Viele Leistungssportler verbessern mit einem klirrenden Eisbad ihre körperliche Leistungsfähigkeit. Auch die Kältetechnik nutzt aktiv die Unterkühlung. Gewiefte Maschinenbauer und Planer unterkühlen seit Jahren das Kältemittel, um Betriebssicherheit und Energieeffizienz der Kälteanlage zu verbessern. Das Bundesamt für Energie BFE wollte genau wissen, welches Vorgehen sich dafür besonders gut eignet und beauftragte daher das Institut für Energiesysteme und Fluid-Engineering der ZHAW mit einer entsprechenden Studie.
Stabile Anlagen brauchen eine Unterkühlung
Die Unterkühlung ist notwendig, um vor dem Expansionsventil Dampfblasen im Kältemittel zu vermeiden. Dies ist für einen stabilen und sicheren Betrieb der Anlage unerlässlich. Denn zu viele Gasblasen – sogenanntes Flash-Gas – führen zu einem instabilen Betrieb und können das Expansionsventil beschädigen. Zudem reduzieren die Blasen die Kälteleistung und senken so die Energieeffizienz. Daher braucht jede Anlage eine minimale Unterkühlung. Ob diese zu einer Steigerung der Effizienz führt, ist zunächst zweitrangig.
Wie stark das Kältemittel für die Betriebssicherheit unterkühlt werden muss, hängt von der Bauart, den Druckverlusten im Kältekreis und der Höhendifferenz zwischen Verflüssiger und Verdampfer (Kühlstelle) ab. Wird das Kältemittel darüber hinaus unterkühlt, lässt sich auch die Energieeffizienz der Kälteanlage steigern.
Grenzen der Unterkühlung
Allerdings verhindert eine zu starke Unterkühlung nicht nur Flash-Gas vor dem Expansionsventil, sondern auch nach dem Expansionsventil. Doch nach der Expansion sind Gasblasen – bzw. ein minimaler Dampfgehalt – für einen störungsfreien Betrieb des Expansionsventils zwingend notwendig. Sie dämpfen beim Einschalten den Prozess und verhindern damit hydraulische Schläge in den Ventilen und Rohrleitungen. Zudem verbessern die Gasblasen den Wärmedurchgang im Verdampfer und somit die Energieeffizienz der Anlage. Daher darf nur so stark unterkühlt werden, dass der minimal nötige Dampfgehalt den Vorgaben des Herstellers des Expansionsventils entspricht.
Permanente und temporäre Unterkühlung
Bei der Beurteilung der Unterkühlung gibt es zudem eine «zeitliche» Komponente. So kann das Kältemittel dauernd zusätzlich unterkühlt werden (z.B. mit Kaltwasser) oder nur zeitweise (z.B. Nutzung des kalten Bereiches im unteren Drittel des Warmwasserspeichers). Mit einer permanenten Unterkühlung können der Verdichter, die Expansionsventile und die Leitungen kleiner dimensioniert werden. Das macht die Anlage effizienter und kostengünstiger. Bei einer temporären Unterkühlung müssen die Komponenten im Kältekreis so dimensioniert werden, dass die Anlage auch ohne Unterkühlung funktioniert.
Interne und externe Unterkühlung
Neben der «zeitlichen» Komponente unterscheidet sich die Unterkühlung danach, ob sie intern oder extern erfolgt. Bei der internen Unterkühlung wird das eigene Kältemittel für die Unterkühlung genutzt, ohne dass Energie von aussen zu- bzw. abgeführt wird. Die externe Unterkühlung benötigt hingegen immer eine äussere Wärmesenke (Aussenluft, Trinkwasser, Grundwasser, Erdwärmesonde, Anergie-Netz usw.), welche die Wärme abführt.
Sowohl bei der internen als auch bei der externen Unterkühlung gibt es je nach Situation unterschiedliche Schaltungen. Bei der internen Unterkühlung kommen Economiser (siehe Bild 2.1), interne Wärmetauscher (IWT, siehe Bild 1.1) oder eine Eigenunterkühlung zum Einsatz. Bei der externen Unterkühlung eignen sich ein Booster mit externem Gaskühler bzw. Unterkühler, externer Unterkühler (siehe Bild 3.1) sowie eine Kombination von Plus- und Minuskühlung.
Interner Wärmetauscher: stabile Lösung, meist ohne Effizienzsteigerung
Der interne Wärmetauscher ist eine einfache Lösung, die bei allen Verdichterbauarten umgesetzt werden kann. In erster Linie dient der IWT der Betriebssicherheit. Bei bestimmten Konstellationen lässt sich durch den Einsatz eines IWT die Verdampfungstemperatur erhöhen, was die Energieeffizienz um 3% pro Grad verbessert. In der Studie der zhaw wurde dieser Vorgang jedoch nicht genauer untersucht. Die Studie zeigt aber, dass die Überhitzung und die Verdichtungsendtemperatur, die durch den IWT beeinflusst werden, enge Einsatzgrenzen vorgeben (siehe Bild 1.2).
Economiser erhöht die Effizienz um bis zu 15 Prozent
Die zusätzliche interne Unterkühlung mit dem Economiser (ein zusätzlicher Wärmeübertrager) erhöht die Effizienz von Kältemaschinen (siehe Bild 2.2). Mit dem Economiser sinkt die Verdichtungsendtemperatur spürbar, was gut ist für die Betriebssicherheit. Die Umsetzung der Schaltung ist etwas aufwendiger. Zudem können Economiser nur bei zweistufigen Prozessen oder bei Scroll-, Schrauben- und Turbo-Verdichtern gebaut werden.
Externer Unterkühler erhöht Effizienz um bis zu 25 Prozent
Die externe Unterkühlung hat den grossen Vorteil, dass sie nicht direkt auf den Verdichter einwirkt. So führt die zusätzliche Unterkühlung weder zu einer zusätzlichen Überhitzung noch zum Überschreiten der zulässigen Verdichtungsendtemperatur. Eine externe Unterkühlung eignet sich für allen Verdichterbauarten. Die äussere Wärmesenke gibt dabei die maximale zusätzliche Unterkühlung vor, welche die Effizienz der Kälteanlage um bis zu 25 % erhöhen kann (siehe Bild 3.2).
Bei der Beurteilung der Wirtschaftlichkeit muss auf den Aufwand für die Unterkühlung (z.B. Kosten für das Kaltwasser und Strom für die Pumpen) geachtet werden. Diese zusätzlichen Betriebskosten werden oft unterschätzt. Sie führen dazu, dass nicht jedes Projekt mit einem externen Unterkühler betriebswirtschaftlich sinnvoll ist.
Kriterien der optimalen Unterkühlung
Welche Unterkühlungsart sich am besten eignet, hängt von verschiedenen Kriterien ab:
1. Der Anwendung: Klimakälte, Plus- oder Minuskühlanlage
2. Dem Kältemittel und seinen Stoffeigenschaften.
3. Der maximalen Verdichtungsendtemperatur des Kältemittels.
4. Der minimal notwendigen Unterkühlung für einen störungsfreien Betrieb.
5. Der minimal notwendigen Überhitzung vor dem Verdichter für einen störungsfreier Betrieb.
6. Der Wärmesenke: Art und Verfügbarkeit.
7. Der zusätzlichen Investitions- und Betriebskosten für die Nutzung von Wärmesenken.
Die Studie der ZHAW (siehe unten) enthält ein Flussdiagramm sowie verschiedene Grafiken und Tabellen, die den Weg zur «optimalen» Unterkühlung beschreiben. EnergieSchweiz hat die wichtigsten Unterkühlungsarten und ihre Eigenschaften zudem in einem einfach verständlichen Faktenblatt zusammengefasst, siehe auch Bild bzw. Tabelle 4 (PDF).
Die Studie der ZHAW zeigt, dass eine zusätzliche Unterkühlung die Effizienz der Anlage verbessert, wenn ein geeignetes Kältemittel und gut dimensionierte Wärmetauscher eingesetzt werden. In jedem Fall sollte eine saisonale Betrachtung des Einsparpotentials und eine seriöse Wirtschaftlichkeitsberechnung erstellt werden, damit sich die Unterkühlung auch finanziell rechnet.
Faktenblatt
"Unterkühlung: Der Schlüssel für Effizienz und Betriebssicherheit", 14-seitiges Faktenblatt, EnergieSchweiz/BFE, 2022
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Kältemittelunterkühlung: Grundlagen und Leitfaden zum Effizienz- und Kältegewinn
Die Studie der ZHAW analysiert, wie verschiedene Unterkühlungsarten von Kältemitteln die Betriebssicherheit und Energieeffizienz von Kälteanlagen verbessern und wie die optimale Unterkühlungsart für die individuelle Anwendung gefunden wird. Gratis-Download unter
zhaw.ch > Forschung > Forschungsdatenbank oder
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