dem Wasserrecycling. Der Schwerpunkt der Entwicklungsarbeiten liegt insbesondere auf innovativen Membranfiltrationstechniken. Bei diesen Trennverfahren wird das zu filternde Medium unter erhöhtem Druck quer zu einer feinporigen Membran geführt. Membranen werden heute schon in vielen Bereichen der Wasseraufbereitung eingesetzt und stellen dabei eine leistungsstarke Alternative zu herkömmlichen Trennver-fahren dar. So gibt es bereits eine breite Palette von unterschiedlichen Membranmaterialien, mit denen nicht nur feinste Partikel, sondern auch gelöste organische Stoffe und Salze (sogenannte Umkehrosmose) herausgefiltert werden können. Das Verfahren der Umkehrosmose wird heute schon vielfach im Bereich der Meerwasserentsalzung zur Gewinnung von Trinkwasser eingesetzt. In einem von der EU geförderten Projekt wurde ein membranbasiertes Abwasserrecyclingverfahren für eine Wäscherei entwickelt, das mittlerweile erfolgreich im großen Maßstab betrieben wird und mehr als 80 % an Frischwasser einspart.

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Ein weiteres EU-Projekt hat sich mit der Entfernung von Schadstoffen aus Trinkwasser (Arsen) mittels dezentraler Umkehrosmoseanlagen in asiati-schen Ländern beschäftigt. Derzeit wird ein neues Projekt vorbereitet, das sich innerhalb eines Netzwerks von europäischen Partnern mit der Entwicklung von Membranen mit neuen, nanoskalierten Funktionsschichten zur Wasserreinigung befassen wird.

Michael Kauffeld arbeitet schon seit 1994 auf dem Gebiet der Eisbrei-Erzeugung und Anwendung. Gleich nach seiner Berufung an die Hochschule Karlsruhe 2002 installierte er die ersten beiden Versuchsanlagen.

Seit 2004 gibt es auch eine eigenständige Vorlesung zum Thema Eisbrei und es wurden bereits diverse Forschungsprojekte zu verschiedenen Aspekten von Eisbreianlagen durchgeführt.

Im Jahr 2013 wurde ein lang gehegter Traum einer Demonstrations-anlage in Hochschulnähe wahr: Das Studierendenwerk Karlsruhe installierte in der Mensa Adenauerring die weltweit erste Propankälteanlage, die nachts in einem 40 m³ großen isolierten Behälter Eisbrei speichert, um diesen tagsüber für die Kühlung von 90 Kühlstellen wieder zu schmelzen. Die Tiefkühlung wird über eisbreigekühlte Kohlendioxidkälteanlagen sichergestellt. Ein Anlagenkonzept, dass Michael Kauffeld bereits 1994 mit seinen damaligen dänischen Kollegen erdachte. Mit dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT – vormals Universität Karlsruhe), auf dessen Gelände die Mensa mit der Eisbrei-Kälteanlage steht, erfolgen auch die beiden derzeit laufenden Promotionen zum Thema Eisbrei.

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Eisbrei unter dem Mikroskop – die einzelnen Partikel sind 0,2 bis 0,6 mm groß. (Die rechts oben im Bild zu sehenden beiden schwarzen Kreise mit weißem Kern sind Luftblasen)

Seit Anfang 2010 wird am IKKU auch im Rahmen eines BMBF-Verbundprojektes die Speicherung von latenter Wärme bei deutlich höheren Temperaturen als der Erstarrungstemperatur von Wasser erforscht.

In einem gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut, den Unternehmen Ritter Solar und GEA Jet Pumps vierjährigen Forschungsvorhaben zum Thema „solare Klimatisierung“ entwickelt die Hochschule Karlsruhe einen Latentwärmespeicher für den Temperaturbereich von 130 bis 140 °C. Die Demonstrationsanlage wurde im Jahr 2013 an der Hochschule Karlsruhe installiert. Dazu wurden 400 m² Vakuumröhrenkollektoren auf dem Dach des LB-Gebäudes der Hochschule installiert. Die Dampfstrahlkälteanlage kühlt nun im Sommer dieses Gebäude mit Wasser als Kältemittel und im Winter unterstützen die Vakuumröhrenkollektoren die Heizung des Gebäudes.

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Seit 2003 forscht das IKKU am Wärmeübergang von Kältemitteln in Minichannel-Profilen. 2007 verteidigte Dr.-Ing. Volker Siegismund seine in Kooperation mit der TU Dresden durchgeführte Promotion zum Thema „Einfluss von Kältemaschinenöl auf den Wärmeübergang von Kohlendioxid in kleinen Strömungskanälen“ erfolgreich1. Seit Oktober 2008 arbeitet nun Dipl.-Ing. (FH) Timo Maurath daran, die aus der Automobilindustrie bekannten Vorteile von Minichannel-Verflüssigern auf die stationäre Kältetechnik zu übertragen.

Minichannel-Wärmeübertrager mit Verbindungsrohr aus Kupfer

1 Zum Sommersemester 2010 wurde Dr.-Ing. Volker Siegismund als Professor für Kältetechnik an die Hochschule Biberach berufen.

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Maurice Kettner beschäftigte sich bereits während seiner Promotion am KIT und seiner anschließenden Industrietätigkeit mit der Untersuchung und Optimierung von mager betriebenen Ottomotoren. Seit 2010 arbeitet das Team um Maurice Kettner in diversen Forschungsvorhaben daran, den motorischen Wirkungsgrad bei gleichzeitig strenger werdenden Abgasgrenzwerten zu verbessern. Ein weiterer wesentlicher Aspekt bei allen Vorhaben ist die Verringerung der Betriebskosten von Blockheizkraftwerken. Hierzu wird beispielsweise ein neuartiges Entflammungsverfahren entwickelt, bei dem das Verschleißteil Zündkerze durch eine kontrollierte Glühzündung ersetzt wird. Für die Untersuchungen stehen drei mit umfangreicher Messtechnik ausgestattete BHKW-Prüfstände sowie moderne Simulationsprogramme zur Verfügung.

Strömungssimulation der Ansaugluft im Brennraum eines Motors.

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Matthias Stripf kommt aus dem Bereich der Thermischen Strömungsmaschinen über die er am KIT promovierte. Vor seiner Berufung an die Hochschule Karlsruhe leitete er bei einem Unternehmen die Entwicklung von Adsorptionswärmepumpen. Ein Thema, welches er auch am IKKU weiterverfolgt. Weitere Schwerpunkte bilden die Bereiche Thermofluiddynamik, Strömungssimulation, Strömungssensoren und energieeffiziente Regelungsverfahren.

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme von Aktivkohle – dem Stoff den das Team um Matthias Stripf als Adsorptionsmittel für Methanol untersucht und hinsichtlich Porenform und –größe optimiert.

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Matthäus Wollfarth, von Haus aus Konstrukteur mit Promotion am Institut für Maschinenkonstruktionslehre und Kraftfahrzeugbau des KIT, kann auf eine umfangreiche Industrietätigkeit als Konstruktionsleiter bei Automobilzulieferern zurückblicken. Dort war er u. a. auch für die Entwicklung von Expansions- und Schaltventilen für Fahrzeugklimaanlagen zuständig. Expansions- und Schaltventile, die Mechanik von Kältemittelverdichtern sowie die Geräuschreduzierung an diesen Komponenten sind sein Bereich innerhalb des IKKU.

Den Schwerpunkt Kälte-, Klima- und Umwelttechnik wählen derzeit jährlich ca. 20 bis 25 Studierende des Bachelorstudiengangs Maschinenbau und ca. 5 bis 10 Studierende des Bachelor-studiengangs Mechatronik. In der entsprechenden Vertiefungs-richtung der Mechatronik werden gezielt Bachelor-Absolventen ausgebildet, die sich mit der Regelung von Kälte- und Klimaanlagen auskennen, ein im Zuge der Automatisierung und Energie-einsparung immer gefragterer Zweig der Kälte- und Klimatechnik. Seit Wintersemester 2012 wird Kälte-, Klima- und Umwelttechnik an der Hochschule Karlsruhe auch als Masterstudium angeboten – dort mit dem Schwerpunkt Energieeffizienz.

Die Valerius-Füner-Stiftung (VFS) unterstützt die Lehre und Forschung auf dem Gebiet der Kältetechnik an der Hochschule Karlsruhe. Seit 2010 vergibt die VFS auf Bestreben eines ihrer Hauptsponsoren, Senator h. c. Peter Schaufler, Fa. Bitzer, neben Bachelorstipendien auch Promotions- und Masterstipendien.

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Prof. Dr.-Ing.

Michael Arnemann

Prof. Dr.-Ing.

Jens Denecke

Prof. Dr.-Ing. habil.

Michael Kauffeld

Prof. Dr.-Ing.

Matthias Stripf

Prof. Dr.-Ing.

Marco Braun

Prof. Dr.-Ing.

Jan Hoinkis

Prof. Dr.-Ing.

Maurice Kettner

Prof. Dr.-Ing.

Matthäus Wollfarth

Die Professoren des Instituts für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik

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10.06.2014 1

CO2 – Supermarktkälteanlagen

mit integrierter Gebäudeheizung

und -klimatisierung

Udo Görner, Epta Deutschland GmbH

10.06.2014 2

1.) Kältemittel CO2 / R744Treibende Kräfte, Eigenschaften

2.) Supermarkt Kälteanlage mit integrierter Gebäudeheizungund –klimatisierung (Integralanlage) Ziele, Energiebedarf

3.) Kaskaden-Integral-Kälteanlage

4.) Transkritische CO2 Integral-Kälteanlage

5.) Fazit

Agenda

40

10.06.2014 3

1. Treibende Kräfte für Kältemittel CO2

Treibhauseffekt Globale Erderwärmung um 1,5°C - 3°C bis 2100

Gesetzliche Auflagen zur Reduktion der Treibhausgase Kyoto-Protokoll EU: F-Gase-Verordnung

2020 – Verbot für neue Gewerbekälteanlagen mit GWP >2500 2022 – Verbot für neue Gewerbekälteanlagen mit GWP >150

mit Optionen für Kaskaden

Dichtheitsprüfung in Abhängigkeit der CO2 Äquivalente

10.06.2014 4

Nutzung/Rückgewinnung der Abwärme aus dem Kühlprozess

Reduktion der CO2-Emission, EnEV-Energieeinsparverordnung

Energie Optimierung

Life cycle Kosten

Kompakte Anlagenbauweise - heizen und klimatisieren mit einem Anlagensystem

Optimierung der Gesamtanlagen Regelung

Schnittstellen Reduktion

10.06.2014

2.1 Ziele der Integralanlage

42

10.06.2014 510.06.2014 5

2.2 Heizbedarf des Supermarktes

10.06.2014

Umgebungstemperaturin °C

Bedarf zusätzlicherHeizenergie

10.06.2014 6

3. Kaskaden-Integralanlage3.3.1 Sommerbetrieb mit Klimatisierung

Tiefkühlung

NormalkühlungKältemittel CO2to -32 C

Kältemittel R134ato -12 C


Kältemittel R134ato 2 C – 20 C

Molkereiprodukte FleischprodukteTiefkühlprodukte

FleischMopro

Normalkühlung

Heizverflüssiger

Enthitzer

Außenverflüssiger

Klimatisierung / Heizung

WP-Verdampfer

Klima-Verdampfer

Sammler

44

10.06.2014 7

3.3.2 Winterbetrieb mit Heizunterstützung wärmere Regionen

Tiefkühlung

NormalkühlungKältemittel CO2to -32 C



Kältemittel R134ato 2 C – 20 C

Molkereiprodukte FleischprodukteTiefkühlprodukte

FleischMopro

Normalkühlung

Heizverflüssiger

Enthitzer

Außenverflüssiger

Klimatisierung / Heizung

WP-Verdampfer

Klima-Verdampfer

Sammler

10.06.2014 8

Kühlstellen

Kühlstellen Heizbetrieb

-7°C

23°C

40°C

PelPel Heizb.

Heizung

Kühlstellen

3.3.3 Winterbetrieb

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10.06.2014 9

4.1 Transkritische Kälteanlage

NK-Kühlstellen

TK-Kühlstellen

TK-Verbund

NK-Verbund

Mitteldruckbehälter / Sammler

Mitteldruckventil

Hochdruckventil

Expansionsventil

Expansionsventil

Gaskühler

48

10.06.2014 12

Einbindung nach Temperaturniveau

10.06.2014

4.4 Transkritische Integralanlage Winterbetrieb Hydraulik-Kreisläufe

49

Valerius-Füner-

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Udo Görner

Epta Deutschland GmbH

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Thermische Energiespeicher

für das Studentenwerk in Karlsruhe

HM Smart-ICE Systems

Umweltfreundliche Anwendung als ein kleiner Beitrag zur Energiewende

Das Thema Energiewende ist ein Kernthema des 21. Jahrhunderts welches private Haushalte, Politik, Wirtschaft und Industrie miteinander verbindet. Allgemein formuliert hat sich die Bundesregierung zum Ziel gesetzt, bis zum Jahr 2050 die Treibhausgasemissionen um mindestens 80 Prozent gegenüber dem Basisjahr 1990 zu reduzieren, hauptsächlich durch Verwendung regenerativer Energien, deren Anteil an der Gesamtstromerzeugung bis 2050 auf 80 Prozent steigen soll.

Genau diese Energieträger stellen jedoch die Energiewende vor ein grundsätzliches Problem. In Folge der Wetterabhängigkeit wächst mit zunehmendem Anteil regenerativ erzeugten Stroms das Ungleich-gewicht zwischen dem Bedarfs- und Angebotszeitpunkt.

Daher werden Energiespeicherungen jeglicher Art eines der Schlüsselkomponenten der Energiewende sein. Im Bereich der LÜKK können thermische Energiespeicher einen kleinen Beitrag dazu leisten, in-dem der erforderliche Energiebedarf von der Erzeugung entkoppelt wird.

HM und das Flüssigeis

Seit 2010 beschäftigt sich das Unternehmen Hafner-Muschler Kälte- und Klimatechnik GmbH & Co. KG (Balingen) intensiv mit der Entwicklung thermischer Energiespeichersysteme (latente Wärmespeicher) unter dem Namen HM Smart-ICE Systems. Neben der Energiespeicherung zielt das Konzept zudem auf den optimierten Einsatz von Kälteträgern (sekundäre Kältemittel).

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Unter dem Gesichtspunkt der Reduktion von klimaschädlichen chemischen Kältemitteln (z. B. R404A, R407C etc.)

sowie dem des zunehmend angestrebten Einsatzes von natürlichen Kältemitteln (z. B. R717, R290) ist auch der Einsatz von ökologisch unbedenklichen Kälteträgern unumgänglich.

HM hat sich diese Thematik angenommen und verbindet in neuen Anlagenkonzepten eine Zukunftstechnologie, die den Anforderungen der Energiewende gerecht werden und zudem ökologische und ökonomische Anforderungen der Anlagenbetreiber in sich vereint.

Was ist HM Smart-ICE?

Bei HM Smart-ICE handelt es sich um einen umweltfreundlichen Kälteträger in Form eines Zwei-Phasen-Gemisches. Der auch als Flüssigeis, Binäreis oder Slurry Ice bezeichnete Kälteträger wird in die Gruppe der „Phase Change Materials“ (PCM‘s) eingeordnet. Unter diesem Oberbegriff werden Stoffe zusammengefasst, welche die Enthalpie einer reversiblen Aggregatzustandsänderung (meist fest-flüssig) ausnutzen um Energie zu speichern. Physikalische Grundlage des Flüssigeisprinzips ist es, ein Gemisch aus Wasser und einem gefrierpunktsenkenden Zusatzstoff (z. B. Salz, Glykol, Ethanol) unter seine Erstarrungstemperatur abzukühlen. An der kühlenden Oberfläche wird dem Gemisch Erstarrungswärme (332,4 kJ/kg bei H2O) entzogen. Es entstehen dann aus nahezu reinem Wasser bestehen-de Eiskristalle, welche in einem Flüssigeisgenerator mechanisch abgetragen werden. Dadurch entsteht ein pumpfähiges Zwei-Phasen-Gemisch aus Flüssigkeit und feinen Eispartikeln.

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Ursprung der Technologie

Im Wesentlichen ist die Technik nicht neu. Bereits zu Anfang des zwanzigsten Jahrhunderts wurden erste Flüssigeisanlagen entwickelt, bei denen damals als Kälteträger Meerwasser (NaCl als gefrierpunktsenkender Zusatzstoff) eingesetzt wurde und das Flüssigeis zur Fischkühlung Verwendung fand. Bei dieser Anwendung, die heute zu den Standards der Fischindustrie zählt, stehen die physikalischen Eigenschaften von Flüssigeis im Vordergrund.

Im Vergleich zu Festeis (z. B. Scherbeneis) bilden sich bei der Erzeugung von Flüssigeis keine scharfkantigen, sondern abgerundete Eiskristalle mit einer Größe von ca. 0,1 – 0,5 mm Durchmesser. Eine Verletzung des Kühlgutes bei der Direktkühlung wird daher auf ein Minimum reduziert. Des Weiteren zeichnet sich Flüssigeis durch einen bis zu doppelt so hohen Wärmeübergang gegenüber einphasigen Kälteträgern aus, was am Beispiel der Fischindustrie die Haltbarkeit des Fanggutes immens steigert.

Jedoch nicht die Aussicht auf frischen Fisch hat den Anlagenbauer aus Balingen dazu bewegt sich genauer mit dieser Technologie auseinander zu setzten, sondern die Möglichkeiten, die sich aus den thermodynamischen und physikalischen Vorteilen von Flüssigeis als zweiphasigen Kälteträger für die konventionelle Kältetechnik ergeben.

Diese Vorteile verstärken die grundlegenden Argumente für den Einsatz von Kälteträgern als Maß-nahme zur Reduktion von Kältemittelfüllmengen sowie dem Einsatz natürlicher Kältemittel wie z. B. R290 (Propan) auch in Anlagen mit starkem Publikumsverkehr wie in Krankenhäusern, Großküchen etc.

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Vorteile von Smart-ICE gegenüber einphasigen Kälteträgern

Aufgrund der höheren Energiedichte von Smart-ICE gegenüber einem einphasigen Kälteträger lassen sich in relativ geringem Volumen große Energiemengen speichern, was bereits deutlich wird, wenn man die spezifische Wärmekapazität von Wasser mit 4,2 kJ/kg K der Schmelzwärme von Eis mit 332,4 kJ/kg gegenüberstellt. Der in Tabelle 1 dargestellte Vergleich zeigt diesen Vorteil.

Tabelle 1: Vergleich 1-Phasen- und 2-Phasenspeicher

System HM Smart-ICE Wasser GlykolSpeichergröße 1 m³ 1 m³

Gefrierpunktsenkender Zusatzstoff

Ethanol (C2H6O)1,2-Propylenglykol

(C3H8O2)Grundkonzentration

Zusatzstoff7,5 Mas.-% 25 Mas.-%

Gefrierpunkt -3,1 °C -9,8 °CTemperatur vollgeladen -4,4 °C -4,4 °C

Eisanteil vollgeladen 25 Mas.-% 0 Mas.-%Entzogene Kälteenergie bei Erwärmung um 1K

17,8 kWh 1,1 kWh

Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Pumpfähigkeit von HM Smart-ICE. Das Zwei-Phasen-Fluid kann wie ein klassischer einphasiger Kälteträger direkt zu den Verbrauchern wie Kühlräumen, Kühltheken oder Schnellkühlern transportiert werden. Im Vergleich zu einem Festeisspeicher können so Übertragungsverluste eliminiert werden. In Folge der höheren Energiedichte ist es gegenüber einphasigen Kälteträgern zudem möglich, mit wesentlich kleineren Volumenströmen gleiche Energiemengen zu transportieren.

Daraus folgt, dass Rohrnetze kleiner dimensioniert und erforderliche Pumpenleistungen reduziert werden können.

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Der bis zu doppelt so hohe Wärmeübergang von HM Smart-ICE ermöglicht zusätzlich Wärmeübertrager bei gleicher Leistung kleiner zu dimensionieren.

Leuchtturmprojekt: HM Smart-ICE Anlage im Studentenwerk Karlsruhe

Hafner-Muschler hat im August 2013 die Installation der ersten HM Smart-ICE Anlage mit dem natürlichen Kältemittel R290 (Propan) zur energetisch optimierten Kühlung der Mensa des Studentenwerks Karlsruhe abgeschlossen. Das von Dr.-Ing. habil. Michael Kauffeld, Institut für Kälte-, Klima- und Umwelttechnik, initiierte Projekt wurde von den Balinger Ingenieuren in die Praxis umgesetzt. Das vom Ministerium für Wissenschaft, Forschung und Kunst Baden-Württemberg geförderte Projekt stellt in der Branche ein Novum dar. Baden-Württembergs größte Mensa im Studentenwerk Karlsruhe ist die erste europäische Mensa, welche bei der Kühlung bereits heute auf den Einsatz chemischer Kältemittel verzichtet und somit schon jetzt die erst ab 2022 geltenden gesetzlichen Richtlinien erfüllt.

Vor dem Umbau wurde die im Besonderen in der Mittagszeit benötigte Kälteleistung durch mehrere konventionelle Kälteanlagen gedeckt. Neben schlechten Wirkungsgraden der Einzelanlagen verursachten auch zunehmende Leckagen an den Anlagen hohe Betriebskosten. Durch den Umbau auf eine zentrale Kälteanlage und den Einsatz der HM Smart-ICE Technologie ist es nun möglich, die Kälteer-zeugung vom Bedarf zu entkoppeln. Dies verschafft dem Betreiber Spielraum für das Energiemanagement des Gebäudes und reduziert zudem die Betriebskosten der Anlage deutlich.

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In der ersten Baustufe werden in der Mensa auf drei Etagen 47 Kühlstellen mit HM Smart-ICE gekühlt. Die Kühlschränke, Kühlvitrinen und Kühlräume werden über ein weit verzweigtes Rohrleitungsnetz mit dem Kälteträger versorgt.

Für die Tiefkühlung wurde auf CO2 als natürliches Kältemittel in einzelnen Aggregaten gesetzt welche über das HM Smart-ICE rückgekühlt werden.

Das Herzstück des Systems bilden sechs HM Smart-ICE Generatoren mit einer Generatorleistung von jeweils 12 kW. Drei autarke Kältekreise mit dem natürlichen und umweltfreundlichen Kältemittel R290 (Propan) und die Generatoren sind in einem teilverglasten Technikcontainer außerhalb des Gebäudes untergebracht, bei dem alle Maschinenteile durch die Glasscheiben einsehbar sind. Direkt neben dem Technikcontainer wird das HM Smart-ICE in einem rund 45 m³ großen Speichertank bevorratet, bevor es über eine Zentrale Pumpe zu den Kühlstellen gefördert wird. Der komplett aus Edelstahl gefertigte Tank wurde optisch an die Objektgestaltung angepasst und beherbergt, als weitere Besonderheit, in seiner begehbaren Standzarge die primäre Pumpentechnologie der Gesamtanlage. Als Gefrierpunkt senkender Zusatzstoff kommt bei dieser Anlage vergällter Ethanol zum Einsatz in Kombination mit einem speziell für diese Anwendung entwickelten Korrosionsschutzmittel. Die Grundkonzentration an Ethanol wurde auf 7,5 Massenprozent eingestellt. Somit ergeben sich für die Anlage Betriebstemperaturen des Kälteträgers zw. -3,5 °C und -4,5 °C.

Die HM Smart-ICE Anlage an der Mensa des Studentenwerks Karlsruhe kann gleich in mehrfacher Hinsicht als Leuchtturmprojekt bezeichnet werden.

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Es wurde auf innovativen Technologien gesetzt, die zum einen, durch die extreme Reduktion von Treibhausgasemissionen, positiven ökologischen Auswir-kungen haben und zum anderen eine ökonomische Ersparnis ermöglichen.

Zudem wird die Anlage nach der Fertigstellung nun nicht nur auf modernste Weise für Kälte sorgen, sondern ist so transparent errichtet, dass sie für die Studierenden der Hochschule Karlsruhe wieder zum Lehrobjekt wird. Diese Anlage vereint auf innovative Weise den Anlagenbau, Wirtschaft, angewandter Forschung und Lehre.

Weitere Anwendungsgebiete der HM Smart-ICE Technologie

Neben der anfangs genannten Direktkühlung von Lebensmitteln und dem Einsatz der Technologie zur Glättung von Stromlastspitzen in der konventionellen Kältetechnik birgt der Bereich der Transportkälte noch ein hochinteressantes Potential.

HM-Smart-ICE kommt z. B. in Speiseverteilsystemen in Kranken-häusern zum Einsatz. Das System ermöglicht den Aufbau der kompletten Kühlkette einer Großküche mit dem Kälteträger Flüssigeis. Mit diesem System können Kosten für die Kälte-Erzeugung durch deutlich höhere Betriebssicherheit und spürbar weniger CO2-Emissionen verringert werden. Bei der CO2-Bilanz macht sich im Besonderen der Einsatz von Flüssigeis in Tablett-Transportwägen bemerkbar. Stromunabhängig und mobil kann ein mit Flüssigeis befüllter Wagen die Speisen bis zu 16 Stunden lang HACCP-konform kühl halten. Durch die folglich reduzierte Verwendung von Trockeneis (CO2) bei der Transportkühlung und der damit stark verringerten CO2-Emissionen kann auch hier ein Beitrag zur Energiewende geleistet werden.

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HM Smart-ICE glättet Stromspitzen

Hauptsächlich zielt das Speicherkonzept auf die Verlagerung der Kälteerzeugung auf die Nachtstunden, in welchen die Außentemperaturen niedriger sind und die Kälteanlage somit effizienter betrieben werden kann.

Des Weiteren dient dieser erste Schritt der Glättung von Stromlastspitzen. Damit wird die zur Kälteerzeugung benötigte elektrische Leistung in die Grundlast integriert und trägt zur Netz-stabilität bei. Hieraus ergibt sich ein weiterer entscheidender Vorteil für den Betreiber. Die mit der Spitzenlastglättung verbundene Verringerung des Strompreises ermöglicht dem Anlagenbetreiber die Betriebskosten seiner Anlage deutlich zu senken.

Betriebserfahrungen

Mittlerweile ist die Smart-ICE-Anlage fast ein Jahr ohne große Komplikationen in Betrieb und hat schon viel Fachpublikum aus der Technik und aus den Anwendungen angezogen und begeistert. Die Vorteile dieser Anlage kann der Betreiber jeden Tag wirtschaftlich messen und an den Bedientheken den täglich tausenden Mensa-Besuchern mit frischem Gemüse präsentieren.

Bernd Gantner

Hafner-Muschler GmbH & Co. KG

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Die Kältetechnik

als Teil des Gebäudesystems

Zukünftige Aufgaben und Herausforderungen

Hintergrund – Bauen und Energie an der Hochschule Biberach

In Biberach a. d. Riss wurde 1964 die staatliche Ingenieurschule für Bauwesen gegründet. Aus ihr ging 1971 die Hochschule Biberach (HBC) hervor, deren erste Studiengänge Architektur und Bauingenieurwesen waren. Aktuell werden acht Bachelor- und sechs Master-Studiengänge in den Bereichen Bauwesen, Energie, Biotechnologie und BWL angeboten. Im Sommersemester 2014 sind ca. 2200 Studierende an der HBC eingeschrieben.

Im Jahr 1998 wurde der Ingenieur-Studiengang Gebäudeklimatik ins Leben gerufen. Mit diesem Studiengang sollte die bis dahin klassische Trennung des design- und funktionsorientierten Architekten und des technisch orientierten Versorgungs-Ingenieurs verschmolzen werden: die Gebäudehülle als fundamentaler Bestandteil des Gesamtsystems „Gebäude“.

Der Studiengang „Energiesysteme“ wurde 2002 in Kooperation mit der HS Ulm gegründet. Schwerpunkt dieses Studiengangs ist die makroskopische Betrachtung von Verbraucher- und Versorgungsstrukturen. Zur derzeit überwiegend zentralen Versorgungsstruktur werden zukünftig vermehrt dezentrale und lokale Energieerzeuger v. a. aus den Bereichen der erneuerbaren Energien hinzukommen, die gegenseitig in Wechselwirkung stehen. Zudem stehen Energieeinsparpotentiale und Energiemanagement in gewerblichen und industriellen Prozessen im Fokus der Ausbildung.

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Ab dem Wintersemester 14/15 werden die beiden Studiengänge in dem neuen Studiengang Energie-Ingenieurwesen zusammengefasst, welcher die Studienschwerpunkte Gebäudesysteme bzw. Energiesysteme anbietet.

Die Kälte- und Wärmepumpentechnologie war in der Vergangenheit zunächst „nur“ ein zentrales Element für die thermischen Versorgungssysteme von Gebäuden, gewerblichen bzw. industriellen Prozessen und Liegenschaften. Aufgrund ihrer Fähigkeit, volatile Stromangebote der erneuerbaren Energien in thermischer Form speichern zu können, wird diese Technologie dazu vermehrt Aufgaben im Bereich des Lastmanagements übernehmen können.

Kälte- und Wärmepumpentechnik im Kontext des (Wohn-)Gebäudes

Die Versorgung von Gebäuden mit Raumwärme bzw. bestimmter Luftkonditionen (z. B. Kühlen, Be- und Entfeuchten) ist die Aufgabe der Wärmepumpe bzw. Kälteanlage. Grundsätzlich stehen Wärmepumpen technisch und wirtschaftlich im Wettbewerb mit Wärmeerzeugern aus fossilen bzw. nachwachsenden Brennstoffen.

Die gesetzlichen Rahmenbedingungen für die Gebäudehülle bzw. die Gebäudetechnik sind das Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz (EEWärmeG 2011), die Energie Einsparverordnung (EnEV 2014 für Neubauten ab 01.01.2016) sowie das Energieeinspargesetz (EnEG).

Für alle seit 2009 neu errichteten Wohn- und Nichtwohngebäude gilt das EEWärmeG 2011 zur Förderung von Technologien zur Erzeugung von Wärme und Kälte aus Erneuerbaren Energien.

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Durch die Pflicht der anteiligen Nutzung erneuerbarer Energien bei der Wärme- und Kälteversorgung (Heizung, Warmwasser und Kühlung) soll der Anteil der erneuerbaren Energien am Endenergieverbrauch für Wärme bis zum Jahr 2020 auf 14 % erhöht werden.

Die von elektrisch angetriebenen Wärmepumpen genutzte Umweltwärme und Geothermie wird durch das EEWärmeG gefördert, sofern die darin angegebenen Bedingungen (z. B. an Jahresarbeitszahl, Wärmemengen- und Stromzähler, etc.) erfüllt sind.

Die Wärmepumpenbranche erhofft sich durch die Vorgaben einen weiteren Aufschwung, welcher anhand der Absatzzahlen für Heizungswärmepumpen in der Tendenz bestätigt werden kann (siehe Abb.1). Allerdings haben auch Förderprogramme (z. B. CO2-Gebäudesanierungsprogramm) einen positiven Einfluss auf die Absatzzahlen, so dass aus den Zahlen alleine kein eindeutiger Zusammenhang abgeleitet werden kann. Im Wohngebäude-Neubau hat die Heizungswärmepumpe im Jahr 2011 einen Anteil von 30 % erreicht.

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Abbildung 1: Absatzzahlen von Heizungswärmepumpen in Deutschland von 2007 bis 2013 (blau:Luft/Wasser-WP, braun: Erdgekoppelte WP) Quelle: Bundesverband Wärmepumpe

Die EnEV verfolgt den Ansatz einer möglichst hohen Gesamtenergieeffizienz (Jahresprimärenergiebedarf) des Systems Gebäude inkl. Anlagentechnik. Die Anforderungen können somit technologieoffen mit einer geeigneten Wärmedämmung der Gebäudehülle (d. h. wie groß ist der Wärmeverlust über die Gebäudehülle) und/oder einer primärenergetisch effizienten Anlagentechnik (d. h. wie groß ist der Jahresprimärenergiebedarf) erfüllt werden.

Durch die Verbesserung der Wärmedämmung der Gebäudehülle ergibt sich vor allem in Büro- und Verwaltungsgebäuden bereits im Frühjahr ein höherer Kühl- als Wärmebedarf. Die Wärmepumpentechnik liefert hier Lösungen, um sowohl Heizen als auch Kühlen zu können.

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Ein wesentlich größeres Absatzzahlen-Potential ergibt sich bei der Sanierung im Gebäudebestand. In Deutschland waren im Jahr 2012 jeweils ca. 1,7 Mio. Öl- und Gasfeuerungsanlagen älter als 21 Jahre, so dass hier mit einem erheblichen Sanierungsbedarf in den kommenden Jahren gerechnet wird: nach der EnEV 2014, §10 dürfen Heizkessel, die bis Ende 1984 aufgestellt wurden ab 2015 nicht mehr betrieben werden, sowie Heizkessel, die nach 1985 aufgestellt wurden, nach Ablauf von 30 Jahren nicht mehr betrieben werden.

Ein derzeitiges Hemmnis für eine Entscheidung „pro Wärmepumpe“ sind oftmals noch die höheren Anlagen-Investitionskosten im Vergleich zu fossilen Energieträgern. Die durch den Einsatz von regenerativen Energien zumindest reduzierte Abhängigkeit von den zu erwartenden steigenden Energiepreisen (sowohl aufgrund der Endlichkeit der fossilen Brennstoffe als auch die Strompreise) muss die Motivation für einen vermehrten Einsatz von Wärmepumpen im Wohngebäudemarkt sein.

Zukünftige Chancen

Die Energiewende-Diskussion in Deutschland findet fast ausschließlich auf dem Stromsektor statt: erneuerbare Energien wie aus Wind- und PV-Anlagen sind sehr volatil und führen zu großen Lastschwankungen im Netz. Zudem kommt ein Anstieg der Anzahl dezentraler Stromerzeuger, der ein bidirektionales Arbeiten der Netze erfordert. Gebäude sind somit nicht nur Verbraucher, sondern werden auch zum Erzeuger („Prosumer“). Die Denkweise im Energiesektor wird sich demnach umkehren von der verbraucherorientierten Erzeugung hin zum zumindest teilweisen erzeugerabhängigen Verbrauch.

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Als mögliche Speichertechnologien bieten sich Batterien, chemische (z. B. „power to gas“), mechanische (z. B. Pumpspeicherkraftwerke) oder thermische Speicher an. Batterien bzw. chemische Speicher sind noch nicht in benötigter Kapazität verfügbar bzw. technisch ausgereift, mechanische Speicher sind zumindest in Deutschland nur begrenzt einsetzbar. Thermische Speicher hingegen können mit Hilfe der Wärmepumpen- und Kältetechnik mit marktüblicher Technik ein- und umgesetzt werden.

Abschaltungen von Wind- und PV-Anlagen aufgrund von Überkapazitäten verringern die Auslastung von regenerativen Erzeugeranlagen. Um die gesetzten umweltpolitischen Ziele erreichen zu wollen, muss die Verbesserung der Auslastung bzw. die Reduzierung von Abschaltungen angestrebt werden. Die Wärmepumpentechnik bietet hierbei ein erhebliches Potenzial für ein Lastmanagement, um Umweltenergie in Form von Wärme speichern zu können.

Die Technik unterstreicht die Eignung zum Lastmanagement bereits heute durch die vertragliche Vereinbarung von Sperrzeiten (max. 3x2 h während 24 h). Eine Initiative führender Wärmepumpenhersteller führte zu einer einheitlichen Schnittstelle für die Steuerung. Das sogenannte „SG Ready“ Label (smart-grid ready) wird von 20 Herstellern in über 370 Modellen angeboten: vier unterschiedlich definierte Betriebszustände gewährleisten einen Stromangebots-abhängigen Betrieb der Wärmepumpe.

Positiv für den Einsatz der Wärmepumpe ist zu bewerten, dass im Bereich der Gebäudebeheizung (v. a. im Bestand) saisonale Spitzen der Windenergie mit der Heizperiode zusammenfallen. Zur Warmwassererzeugung kann ganzjährig PV-Strom in den Mittagsstunden genutzt werden: In Neubauten wird für das Warmwasser teilweise bereits 50 % des Gesamtwärmebedarfs benötigt.

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Saisonale Spitzen von PV-Strom können bei reversiblem Betrieb von Wärmepumpen zur Kühlung von Gebäuden herangezogen werden. Im Wohnungsneubau wird vor allem der Gebäudehülle inkl. thermoaktiver Bauelemente (TABS) in Zukunft noch ein stärkeres Gewicht als thermischer Speicher zukommen. Im Gebäudebestand bzw. bei Sanierung werden thermische Warmwasserspeicher an Bedeutung gewinnen.

Neben dem Lastmanagement bieten Wärmepumpen ein großes Potential zur Nutzung von Niedertemperaturwärme. Über die klassischen Wärmequellen wie Luft, Grundwasser und Geothermie hinaus kommen neue Quellen bzw. Systeme wie z. B. Abwassernutzung, kalte Fernwärme-Systeme, etc. zur Anwendung. In zukünftigen Energieversorgungssystemen für Städte, Liegenschaften oder Industriegebiete wird die Wärmepumpe daher eine tragende Rolle spielen (vgl. Abb. 2).

Abbildung 2: Heat Pump City, Quelle: European Heat Pump Assocation

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Durch eine steigende Verbreitung der Wärmepumpe im Wohn- (und auch Nichtwohn-)bau besteht somit prinzipiell ein Potential zur Steigerung der Energieversorgungs-Effizienz in Deutschland sowie zur Senkung des Ausstoßes von Treibhausgasen.

Die Kältetechnik spielt im Wohnungsbau bisher nur eine untergeordnete Rolle. Dagegen verbrauchen private Kühl- und Gefriergeräte in Deutschland derzeit ca. 22,7 TWh/a Antriebsenergie [Arnemann]. Auch hier sind die Gerätehersteller aktiv, um „smart grid“-fähige Geräte zu entwickeln. Ein „SG Ready“-Label wie bei den Wärmepumpen ist derzeit noch nicht vorhanden.

Zukünftige Herausforderungen

Den aufgezeigten Potentialen im Bereich der Kälte- und Wärmepumpentechnik stehen technologische sowie politische Herausforderungen gegenüber, auf die exemplarisch im Folgenden eingegangen wird.

Europäische Standards bzw. Richtlinien zur Umsetzung eines „smart grid“ fehlen ebenso wie allgemein die technischen und wirtschaftlichen Voraussetzungen für einen flächendeckenden Einsatz von Smart Metern. Nur wenn die entsprechenden Grundlagen geschaffen sind, kann die Wärmepumpen- und Kältetechnik die oben beschriebenen Potenziale ausschöpfen. Neben der technologisch/wirtschaftlichen Komponente spielt auch die Akzeptanz der Nutzer eine entscheidende Rolle. In der Vergangenheit hat sich bei der Einführung von neuen Technologien (z. B. Katalysator für PKW, PV-Anlagen) gezeigt, dass nur über wirtschaftliche Anreize eine gewisse Akzeptanz erreicht werden kann.

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Die Verabschiedung der neuen europäischen F-Gase-Verordnung hat in der Branche v. a. durch zwei Neuerungen für große Unruhe gesorgt.

Zum einen wurden die Anforderungen an die Dichtheitsprüfung von kältetechnischen und Wärmepumpen-Anlagen grundlegend geändert: anstatt der bisherigen Regelung einer periodischen Regelung abhängig vom Füllgewicht des Kältemittels (z.B. jährlich für Anlagenfüllmengen zwischen 3 und 30 kg) wird nun die Regelung in Abhängigkeit vom CO2-Äquivalent der Kältemittelfüllmenge (z. B. jährlich bei CO2-Äquivalent zwischen 5 und 50 t). Hierdurch können nun Anlagen mit einem hohen GWP-Kältemittel wie z. B. R404A und R410A unter eine strengere Anforderung an die Dichtheitsprüfung fallen.

Zum anderen wird in der neuen F-Gase-Verordnung der phase-down für das Inverkehrbringen von teilfluorierten Kältemitteln geregelt (siehe Abb. 3). Der Markt erwartet hierdurch eine Verknappung und dadurch eine erhebliche Verteuerung der derzeit eingesetzten Kältemittel. Die Wettbewerbsfähigkeit der Wärmepumpentechnik für den Gebäudeheizungsmarkt wird hierdurch verschlechtert.

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Abbildung 3: Phase-down des Inverkehrbringens von teilfluorierten Kältemittel, Quelle: Daten aus EU F-Gase-Verordnung

Die Wärmepumpe zur Gebäudebeheizung ist wie oben beschrieben eine etablierte und vor allem zukunftsorientierte Technologie. In der öffentlichen Diskussion haben sich in den letzten Jahren allerdings die technischen Schwierigkeiten bei der geothermischen Nutzung im Zusammenhang mit Erdsonden in den Vordergrund geschoben. Eine unsachgemäße Ausführung der Bohrungen hat zu teilweise schweren Bauschäden durch Erdhebungen geführt. Als Beispiele sind hier Staufen/Baden und Böblingen (Sonden für die Gebäudebeheizung) sowie Landau/Pfalz (Geothermisches Kraftwerk) zu nennen.

70

Als Reaktion auf die technischen Schwierigkeiten wurde insbesondere in Baden-Württemberg durch Forschungsaktivitäten und Initiativen zur Qualitätssicherung (LQS-EWS) von Erdwärmesonden reagiert.

Zur Steigerung der Akzeptanz von Kälte- und Wärmepumpen-anlagen für den Investor im Wohnbau bedarf es einer wirtschaft-lichen Darstellung der Technologien im Vergleich zu konventioneller Wärmeerzeugung mit fossilen Brennstoffen. Vorhandene Marktanreizprogramme müssen hierfür dauerhaft und verlässlich etabliert werden. Die politischen Entscheidungsprozesse folgen nicht immer und ausschließlich den Zielen einer möglichst umweltschonenden Energieversorgung, so dass auch zukünftig von einer Abhängigkeit der Marktdurchdringung der Wärmepumpentechnik im Wärmemarkt von den politischen Rahmenbedingungen ausgegangen werden muss.

Fazit

Die Wärmepumpentechnik ist eine zur Wärmeversorgung von Wohngebäuden etablierte und zuverlässige Technologie. Sowohl Wärmepumpen als auch Kälteanlagen sind Schnittstellen zwischen der zunehmend regenerativ erzeugten elektrischen Energie und dem Wärmesektor. Durch die thermische Speicherkapazität von Gebäudemasse und technischen Speichern können die Kälte- und Wärmepumpentechnik zukünftig eine tragende Rolle in der Zukunftsvision „smart grid“ spielen. Eine Umsetzung dieser Vision ist derzeit allerdings nur in Ansätzen erkennbar, so dass die Potenziale heute noch nicht ausgeschöpft werden können.

71

Valerius-Füner-

Stiftung

Hemmnisse der Wärmepumpentechnologie ergeben sich zudem aus Unsicherheiten bzw. zeitlich herausfordernden politischen Entscheidungen wie z. B. der neuen F-Gase-Verordnung. Nicht zuträglich für die Nutzung der Geothermie sind zudem die vereinzelten aber sehr folgenschweren technischen Schwierigkeiten bei Erdwärmesonden. Durch entsprechende Qualitäts-Sicherungs-Maßnahmen wurde hierauf reagiert.

Quellen:

Arnemann, M.: Ergebnisse einer energetischen und ökologischen Analyse der Kältetechnologien in Deutschland, Seminar Herausforderungen für Kälte-, Klima- und Wärmepumpentechnik, Darmstadt, 2014

BMWi: Smart Energy made in Germany, Mai 2014

Bundesindustrieverband Deutschland Haus-, Energie- und Umwelttechnik e.V: Positionspapier Smart Grid und Smart Market, 2012

Bundesverband Wärmepumpe e.V.: BWP-Branchenstudie 2013

Bundesverband des Schornsteinfegerhandwerks: Erhebungen des Schornsteinfegerhandwerks für 2012

Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit: Erfahrungsbericht zum Erneuerbare-Energien-Wärmegesetz, 2012

Bundesregierung: Energiekonzept für eine umweltschonende, zuverlässige und bezahlbare Energieversorgung, 2010

72

Ecofys Germany: Potenziale der Wärmepumpe zum Lastmanagement im Strom und zur Netzintegration erneuerbarer Energien, 2011

Eisenhofer, J.: F-Gase Wie geht es weiter?, Seminar Herausforderungen für Kälte-, Klima- und Wärmepumpentechnik, Darmstadt, 2014

European Heat Pump Association: Heat Pump City, 2014

Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg: Erfahrungsbericht zum Erneuerbare-Wärme-Gesetz Baden-Württemberg, 2011

Ministerium für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg: Leitlinien Qualitätssicherung Erdwärmesonden (LQS EWS), 2012

Prof. Dr.-Ing. Volker Siegismund

Hochschule Biberach

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© 2014 Eaton. All Rights Reserved..

Entwicklungsphasen eines CO2-Akkumulators mit integriertem inneren WärmeübertragerEhrenkolloquium Prof. Dr.-Ing. Johannes Reichelt

Eaton Fluid Connector Division, Rastatt – Germany

Marlene Kreutz 03.07.2014

2© 2014 Eaton. All Rights Reserved..

Agenda

1. Regularien

2. Entwicklungsphasen

a. Ausgangssituation

b. Ideensammlung

c. Entscheidungsphase

d. Konzeptdefinition

3. Konzept Akkumix von EATON

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1. Regularien

RICHTLINIE 2006/40/EG DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES über Emissionen aus Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen und zur Änderung der Richtlinie 70/156/EWG (17. Mai 2006):

• „Mit Wirkung vom 1. Januar 2017 müssen die Mitgliedstaaten bei neuen Fahrzeugen, deren Klimaanlage darauf ausgelegt ist, fluorierte Treibhausgase mit einem GWP-Wert über 150 zu enthalten, …, die Zulassung verweigern und den Verkauf und die Inbetriebnahme verbieten.”

Geltungsbereich:

• Fahrzeugklasse M1 (Fahrzeuge zur Personenbeförderung mit höchstens 9 Sitzplätzen inkl. Fahrer) und N1 (Fahrzeuge mit einer zulässigen Gesamtmasse bis zu 3,5 Tonnen)

• Mitgliedsstaaten der Europäischen Union



a. Ausgangssituation:

Kältekreislauf für Pkw nach Lorentzen [1] Betriebsbedingungen:

Nach VDA Lastenheft, Stand 10/2013 [3]

• Max. Temperatur 165 °C• Massenstrom 15-300 kg/h

Min. Betriebsdruck: 30 bar

Max. Betriebsdruck: 140 bar

Kritischer Punkt: 31°C / 74 bar

Bild 2. p,h - DiagrammBild 1. CO2 Kältekreislauf [2]

78




Innerer Wärmeübertrager (IWÜ):

Der innere Wärmeübertrager überträgt Wärme von der Hochdruckseite (HD-Seite) auf die Niederdruckseite (ND-Seite)

Vorteil bei CO2:

• Leistungssteigerung der des Kältekreislaufs insbesondere bei hohen Temperaturen (Verlauf der Isothermen)

• Vermeidung von Flüssigkeitstropfen im Verdichter, da keine Regelung der Überhitzung nach dem Verdampfer stattfindet

Bild 3. CO2 Kältekreislauf im p,h - Diagramm




Akkumulator:

Der Akkumulator dient als Kältemittelreservoir um die dynamische Verhalten der Pkw-Klimaanlage auszugleichen und die Leckagen über den gesamten Lebenszyklus zu kompensieren.

Bei CO2 auf der ND-Seite:

• Vorteil der hohen Dichte der Flüssigkeit auf der HD-Seite ist aufgrund des transkritischen Bereichs nicht mehr gegeben

• Bei Erhöhung des Hochdrucks (höherer Lastpunkt) wird Kältemittel von der ND-Seite abgezogen

Innerer Wärmeübertrager

Bild 4. CO2 Kältekreislauf mit Akku

80



a. Ausgangssituation bei EATON:

Stand 2008:

Stand 2014:

Entwicklung eines Akkumulator mit integriertem innerem Wärmeübertrager (Akkumix)

Bild 5. Entwicklungsstand 2008



b. Ideensammlung:

Ideenpräsentation verschiedener Umsetzungsmöglichkeiten des Akkumix-Konzeptes

c. Entscheidungsphase:

Erstellung einer Entscheidungsmatrix nach folgenden thermodynamischen Kriterien:

• Gesicherte ÖlrückführungZusätzliche Rückführung von flüssigem Kältemittel

• Keine Wechselwirkung zwischen IWÜ und AkkumulatorZusätzliches flüssiges Kältemittel wird aus Akkumix verdampft

• Geringe Größe und GewichtInnenvolumen des Akkumix muss auf Anlagenvolumen abgestimmt sein

• Hohe Wärmeübertragung im IWÜ Erhöht aber auch die Eintrittstemperatur in den Verdichter

• Geringer Druckabfall

82



d. Konzeptdefinition (gesicherte Ölrückführung):

• Realisierung über U-Rohr:Versuchsergebnisse aus Akkumulator ohne IWÜ

• Ölbohrung zu klein → Ölakkumulation• Ölbohrung zu groß → Dampfgehalt am Austritt sinkt

• Realisierung über Kapillarrohr

Bild 6. Versuchsergebnisse Akkumulator



d. Konzeptdefinition (Anordnung Akku und IWÜ):

IWÜ befindet sich in flüssigem CO2:• Leistung IWÜ steigt

• Zusätzlich flüssiges Kältemittel wird verdampft

• Hochdruck steigt → optimaler COP wird nicht mehr angefahren

⇨ Wechselwirkung zwischen Akkumulator und IWÜ muss vermieden werden

84



d. Konzeptdefinition (Größe und Gewicht):

Erste geometrische Anforderungen nach VDA-Lastenheft, Stand 10/2013 (ohne systemgerechte Anpassung des Innenvolumens) [3]:

Gewicht: • Max. 1250 g

Größe:• Max. Gesamtvolumen ≈ 970 cm³ (di = 75 mm; h = 220mm)

• 20 cm³ Öl (max.)

• 150 cm³ flüssiges Kältemittel (KM)

• 450 cm³ freies Volumen zum Ausgleich des dynamischen Verhaltens der Pkw-Klimaanlage

• 50 cm³ Filtertrocknermaterial (FT)

⇨ 300 cm³ Volumen für IWÜBild 7. Volumen

Akkumix


3. Konzept Akkumix von EATON

86


Literatur

[1] Lorentzen, G.; Pettersen, Jostein; Bang, R. R.: Patent. Method and Device for High Side Pressure Regulation in Transcritical Vapor Compression Cycle. Veröffentlichungsnummer: 5245836, 1991

[2] Försterling, Sven: Vergleichende Untersuchung von CO2-Verdichtern in Hinblick auf den Einsatz in mobilen Anwendungen. 1. Aufl. Göttingen: Cuvillier, 2004

[3] VDA-Spezifikation: Funktionsweise - Kombinierter Akkumulator mit innerem Wärmeübertrager (IWT) für R744-Klimaanlagen; letzten Überarbeitung: 27.06.2013

Marlene Kreutz

Eaton Fluid Connector Division

88

Date | 1Refrigeration and Air Conditioning EMA Education and Training

www.danfoss.com

Einflussmöglichkeiten von Einspritzventilen auf die ÜberhitzungsregelungEhrenkolloquium 3. Juli 2014, Karlsruhe

topic | name MMM YYYY | 2Danfoss Automatic Controls

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Es freut sich zu Ihnen sprechen zu dürfen

Jörg Saar

Application Manager, EMR

Danfoss GmbHKältetechnikOffenbach/Main Tel: +49 69 47 868 577 Email: [email protected]

90

3. Juli 20142Ehrenkolloquium Prof. Dr. Johannes ReicheltDanfoss, Jörg Saar

Verflüssiger

Verdichter

Verdampfer

Expansions-

organ

Kältemittelkreislauf


Verdampfer

Verflüssiger

VerdichterExpansions-organ

Überhitzung

Enthalpie h

Drucklog p

Geringere Überhitzung

Höhere Effizienz

Kältemittelkreislauf in log p,h-Diagramm

91

Valerius-Füner-

Stiftung

Einflussmöglichkeiten

von Expansionsventilen

auf die Überhitzungsregelung

Ein Großteil der heute am Markt verfügbaren Kälteanlagen und Wärmepumpen sind Kaltdampfkompressionsmaschinen. Diese nutzen einen von einem Verdichter angetriebenen Kältemittelkreislauf.

Folie 3: zeigt einen solchen Kältemittelkreislauf

Folie 4: beinhaltet ein sog. log p,h-Diagramm, in dem der Kreis-prozess aufgetragen ist.

Das Kältemittel wird vom Verdichter angesaugt, verdichtet und in den Verflüssiger gefördert. Im Verflüssiger kondensiert das Kältemittel unter Abgabe der Verflüssigungswärme. Das verflüssigte Kältemittel strömt zum Expansionsorgan. Vom Expansionsorgan wird das Kältemittel auf den niedrigeren Verdampfungsdruck entspannt und in den Verdampfer eingespritzt. Das in den Verdampfer eingespritzte Kältemittel ist eine Mischung auf Gas und Flüssigkeit. Der Gasanteil liegt bei abhängig von den Betriebsbedingungen typischerweise bei 25-30 %. Im Verdampfer verdampft der flüssige Teil des Kältemittels. Die zur Verdampfung notwendige Wärmeenergie wird dem Medium, das dem Verdampfer zugeführt wird (z. B. Luft, Wasser, Sole) entzogen. Der Verdichter saugt das verdampfte und nun gasförmige Kältemittel an, um es erneut zu verdichten. Der Kreislauf ist geschlossen. Zur Vermeidung von Verdichterschäden muss sichergestellt werden, dass nur gasförmiges Kältemittel aus dem Verdampfer angesaugt wird.

92


Maximaler COP bei einer bestimmten Überhitzung.

COP als Funktion der Übrhitzung


1960 – 1970 : MSS Theroriewird entwickelt

Minimal Stable Superheat (MSS) Theorie

93

Valerius-Füner-

Stiftung

Zur bestmöglichen Nutzung des Verdampfers wird angestrebt genau so viel Kältemittel einzuspritzen, dass der Verdampfer selbst möglichst komplett mit flüssigem Kältemittel benetzt ist, allerdings dennoch nur gasförmiges Kältemittel den Verdampfer verlässt. Nur die mit flüssigem Kältemittel benetzten Teile des Verdampfers tragen zur Wärmeübertragung bei. Je größer die zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Fläche des Verdampfers, um näher kann die Verdampfungstemperatur an der Medientemperatur der Wärmequelle (z. B. Luft, Sole, …) liegen. Durch die Steigerung der Verdampfungstemperatur wird eine deutliche Steigerung der Effizienz der Kälteanlage erreicht.

Das Expansionsorgan hat die Aufgabe, möglichst die optimale Kältemittelmenge für den jeweiligen Betriebspunkt in den Verdampfer einzuspritzen. Als Regelparameter dient die sog. Überhitzung des den Verdampfer verlassenden Kältemittels. Die Überhitzung ist der Temperaturunterschied zwischen der Verdampfungstemperatur des Kältemittels und der Temperatur des den Verdampfer verlassenden Kältemittels. Eine hohe Überhitzung bedeutet, dass ein relativ großer Teil des Verdampfers nicht mit flüssigem Kältemittel benetzt ist. Dieser nicht benetzte Teil trägt kaum zur aktiven Wärmeübertragung bei. Die Verdampfungstemperatur liegt niedriger als möglich, wodurch die Effizienz der gesamten Kälteanlage nicht optimal sein wird. Daher wird eine möglichst kleine, stabile Überhitzung angestrebt, wodurch die Gesamteffizienz der Kälteanlage hoch sein wird.

Folien 5 & 6: Erfahrungsgemäß kann die Überhitzung jedoch nicht beliebig verringert werden, ohne negative Auswirkungen hinnehmen zu müssen.

94


MSS TheorieMinimal Stabile Überhitzung – Minimal Stable Superheat

Verd

ampf

erla

st

Überhitzung

100 %

10 %

MSS KurveMSS abhängig von Verdampferlast Verdampfungstemperatur Medienstrom (Luft,Sole, …) Verdampferausführung etc.

“Fingerabdruck” des Verdampfers indivuell für jeden Verdampfer


Expansionsorgane

Fest

Kapillar-rohr

Blende

variabel

Automatische

Expansions-ventile

Thermostatische

Expansionsventile

Elektronische

Expansionsventile

Expansionsorgane

95

Valerius-Füner-

Stiftung

Auch die Effizienz der Kälteanlage hat ein Optimum bei einer bestimmten Überhitzung. Umfangreiche Messungen an den auch Danfoss beteiligt war bildeten in den 1960 bis 1970 Jahren die Basis zur Ausarbeitung der sog. MSS (Minimal Stable Superheat)Theorie.

Folie 7 : Die MSS Theorie besagt, dass jeder Verdampfer ein charakteristische Kurve des kleinstmöglichen Überhitzung besitzt. Unterhalb dieser kleinstmöglichen Überhitzung kann der jeweilige Verdampfer nicht mehr stabil betrieben werden.

Die MSS-Kurve ist einzigartig für jeden verdampfe rund wird maßgeblich durch die Verdampferbauart wie auch die Betriebsbedingungen beeinflusst.

Folie 8: Expansionsorgane werden genutzt, um das Kältemittel in den Verdampfer einzuspritzen. Variable Expansionsorgane bieten die Möglichkeit einer Anpassung der Kältemittelenspritzung an die MSS-Kurve des jeweiligen Verdampfers. Dieser Vortrag konzentriert sich thermostatische und elektronische Expansionsventile.

96


Thermostatische ExpansionsventileGrundsätzliche Funktionsweise

Fühlerdruckkraft

Federkraft Verdampfungs-druckkraft

Ps = Federkraft Pb = Druck im FühlerPe = Verdampfungsdruck


Ventilleistung als Funkton der ÜberhitzungThermostaische Expansionsventile

Statische Überhitzung (SS) notwendig zur Überweindung der

Federkraft

Öffnungsüberhitzung (OS) bewegt den Ventilkegel

von Ventilsitz

Betriebsüberhitzung (OPS) messbare Übrhitzung im Betrieb

(SS + OS)

Überhitzung

Ventilleistung

“Reserve” Leistung

Nominelle Leistung

voll geöffnet

SS

OPS

OS nur die statische Überhitzung ist einstellbar

97

Valerius-Füner-

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Folie 9: Thermostatische Expansionsventile regeln die Überhitzung des den Verdampfer verlassenden Kältemittels mit Hilfe des Verdampfungsdruckes und der Temperatur am Verdampferausgang.

Das Ventil wird durch 3 auf eine Membran wirkende Kräfte beeinflusst :

• Der Federkraft Ps (kann hier als konstant angesehen werden)

• Der Druckkraft aufgrund des Verdampfungsdruckes Pe (Druck x Membranfläche)

• Der Druckkraft aufgrund des Fühlerdruckes Pb (Druck x Membranfläche)

Der Fühler ist mit einem Medium gefüllt, dessen Druckkurve ähnlich der Druckkurve des in der Kälteanlage verwendeten Kältemittels ist. Bei steigenden Fühlertemperaturen wird der Druck im Fühler steigen, bei fallender Fühlertemperatur wird der Fühlerdruck fallen. Die Wirkung des temperaturabhängigen Druckes der Fühlerfüllung und des Verdampfungsdruckes auf die Membran stellt ein Maß für die aktuelle Überhitzung dar. Die Membran ist mit über einen Druckstift mit dem Ventilsitz verbunden. Wir die Membran nach unten gebogen, wird das Ventil geöffnet. Dies geschieht bei steigender Überhitzung. Bewegt sich die Membran wieder nach oben wird das Ventil geschlossen. Dies geschieht bei fallender Überhitzung. Je höher die Überhitzung, desto stärker wird das thermostatische Expansionsventil und umso mehr Kältemittel in den Verdampfer einspritzen.

Folie 10: Thermostatische Expansionsventile weisen einen proportionalen Zusammenhang zwischen Überhitzung und eingespritzter Kältemittelmenge auf. Die Federkraft dient zur Festlegung einer Mindest-Überhitzung zum Öffnen des Expansionsventils – der sog. statischen Überhitzung.

98


Einstellung statische Überhitzung

Überhitzung

100 %

10 %

40 %

zu wenig Kältemittel im Verdamfer geringe Verdampferausnutzng nierdrigere Verdampfungstemperatur Verringerung Leistung und COP

flüssiges Kältemittel am Verdampferausgang

Risiko Verdichterschäden Verringerung Leistung und COP

MSS Kurve (Beispiel)

Überhitzung zu gering

Überhitzung zu hoch

Überhitzung gut eingestellt


Elektronische ExpansionsventileElektronische Expansionsventile sind Systeme bestehend aus mehreren Systemkomponenten :

Ventil incl Antrieb

Elektronischer Regler

SensorenDruck & Temp.

99

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Wie oben bereits beschrieben hat das Expansionsorgan die Aufgabe möglichst die optimale Kältemittelmenge für den jeweiligen Betriebspunkt in den Verdampfer einzuspritzen. Dies wird erreicht, indem eine möglichst kleine, aber stabile Überhitzung am Verdampferausgang geregelt wird. Dies dient dem Ziel eine möglichst hohe Energieeffizienz der Kälteanlage zu erreichen.

Folie 11: Wie gut ein thermostatisches Expansionsventil diese Aufgabe erfüllen kann, zeigt die Überlagerung von MSS Kurve und der Proportionallinie thermostatischer Expansionsventile. Es ist ebenfalls ersichtlich, dass eine korrekte Einstellung der statischen Überhitzung bei thermostatischen Expansionsventilen zu verbesserten Betriebsergebnissen führt. Thermostatische Expansionsventile ermöglichen eine gute Anpassung der regelbaren Überhitzung und die individuelle, minimal notwendige Überhitzung eines Verdampfers. Thermostatische Expansionsventile sind selbstregelnde mechanische Komponenten und benötigen keine zusätzliche Energieversorgung. Aufgrund der selbstregelnden Eigenschaften passen sich thermostatische Expansionsventile über einen weiten Einsatzbereich die Kältemitteleinspritzung an die jeweiligen Betriebsbedingungen an. Bei richtiger Einstellung der statischen Überhitzung wird eine kleine, stabile Überhitzung geregelt, die einen sicheren und energetisch günstigen Betrieb der Kälteanlage ermöglicht.

Folie 12 & 13: Elektronische Expansionsventile sind nur als Gesamtsystem sinnvoll einsetzbar.

Das Gesamtsystem „elektronisches Expansionsventil“ besteht aus dem Ventil selbst, Fühlern (typischerweise mind. 1 x Temperaturfühler und 1x Druckmessumformer) sowie einem elektronischen Regler der die Fühlersignal auswertet und das Ventil entsprechend ansteuert.

100


AKS11PT1000

Digital input (On/off)

Power Supply18-30V AC, 50-60Hz or DC

EIM 336 - controller

AKS 32R or NSK Ratiometric 0.5-4.5v

ETS 6

Go to related parameters

Elektronische Expansionsventile


Überhizung

100 %

10 %

40 %

MSS Kurve

Überhitzung muss bei max. auftretender Last “sicher” sein

FesteÜberhitzungs-einstellung


Mit fest eingestellter Überhitzung

101

Valerius-Füner-

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Mit Hilfe der von den Fühlern gemessenen Temperatur(en) und des Verdampfungsdruckes sowie im Regler hinterlegter Dampfdruckkurven des verwendeten Kältemittels lässt sich die jeweils aktuelle Überhitzung ermitteln. Das Ventil wird mittels elektrischer Stellglieder (z. B. Spulen, Schrittmotore) geöffnet oder geschlossen, wodurch die Menge des eingespritzten Kältemittels geregelt wird. Daher ist eine zusätzliche elektrische Energieversorgung notwendig.

Der Aufwand zum sinnvollen Betrieb eines elektronischen Expansionsventils ist damit deutlich höher als beim Einsatz thermostatischer Expansionsventile.

Folie 14: Durch die elektrisch betriebenen Stellglieder kann das Proportionalverhalten der thermostatischen Ventile vermeiden werden. Elektronische Expansionsventile ermöglichen eine gleichbleibende Überhitzungsregelung über den gesamten Leistungsbereich.

Die im Regler eingestellte, feste Zielüberhitzung muss einen sicheren Betrieb der Kälteanlage auch max. auftretender Last ermöglichen.

102


Entwicklung Expansionsventileam Beispiel von Danfoss-Ventilen

1933 1960 1982

thermostat. Ventile mit Faltenbalg

thermostat. Ventile mit Membran

Komponeten-ventil

elektronische Expansionsventile und Regler

thermoelektrischer Antrieb


Überhizung

100 %

10 %

40 %

MSS Kurve

Überhitzug muss bei max. auftretender Last “sicher” sein

FesteÜberhitzungs-einstellug


Mit fest eingestellter Überhitzung


Unnötig hohe Überhitzung imTeillastbetrieb

COP im Teillastbetrieb nichtoptimal

103

Valerius-Füner-

Stiftung

Folie 15: Elektronische Ventile mit Regler, die eine feste Zielüberhitzung ausregeln waren bereits 1982 verfügbar.

Folie 16: Die Überlagerung der MSS Kurve und der festen Zielüberhitzung zeigt ein deutliches Verbesserungspotential im Teillastbereich.

104


Elektronische Expansionsventile adaptive Regelung

Überhitzung

100 %

10 %

6 e C 10 e C

40 %

4 e C

Niedrige, stabile Überhitzung über den gesamten Leistungsbereich des Verdampfers Selbstadaptierende Regler erreichen

geringstmögliche stabile Überhitzung in allen Betriebspunkten Hohe Effizienz der Kälteanalge auch

bei stark schwankenden Betriebs-bedingungen MOP frei und flexibel wählbar Bleed-Funktion elektronisch möglich Monitoring möglich (z.B. vorbeugende

Wartung)

MSS Kurve

Überhitzungs-kurveadaptiv


Entwicklung Expansionsventileam Beispiel von Danfoss-Ventilen

1933 1960 1982

thermostat. Ventile mit Faltenbalg

thermostat. Ventile mit Membran

Komponeten-ventil

elektronische Expansionsventile

Feste Überhitzungs-einstellung

thermoelektrischer Antrieb

1987elektronische Expansionsventile

adaptive Überhitzungs-regelung

Pulsbreiten-modulation

105

Valerius-Füner-

Stiftung

Folie 17: Intelligente Regelalgorithmen im elektronischen Regler ermöglichen einen Betrieb des Verdampfers sehr nahe an seiner MSS-Linie. Dadurch wird eine bestmögliche Effizienz der Gesamtanlage erreicht. Zusätzlich sind verschiedenste frei wählbare Funktionen wie MOP, Bleed etc. im Regler darstellbar.

Folie 18: Elektronische Ventile mit adaptiven Reglern waren bereits 1987 am Markt verfügbar.

106


Beispiele elektronische Expansionsventileheute


Zusammenfassung

Jeder Verdampfer hat eine eigene MSS Kurve.

MSS Kurve ist abhängig von Verdampferbauart.

Höchster COP bei Überhitzung an MSS Kurve.

Thermostatische Expansionsventile

zuverlässige, kostengünstige, selbstregelnde Ventile für Kälteanlagen und Wärmepumpen mit geringen bis mittleren Schwankungsbereiten der Betriebszustände


selbst-adaptierende, elektronische Lösung für Kälteanlagen und Wärmepumpen mit hohen Schwankungsbreiten den Betriebszustände.

107

Valerius-Füner-

Stiftung

Folie 19: Heute finden sich weiterhin Regler, die nur feste Zielüberhitzungen ausregeln am Markt.

Zur Erreichung möglichst hoher Effizienz von Kälteanlagen sollten jedoch Regler mit adaptiven Regelalgorithmen eingesetzt werden, wenn elektronische Expansionsventile zum Einsatz kommen.

Folie 20: Zusammenfassung

Jeder Verdampfer zeichnet sich durch eine individuelle MSS-Kurve aus. Um einen sicheren, stabilen und energieeffizienten Betrieb des Verdampfers und der gesamten Kälteanlage zu erreichen, sollten Überhitzungen im stabilen Bereich nahe an der MSS-Kurve angestrebt werden. Die proportionale Charakteristik thermostatischer Expansionsventile ermöglicht eine tangentiale Annährung der regelbaren Überhitzung an die MSS-Kurve des Verdampfers. Elektronische Expansionsventile dagegen können auch in den Randbereichen eine bessere Annäherung an die MSS-Kurve des Verdampfers erreichen.

108


Der Blink in ein Verdampferrohr

Jörg Saar

Danfoss GmbH

110

1

Klimatisierung von Elektro- und

Hybridfahrzeugen

Ehrenkolloquium Prof. Dr. Johannes Reichelt

03.07.2014, Rainer Burger, TWK GmbH

2

Zero-Emission-Fahrzeug: Lohner Porsche, 1900

Quelle: [1]

Einführung

112

3

22.330

28.862

37.256

47.642

64.995

85.575

1.452 1.588 2.307 4.541

7.11412.156

0

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

80.000

90.000

2008 2009 2010 2011 2012 2013

Fahr

zeug

best

and

in S

tück

Hybridfahrzeuge Elektrofahrzeuge

Verbreitung von Elektro- und Hybridfahrzeugen in Deutschland

Gesamtfahrzeugbestand in Deutschland am 31.12.2013: 43.851.230 Stück

Einführung

Quelle: [2]

4

Anforderungen an das Thermomanagement von Hybrid- & E-Fahrzeugen

Hybridfahrzeug

• Kühlung der E-Komponenten (Batterie, Leistungselektronik, E-Motor, …)

• Erhaltung des thermischen Komforts in der Kabine während der Stopp-Phasen und des rein elektrischen Fahrens

• Speicherverdampfer

• elektrisch betriebener Verdichter

Elektrofahrzeug

• Temperierung der Batterie (Kühlung und Heizung)

• Wettbewerb zwischen den elektrischen Verbrauchern, Reichweiteneinfluss

• energieeffiziente Beheizung des Innenraums

Einführung

114

5

Batteriekühlung: Systemvarianten

Quelle: [3]

Luftgekühlte Systeme, Kabinenabluft

VW Jetta Hybrid

6

Flüssigkeitsgekühlte Systeme

Fahrzeugbeispiele: Chevrolet Volt, Tesla, BMW Active Hybrid,

Audi A3 e-tron

Quelle: [4]


116

7

14 Platten

22 Platten

Quelle: [5]

Flüssigkeitsgekühlte Systeme, Chiller


8

Direkte Kältemittelkühlung

Fahrzeugbeispiel: Mercedes S Hybrid

Quelle: [4]


118

9Quelle: [6]

Elektrisch angetriebener Pkw-Verdichter

10

Systemvarianten zur Beheizung eines Elektrofahrzeugs

• PTC, elektrisch, Luft oder Kühlwassersystem

• Brennstoffzuheizer, Methanol/Ethanol/Benzin, Luft oder Kühlwassersystem

• Nutzung der Klimaanlage im Wärmepumpenbetrieb, Luft oder Kühlwassersystem

Wärmequellen: Abwärme Antriebssystem (Kühlwasserkreislauf)Abluft aus der FahrzeugkabineUmgebungsluft

Beheizung von Elektrofahrzeugen

120

11Quelle: [7], [8]

Hochvolt-PTC als Kühlwasser- oder Luftheizer


12Quelle: [9]

Brennstoffbetriebenes Heizgerät, Wasserkreislauf


122

13

Wärmepumpe zur energieeffizienten Beheizung von E-Fahrzeugen

Funktionale Anforderungen

Quelle: [10]


14Quelle: [11]


Systembeispiel Renault ZOE

1 externer Verflüssiger/Verdampfer2 E-Verdichter3 Akkumulator4 innerer Verflüssiger (Heizung)5 innerer Verdampfer Klimatisierung6 Expansionsventil7 Steuergerät Klimaanlage8 Steuergerät Wärmepumpe9 Klimalüfter10 Bypassventil11 3-Wege-Ventil Heizbetrieb

Klimaanlagenbetrieb

124

15

Wasser/Wasser-Wärmepumpe

Kühlung und Beheizung über Flüssigkeitskreisläufe


Quelle: [12]

16


Wasser/Wasser-Wärmepumpe

Quelle: [12]

126

17

[1] www.auto-motor-und-sport.de

[2] www.kba.de: Emissionen, Kraftstoffe - Zeitreihe 2006 bis 2013, Kraftfahrt-Bundesamt

[3] www.krafthand.de: Unter die Haube geschaut: Die Technik des Jetta Hybrid von Volkswagen. 16.10.2013

[4] T. Heckenberger: Kühlung von Li-Ionen-Batterien – mehr als nur eine weitere Kühlungsaufgabe. Technischer Pressetag 2009, Behr GmbH & Co. KG

[5] K. Wittmann: Supplementary functions of the A/C-cooling loop in Electric Vehicles. September 2010, Valeo Klimasysteme GmbH

[6] TWK GmbH: Foto aufgenommen auf der IAA 2013, Denso

[7] J. Eberspächer catem GmbH & Co. KG: Electrical heaters: High voltage PTC coolant heater with integrated control.

[8] Mahle Behr GmbH & Co. KG: Presseinfos

[9] www.grueneautos.com: Erste Bioethanol-Heizung für Elektroautos: KARABAG Öko-Flitzer heizen CO2 frei

[10] M. Jung: Herausforderungen an das Thermomanagement von Hybrid- und Elektrofahrzeugen. Kfz-Klimatisierung bei elektrischer Mobilität am 16. September 2010 in Karlsruhe, Behr GmbH & Co. KG

[11] www.goingelectric.de: Renault ZOE transparent. 19. September 2012

[12] J. Hinrichs: Weniger Verbrauch, mehr Komfort: Effizientes Heiz-/Kühlsystem für Elektrofahrzeuge. Prima Klima im Auto: Wie wird die Klimaanlage zukunftsfähig? Kampagne von: Deutsche Umwelthilfe und Verkehrsclub Deutschland, 13. Dezember 2011 in Berlin, Ixetic Bad Homburg GmbH

Quellenverzeichnis

Rainer Burger

TWK – Test- und WeiterbildungszentrumWärmepumpen und Kältetechnik GmbH

128

Sonnenenergienutzung zur Gebäudeklimatisierung

2

Solarthermie-Anlagen von Paradigma

IBA, 17.06.2014 © by Ritter Energie- und Umwelttechnik GmbH & Co. KG VN V 1.1 03/2012 Technische Änderungen vorbehalten

130

3IBA, 17.06.2014 © by Ritter Energie- und Umwelttechnik GmbH & Co. KG VN V 1.1 03/2012 Technische Änderungen vorbehalten

Anwendungsgebiete

Wohnungsbau – Warmwasser und Heizung• Ein- und Mehrfamilienhäuser• Wärmenetze

Nichtwohnungsbau – Warmwasser, Heizung und Kühlung• Gastgewerbe (Hotels, Gaststätten, Herbergen, …)• Freizeitsektor (Bäder, Camping, Fitness, Wellness, …)• Gesundheitssektor usw. (Krankenhäuser, Pflegeheime, …)• Bürogebäude, (auch mit solarer Kühlung)

Industrie und Gewerbe – Prozesswärme , (Prozesskälte)• Gewerbebetriebe (Wäschereien, Waschanlagen, Fleischereien,…)• Landwirtschaft (Trocknung, Tiermast, Gärtnereien, …)• Industriebetriebe (Getränke-, Galvanik-, Autoindustrie, …)


FESTO, Esslingen

Solares Kühlen und HeizenSolltemperatur 80...95 rC% U X WWR N R O O H N WR U I O ¦ F K H � � � � � � � � � � � � � � � � � � P t � � �3 X I I H U Y R O X P H Q � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � � P u� � � � � �Spitzenleistung 1,2 MWMax. Dauerleistung 0,65 MWErtrag / Jahr 585 MWh

132

5

Nutzung solarthermischer Hochleistungskollektoren zur Erzeugung von Prozessdampf und Kälteerzeugung mittels einer Dampfstrahlkälteanlage




Das 400 m² - Kollektorfeld auf den Shed-Dächern des Gebäudes LB

134



Entwicklung eines Latentkältespeichers am Fraunhofer Institut Umsicht

Quelle: FhI Umsicht



Entwicklung eines Latentwärmespeichers an der Hochschule Karlsruhe

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60Mas

sens

trom

in k

g Dam

pfkg

PE-1

h-1

Zeit in min Dampfmassenstrom PE-HD (Stab)Dampfmassenstrom PE-UHMW (Stab)Dampfmassenstrom PE-4201 (Formlos) - LWÜDampfmassenstrom PE-8110 (Formlos) - LWÜ

Skalierung auf Pilotanlage

Quelle 4x: HsKA

136



Kompakte Bauweise zur Aufstellung im Container

Quelle: FhI Umsicht




Quelle: Hochschule Karlsruhe

138




Quelle: HsKA



Effizienz des Dampfstrahlkälteprozesses

Quelle 2x: FhI Umsicht

140



Effizienz der CPC-Kollektoren AquaPlasma

14

Effizienzvergleich verschiedener

Verfahren



142

15

Ausblick in die Zukunft


Durch Sonnenenergiestrahlung schickt uns die Sonne jährlich 10.000 mal mehr Energie als die Menschheit verbraucht!

Kohle

weltweite endlicheEnergie-reserven:

Erdöl

Erdgas

UranJährlicher

Weltenergieverbrauch

Jährliche Sonnenenergie-Einstrahlung

Irmgard Bauer

Ritter Energie- und UmwelttechnikGmbH & Co. KG

144

SINTEF Energy ResearchEhrenkolloquium Prof. Dr. Johannes Reichelt

Armin HafnerSenior Research ScientistSINTEF Energy Research

[email protected]

1

Bewertung von R744 Supermarkt-kälteanlagen für warme Klimazonen


• Einleitung: Supermarktkälte• R744 Systemkonfigurationen für warme

Klimazonen• Simulationsergebnisse• Zusammenfassung

2

Inhalt

146


Selskapet for industriell og teknisk forskning ved NTH (Norges tekniske høgskole)

Frei übersetzt:Stiftung für industrielle und technische Forschung an der NTH (heute NTNU)

SINTEF Energy ResearchEhrenkolloquium Prof. Dr. Johannes Reichelt 44

SINTEF - A contract research organization based in Trondheim, Oslo, Bergen, Stavanger and Tromsø• SINTEF is one of the largest independent research organisations in Europe.

Social perspective

SINTEF wishes to contribute to the creation of value

and to a society in healthy sustainable development

Business concept

SINTEF sell research-based knowledge and related services to Norwegian and international clients.

Fundamental values

Honesty, Generosity, Courage and Unity

SINTEF has 2145 employees,

1600 situated in Trondheim and 430 in Oslo.

SINTEF receives only 3% basic grants

Norway

148


Our partners:

5

• The Norwegian University of Science and Technology, NTNU:• 20000 full-time students

• 935 Scientific employees

• 149 Post. doc

• 731 Ph D Students

• University of Oslo, UiO, Faculty of mathematics and natural sciences:• 4500 full-time students

• 518 scientific employees

NTNU and SINTEF

R&D Collaboration


The Message from Gustav Lorentzen (1995)

Prof. Gustav Lorentzen (1915-1995)

We have heard a great deal lately of the harmful effects to the environment when halocarbon refrigerants are lost to the atmosphere. This should not really have come as a surprise since similar problems have happened over and over again. Numerous cases are on record where new chemicals, believed to be a benefit to man, have turned out to be environmentally unacceptable, sometimes even in quite small quantities (DDT, PCB, Pb etc.).In the present situation, when the CFCs and in a little longer perspective the HCFCs are being banned by international agreement, it does not seem very logical to try to replace them by another family of related halocarbons, the HFCs, equally foreign to nature 1

Int. J. Refri 9. Vol. 18, No. 3, pp 190 197, 1995

150


Einleitung: Supermärkte

7

Summe West-EU:~70 TWh/Jahr

Source: Nielsen Grocery Universe 2013



8

Summe:~70 TWh/Jahr

152

SINTEF Energy ResearchEhrenkolloquium Prof. Dr. Johannes Reichelt 9

http://gemini.no/en/2014/06/drastic-cut-in-electricity-bill-for-supermarket/


154


Transkritische CO2Kältekreisläufe

1988: Ein international bekannter Norweger macht den Anfang

CO2 als Kältemittel wird wiederentdeckt Professor Gustav Lorentzen (1915-1995)

Erste Skizzen von Gustav Lorentzen für eine Patentanmeldung eines transkritischen CO2 Kreislaufes, November 1988


Welches R744 System wäre für Südeuropa zu empfehlen?

• Standard Boosteranlage• Anlage mit einem Expander• Anlage mit Ejektor• Standardsystem mit mechanischer Unterkühlung• Anlage mit Economiser I (mit Flash tank)• Anlage mit Economiser II (ohne Flash tank)

R744 Systemkonfigurationen für warme Klimazonen:

156


Randbedingungen und Komponenten

• Kälteleistung: 25-100kW• Außentemperaturen: 30-42°C• Überhitzung des Sauggases: 10K

Randbedingungen:Individuelle

Berechnung des optimalen

Hochdruckes

Komponenten:

Effizienz des Verdichters Druckverluste des Gaskühlers, des

Verdampfers, des inneren Wärmeübertragers Temperaturannäherungen im Gaskühler Verdampfungstemperatur Expandereffizienz

Berücksichtigung der Verluste:

Verluste in den Verbindungsrohre

wurden nicht berücksichtigt


Systemkonfigurationen

Standard Boosteranlage:

Anlage mit Expander:

10E+5

30E+5

50E+5

70E+5

90E+5

110E+5

400 000 600 000 800 000

log(p

) in P

a

Enthalpie in J/kg

Kreislauf 1-8

Kreislauf 9-11

23

46 5 9

87 10 111

10E+5

30E+5

50E+5

70E+5

90E+5

110E+5

400 000 600 000 800 000

log(p

) in P

a

Enthalpie in J/kg

Kreislauf

23

4 1

Dru

ck[P

a]D

ruck

[Pa]

Enthalpie [J/kg]

Enthalpie [J/kg]

158


10E+5

30E+5

50E+5

70E+5

90E+5

110E+5

400 000 600 000 800 000

log(p

) in P

a

Enthalpie in J/kg

Kreislauf 1-9Kreislauf 5-81

234

4m

56

7

9

8

Anlage mit Ejektor:

Ejektorprinzip:

10E+5

30E+5

50E+5

70E+5

90E+5

110E+5

400 000 600 000 800 000

log(p

) in P

a

Enthalpie in J/kg

4m isentrop

Kreislauf 1-9

Kreislauf 5-8

Druckanstieg

2

1

7

5

34

6

4m8

9

Druckanstiegdes Ejektors

8'

4m,is

Enthalpie [J/kg]

Enthalpie [J/kg]

Dru

ck[P

a]D

ruck

[Pa]



Anlage mit mechanischem Unterkühler:

Propan Unterkühlerkreislauf:

10E+5

30E+5

50E+5

70E+5

90E+5

110E+5

400 000 600 000 800 000

log(p

) in P

a

Enthalpie in J/kg

Kreislauf 1-9

Kreislauf 10-1219

234

567 10

8 1112

5E+5

10E+5

15E+5

-200 000 0 200 000 400 000

log(p

) in P

a

Enthalpie in J/kg

Propankreislauf

2m

4m

3m

1m

Dru

ck[P

a]D

ruck

[Pa]

Enthalpie [J/kg]

Enthalpie [J/kg]


160


Anlage mit Economiser I:

Anlage mit Economiser II:

10E+5

30E+5

50E+5

70E+5

90E+5

110E+5

400 000 600 000 800 000

log(p

) in P

a

Enthalpie in J/kg

Kreislauf 1-8

Kreislauf 9-111

245 3

67

8

1110

12

10E+5

30E+5

50E+5

70E+5

90E+5

110E+5

400 000 600 000 800 000

log(p

) in P

a

Enthalpie in J/kg

Kreislauf 1-6

Kreislauf 4-91

23945

6

7 8

Enthalpie [J/kg]

Dru

ck[P

a]

Enthalpie [J/kg]

Dru

ck[P

a]



Systemanalyse25kW:

50kW:

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

28 32 36 40 44

COP

Außentemperatur in °C

70

80

90

100

110

28 32 36 40 44

Druc

k in

bar


1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

28 32 36 40 44

COP


70

80

90

100

110

120

28 32 36 40 44

Druc

k in b

ar


162


SystemanalyseQo = 75kW:

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

28 32 36 40 44

COP

Außentemperatur [°C]80

90

100

110

120

28 32 36 40 44

Druc

k[ ba

r]

Außentemperatur [°C]

1.0

1.5

2.0

2.5

28 32 36 40 44

COP


80

90

100

110

120

130

28 32 36 40 44Dr

uck[

bar]


.

Qo = 100kW:.


Kälteleistung des mechanischen Unterkühlers?

Leistungsbereich des Unterkühlers:

Leistungsbereich:R290 - Unterkühler: ~5-60kWCO2 - Kreislauf: 25-100kW

0

20

40

60

25 50 75 100

Leist

ungd

esUn

terkü

hlers

[kW]

Kälteleistung in kW

30°C 32°C 34°C 36°C 38°C 40°C 42°C

164


Max. 30 kW Kälteleistung der M-Uk75kW mit Leistungsbeschränkung:

75kW ohne Leistungsbeschränkung:

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

28 32 36 40 44

COP


80

90

100

110

120

28 32 36 40 44Dr

uck i

n bar


1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

28 32 36 40 44

COP


80

90

100

110

120

28 32 36 40 44

Druc

k in b

ar


Systemanalyse


Qo=100kW mit Leistungsbeschränkung (30 kW) des mechanischen Unterkühlers

1.0

1.5

2.0

2.5

28 32 36 40 44

COP


8090

100110120130

28 32 36 40 44

Druc

k[ba

r]


1.0

1.5

2.0

2.5

28 32 36 40 44

COP


8090

100110120130

28 32 36 40 44

Druc

k[ba

r]


Systemanalyse.

Qo=100kW ohne Leistungsbeschränkung.

166


0.51.52.53.54.55.5

30 35 40

Druc

khub

[bar]

Außentemperatur [°C]0.51.52.53.54.55.56.5

30 35 40

Druc

khub

[bar]


0.51.52.53.54.55.56.5

30 35 40

Druc

khub

[bar]


0.51.52.53.54.55.56.5

30 35 40Dr

uckh

ub[ba

r]Außentemperatur [°C]

Systemanalyse Ejektorwirkungsgrade:

Qo= 25 kW .

Qo= 50 kW .5 bar

Qo= 75 kW . Qo= 100 kW

.


Druckhub des Ejektors?Lösungen für den unzureichenden Druckanstiegs:Implementierung eines zusätzlichen Parallelverdichters.

Ejektorkreislauf II:

10E+5

30E+5

50E+5

70E+5

90E+5

400 000 600 000 800 000 1 000 000

log(p

) in P

a

Enthalpie in J/kg

Kreislauf 1-11

Kreislauf 7-9'

Kreislauf deszusätzlichenVerdichters

1

234

5m

5

67

98

10

11

Enthalpie [J/kg]

Dru

ck[P

a]

168


SystemanalyseQo= 75 kW .



SystemanalyseQo= 100 kW .


170


Schlussfolgerungen• Weiterentwicklungen von reinen CO2-Kälteanlagen für warme Klimazonen

sind möglich.• Hohe Effizienz der Anlage mit mechanischer Unterkühlung bei hohen

Außentemperaturen und hohen Kälteleistungen:– Niedrigen Hochdrücke– Uneingeschränkter Unterkühlerleistung?

• Hohe Effizienz des Ejektorsystems bei realistischen Ejektorwirkungsgraden:– Vorverdichtung mit Hilfe des Ejektors durch Nutzung der Expansionsarbeit– Bei niedriger Ejektorwirkungsgraden sind anderen Systeme besser– Ein zusätzlicher Verdichter unterstützt die Ejektoren bei off-design

Bedingungen.• Erste Ejektoranlagen (Typ II) sind im Betrieb (Schweiz)

– Hervorragende Leistungszahlen bei niedrigen Außentemperaturen– Sichere Betriebsführung möglich– Globale Lösung = ja

Armin Hafner

Sintef

172

Systemeffizienzsteigerung durch moderne Verdichtertechnologien

Karlsruhe, 03.07.2014

Thilo Roller

BITZER Kühlmaschinenbau GmbH

BITZER // Thilo Roller // Ehrenkolloquium Prof. Reichelt 03.07.2014 // Seite 2

Motivation

Motivation zur Entwicklung neuer Verdichtertechnologien:

/ Gesetzgebung (F-Gase Verordnung 842/2006 - Kältemittelsituation)

/ Zertifizierungsprogramme (Eurovent ESEER, ARI IPLV)

• Fokus auf Teillasteffizienz

/ Erreichen der 20 – 20 – 20 Ziele

• 20 % niedrigere Emissionen im Vergleich zu 1990 bis 2020

• 20 % niedrigerer Energieverbrauch

• 20 % aus erneuerbaren Energien

174


Anteil des Verdichters am Gesamtenergieverbrauch einer Kälte- und Klimaanlage

Verdampfer-, Verflüssiger-Lüfter, Pumpen und Sonstiges

10..30 %

Verdichter

70..90 %

Kälte- und Klimaanlagen verbrauchen in Deutschland 1/7 der gesamten Elektroenergie!


Betriebsbedingungen Sommer / Winter

10

12

14

16

18

20

22

24

26

20 25 30 35 40 45 50

tc in °C

Qo in kW

Verdichtertyp: 4NES-12YKältemittel: R134ato = -10°C, toh = 10K

Sommer 14,4 kW = 100% , tc = 50 °C

Winter 23,5 kW = 163 % , tc = 20 °C

Auslegungsbedingungen*:

Beispiel: Normalkühlung

* In der Realität sind die Anlagen häufig überdimensioniert

176


Verdichtertyp: 4NES-12YKältemittel: R134ato = -10°C, toh = 10K

Kältebedarf: Im Sommer = 100 % = 14,4 kWIn einer Winternacht = 25 % = 3,6 kW

Verdichter Kälteleistung: im Sommer = 100 % = 14,4 kWim Winter = 163 % = 23,5 kW

Verdichterleistung und Kältebedarfwährend einer Winternacht

Verdichterleistung = 163 % = 23,5 kWKältebedarf = 25 % = 3,6 kW

Kältebedarf bezogen auf die Verdichterleistung

3,6 kW / 23,5 kW

= ca. 15 % Verdichterleistung!!

Betriebsbedingungen Sommer / Winter

Kälteleistung Verflüssigungstemp.

23,5 kW = 163 %

14,4 kW = 100 %

Winter 20 °C

Sommer 50 °C

Beispiel: Normalkühlung


Einfluss stufenloser Verdichterleistungsregelung auf die Verdampfungstemperatur

Anheben der durchschnittlichenVerdampfungstemperatur von

z.B. -7°C auf -4,5°C

Durch Anheben der Verdampfungstemperatur um 3 K erhöht sich die Systemeffizienz um bis zu 12 %

Durch eine Absenkung der Verflüssigungstemperatur kann die Systemeffizienz noch weiter gesteigert werden.

ungeregelter Verdichter geregelter Verdichter

178


Möglichkeiten zur Verdichterleistungsregelung

Möglichkeiten zur stufenlosen

Leistungsregelung

Möglichkeiten zur stufenlosen

Leistungsregelung

Frequenz-umrichter

Frequenz-umrichter

ExternerFU VARISPEED BITZER

CSVHExterner

FU

SchieberLeistungsregler CRII*

Kolbenverdichter Schraubenverdichter

* Taktende Ansteuerung des CR erforderlich!


BITZER Lösungen zur Leistungsregelung von Kolbenverdichtern

Stufenlose Leistungsregelung

von Kolbenverdichter

BITZER VARISPEED Leistungsregler CRII*

• Stufenlose Leistungsanpassung• FU Betrieb von 25 bis 87 Hz• Leistungsverhältnis bis 1:3,4• Betrieb oberhalb Netzfrequenz -> kleineres

Nennfördervolumen des Verdichters• Leistungssteigerung gegenüber 50 Hz um 74%• Automatische Blindstromkompensation• Integrierter Softstart / geringer Anlaufstrom

• Quasi-stufenlose Leistungsanpassung• Taktung zw. 10 und 100 %• Leistungsverhältnis bis 1:10• Synchronbetrieb -> kein spezieller Motor

nötig• Maximalleistung entspricht

Verdichterleistung bei 50 Hz• Einfache Ansteuerung

* Taktende Ansteuerung des CR erforderlich!

180


• Stufenlose Leistungsanpassung• FU Betrieb von 1200 bis 8000 1/min• Leistungsverhältnis bis 1:6,7• Betrieb oberhalb Netzfrequenz -> kleineres

Nennfördervolumen des Verdichters• Kompaktere Bauweise als vergleichbare

Schraube bei 50 Hz Betrieb• Automatische Blindstromkompensation• Integrierter Softstart / geringer Anlaufstrom

BITZER Lösungen zur Leistungsregelung von Schraubenverdichtern

Stufenlose Leistungsregelung von Schraubenverdichter

BITZER CSVH Schieber

• Stufenlose Leistungsanpassung• Schieber-Leistungsregelung von 25 bis 100 %• Leistungsverhältnis bis 1:4• Synchronbetrieb -> kein spezieller Motor nötig• Maximalleistung entspricht Verdichterleistung bei

50 Hz• Einfache Ansteuerung


Maßnahmen zur Systemeffizienzsteigerung:

/ Optimale Leistungsregelung des Verdichters (Leistung sollte möglichst dem tatsächlichen Kältebedarf angepasst werden)

/ Intelligente Systeme (die Einzelkomponenten einer Kälteanlage können nur effizient eingesetzt werden, wenn eine intelligente Regelung vorhanden ist)

Ergebnisse und Vorteile effizienter Systeme:

/ Geringerer Energieverbrauch (Reduzierung der Betriebskosten)

/ Reduzierung der Umweltbelastung (die Wahl des am besten geeigneten Kältemittels für die Anwendung spielt hier eine wichtige Rolle)

Zusammenfassung

182

Thilo Roller

BITZER Kühlmaschinenbau GmbH

184

Copyright by Güntner / Vergleich der Leistungsdichte unterschiedlicher Geometrien und Kältemittel / Franz Jäger, Ehrenkolloquium Prof. Dr. J. Reichelt / 03.07.2014 1

….. mit gebräuchlichenKältemitteln

Franz JägerEhrenkolloquiumProf. Dr. J. Reichelt 03.07.2014

Vergleich der Leistungsdichte unterschiedlicher Lamellen-Wärmeaustauscher-Geometrien


Übersicht

mit thermo-dynamischenBerechnungen

nach VDI Wärmeatlas und empirischen Gleichungenim GPC

Einfluss der Rohrgeometrie

Einfluss des Kältemittels

- bei der Verdampfung

- bei der Kondensation

Berechnung der Leistungsdichte

186


Kältemittelkreislauf–Verdampfer und Verflüssiger

P

Verdichter

Expansionsorgan

Verdampfer

Verflüssiger

Einstufiger Kältemittelkreislauf mit Trockenexpansion

Verflüssiger SC1

tc = 40°Cto= 25°C

0,3 bar < dp_Kältemittel < 1 bar

A = 2000mm x 1000mm

CO2:tc= 20°Cto= 5°C

Verdampfer SC2

tL1 = 0°Cto = -8°CΔtoh = 5.2 K

0,3 bar < dp_Kältemittel < 1 bar

A = 2000mm x 1000mm


Lamellen- und Rohrgeometrie

Rohre

+

Lamellen

Wie groß ist der Einfluss auf die Leistung?

188


Lamellen- und Rohrgeometrie

VerflüssigerVerdampfer

pF

HpT

dF

dT

lL

pLθ

profile-MPEfin

dF

fin

Louver

profile-MPEmicroox


Berechnung der Wärmeübertragungsfläche

finoox

1000/ dπdnd4

πSSr1000)/ S / (2SA T

2

h

2

Tdhfin

Die Gesamtoberfläche A [m2] ist: A = SA x lfin x Anzahl der Rohre

lfin berippte Länge [m]

Sh Lammellenhöhe per Rohrelement [mm]Sd Lamellentiefe per Rohrelement [mm]Sfin Lamellenabstand [mm]r Faktor für gewellte Lamelle,dT Rohraußendurchmesser [mm]dh Durchmesser von freien Lochstanzungen (z.B. Für Heizstäbe) [mm]n Anzahl von freien Ausstanzungen(dh ) per Rohrelemente(dT).

190

Copyright by Güntner / Vergleich der Leistungsdichte unterschiedlicher Geometrien und Kältemittel / Franz Jäger, Ehrenkolloquium Prof. Dr. J. Reichelt / 03.07.2014 7Vergleich der Leistungsdichte unterschiedlicher Geometrien und Kältemittel / Franz Jäger, Ehrenkolloquium Prof. Dr. J. Reichelt / 03.07.2014 7

Berechnungder Wärmeübertragungsfläche

FL= Lamellenlänge [mm]Nr = Anzahl der Lamellenreihen[-]nLFp= Anzahl der Lmellenflanken[-]B = Blocklänge ohne Header [mm]c= unberippte Länge [mm]

Fp = fin pitch [mm]H = Lamellenhöhe [mm]Td = Profiltiefe [mm]Dm= Profilhöhe [mm]nT = Anzahl der Profile [-]

][mAAA 2Taf

][mnnTF2A 2rLFpdLf

][F

2c-Bn

p

LFp

mFHF 2p

2L

2TmmdTa mnB]πD)D(T[2A

Lamellenoberfläche Af

Profiloberfläche ATa

wobei:

microox


Q = k A dtLeistung =

Lamellierte Wärmeaustauscher

Wärmedurchgangs-koeffizient

Übertragungsfläche Temperaturdifferenz:Luft - Kältemittel

SensibelDIN 328DIN 327

LatentBerechnung

Aus energetischen Gründen möglichst klein!

...

Berechnung der Kälteleistung:

192


Leistungsdichte : q = �

�∙�= �̇

�= � ∙ ��

Das bedeutet: Bei gleicher Übertragungsfläche und gleicher Temperaturdifferenz(aber unterschiedliche Baugröße, unterschiedliches Material, unterschiedliches Rohrvolumen)unterschiedliche Wärmedurchgangskoeffizienten

Überschlägige Wärmedurchgangskoeffizienten

für Verdampfer: k = 20 bis 50 �

��

für Verflüssiger: k = 20 bis 90 �

��

wobei:�

�=

��

��

�

��

�

��

mit Wärmeübertragungskoeffizienten

Verdampfung αi = 1.000 bis 4.000 �

��

Verflüssigung αi = 2.000 bis 8.000 �

��

luftseitig αa= 12 bis 80 �

��

Leistungsdichte = Wärmestromdichte


Randbedingungenfür Vergleichsberechnungen

• Die Berechnungen wurden sowohl für Luftkühler als auch Verflüssiger mit dem Güntner Product Calculator GPC durchgeführt.

• Dabei wurden verschiedene Rohr- und Lamellengeometrien und verschiedene Kältemittel berücksichtigt.

• Die angeströmte Fläche betrug jeweils 2.000 mm * 1.000 mm.

194


Leistungsdichte bei unterschiedlichenRohrgeometrien –Verdampfer R134a

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

kin W/m²K

vL

in m/s

F4_4.0

F4_7.0

F8_4.0

F8_7.0

N4_4.0

N4_7.0

N4_12.0

N8_4.0

N8_7.0

N8_12.0


Leistungsdichte bei unterschiedlichenRohrgeometrien –Verflüssiger R134a

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

kin W/m²K

vL

in m/s

microox

H4_2.2

H3_2.2

H2_2.2

F4_2.0

F4_2.4

F6_2.0

F6_.2.4

196


Leistungsdichte bei unterschiedlichenKältemitteln – Verdampfer N8, 7 mm

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Qin W

vL

in m/s

R32

R134A

R290

R404A

R407C

R410A

CO2

NH3


Leistungsdichte bei unterschiedlichenKältemitteln – Verdampfer F4, 7 mm

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Qin W

vL

in m/s

R32

R134A

R290

R404A

R407C

R410A

CO2

NH3

198


Leistungsdichte bei unterschiedlichenKältemitteln –Verflüssiger F6, 2,4 mm

0

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

80.000

90.000

100.000

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Qin W

vL

in m/s

R410A

CO2

R32

R404A

R290

R134A

NH3

R407C


Leistungsdichte bei unterschiedlichenKältemitteln –Verflüssiger H4, 2,2 mm

0

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

80.000

90.000

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3

Qin W

vL

in m/]

CO2

R410A

R404A

R32

R134A

R290

R407C

200


Schlussfolgerung

Die Leistungsdichte q bei lamellierten Wärmeaustauschern wird bestimmt durch:

• Rohrgeometrie

• Kältemittel und Massenstrom, verbunden mit dem kältemittelseitigem Druckabfall

• Luftvolumenstrom, verbunden mit dem luftseitigem Druckabfall

• und den treibenden Temperaturdifferenzen


Zusammenfassung

• Die Wärmeaustauscher sind integraler Bestandteil des Kältesystems und beeinflussen den Gesamt-COP.

• Hocheffiziente Wärmeaustauscher sollten dazu genutzt werden, die Kältemitteltemperaturen möglichst nahe an die Umgebungstemperaturen zu bringen.

• Es besteht ein direkter Zusammenhang zwischen den Temperaturdifferenzen an Verdampfer und Verflüssiger und der Energieeffizienz des Kältesystems.

Je besser die Auswahl der Wärmeaustauscher, desto effizienter das System

201

Valerius-Füner-

Stiftung


Franz Jäger

Güntner GmbH & Co. KG

202

„Trends in der Automobilindustrie -

Thermodynamik meets Micro-Controller“

Der Bereich der PKW-Klimatisierung hat in den vergangenen Jahren eine kontinuierliche Weiterentwicklung erfahren, sowohl im Bereich der Klimasysteme als auch im Bereich der Kältekreiskomponenten. Ein zentrales Entwicklungsziel war und ist in diesem Zusammenhang die kontinuierliche Steigerung der Effizienz der Klimasysteme zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und damit der CO2-Emissionen. Einige wichtige Meilensteine waren hierbei im Bereich der Kältemittelkreisläufe der Einsatz des inneren Wärmeaustauschers sowie der Einsatz hocheffizienter Kältemittelverdichter, bei gleichzeitiger Reduzierung deren Hubvolumina. Aber nicht nur auf der Komponentenseite wurde an der Effizienzsteigerung gearbeitet, sondern auch im Bereich der Klimaregelung. Intelligente Regelungskonzepte sorgen dafür, dass die aufgenommen Leistungen in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen möglichst ein Minimum darstellen.

Neue Antriebskonzepte zukünftiger Fahrzeuggenerationen wie zum Beispiel Hybrid- oder reine Elektro-Fahrzeuge bringen weitere, neue Herausforderungen in der Entwicklung mit sich. Denn die erforderliche Energie zur Schaffung eines thermischen Innenraumkomforts hat bei derartigen Antriebskonzepten einen unmittelbaren und teilweise erheblichen Einfluss auf die elektrische Reichweite. Aber nicht nur der Fahrzeuginnenraum muss effizient geheizt und gekühlt werden, sondern auch wichtige Antriebskomponenten wie zum Beispiel die Hochvoltbatterie oder die E-Maschinen.

203

Valerius-Füner-

Stiftung

Im Falle wassergekühlter Bauteile und Komponenten verschmelzen nun auch erstmals der Kühlwasser- und der Kältemittelkreislauf miteinander, um die erforderlichen Vorlauftemperaturen zur Bauteilkühlung gezielt einregeln zu können. Die Komplexität derartiger thermodynamischer Systeme nimmt in erheblichem Maße zu. Denn je nach Betriebszustand- und Betriebsart müssen die zum Einsatz kommenden, elektrifizierten Bauteile entsprechend angesteuert und geregelt werden. Die Erarbeitung solcher Verschaltungs- und Regelungskonzepte setzt ein hohes Maß an thermodynamischem Systemverständnis voraus.

Und genau an der Stelle trifft nun die Welt der Thermodynamik auf die Welt der Steuerungs- und Regelungstechnik. Die thermodynamischen Systemanforderungen müssen in intelligente Funktions-Software-Module umgesetzt und zunächst auf einer Rapid-Prototyping-Umgebung (RP-Steuergerät) ins Fahrzeug integriert werden. Mit zunehmendem Reifegrad der entsprechenden Software-Funktionen erfolgt die Umsetzung in automotivetaugliche Seriensoftware auf Basis des späteren Zielsteuergerätes.

Eine sehr enge Zusammenarbeit der beiden Fachdomänen Thermodynamik und Funktions-Software-Entwicklung ist hierbei von entscheidender Bedeutung.

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Christian Maier

Christian Maier absolvierte zunächst eine Ausbildung zum Kraft-fahrzeugmechaniker. Es folgten zwei Gesellenjahre in den USA, anschließend die Fachhochschulreife sowie der Zivildienst. Danach studierte Herr Maier Maschinenbau mit dem Schwerpunkt „Kälte-, Klima- und Umweltverfahrenstechnik“ an der Fachhoch-schule Karlsruhe, bevor er im Jahr 2001 als Entwicklungsingenieur bei einem großen Automobilzulieferer im Bereich PKW-Klimatisie-rung einstieg.Im Jahr 2005 wechselte Herr Maier zu IPETRONIK wo er zunächst als Teamleiter und später als Abteilungsleiter den Geschäftsbe-reich IPE-Engineering an den Standorten Baden-Baden und Eich-stätt mit aufbaute.Seit August 2012 ist Christian Maier Geschäftsführer der TKI Au-tomotive GmbH.

Christian Maier

TKI Automotive GmbH

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Valerius-Füner-

Stiftung

Johannes Reichelt

Gedanken eines Freundes und Fachkollegen

Lieber Johannes, liebe Annegret, liebe Freunde von Johannes Reichelt,

obwohl ich in der Anrede nur von „Freuden“ gesprochen habe, sind die hier anwesenden Damen selbstverständlich mit eingeschlossen. Da der Begriff „Freundinnen“ aus dem Munde eines Mannes etwas doppeldeutig belegt ist, vermeide ich ihn in aller Regel, zumal die Gattin von Johannes Reichelt hier anwesend ist, und ich keine Komplikationen heraufbeschwören möchte.

Gestatten Sie, dass ich zu Beginn ein paar persönliche Worte an Johannes richte. Ich möchte Dir, Johannes, ganz herzlich zu Deinem 75. Geburtstag gratulieren. Du darfst diesen halbrunden Geburtstag in beneidenswerter geistiger und körperlicher Frische begehen (bei mir wird jeweils nur noch die körperliche Verfassung positiv erwähnt). Die vielen Freunde, die heute zu diesem Anlass gekommen sind, drücken Deine Beliebtheit und Anerkennung deutlich aus. Ich wünsche Dir weiterhin alles erdenkliche Gute, und weiterhin soviel Elan und Schaffenskraft wie bisher und dass Du uns weiterhin in dieser blendenden Form zur Verfügung stehst.

Dilemma

Als mich einer der Organisatoren, Kollege Micheal Arnemann, vor einigen Monaten anfragte, ob ich die Laudatio auf Johannes halten würde, sagte ich gerne zu. Herr Arnemann warnte mich aber sofort: Johannes würde an ihn gerichtetes Lob gar nicht schätzen. Das bringt mich nun in ein Dilemma.

208

Es ist natürlich schwierig, ja eigentlich ein Widerspruch, in einer Laudatio keine lobenden Worte zu finden. Lob enthält ja schon der Begriff Laudatio. Das musst Du jetzt halt über Dich ergehen lassen, lieber Johannes.

Ich habe mich aber insofern aus dem Dilemma gezogen, als ich meine Rede mit „Gedanken eines Freundes und Fachkollegen“ betitelt habe. Das erlaubt mir, von Fall zu Fall etwas vom roten Faden einer Laudatio abzuschweifen, den Bogen etwas weiter zu spannen, den einen oder anderen Exkurs zu wagen und ein paar allgemeine Betrachtungen einfliessen zu lassen und zu vertiefen.

Wenn man an einer solchen Veranstaltung als letzter Redner gereiht ist, besteht die Gefahr, dass alle Vorredner das Wesentliche bereits gesagt haben. In der Tat wurde die wissenschaftliche Leistung von Johannes bereits umfassend dargestellt, so dass ich mich auf einige persönliche Betrachtungen beschränken kann. Sollte das Eine oder Andere trotzdem schon gesagt worden sein, so gelte das Motto: doppelt genäht hält besser.

Meine ersten Kontakte zu Johannes Reichelt

Kennen gelernt habe ich Johannes Reichelt auf einer der vielen internationalen Tagungen, die wir besucht haben. Wir beide sind Mitglieder des Internationalen Instituts für Kältetechnik in Paris und innerhalb dieser Organisation in der Untergruppe E2 Wärmepumpen, ebenso des DKV und des ASHRAE. Es gibt neben dem IIR wohl keine andere weltumspannende Organisation, die so viele fachliche Tagungen und Kongresse an allen erdenklichen Orten auf diesem Globus veranstaltet wie der IIR. Das erhöht natürlich die Wahrscheinlichkeit, auf einen solchen Menschen wie Johannes zu treffen und gibt die Gelegenheit einander immer wieder zu sehen.

209

Valerius-Füner-

Stiftung

So ist es kein Wunder, dass wir uns erstmals in diesem Rahmen begegneten.

Es muss so um 1980 herum gewesen sein, als wir uns kennenlernten. Dass Johannes so regelmässig an internationalen Tagungen teilnahm, zeigt seine internationale Ausrichtung, sein Interesse für das, was ausserhalb der Landesgrenzen passiert. Diesen Umstand haben die Organisatoren dieses Ehrenkolloquiums geschickt aufgegriffen, in dem sie einen Laudator von ausserhalb Europas gesucht haben. Sie haben richtig gehört. Da die EU ja für sich in Anspruch nimmt, Europa zu sein und die Schweiz eben dieser EU nicht angehört, kann die Schweiz nach allen Regeln der Logik nicht in Europa liegen (Klammerbemerkung: Ich wäre nebenbei gesagt gar nicht so unglücklich, wenn dem so wäre. Denn dieser ideologisch herunter gewirtschaftete Kontinent ist nun wirklich keine Referenz mehr).

Eine solche Tagung mit Johannes ist mir aus zwei Gründen ganz besonders im Gedächtnis haften geblieben, nämlich eine Tagung in Oslo am 3.6.1998. Just an diesem Tag fand das schreckliche Bahnunglück in Eschede statt. Wir sassen gerade beim Mittagessen, als die Meldung hereinkam.

Es war aber auch an dieser Tagung in Oslo gewesen, als mir Johannes über seinen gelungenen Sabbataufenthalt bei der Firma TRANE in La Crosse erzählte. TRANE ist einer der grössten Hersteller von Grosswärmepumpen und Absorptionskältemaschinen. TRANE betreibt in La Crosse, Wisconsin, am Mississippi gelegen, in idyllischer Lage ein Forschungs- und Entwicklungszentrum und Produktionsstätten für diese Maschinen. Es sind dort etwa 1200 Ingenieure beschäftigt. Er hat mir also über seine Erfahrungen erzählt. Ich war sofort von der Sache angetan und ich fragte ihn, ob er mir einen solchen Arbeitsplatz für ein Sabbatical vermitteln könne. Kein Problem.

210

Johannes liess seine internationalen Beziehungen spielen und schon nach wenigen Tagen (!) hatte ich die Zusage von dort. Sein Mentor bei TRANE war der spätere ASHRAE-Präsident Lee Burgett, der nun auch mich unter seine Fittiche nahm. Wenn man den Namen Reichelt in den Mund nahm, haben sich viele gerne an seinen Aufenthalt erinnert. Allein dieser Aufenthalt hat schon gelohnt, Johannes kennen zu lernen. Auch für mich war der Aufenthalt dort sowohl fachlich wie auch menschlich sehr ergiebig. Nochmals herzlichen Dank für Deine Vermittlerdienste.

Bezug zur Schweiz

Johannes Reichelt war öfters in der Schweiz. Karlsruhe liegt ja auch nicht weit davon entfernt. Zu seinem Repertoire gehörten u.a. Wanderungen und Skifahren mit seiner Familie in der Innerschweiz. Johannes ist also der Natur verbunden. Sein Bezug zur Schweiz reichte aber darüber hinaus. Er war ein sehr gern gesehener resp. gehörter Gast und Vortragsredner an kältetechnischen Veranstaltungen und hat viele Kontakte zur Schweizerischen Kälte- und Wärmepumpenszene. Andererseits nahmen und nehmen Jahr für Jahr viele Schweizer an den Weiterbildungskursen TWK in Karlsruhe teil.

Mein erster fachlicher Kontakt war übrigens seine Dissertation, wo er den Flüssigkeitsanteil im Sauggas eines Kompressors untersucht hat. Ich hatte damals Probleme mit der messtechnisch erfassten Energiebilanz einer Butan-Kälteanlage. Diese wollte einfach nicht aufgehen, bis ich dank der Dissertation von Johannes Reichelt dem Problem auf die Schliche kam.

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Valerius-Füner-

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Professor Füner

Das Institut für Kältetechnik an der FH Karlsruhe kannte ich vermutlich schon vor Johannes. Als ich 1972 als blutjunger Dozent für Thermodynamik und Kältetechnik am damaligen Neu-Technikum Buchs anfing (heute Fachhochschule für Technik Buchs), bestand meine erste Aufgabe darin, eine Vorlesung zu erstellen und ein Labor für diese beiden Fachgebiete einzurichten. Das waren noch herrliche Zeiten. Man schwamm im Geld und konnte sich alles leisten, was das Herz begehrte. Das hat sich in der Zwischenzeit total umgekehrt. – Wenn es so weiter geht, müssen die Dozenten in ein paar Jahren sogar das Heizmaterial mitbringen. – Aber zurück zum Aufbau des Vorlesung und des Labors. Ein Kollege aus Deutschland wusste, das an der FH Karlsruhe Kältetechnik auf dem Lehrplan stand. Das Institut stand unter der Leitung von Prof. Dr. Valerius Füner. Wir fuhren also hin, um Ideen und Anregungen zu erhalten. So kam es zum ersten Kontakt mit dem Institut, nicht aber mit Johannes Reichelt. Der war damals noch anderweitig im Einsatz. Möglicherweise kenne ich also das Kälteinstitut in Karlsruhe länger als Johannes. Da habe ich ihn vermutlich das erste und das letzte Mal geschlagen.

Bescheidenheit/Liebenswürdigkeit

Es ist nicht ganz einfach, der Persönlichkeit von Johannes überhaupt gerecht zu werden. Seine positiven Eigenschaften sind derart zahlreich, dass deren komplette Aufzählung den Rahmen dieser Veranstaltung sprengen würde. Ich möchte daher nur einige, mir besonders bedeutende Eigenschaften herausgreifen.

Ich habe eingangs erwähnt, dass mich Michael Arnemann davor gewarnt hat, dass Johannes zu viel Lob eher unangenehm ist.

212

Das zeigt aber bereits eine erste ins Auge springende Eigenschaft von Johannes auf: seine Bescheidenheit. Seine Bescheidenheit gepaart mit Liebenswürdigkeit. Er könne auch anders, wurde mir aus dem Kreis des DKV zugesteckt. Aber die Ausnahme bestätigt bekanntlich die Regel. Bescheidenheit ist eine Haltung, die man wirklich nur bei hochkarätigen Menschen findet. Diese haben es nicht nötig, durch Eigenlob und Überheblichkeit zu punkten. Sie punkten vielmehr mit echter Leistung. Dass Johannes in seinem Leben ungemein viel geleistet hat, wurde aus den Vorträgen meiner Vorredner mehr als deutlich. Das führt mich unmittelbar zu einer nächsten beeindruckenden Eigenschaft, nämlich seiner

Schaffenskraft und seinem Unternehmergeist.

Etwas, was mir schon früh aufgefallen ist, ist die ungeheure Schaffenskraft von Johannes. Er sprüht geradezu von Unternehmungslust und scheint immer in Bewegung zu sein. Wenn ich daran denke, was er in seinem Berufsleben alles schon angepackt und ungesetzt hat, muss sein Normalarbeitstag länger als 24 Stunden dauern. Ob man das noch Normalarbeitstag nennen kann, ist eine andere Frage.

Kollege Michael Kauffeld war so freundlich, mir eine Zusammenstellung aller Initiativen, die von Johannes Reichelt ausgingen, zusammenzustellen:

• Eintritt an der Hochschule Karlsruhe – 1980

• Umwandlung der mehrwöchigen Kältekurse von seinem Vorgänger Valerius Füner in kürzere Lehrgänge (2 - 3 Tage) – ca. 1984

• Gründung der DIN Prüfstelle für Wärmepumpen und Kältetechnik – ca. 1984

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• Gründung Steinbeiszentrum Kältetechnik und Wärmepumpen – 1987 (ca. 2010 eingestellt)

• Gründung TWK – 1997

• Auslobung des Valerius-Füner-Preises für den besten Absolventen der Kältetechnik an der Hochschule Karlsruhe

• Gründung der ersten Studentengruppe des DKV

• Umzug Kältelabor und Komplettsanierung mit Hilfe von Spendengeldern, dies führte zur Gründung der Valerius-Füner-Stiftung (2000 - 2002)

• Gründung der Valerius-Füner-Stiftung (2001), welche die Lehre und Forschung an der Hochschule Karlsruhe auf dem Gebiet der Kältetechnik fördert. Bisher mit nahezu einer halben Million Euro.

Nur wer selber schon in diesem Getriebe gesteckt hat kann ermessen, wieviel Aufwand und Schweiss, aber auch welche Rückschläge und Enttäuschungen hinter all diesen Initiativen stecken. Grundlage all dieser Initiativen ist unternehmerisches Flair.

Wir haben uns darüber oft schon freundschaftlich gestritten, wer nun mehr arbeitet. Johannes behauptet nämlich das Gleiche von mir. Dagegen wehre ich mich immer vehementestens. Der Kampf steht bis heute verbal noch unentschieden. Aber diejenigen, die uns beide kennen, deuten auf Johannes. Was mir auch recht ist, kann ich doch behaupten, dass ich meine Altersrente mit weniger Aufwand erarbeitet habe.

214

Wissenschaftlichkeit

Was ich an Johannes besonders geschätzt habe und schätze, sind seine strenge Wissenschaftlichkeit und seine Ingenieurkunst. Die Frage der Wissenschaftlichkeit ist ein persönliches und mich stark bewegendes Anliegen. Gestatten Sie, dass ich hier etwas aushole (da profitiere ich davon, den Titel dieses Referates etwas breiter angelegt zu haben), um zu unterstreichen, weshalb ich dies an Johannes so sehr schätze.

(Exkurs) Ich beobachte den akademischen Bereich und Betrieb schon seit vielen Jahren mit zunehmender Skepsis. Vor allem in den nicht exakten akademischen Disziplinen scheint die Wissenschaftlichkeit mehr und mehr abzudanken und der reinen Ideologie zu weichen. Angestossen wurde dies durch eine mehr als 20-jährige Tätigkeit im Bildungsbereich und der Bildungspolitik. Ich habe Universitätsprofessoren Professoren immer wieder gefragt, was sie denn unter Wissenschaftlichkeit verstünden, welche Kriterien denn erfüllt sein müssten. Ich habe nicht einen einzigen getroffen, der hier eine griffige Formulierung parat hatte. Die meisten Antworten erschöpften sich darin, sich gegenüber den Fachhochschulen abzugrenzen. Gegen diese Abgrenzung habe ich grundsätzlich nichts einzuwenden, wenn sie nachvollziehbar und sinnvoll ist. Das war aber nicht das, was ich suchte. Offenbar wissen es die Professoren selber nicht. Plötzlich fiel mir wie Schuppen von den Augen, dass eine Universität nur deshalb so geheissen wird, weil es in einem Gesetz so steht. Irgendwelche Minimalkriterien, die erfüllt werden müssen, sind dort nicht aufgeführt. Was macht denn die Wissenschaftlichkeit aus?

Wissenschaftlichkeit verkommt heutzutage immer mehr zu einem Ritual und zur Massenware. Man schaut auf eine vollständige Zitierliste und andere Formalien, man reicht Artikel in A-Journals ein.

215

Valerius-Füner-

Stiftung

Selbstverständlich muss die Arbeit in Englisch verfasst sein, sonst ist sie wertlos. Wird der Artikel angenommen, so steigt man in den wissenschaftlichen Olymp auf, was oft nicht wegen des Inhalts stattfindet, sondern wegen guter Beziehungen zu den Juroren oder weil man im Gegenzug die Artikel der Juroren ebenfalls auf A-Level hoch lobt. Es ist wie bei den Ehrendoktoren. Man schlägt sich zyklisch dafür vor (Ende der Boshaftigkeit). Quantität ist heute um Grössenordnungen wichtiger als Qualität.

Für mich ist Wissenschaftlichkeit eine Haltung, nämlich die Suche nach der Wahrheit (nicht der relativen). Es ist primär also keine Methodik. Wissenschaftlichkeit definiert man besten als das Gegenstück zur Ideologie. Bei einem Ideologen ist das Ziel bereits definiert und es werden nur jene Fakten und Argumente anerkannt, die das bestehende Ziel nicht in Frage stellen. Beim Wissenschaftler ist es gerade umgekehrt. Tritt eine neues Faktum oder Argument auf, das sich als robust erweist, aber seiner bisherigen Theorie entgegen steht, so wird er seine bisherige Theorie umbauen, um den Widerspruch zu eliminieren. Der Wissenschaftler ist also grundsätzlich ergebnisoffen. Würde das allgemein so gehandhabt, gäbe es keine Debilitäten à la Gender Mainstreaming und andere akademische Witzdisziplinen.

Und jetzt verstehen Sie, warum ich Johannes ein hohes Mass an Wissenschaftlichkeit zugestehe. Er erfüllt eben gerade dieses Kriterium. Er ist unbestechlich, er sucht nachhaltige Zusammenhänge, also genau das, was Wissenschaftlichkeit im Kern ausmacht und wohin der akademische Betrieb zurückkehren sollte. Und er weiss, dass er sich auch irren kann. Das führt zu Bescheidenheit und bedingt diese auch.

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Prototyp des modernen Professors

JR, wie er unter seinen Freunden abgekürzt wird, ist ein Prototyp des modernen Professors, der sich nicht in seinen Elfenbeinturm einschliesst, sondern die Kombination von Lehre, wissenschaftlicher Forschung und Unternehmer in einer Person vereinigt und den Puls am Markt hat. Dazu gehört die Beschaffung der erforderlichen Geldmittel für die Forschung, was ohne beste Kontakte zur Industrie nicht geht. Dies ist genau die Melange, die moderne Hochschulen von ihren Lehrkräften erwarten. Dabei ist es egal, ob von Universitäten oder Fachhochschulen gesprochen wird.

(Exkurs) Hingegen dürften die Fachhochschulen und ihre Absolventen bezüglich Umsetzung der Forschung in Wertschöpfung und Wohlstand mehr in die Waagschale werfen. Die Kombination aus Berufslehre und Fachhochschule ist ein ganz entscheidender Faktor für den Wohlstand in den deutschsprachigen Ländern. Nur diese Länder kennen dieses duale Ausbildungssystem. Ich spreche den Universitäten ihre Notwendigkeit nicht grundsätzlich ab, jedoch ihre Überhöhung und Bedeutung für unseren Wohlstand. Ich sehe es daher mit Skepsis, wenn die Fachhochschulen mehr und mehr „akademisiert“ werden, d.h. die Berufslehre keine Vorbedingung mehr ist.

Seien wir uns dieser Zusammenhänge bewusst, bewahren wir sie und fördern wir Persönlichkeiten wie Johannes Reichelt, der in diesem Kontext eben eine herausragende Rolle eingenommen hat und immer noch einnimmt.

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Valerius-Füner-

Stiftung

Abschluss

Ich habe mir lange überlegt, wie ich das Wirken und die Persönlichkeit von Johannes Reichelt symbolisch einfangen könnte. Eines Nachts, als ich über meinem Referat grübelte, kam mir der Gedanke, dies in Form eines Würfels zu tun. Sie kennen alle den bekannten Spielwürfel mit den je nach Seite ein bis sechs Augen. Ich will damit nicht andeuten, dass Johannes ein Spieler sei. Auch sei es keine Andeutung auf seine Figur. Die ist ja bekanntlich eher lang und schmal. Es soll viel mehr die oben aufgeführten Eigenschaften symbolisieren. Wenn man Johannes Reichelt begegnet und mit ihm zu tun hat, so trifft man immer auf eine seiner vorteilhaften Seiten, sozusagen immer auf eine 6er-Fläche eines solchen Würfels, also mit der maximalen Punktzahl von sechs Augen. Darum habe ich einen Würfel anfertigen lassen, der auf allen Flächen sechs Augen hat. Die sechs Seiten stehen sozusagen für die oben aufgeführten besonderen Merkmale von Johannes Reichelt. Es symbolisiert den Umstand, dass man, wie immer man sich Johannes Reichelt nähert, immer auf eine positive Seite trifft.

218

Prof. Dr. Max P. Ehrbar

Institut für Energiesysteme/NTB

Ich freue mich, Dir diesen speziellen Würfel überreichen zu dürfen, den ein befreundeter Schreiner nach meinen Wünschen angefertigt hat. Genau dieses Kunstwerk bestätigt auch, dass zu dessen Herstellung eben Handwerker und nicht nur Akademiker nötig sind.

Damit komme ich zum Schluss:

Lieber Johannes, Dir und Deiner Familie wünsche ich weiterhin alles Gute. Ich wünsche mir und uns allen, dass Du noch viele Jahre Deine intellektuelle und physische Spannkraft behalten und Deine Leuchtturmposition weiter einnehmen kannst und Dich bester Gesundheit erfreuen darfst.

Herzlichen Dank!

221

Valerius-Füner-

Stiftung

Die Valerius – Füner – Stiftung

Die Valerius-Füner-Stiftung wurde am 27. November 2001 vom Regierungspräsidium genehmigt. Der Zweck der Stiftung ist die Förderung der Ingenieuraus- und -weiterbildung im Bereich der Kälte- und Klimatechnik (einschließlich Wärmepumpen) an der Hochschule Karlsruhe – ehemals Fachhochschule – und der langfristige Erhalt dieses Studienschwerpunkts.

In der Satzung ist vermerkt, dass bei Auflösung der Stiftung das verbleibende Vermögen an die Hochschule Karlsruhe fällt, sofern dort noch ein Studienschwerpunkt besteht, in dem die Kälte- und Klimatechnik gelehrt wird. Im anderen Fall geht die Stiftung an eine Hochschule, an der dieser Studienschwerpunkt gelehrt wird.

Im Stiftungsrat sitzen derzeit Vertreter der Firmen BITZER, GEA BOCK, CTS und HUBER.

In den vergangenen Jahren unterstützte die Valerius-Füner-Stiftung zahlreiche Aktivitäten zur Förderung der Lehre und Forschung auf dem Gebiet der Kältetechnik an der Hochschule Karlsruhe – Technik und Wirtschaft.

Exkursionen

Für Studierende des Studienschwerpunkts Kälte-, Klima- und Umwelttechnik wurden in den vergangenen Jahren oftmals die Fahrtkosten von Exkursionen übernommen. So konnten z. B. die Firmen Bitzer und Hafner-Muschler sowie Eisbahn Ravensburg besucht werden.

222

Auch an der internationalen Fachmesse für Kälte, Raumluft und Wärmepumpen „Chillventa“ sowie an der DKV Tagung können Studierende aufgrund der Unterstützung durch die Stiftung teilnehmen.

Valerius-Füner-Preis

Der mit 500 € dotierte Valerius-Füner-Preis wird jährlich für den besten Absolventen des Studienschwerpunkts Kälte-, Klima- und Umwelttechnik vergeben. Die Übergabe findet entweder auf dem Messestand der Firma BITZER während der „Chillventa“ oder auf der Absolventenfeier der Fakultät Maschinenbau und Mechatronik an der Hochschule Karlsruhe statt.

Energieeffizienz Preis

Der mit 1000 € dotierte Energieeffizienz-Preis wird ab 2014 jährlich für den besten Absolventen des Masterstudiengangs Maschinenbau mit dem Studienschwerpunkt Energieeffizienz in der Kälte-, Klima- und Umwelttechnik vergeben. Die Übergabe findet zusammen mit dem Valerius-Füner-Preis statt.

Stipendien

Im Jahr 2012 wurden zwei Bachelor-Stipendien im Wert von je 1.500 € vergeben, sowie ein Studierender finanziell unterstützt ein sechsmonatiges Auslandsstudium in den USA an der Purdue University absolvieren zu können.

223

Valerius-Füner-

Stiftung

Unterstützung des Kältelabors

Der Aufbau eines neuen Lehrmodells wurde im Rahmen einer Bachelorarbeit durch die Valerius-Füner-Stiftung finanziert. Es handelte sich bei diesem Modell um eine Eisbahn, die mit präziser Messtechnik ausgestattet ist.

Art of Compression

Die Valerius-Füner-Stiftung hat am 2. April 2014 zusammen mit der TU Dresden zum dritten Mal die ganztätige Veranstaltung „Art of Compression“ durchgeführt.

Dank der Valerius-Füner-Stiftung konnte die Kälte-, Klima- und Umwelttechnik an der Hochschule Karlsruhe stetig ausgebaut werden. Auch zahlreiche Aktivitäten für und mit Studierenden und im Bereich der Forschung konnten aufgrund dieser Unterstützung ermöglicht werden.

Valerius-Füner-StiftungVorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Rohannes ReicheltSparkasse Karlsruhe EttlingenKonto-Nr.: 22 41 78 28BLZ: 660 501 01IBAN: DE06 6605 0101 0022 4178 28BIC: KARSDE66XXX

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Preisträger Valerius-Füner-Preis

Name Vorname JahrSpannagel Jürgen 1982Kinz Peter 1982Hummel Ralf 1982Pfirrmann Heinz-Martin 1983Sauter Hans-Jürgen 1983Grund Josef 1984Mussler Dieter 1984Oberacker Sieghard 1984Kindel Georg 1985Ng Siew Cheong 1985Fahner Walter 1986Satter Ralf 1987

19881989

Bolz Uwe 1990Maritsch Thomas 1991

19921993

Fritsch Claus Jürgen 1994Schick Michael 1995Rieger Robert 1995Gattnar Gregor 1996Broßart Frank 1997Geisler Michael 1998Sigmund Daniel 1999

Seit 1982 wird der Preis für die besten Studieren-den im Bachelorstudien-gang Maschinenbau, mit dem Schwerpunkt

Kälte-, Klima- und Um-welttechnik verliehen - eine Idee von Prof. Dr.-Ing. Johannes Reichelt.

Seit dem Jahr 2001 hat dieser Preis den Namen:

Valerius-Füner-Preis.

Prof. Dr.-Ing. Valerius Füner arbeitete von 1950 bis 1980 hauptamtlich an der Hochschule Karlsru-he (ehemals Fachhoch-schule) und deren Vor-gängereinrichtungen.

Er gründete und leitete das Maschinen-, Kälte- und Klimalaboratorium und hielt seit 1952 regel-mäßig kältetechnische Fortbildungskurse ab.

225

Valerius-Füner-

Stiftung

Name Vorname JahrLeister Andreas 2000Klug Peter 2001Franke Katrin 2002Dold Carmen 2002Maier Christian 2003Jehs Philipp 2004Tscheppe Thomas 2005Wiesenfarth Maike 2006Schleiss Roland 2007Essler Jürgen 2008Bach Christian 2009Hauck Thorsten 2010Hermann Mario 2011Ruebeling Jascha 2012Eisenhauer Stefan 2013Eltges Benjamin 2013Gaiser Jochen 2014Glück Samuel 2014Pelgen Matthias 2014

Sechs Jahre war er Vorstandsmitglied im Deutschen Kälte- und Klimatechnischen Verein (DKV) und wurde 1981 DKV-Ehrenmitglied.

Von 1967 bis 1980 war er Prorektor der Hoch-schule Karlsruhe.

Prof. Dr. Valerius Füner hat sich in- und außer-halb der Fachhochschu-le durch Lehrtätigkeit, Forschungsarbei ten, Weiterbildungslehrgän-ge und ehrenamtliche Verbandstätigkeit beson-dere Verdienste erwor-ben, an die hierdurch ehrend erinnert werden soll.

226

Preisträger Energieeffizienz-Preis

Name Vorname JahrRuebeling Jascha 2014

Seit 2014 wird nun auch der Preis für die besten Studierenden im Masterstudiengang Maschinenbau, mit dem Schwerpunkt

Energieeffizienz in der Kälte-, Klima- und Umwelttechnik verliehen.

Ein Leben

für Wärmepumpen

und Kältetechnik

Ehrenkolloquium

Prof. Dr.-Ing.

Johannes Reichelt

03. Juli 2014E

in L

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tHochschule Karlsruhe - Technik und WirtschaftMoltkestr. 30, 76133 KarlsruheTelefon (0721) 925 - 0Telefax (0721) 925 - 2000Internet: www.hs-karlsruhe.de

Ein Leben für Wärmepumpen und Kältetechnik · anlässlich seiner offiziellen Vorstellung der...

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