Handbuch für die Anwendungs-technik Entwurf und Steuerung … · 2015. 9. 16. · SYS-APM001-DE Vorwort ©American Standard Inc. 2001. Alle Rechte vorbehalten. Das vorliegende Handbuch

Handbuch für dieAnwendungs-technik

Entwurf und Steuerungvon Kaltwassersystemenmit mehrerenWasserkühlmaschinen

SYS-APM001-DE

Entwurf und Steuerungvon Kaltwassersystemenmit mehrerenWasserkühlmaschinen

Mick Schwedler, AnwendungstechnikerAnn Yates, technische Informationsgestaltung

SYS-APM001-DE

Vorwort

©American Standard Inc. 2001. Alle Rechte vorbehalten.

Das vorliegende Handbuch beschreibt Komponenten, Konfigurationen, Optionenund Steuerungsstrategien von Kaltwassersystemen. Es soll SystemplanernLösungsmöglichkeiten aufzeigen, mit deren Hilfe sie die Anforderungen derKunden an diese Systeme erfüllen können – als vollständige Planungsanleitungfür ein bestimmtes Kühlmaschinensystem ist es nicht gedacht.

Den größten Nutzen können Anlagenplaner aus diesem Handbuch ziehen, wennsie sich zunächst mit den Grundlagen von Kaltwassersystemen vertraut machenund die Vorzüge der unterschiedlichen Optionen kennen. Bei der Planung einerkonkreten Anwendung können dann gezielt die Abschnitte gelesen werden, indenen geeignete Optionen behandelt werden.

Die als Referenzmaterial erwähnte Publikation “Engineers Newsletter”(Technische Mitteilungen) ist unter folgender Internet-Adresse verfügbar:www.trane.com/commercial/library/newsletters.asp

Die Trane Company übernimmt dadurch, dass sie diese Systementwurfs- undAnwendungskonzepte vorschlägt, keine Gewährleistung für die Leistung oder dieEinhaltung von Auslegungswerten der sich daraus ergebenden Systementwürfe.Der Systementwurf ist das Vorrecht des Systemplaners und liegt allein in seinerVerantwortung.

SYS-APM001-DE iii

Inhalt

Allgemeine Hinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1Grundlagen der Kaltwasseranlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2Wasserkühlmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2Kühllast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5Kaltwasserverteilungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7Kühlwassersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10Regelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

Kaltwassersystem - Optionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13Kaltwasser- und Kühlwassertemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13Durchflussraten von Kalt- und Kühlwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15Fehleinschätzungen bei Systemen mit geringerer Durchflussrate . . . . . . . . . . . . .24

Systemkonfigurationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27Wasserkühlmaschinen in Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27Wasserkühlmaschinen in Serienschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29Systeme mit Primär-Sekundär-Kreislauf (entkoppelte Systeme) . . . . . . . . . . . . . .31

Pumpenanordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36Durchflussabhängige Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38Schaltfolge der Wasserkühlmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

Systeme mit primärseitig variablem Volumenstrom . . . . . . . .40Vorteile von Systemen mit primärseitig variablem Volumenstrom . . . . . . . . . . . .41Wichtige Faktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41Schaltfolge der Wasserkühlmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43

Optionen für die Kaltwasserregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47Erhöhen und Reduzieren der Kaltwassertemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47Rückstellung “kritischer“ Ventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48

Auslegungsrichtlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49Konfiguration der Kaltwasserpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49Dimensionierung von Bypassleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50Wassermenge im Kreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50Anlagenerweiterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51

SYS-APM001-DEiv

Inhalt

Variationen im Kaltwassersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54Vorrangschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54Wasserkühlmaschinen mit unterschiedlicher Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58Serienschaltung im Gegenstromverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58Anwendungen außerhalb des Durchfluss- und Temperaturbereiches derWasserkühlmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60

Problemfragen zum Kaltwassersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63”Minimum �T-Syndrom” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63Rückschlagventil in der Bypassleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63Fehlerbehebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64Alternative Energiequellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64Alternativplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

Variationen im Kühlwassersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69Konfiguration der Verflüssiger-Durchflussrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69Regelungsmethoden für den Kühlturmventilator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71Plattenwärmetauscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72Brunnen-, Fluss- oder Seewasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72Regelung der Kühlwassertemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72Optionen für die Kühlwasserpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73Nachrüstungsmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75

Schlussfolgerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78

Glossar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79

Bibliographie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85

SYS-APM001-DE v

Inhalt

AbbildungenAbbildung 1 Typische Wasserkühlmaschine mit Verdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2Abbildung 2 Leistungsregelung mittels Ventilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6Abbildung 3 Ungeregelter Wärmetauscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7Abbildung 4 Vereinfachte Darstellung eines Verteilungssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9Abbildung 5 Leistung des Kaltwassersystems bei Teillast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19Abbildung 6 Jährliche Systembetriebskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23Abbildung 7 Vergleich des Systemenergieverbrauchs (keine Rohrleitung) . . . . . . . . . . . . . . . .25Abbildung 8 Parallel geschaltete Wasserkühlmaschinen mit einer gemeinsam genutzten

Pumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27Abbildung 9 Parallel geschaltete Wasserkühlmaschinen mit separaten Pumpen . . . . . . . . . .28Abbildung 10 Kühlmaschinen in Serienschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29Abbildung 11 Entkoppeltes System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31Abbildung 12 Kaltwasser-Produktionskreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33Abbildung 13 Kaltwasser-Verteilungskreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34Abbildung 14 Pumpenanordnung “Campus” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36Abbildung 15 Pumpenanordnung in Tertiär-Kreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37Abbildung 16 Entkoppelte Systemversorgung über T-Stück . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37Abbildung 17 Temperaturerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38Abbildung 18 System mit primärseitig variablem Volumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40Abbildung 19 Zweiseitig entkoppeltes System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53Abbildung 20 Parallelschaltung mit Vorrangschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55Abbildung 21 Vorrangschaltung bei zusätzlicher verbraucherseitiger Wasserkühlmaschine 56Abbildung 22 Plattenwärmetauscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57Abbildung 23 Serienschaltung im Gegenstromverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59Abbildung 23a Konzept der gleichmäßigen Temperaturanhebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59Abbildung 24 Abweichende Durchflussrate der Kälteanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60Abbildung 25 Abweichende Kaltwassertemperatur der Kälteanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61Abbildung 26 Präzise Temperaturregelung bei mehreren Wasserkühlmaschinen . . . . . . . . . .62Abbildung 27 Fehlerbehebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64Abbildung 28 Leitungsanschluss der Kühlwasserpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69Abbildung 29 Optimierung der Leistungsaufnahme von

Wasserkühlmaschine und Kühlturm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73Abbildung 30 Entkoppeltes Kühlwassersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74Abbildung 31 Auswahl eines Kühlturms mit anderen Wasserkühlmaschinenleistungen . . . .76

SYS-APM001-DEvi

TabellenTabelle 1 Empfohlene Überwachungspunkte für Wasserkühlmaschinen nach

ASHRAE Richtlinie 3-1996 ...........................................................................11Tabelle 2 Standard-Auslegungsbedingungen für Absorptions-

Wasserkühlmaschinen.................................................................................15Tabelle 3 Standard-Auslegungsbedingungen für Kaltwassersysteme ................16Tabelle 4 Kaltwasserpumpe, niedrige Durchflussrate.............................................17Tabelle 5 Kühlturm, niedrige Durchflussrate.............................................................17Tabelle 6 Kühlwasserpumpe, niedrige Durchflussrate............................................17Tabelle 7 Gesamt-Leistungsaufnahme des Systems...............................................18Tabelle 8 Einfluss der herabgesetzten Wassertemperatur......................................20Tabelle 9 Nachträgliche Leistungssteigerung...........................................................21Tabelle 10 Auswirkungen bei reduziertem Durchfluss..............................................24Tabelle 11 Beispiele für Schwankungen der Durchflussmenge ..............................44

Inhalt

SYS-APM001-DE 1

Allgemeine Hinweise

Viele Gebäudeeigentümer suchen Lösungen, durch die sie in ihren Geschäfts-beziehungen eine verbesserte Qualität bei erhöhter Wettbewerbsfähigkeit undRendite anbieten können. Systemplaner im Bereich der Heizungs- und Klima-anlagentechnik (HVAC) raten Gebäudeeigentümern oft zur Verwendung vonKaltwassersystemen für die Bereitstellung hochqualitativer, kosteneffizienterKlimaanlagen. Mit dem Aufkommen flexiblerer Kühlmaschinen, Steuerungenauf Systemebene und Software-Analysetools hat die Anzahl an Kaltwasser-systemoptionen stark zugenommen.

SYS-APM001-DE2

Grundlagen derKaltwasseranlagen

Kaltwasseranlagen bestehen aus folgenden Funktionseinheiten:

• Wasserkühlmaschinen zur Kaltwassererzeugung

• Wärmetauscher zur Abführung der Wärme (Kühllast) an den Verbraucherstellen

• Kaltwasserpumpen und -rohrleitungssysteme, die das Kaltwasser zu den vorhererwähnten Verbraucherstellen bringen

• Kühlwasserpumpen, Rohrleitungssysteme und Kühltürme, die die Wärme andie Umgebungsluft abgeben (bei wassergekühlten Wasserkühlmaschinen)

• Regelungssysteme zur Steuerung der mechanischen Bauteile zu einemfunktionierenden System

Wasserkühlmaschine

Wasserkühlmaschinen sind in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich: In denmeisten Fällen handelt es sich um Absorptions- oderVerdichtungskältemaschinen, letztere mit Turbo-, Schrauben- oderScrollverdichtern. Ferner sind auch einige ältere Bauarten mitHubkolbenverdichtern erhältlich. Die Rückkühlung bei Wasserkühlmaschinenkann entweder mittels Luft oder Wasser erfolgen (luft- oder wassergekühlt). Diewichtigsten Bauteile von Wasserkühlmaschinen sind: Verdampfer, Verdichter,Verflüssiger und Expansionseinrichtung(en). Das vorliegende Handbuchbehandelt die Wirkungsweise von Verdampfer und Verflüssiger einer Wasserkühl-maschine und die Auswirkungen auf die Kaltwasseranlage.

Abbildung 1 — Typische Wasserkühlmaschine mit Verdichter

Verdichter

Verflüssiger

Verdampfer

SYS-APM001-DE 3


Verdampfer

Der Verdampferteil einer Wasserkühlmaschine besteht aus einem Rohrbündel-wärmetauscher (Kältemittel an Wasser). Je nach Bauart der Wasserkühlmaschinefließt entweder Kältemittel oder Wasser durch die Rohre.

• In einem überfluteten Rohrbündelverdampfer wird das kalte, flüssige Kältemittelbei niedrigem Druck über ein Verteilsystem im Mantel des Wärmetauschersgleichmäßig über die Rohre gesprüht. Die Temperaturdifferenz zwischen demWasser in den Rohren und dem versprühten Kältemittel lässt das Kältemittel beiannähernd gleichem Druck verdampfen. Dieser Vorgang ermöglicht die Abfuhrvon Wärme vom Wasser an das Kältemittel.

• Bei einem Verdampfer mit Direkteinspritzung ist der Mantelraum vom Wasserdurchflossen, das kalte, flüssige Kältemittel durchströmt die Rohre beiniedrigem Druck.

In jeder Auslegung ist die Temperaturdifferenz zwischen dem abgekühlten Wasseram Austritt aus dem Verdampfer und der Kältemitteltemperatur ein Maß für denWirkungsgrad des Verdampfers.

Einfluss der KaltwassertemperaturDie Reduzierung der Kaltwasseraustrittstemperatur erfordert auch die Reduzie-rung des Druckes und der Temperatur des Kältemittels. Analog dazu müssen beieiner Erhöhung der Kaltwasseraustrittstemperatur auch Druck und Temperaturdes Kältemittels erhöht werden. Ändert sich die Kaltwasseraustrittstemperatur,muss sich auch die Verdichterleistungsaufnahme ändern. Die Anhebung derLeistungsaufnahme bei einer Änderung der Kaltwasseraustrittstemperatur beträgt1,8 Prozent bis 4,0 Prozent pro Grad Celsius (je nach Maschinenkonfiguration). Esist jedoch stets der Energieverbrauch des gesamten Systems zu berücksichtigen,nicht nur der Kühlmaschine. Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch dieTatsache, dass eine Reduzierung der Kaltwasseraustrittstemperatur zwar zu einererhöhten Leistungsaufnahme an der Wasserkühlmaschine führt, dieLeistungsaufnahme an der Pumpe jedoch begünstigt wird, da weniger Wasserdurch das System gepumpt werden muss. Wechselwirkungen innerhalb desSystems werden im nächsten Abschnitt, Kaltwassersystem - Optionen,detaillierter behandelt.

Einfluss des KaltwasserstromsDa der Verdampfer ein Wärmetauscher ist, wird seine Wirkweise von der Durch-flussrate des Wassers beeinflusst. Eine überhöhte Durchflussrate und damit einehohe Fließgeschwindigkeit des Wassers führt zu Materialabtragungen,Vibrationen oder Geräuschentwicklung. Eine zu niedrige Durchflussrate verringertden Wirkungsgrad des Wärmetauschers und somit die Leistung derWasserkühlmaschine. Einige Systemplaner befürchten, dass eine niedrigeDurchflussraten zur Verschmutzung des Systems führt. Im Allgemeinen sind dieseBedenken unbegründet, da der Kaltwasserkreis ein geschlossenes System ist,wodurch die Wahrscheinlichkeit der Verschmutzung durch Fremdmaterialverringert wird (vgl. hierzu Webb and Li3). Die Kaltwasserdurchflussmenge derWasserkühlmaschine muss zwischen einem bestimmten Mindest- undHöchstwert liegen. Diese Werte sind beim Hersteller zu erfragen.

SYS-APM001-DE4


Die Regelung von Wasserkühlmaschinen erlaubt während des Betriebs in vielenFällen nur eine geringe Abweichung der Durchflussrate (Variation der Wasser-menge) vom Auslegungswert.2 Neuere und weiterentwickelte Maschinenrege-lungen lassen die Abweichung der Durchflussrate in begrenztem Maße zu.Während bei einigen Wasserkühlmaschinen eine Änderung der Durchflussrateum 30 Prozent oder mehr pro Minute möglich ist, erlauben andereMaschinentypen nur eine Änderung von maximal 2 Prozent pro Minute. Dahermüssen die Möglichkeiten zur Anpassung der Wasserkühlmaschinenregelungden Systemanforderungen entsprechen. Vor dem Ändern der Durchflussmengeim Verdampfer ist der Hersteller zu kontaktieren, um die zulässige Durchflussratezu bestimmen. Nähere Angaben zur Änderung der Durchflussrate finden Sie imAbschnitt Systeme mit primärseitig variablem Volumenstrom.

Wassergekühlter VerflüssigerBei der Kühlung eines Gebäudes oder auch bei der Prozesskühlung ist die durchdie Kältemaschine entzogene Wärme letztendlich irgendwo abzuführen. Die abzu-führende Wärme ist die Summe der Kühlleistung und der Verdichterarbeitsleis-tung unter Berücksichtigung des Motorwirkungsgrades. In einer Kältemaschinehermetischer Bauart, bei der Motor und Verdichter in einem Gehäuse unterge-bracht sind, wird die gesamte Energie über den Verflüssiger abgeführt. Bei einerKältemaschine offener Bauart, bei der Motor und Verdichter getrennt angeordnetund mit einer Welle verbunden sind, wird die Motorwärme direkt an die Umge-bungsluft abgegeben. Die Wärme aus Verdampferleistung und Verdichterarbeits-leistung wird über den Verflüssiger abgegeben. Die Motorwärme muss von derKlimaanlage abgeführt werden.

Einfluss der Kühlwassertemperatur Steigt bei einer Wasserkühlmaschine die Kühlwasseraustrittstemperatur an, müs-sen auch Druck und Temperatur des Kältemittels ansteigen. Umgekehrt werdenbei sinkender Kühlwasseraustrittstemperatur auch Druck und Temperatur desKältemittels sinken. Ändern sich Druck und Temperatur des Kältemittels, wird sichdie Verdichterleistung wie auch die elektrische Leistungsaufnahme ändern. DieÄnderung der Kühlwasseraustrittstemperatur kann den Stromverbrauch um 1,8 Prozent bis 4,0 Prozent pro Grad Celsius erhöhen bzw. verringern. Es ist je-doch stets der Energieverbrauch des gesamten Systems zu betrachten, nicht nurder Wasserkühlmaschine. Es ist zu beachten, dass eine Erhöhung der Kühlwasser-austrittstemperatur sich negativ auf die Wasserkühlmaschine auswirkt, währendPumpen und Kühlturm aufgrund reduzierter Durchflussraten und höherer Tempe-raturdifferenz zur Umgebungsluft davon profitieren. Die Wechselwirkungen inner-halb des Systems werden detailliert in Abschnitt Variationen im Kühlwasser-system behandelt.

Einfluss des KühlwasserstromsDa der Verflüssiger ein Wärmetauscher ist, hat die Durchflussrate des WassersEinfluss auf dessen Wirkungsweise. Ein erhöhter Durchfluss und somit eineerhöhte Fließgeschwindigkeit des Wassers führt zu Materialabtragungen, Vibra-tionen oder Geräuschentwicklung, während ein unzureichender Durchfluss denWirkungsgrad des Wärmetauschers beeinträchtigt und somit die Leistung derWasserkühlmaschine reduziert. Aus diesem Grund muss der Durchfluss desKühlwassers in der Wasserkühlmaschine stets innerhalb bestimmter Grenzwerteliegen – mit Ausnahme des zeitlich begrenzten Anfahrzustandes. Über dieGrenzwerte gibt der Hersteller Auskunft. Einige Wasserkühlmaschinen könnenauch bei Unterschreitung der ausgewählten Durchflussraten weiterbetriebenwerden.

SYS-APM001-DE 5


Ist die Fließgeschwindigkeit des Wassers durch die Verflüssigerrohre über einenlängeren Zeitraum zu niedrig und das Wasser extrem hart, kann es langfristig zueiner erhöhten Verschmutzung der Rohre kommen. Webb and Li3 haben eineReihe von “internally-enhanced” Verflüssigerrohren bei niedriger Fließgeschwin-digkeit des Wassers (1,07 m/s) und großer Wasserhärte getestet. Obwohl beieinigen dieser Rohre Verschmutzung auftrat, zogen sie aus langfristiger Sichtfolgende Schlussfolgerungen:

Da in unserer Testreihe sehr hartes Wasser verwendet wurde und die Fließge-schwindigkeit des Wassers gering war, sind wir der Ansicht, dass die aufgetre-tene Verschmutzung für übliche Anlagen nicht typisch ist. Bei sachgemäßerWartung der Anlage und regelmäßiger Kontrolle der Wasserqualität eignen sichwahrscheinlich alle der getesteten Rohre für Langzeitanwendungen.

Wichtig ist dabei zu beachten, dass eine Wasserkühlmaschine, die für eine niedri-ge Durchflussrate ausgelegt wurde (wie im nächsten Abschnitt erläutert), nichtnotwendigerweise eine niedrige Fließgeschwindigkeit in ihren Rohren aufweist.Ist die Verschmutzung der Rohre ein größeres Problem, ist die Verwendungglatter Verflüssigerrohre aufgrund der einfacheren Reinigung den “internally-enhanced” Rohren vorzuziehen.

Luftgekühlter VerflüssigerBei luftgekühlten Wasserkühlmaschinen wird die Abwärme nicht über ein Kühl-wassersystem abgeführt, sondern mittels eines Lamellenrohr-Wärmetauschersdirekt an die Umgebungsluft abgeben. Bei kompakten luftgekühlten Wasserkühl-maschinen versuchen die Hersteller, durch die Anzahl und Regelung der Verflüs-sigerventilatoren bei der vorgegebenen Auslegungstemperatur eine optimaleMaschinenleistung zu erreichen.

Kühllast

In der Klimatechnik wird in der Regel die Gebäudekühllast über Lüftungsgeräteabgeführt, die mit Rohrlamellen-Wärmetauschern für die Wärmeübertragung derzu kühlenden Raumluft auf zirkulierendes Kaltwasser ausgestattet sind. Die Luftwird beim Durchströmen des Wärmetauschers abgekühlt und entfeuchtet. Derpsychometrische Prozess (gleichzeitige Kühlung und Entfeuchtung) wird wesent-lich durch die Wahl des Wärmetauschers bestimmt: Bautiefe, Lamellenabstandund Durchströmgeschwindigkeit. Die Auswahl des richtigen Wärmetauschers hatsomit eine große Bedeutung für eine optimale Anlagenbestimmung.

SYS-APM001-DE6


In der Prozesskühlung wird in vielen Fällen die Abwärme direkt aus dem Prozessabgeführt, wie zum Beispiel im Kühlkreislauf einer Spritzgussmaschine. Für dieRegelung der Wärmeübertragung gibt es verschiedene Möglichkeiten:

• 3-Wege-Ventile

• 2-Wege-Ventile

• Pumpen mit variablem Durchfluss

• Ungeregelte Wärmetauscher

Leistungsregelung mittels 3-Wege-VentilHierbei wird der dem Wärmetauscher zugeführte Wassermassenstrom abhängigvon der geforderten Leistung geregelt. Ein Parallelstrom, der den Wärmetauscherumgeht, stellt sicher, dass der Wassermassenstrom im System konstant ist. Dieshat natürlich zur Folge, dass im Teillastbetrieb sich die Temperaturspreizung(Kaltwassereintritt zu -austritt) reduziert. In diesem Zusammenhang weisen wirauf das “Minimum T-Syndrom” hin. Nähere Erläuterungen hierzu in AbschnittFehler in Kaltwassersystemen. 3-Wege-Ventile kommen in denunterschiedlichsten Anlagensystemen zur Anwendung.

Abbildung 2 – Leistungsregelung mittels Ventilen

3-Wege-Ventil 2-Wege-Ventil

Gekühlte Luft Gekühlte Luft

Leistungsregelung mittels 2-Wege-VentilIm Prinzip hat ein 2-Wege-Ventil am Wärmetauscher die gleichen wasserstrom-regulierenden Funktionen wie das 3-Wege-Ventil. Für den Wärmetauscher gibt essomit keinen Unterschied. Allerdings besteht für das Kaltwassersystem ein we-sentlicher Unterschied. Im Fall des 2-Wege-Ventils wird die Wassermengevariabel. Es erfolgt kein Bypass des Wassers. Folglich ist eine Anlage mit 2-Wege-Ventilen eine mit variablem Wassermassenstrom. DieKaltwasseraustrittstemperatur aus dem Wärmetauscher wird nicht durch Bypass-Wasser wieder abgesenkt. Bei Teillastbetrieb ist daher dieWasserrücklauftemperatur im System höher als bei einer Anlage mit 3-Wege-Ventil.

SYS-APM001-DE 7


Leistungsregelung mittels Pumpen mit variablem DurchflussBei Verwendung einer Pumpe pro Wärmetauscher/Verbraucher lässt sich dieDurchflussmenge über eine Drehzahlanpassung der Pumpe regeln. Bei diesenSystemen entfallen die Ventile an den Wärmetauschern. Dies reduziert die Anla-genkosten, da sowohl die Kosten für die Ventile als auch die entsprechendenInstallationskosten wegfallen.

Ungeregelte WärmetauscherAbbildung 3 zeigt eine Regelmöglichkeit durch Verwendung eines ungeregeltenoder “wilden” Wärmetauschers. Hierbei wird die Menge der zu kühlenden Luft,die den Wärmetauscher durchströmt, über Frontal- und Bypassklappen geregelt.Somit wird nicht die gesamte zu kühlende Luftmenge dem Wärmetauscher zuge-führt. Vorteile dieses Systems sind der Wegfall von Regelventilen und eineverbesserte Entfeuchtung bei Teillast. Ein Nachteil ist, dass derWassermassenstrom konstant bleibt und somit keine Reduzierung derPumpenleistung möglich ist. Allerdings arbeitet dieses System bei sehr geringerWasserdruckdifferenz wirtschaftlich.

Abbildung 3 – Ungeregelter Wärmetauscher

Bypass-Klappe

RLT-Anlage

Gekühlte Mischluft

Frontalklappe

Kaltwasserverteilungssystem

Das Kaltwasser zirkuliert in einem Rohrleitungssystem, dessen Rohrleitungen inder Regel aus Stahl, Kupfer oder Kunststoff bestehen. Sie verbinden die Wasser-kühlmaschine mit den Verbrauchern (Kühlstellen). Die Auslegung erfolgt unterBerücksichtigung der variablen Parameter: Druckverlust, Wassergeschwindigkeit,Kosten des Systems. Die Umwälzung des Wassers als auch die notwendigeDruckerhöhung wird durch eine Kaltwasserpumpe erbracht.

SYS-APM001-DE8


KaltwasserpumpeDie Kaltwasserpumpe hat die Aufgabe, das Kaltwasser im Systemkreislauf umzu-wälzen. Die Pumpe muss dazu die Reibungsdruckverluste überwinden, die durchdie Leitungen, Wärmetauscher und Wasserkühlmaschinen entstehen, sowie dieDruckdifferenz an offenen Regelventilen im System. Da die Pumpe mit statischemSystemdruck arbeitet, muss sie den statischen Druck nicht überwinden. Beispiel:Bei einem Hochhaus mit vierzig Stockwerken, muss die Pumpe den durch dieHöhe der Stockwerke bedingten statischen Druck nicht überwinden.

Üblicherweise ist die Pumpe der Wasserkühlmaschine vorgeschaltet. Unterfolgenden Bedingung kann die Pumpe auch an einer anderen Stelle installiertwerden:

• Wenn der saugseitige Druck höher ist als der atmosphärische Druck und diePumpe gemäß ihrer Pumpenkennlinie korrekt arbeiten kann.

• Wenn die Pumpe bei kritischen Systembauteilen (in der Regel die Wasserkühl-maschine) einen dynamischen Druck aufweist, der eine korrekte Durchströmungdes Bauteils sicherstellt.

• Wenn die Pumpe den Gesamtdruck (statischer plus dynamischer Druck) anSystemkomponenten wie dem Verdampfer, den Ventilen usw. in der Wasser-kühlmaschine bereitstellt.

Dabei ist zu beachten, dass die Pumpenwärme ins Umwälzwasser gelangt undvon der Wasserkühlmaschine als zusätzliche Wärmemenge abgeführt werdenmuss. Die Pumpenwärme bewirkt in der Regel jedoch nur einen geringenTemperaturanstieg im Wasserkreislauf.

Mehrfachpumpen sind aus Redundanzgründen oft zweckmäßig. Die Kaltwasser-pumpen können, je nach Regelvariante an den Verbrauchsstellen/Wärmetau-schern und der Systemkonfiguration, für konstante oder für variable Durchfluss-mengen ausgelegt sein.

SYS-APM001-DE 9


VerteilerleitungenDas Rohrleitungssystem ist einfach konzipiert: Abbildung 4 zeigt eine vereinfachteDarstellung des Verteilungssystems aus parallel angeordneten Wärmetauschern,wobei der Durchfluss im jeweiligen Wärmetauscher über ein Thermostat geregeltwird. Die Ventile können als 3-Wege-Ventile oder als 2-Wege-Ventile ausgeführtsein. Wie bereits erwähnt, benötigen 3-Wege-Ventile einen konstanten Wasser-strom, während 2-Wege-Ventile den Wasserstrom im System variieren. Bei variie-rendem Durchfluss kann die Pumpe entweder gemäß ihrer Kennlinie dem Durch-fluss und Druckabfall angepasst werden, oder die Anpassung an den jeweiligenSystemzustand erfolgt mittels drehzahlgeregelter Pumpe. Näheres zu Verteilungs-systemoptionen siehe Abschnitt Systemkonfigurationen.

Abbildung 4 —Vereinfachte Darstellung eines Verteilungssystems

Ausdehnungsbehälter

Verteilerleitungen

Pumpe

Wasserkühlmaschine

Verbrauchsstellen/Kühlstellen

Das Verteilungssystem kann weitere Bauteile wie einen Ausdehnungsbehälter,Steuer-, Ausgleichs- und Rückschlagventile sowie einen Luftabscheider umfassen,um nur einige zu nennen. Die Dichte und folglich auch das Volumen des Wassersin einem “geschlossenen” Kaltwasserverteilungssystem ändern sich mit deneinwirkenden Temperaturänderungen. Der Ausdehnungsbehälter gleicht dieseVolumenänderungen aufgrund der Expansion und Kontraktion des Wassers aus.

Zusätzliches Referenzmaterial zu denBauteilen eines Kaltwasserverteilungs-systems finden Sie in: 2000 ASHRAE HVACSystems and Equipment Handbook, Kapitel12, Hydronic Heating and Cooling SystemDesign1.

SYS-APM001-DE10


Kühlwassersystem

Wie bei Kaltwasserverteilungssystemen sind die Rohre im Kühlwasserleitungs-system in der Regel aus Stahl, Kupfer oder Kunststoff ausgeführt. Die Dimensio-nierung des Systems erfolgt unter Berücksichtigung der Parameter für den Be-triebsdruck, den Druckverlust, der Wassergeschwindigkeit und den Konstruktions-kosten. Der Druckabfall in den Leitungen und dem Verflüssiger der Kühlanlageplus der statischen Höhe bis zum Kühlturm wird durch die Verwendung einerKühlwasserpumpe aufgebracht.

KühlturmFür die Wärmeabfuhr wird das Wasser durch einen Kühlturm geleitet. Hier ver-dampft bereits ein Teil und kühlt so das restliche Wasser. Die jeweilige Kühlturm-leistung bezüglich der Wärmeübertragung hängt von der Wasserdurchflussrate,der Wassertemperatur und der Umgebungs-Feuchtkugeltemperatur ab. Die Tem-peraturdifferenz zwischen Wasserein- und austritt am Kühlturm ist der zulässigeBereich. Die Temperaturdifferenz zwischen der Wasseraustrittstemperatur und derEintritts-Feuchtkugeltemperatur ist die Annäherungstemperatur.

Verhalten im TeillastbetriebMit abnehmender Gebäudelast bzw. abnehmender Gesamtwärmeabfuhr (Kühl-leistung) nehmen auch der zulässige Bereich und die Annäherungstemperatur ab.Wird das Gebäude bei Teillast gefahren, kann daher der Kühlturm kühleresWasser bei gleicher Feuchtkugeltemperatur bereitstellen.

Einfluss der UmgebungstemperaturFällt die Umgebungs-Feuchtkugeltemperatur, nimmt die Annäherungstemperaturbei konstanter Kühllast zu. Bei der Konzipierung der Regelstrategie für Kühlturm-syteme ist dies zu berücksichtigen. Nähere Beschreibungen dieser Zustände ent-hält der Abschnitt Energiegleichgewicht zwischen Kühlmaschine und Kühlturmgegeben. Für weitere Informationen siehe 2000 ASHRAE HVAC Systems andEquipment Handbook, Kapitel 36, “Cooling Towers.” (Kühltürme).1

SYS-APM001-DE 11


Regelungen

Die Kaltwasservorlauftemperatur wird im Normalfall über die Wasserkühlmaschi-ne geregelt. Die Kaltwasservorlauftemperatur (bzw. Abweichung und zeitlicherVorlauf) wird als Regelgröße benutzt, um die Leistungssteuerung der Wasserkühl-maschine zu ermöglichen und somit die Leistung der Wasserkühlmaschine derKühllast des Systems anzupassen. Die Kaltwasserregelstrategie kommt sowohlbei Systemen mit variablem als auch konstantem Wasserdurchfluss zum Einsatz.Wie bereits erwähnt, erfolgt die Regelung der Wassermenge über denVerbraucher mittels 3-Wege- bzw. 2-Wege-Ventile oder über separate Pumpen fürjeden Wärmetauscher.

Als Regelsystem kommen verschiedene Möglichkeiten in Betracht: Von träge an-sprechenden pneumatischen Regelungen über elektromechanische Regelungenbis hin zu Digitalregelungssystemen, die für eine optimierte Leistungentsprechenden Algorithmen folgt.

WasserkühlmaschinenregelungZeitgemäße Regelungen verfügen über mehr Funktionen als das reine Ein- undAusschalten der Wasserkühlmaschine. Als Mindestvoraussetzung müssen dieseRegelungen folgende Bereiche überwachen:

• Sicherheits-Datenpunkte wie Lagertemperaturen und elektrische Werte, dieeinen Ausfall des Motors bewirken können, wenn sie sich außerhalb deszulässigen Bereichs befinden.

• Datenpunkte, die zu Systemstörungen führen können, wenn keine Maßnahmenzur Fehlerbehebung ergriffen werden. Bei einer zu niedrigen Kaltwasser- oderKältemitteltemperatur kann es zum Beispiel zu einem Einfrieren in den oder umdie Verdampferrohre kommen.

• Allgemeine Punkte, deren Aufzeichnung für eine korrekteWasserkühlmaschinenleistung täglich überwacht werden müssen.

In Tabelle 1 sind die von ASHRAE empfohlenen Überwachungspunkte aufgelistet.

Tabelle 1 – Empfohlene Überwachungspunkte für Wasserkühlmaschinen nach ASHRAERichtlinie 3-1996

Kaltwasser Durchflussrate Kühlwasser DurchflussrateDifferenzdruck über Verdampfer Differenzdruck über VerflüssigerKaltwasservorlauftemperatur KühlwassereintrittstemperaturKaltwasserrücklauftemperatur KühlwasseraustrittstemperaturAustrittstemperatur Austrittstemperatur

Verdampfer Annäherungstemperatur Verflüssiger AnnäherungstemperaturKältemitteldruck KältemitteldruckKältemitteltemperatur Kältemitteltemperatur

Öl Stand Kältemittel StandDruck VerdichterauslasstemperaturTemperatur Zusätzliche ErfordernisseZusätzliche Erfordernisse Vibrationslevel

SYS-APM001-DE12


Zusätzlich zur Datenüberwachung muss die Regelung der Wasserkühlmaschinedas Betreiberpersonal auf mögliche Störungen aufmerksam machen. Bei Störun-gen im Sicherheitsbereich oder wenn Datenpunkte außerhalb des normalen Be-triebsbereichs vorliegen benötigt das Betreiberpersonal Fehlermeldungen, umangemessen reagieren zu können.

Während dies also eine Grundvoraussetzung ist, sind einige Maschinenregelun-gen werkseitig mit Programmen ausgestattet, die selbständig auf die auftretendenFehlermeldungen reagieren. Nähert sich zum Beispiel die Kaltwassertemperaturdem Gefrierpunkt, wird eine Diagnosemeldung angezeigt. Gleichzeitig passt dieWasserkühlmaschine ihren Betrieb durch Verringerung der Verdichterleistung an,wodurch die Kaltwassertemperatur in den Sicherheitsbereich angehoben wird.

Schließlich müssen Maschinenregelungen in der Lage sein, mit einer Regelungauf Systemebene zu kommunizieren. Viele Aspekte der Systemregelung unter-liegen nicht der direkten Kontrolle der Maschinenregelung, etwa die Kühlwasser-temperatur und die Durchflussmenge durch den Verdampfer und denVerflüssiger. Zur Minimierung der Systemenergiekosten muss dieSystemregelung Wasserkühlmaschine, Pumpe, Kühlturm und Endgeräte-Reglerkoordinieren können. Dies funktioniert nur dann, wenn der Datenaustauschzwischen allen Systemkomponenten und den System-Regelvorrichtungengewährleistet ist.

PumpensteuerungBei Systemen mit konstantem Durchfluss sind die Pumpen entweder ein- oderausgeschaltet. Im eingeschalteten Zustand sorgen sie für einen relativ konstantenDurchfluss. Effektiv ergeben sich aber durch unterschiedlichen SystemdruckabfallSchwankungen der Durchflussrate. Bei einem System mit variablerWassermenge erfolgt die Pumpensteuerung in der Regel so, dass an einembestimmten Punkt im System ein Druck aufrecht erhalten wird. So lässt sich zumBeispiel über einen Antrieb mit variabler Drehzahl die Pumpendrehzahl anheben,wenn der erfasste Druck zu niedrig ist, bzw. die Drehzahl bei zu hohem Druckabsenken. Der Druckpunkt wird so gewählt, dass ein zu hoher Systemdruckminimiert wird, gleichzeitig aber ein adäquater Durchfluss bei allen kritischenLeistungsbereichen gewährleistet ist. Die optimalen Strategien fürPumpenregelungen sind in Abschnitt Rückstellung “kritischer” Ventilebeschrieben.

Verweise1 2000 ASHRAE HVAC Systems and Equipment Handbook, Kapitel 12, HydronicHeating and Cooling System Design, und Kapitel 36, Cooling Towers, AmericanSociety of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Inc.

2 Schwedler, M., PE and Bradley, B.; “An Idea for Chilled-Water Plants Whose TimeHas Come...Variable-Primary-Flow Systems,”Engineers Newsletter, Vol. 28, No.3, The Trane Company, 1999.

3 Webb, R.L. and Li, W.; “Fouling in Enhanced Tubes Using Cooling Tower Water,Part I: Long-Term Fouling Data,” International Journal of Heat and Mass Transfer,2000.

SYS-APM001-DE 13

Kaltwassersystem Optionen

Weitere Informationen siehe ARI Standard550/590-1998, Standard for Water ChillingPackages Using the Vapor CompressionCycle and the ARI Standard 560-1992 undARI Standard 560-1992, Standard forAbsorption Water Chiller and WaterHeating Package. Beide Veröffentlichungenwurden vom Air-Conditioning andRefrigeration Institute (www.ari.org)herausgegeben.

Für Kaltwassersysteme gibt es zahlreiche Auslegungskonzepte, deren Ergebnisaber grundsätzlich von der jeweiligen Durchflussrate, Temperatur, Systemkonfigu-ration und Regelung abhängt. Im folgenden Abschnitt wird der Einfluss derDurchflussrate und der Temperatur auf die Systemauslegung behandelt.

Dabei ist stets zu beachten, dass Temperaturen und Durchflussraten Variablensind. Durch eine bedarfsgerechte Auslegung der Kaltwasseranlage wird dasbenötigte Kaltwasser kostengünstig bereitgestellt.

Die Auslegung von Kaltwassersytemen erfolgt oft unter Zugrundelegung derDurchflussraten und Temperaturen, wie sie in Standardprüfverfahren vom Air-Conditioning and Refrigeration Institute (ARI), ARI 550/590-9981 für Verdichter-Wasserkühlmaschinen und ARI 560-19922 für Absorptions-Wasserkühlmaschinenentwickelt wurden. Diese Bezugsgrößen liefern Anforderungen für die Auslegungund Prüfung von Wasserkühlmaschinen bei unterschiedlichen Auslegungsbedin-gungen. Sie sind allerdings nicht als Vorgaben für korrekte oder optimale Durch-flussraten bzw. Temperaturdifferenzen für bestimmte Systeme gedacht. Da sichdie Wirkungsgrade von Maschinenkomponenten und Kundenanforderungenständig ändern, sind diese Standard-Auslegungsbedingungen selten die optimaleLösung für ein zu realisierendes System. Die Auslegung der Variablen unterliegtgroßen Spielräumen und muss für jede Anwendung individuell entschiedenwerden.

Kaltwasser- und Kühlwassertemperatur

Die Wahl der Kaltwasseraustrittstemperatur und der Kühlwassereintrittstempera-tur kann unabhängig von der jeweiligen Durchflussrate betrachtet werden. Füreine effiziente und flexible Kaltwasseranlage müssen die Kalt- und Kühlwasser-temperatur sowie die Durchflussraten allerdings immer zusammen ausgewähltwerden.

Standard-AuslegungstemperaturenAktuelle Temperaturwerte bei Standard-Auslegungsbedingungen nach ARI 550/5901 und ARI 5602:

• Wasseraustrittstemperatur am Verdampfer: 6,7 °C

• Wassergekühlter Verflüssiger, Wassereintrittstemperatur: 29,4 °C

• Luftgekühlter Verflüssiger, Lufteintritts-Trockenkugeltemperatur: 35,0 °C

Waren diese Temperaturwerte über Jahre hinweg Fixpunkte bei der System-auslegung, verwenden Systemplaner heute unterschiedliche Werte.

ARI 550/590 spiegelt diesen Trend wider, indem für die Kaltwasser- und Kühlwas-sertemperatur vom Standard abweichende Punkte verwendet werden könnenund die Wasserkühlmaschine gemäß Standard geprüft wird.

SYS-APM001-DE14


Einige Wasserkühlmaschinen, die mitausgeklügelten Verdampferkonzeptionenund Steuermethoden ausgestattet sind,können Kaltwasser mit 1,1 °C (ohneFrostschutzmittel) produzieren.

KaltwassertemperaturenGegenwärtig sind Wasserkühlmaschinen für Komfortanwendungen so ausgelegt,dass sich die Kaltwasserzulauftemperatur in einem Bereich von 6,7 °C bis 3,3 °Cund in einigen Fällen bei 1,1 °C bewegt. Gründe für die Absenkung der Kaltwas-sertemperatur:

• Das Systemkonzept passt sich flexibler an größere Temperaturdifferenzen(niedrigere Durchflussraten) an als bei Standardauslegung (vgl. UnterabschnittDurchflussraten auswählen).

• Eine niedrigere Wassertemperatur ermöglicht niedrigere Lufttemperaturen undgeringere Volumenströme. Dies senkt die luftseitigen Installations- und die Be-triebskosten.

• Kälteres Wasser im gleichen Wärmetauscher kann die Entfeuchtung verbessern.

• Kälteres Wasser kann zur Leistungssteigerung eines bestehenden Kaltwasser-verteilungssystems verwendet werden. In einigen Fällen kann dies beträchtlicheAusgaben einsparen, wenn die Leistung großer Klimazentralen, die ihre Kapazi-tätsgrenze erreicht haben, gesteigert werden muss.

Einige Systemplaner zögern, bei der Anlagenauslegung eine niedrigere Kalt-wassertemperatur in Erwägung zu ziehen, da sie folgende Auswirkungenbefürchten:

• Geringerer Wirkungsgrad der Wasserkühlmaschine. Wie bereits erwähnt, mussdie Wasserkühlmaschine für eine niedrigere Kaltwassertemperatur mehr Leis-tung erbringen. Während also einerseits der Energieverbrauch der Wasserkühl-maschine steigt, wird gleichzeitig die Leistungsaufnahme der Pumpen durch dieSenkung der Kaltwasserdurchflussrate verringert. Im Resultat führen diesebeiden Faktoren häufig zu einem niedrigeren Energieverbrauch eines Systems.

• Eine niedrigere Kaltwassertemperatur kann eine verstärkte Isolierung der Rohr-leitungen zur Vermeidung von Kondensation (“Schwitzwasser”) erfordern.Daher müssen die Rohrleitungen entsprechend der Kaltwassertemperaturisoliert sein. Eine niedrigere Wassertemperatur erfordert allerdings nicht immermehr Isolierung.

Kühlwassertemperatur

Moderne Wasserkühlmaschinen können mit gleitender Kühlwassereintritts-temperaturen betrieben werden, die von der Auslegungstemperatur bis zurzulässigen Mindesttemperatur reichen. Bei älteren Bauarten ist der zulässigeBereich für die Kühlwassertemperatur allerdings häufig sehr begrenzt. Diejeweiligen Werte sind beim Hersteller zu erfragen. Die optimale Regelung derKühlwassertemperatur wird in Abschnitt Variationen im Kühlwassersystembehandelt.

SYS-APM001-DE 15


Durchflussrate von Kalt- und Kühlwasser

Mit der Wahl der Durchflussrate von Kalt- und Kühlwasser steht den System-planern eine wichtiges Werkzeug bei der Systemauslegung zur Verfügung. Kellyund Chan5 sowie Schwedler und Nordeen6 fanden heraus, dass reduzierte Durch-flussraten die Installations- und/oder Betriebskosten der Kaltwasseranlage senkenkönnen.

Standardauslegung von DurchflussratenDie aktuellen Durchflussraten bei Standardauslegung betragen nach ARI 550/590:

• Tonne/gpm [0,043 kW/L/s] für Verdampfer

• Tonne/gpm [0,054 kW/L/s] für Verflüssiger

Die Verdampferdurchflussrate entspricht einer Temperaturdifferenz von 5,6 °C. Jenach Verdichterleistung liegt die entsprechende Verflüssigertemperaturdifferenzbei 5,1 °C bis 5,6 °C.

Absorptions-Wasserkühlmaschinen werden anhand von ARI Standard 560-1992,Standard for Absorption Water Chiller and Water Heating Package 2 ausgelegt. DieKaltwasserdurchflussraten sind mit den in ARI 550/590 verwendeten identisch. DieKühlwasserdurchflussraten ändern sich allerdings je nach Auslegung der Absorp-tions-Wasserkühlmaschine. Tabelle 2 zeigt die Standardauslegungsbedingungenfür verschiedene Absorptions-Wasserkühlmaschinen.

Tabelle 2 — Standard-Auslegungsbedingungen für Absorptions-WasserkühlmaschinenKühlwasserdurchflussrate

Absorptions-Wasserkühlmaschine Tonne/gpm kW/L/sEinstufige Bauart 3,60 0,065Zweistufige Bauart Dampf oder Heißwasser 4,00 0,072

Direkt befeuert 4,50 0,081

SYS-APM001-DE16


Auswahl der DurchflussratenSystemplaner können die Standard-Auslegungsbedingungen verwenden, um dievom Hersteller angegebenen Leistungen bei identischen Bedingungen zu ver-gleichen. Allerdings ermöglichen diese Standards die Verwendung beliebigerDurchflussraten und zulässiger Vergleiche unter diesen Bedingungen. Nimmt dieDurchflussrate bei einer bestimmten Kühllast ab, erhöht sich die Temperaturdiffe-renz. Tabelle 3 zeigt ein Kaltwassersystem mit einer Kälteleistung von 1580 kW,sowohl als Grundausführung als auch mit niedriger Durchflussrate.

Tabelle 3 – Standard-Auslegungsbedingungen für KaltwassersystemeKaltwassersystem Grundausführung Niedrige DurchflussrateKaltwasserdurchflussrate, L/s [gpm] 68,1 [1.080] 42,6 [675]Kaltwassertemperatur °C [°F] Eintritt 12,2 [54,0] 13,9 [57,0]

Austritt 6,7 [44,0] 5,0 [41,0]Kühlwasserdurchflussrate, L/s [gpm] 85,2 [1.350] 56,8 [900]Kühlwassertemperatur °C [°F] Eintritt 29,4 [85,0] 29,4 [85,0]

Austritt 34,6 [94,3] 37,3 [99,1]Leistungsaufnahme der Wasserkühlmaschine, kW 256,0 292,0

Bei diesem Beispiel ist zu beachten, dass die Kaltwasseraustrittstemperatur ab-nimmt, während sich die Kühlwasseraustrittstemperatur erhöht. Das bedeutet,dass der Verdichter bei dieser Ausführung mehr Leistung erbringen muss undmehr Energie verbraucht. Wie wirkt sich dies auf den Energieverbrauch desSystems aus? Anhand folgender Annahmen wird der Energieverbrauch desSystems berechnet:

• Druckverlust durch die Kaltwasserleitungen: 239 kPa

• Druckverlust durch die Kühlwasserleitungen: 89,7 kPa

• Auslegungs-Feuchtkugeltemperatur: 25,6 °C

• Wirkungsgrad der Antriebsmotoren für Pumpen und Kühlturm: 93 %

• Pumpen-Wirkungsgrad: 75 %

• Identische Rohrleitungen für Kalt- und Kühlwasserkreisläufe (entweder eineFrage der Auslegung, oder ein Anzeichen für veränderte Durchflussraten ineinem bestehenden System)

Der Druckverlust über die Wasserkühlmaschine ändert sich: Bei gleicher Leitungs-größe nahezu im Quadrat der Durchflussrate. Während dies für gerade Leitungenzutrifft, gilt das exakte Verhältnis für den Druckverlust nicht bei Regelventilen oderAbzweigungen, die variable Kühllasten bedienen.

SYS-APM001-DE 17


Es ist sicherzustellen, dass der tatsächliche Druckabfall im gesamten Systemberechnet wird. Hazen-Williams und Darcy-Weisbach berechnen diese Änderungmit den Exponenten 1,85 bzw. 1,90. Bei den hier genannten Beispielen wird derkonservativere Wert 1,85 verwendet.

DP2/DP1 = (Durchflussrate2)/(Durchflussrate1)1,85

Tabelle 4 – Kaltwasserpumpe, niedrige DurchflussrateGrundausführung Niedrige Durchflussrate

Durchflussrate, L/s [gpm] 68,1 [1.080] 42,6 [675]Systemdruckverlust, kPa 239 100Druckverlust Verdampfer, kPa 88,8 37,7Pumpenleistung, KW [PS] 29,8 [39,9] 7,80 [10,5] Leistungsaufnahme Pumpe, kW 32,0 8,4

Bei niedrigeren Durchflussraten und Wassereintrittstemperaturen kann einanderer Kühlturm gewählt werden.

Tabelle 5 – Kühlturm, niedrige DurchflussrateGrundausf. Niedrige Durchflussrate

Durchflussrate, L/s [gpm] 85,2 [1.350] 56,8 [900]Statischer Druck, kPa 57,1 37,7Leistung Kühlturmventilator, kW [PS] 22,4 [30,0] 14,9 [20,0]Leistungsaufnahme Kühlturmventilator, kW 24,1 16,0

Tabelle 6 – Kühlwasserpumpe, niedrige DurchflussrateGrundausf. Niedrige Durchflussrate

Durchflussrate, L/s [gpm] 85,2 [1.350] 56,8 [900]Systemdruckverlust, kPa 89,7 42,5Verflüssigerbündeldruckabsenkung, kPa 59,5 28,7Anhebung stat. Druck/Kühlturm, kPa 57,1 37,7Pumpenleistung, kW [PS] 23,4 [31,4] 8,2 [11,0]Leistungsaufnahme Pumpe, kW 25,2 8,8

SYS-APM001-DE18

Daraus ergibt sich folgende Gesamt-Leistungsaufnahme des Systems:

Tabelle 7 – Gesamt-Leistungsaufnahme des SystemsLeistungsaufn. der Komponenten (kW) Grundausf. Niedrige DurchflussrateWasserkühlmaschine 256,0 292,0Kaltwasserpumpe 32,0 8,4Kühlwasserpumpe 25,2 8,8Kühlturm 24,1 16,0Gesamt-Leistungsaufnahme des Kaltwassersystems 337,3 325,2

Es zeigt sich, dass die Durchflussraten die Gesamt-Leistungsaufnahme desSystems bei Volllast beeinflussen können. Obwohl die Wasserkühlmaschine beiSystemen mit niedrigeren Durchflussraten mehr Leistung benötigt, überwiegenim Endergebnis die Einsparungen bei Pumpen und Kühlturm. Was geschieht beiTeillast? Abbildung 5 zeigt die Leistung bei Teillast auf der Grundlage folgenderAnnahmen:

• Die Kaltwasserpumpe verfügt über einen Antrieb mit variabler Frequenz/Drehzahl

• Die Leistung der Kühlwasserpumpe bleibt konstant

• Durch die Kühlturmregelung liegt die erzielte Wassertemperatur unter derAuslegungstemperatur

Kaltwassersystem - Optionen

SYS-APM001-DE 19


Abbildung 5 – Leistung des Kaltwassersystems bei Teillast

Grundausführung

Niedrige Durchflussrate

25 % Kühllast 50 % Kühllast 75 % Kühllast Volllast

Während der Nutzen geringerer Durchflussraten für die Wasserkühlmaschine vonihrer Ausführung abhängt (Wasserkühlmaschine mit Turbo-, Schrauben- oderScrollverdichter, Absorptions-Wasserkühlmaschine), können alle Kaltwasser-systeme von der geeigneten Auswahl einer reduzierter Durchflussrate profitieren.

Verhalten des Wärmetauschers bei abnehmender WassereintrittstemperaturWenn ein Wärmetauscher die gleiche fühlbare und latente Kühlleistung erbringensoll, während kälteres Wasser zugeführt wird, reduziert die Regelung die Mengedes durchströmenden Wassers. Da die Wassermenge abnimmt, gleichzeitig aberdie übertragene Wärmemenge konstant bleibt, nimmt die Wasseraustrittstempe-ratur zu. Daher kann durch die Produktion von kälterem Wasser ein System mitgeringer Durchflussrate bei einem bestehenden Gebäude verwendet werden. Beieiner Nachrüstung ist es vorteilhaft, mit Hilfe des Auswahlprogramms desHerstellers einen Wärmetauscher für die neue Kaltwassertemperaturauszuwählen, um eine ausreichende Leistung sicherzustellen.

Sind keine Leistungsangaben vom Hersteller erhältlich, verwenden einige Sys-templaner folgende Näherung: Pro 0,6 °C-1,1 °C Temperaturabnahme desWassers im Wärmetauschereintritt erwärmt sich das Wasser um 0,6 °C und gibtdabei etwa die gleiche sensible Leistung und Gesamtleistung ab.

Beispiel: Die Kaltwassereintrittstemperatur eines Wärmetauschers beträgt 6,7 °C,die Austrittstemperatur 12,2 °C. Wird die Wassereintrittstemperatur auf 5,0 °Creduziert, liegt die Wasseraustrittstemperatur des Wärmetauschers bei etwa13,3 °C-13,9 °C. Tabelle 8 zeigt dies im Detail.

SYS-APM001-DE20


Tabelle 8 – Einfluss der herabgesetzten Wassertemperatur

Ursprüngl. Temperatur°C

Wassertemperatur Eintritt 6,7 1° 5,0 1,5° 5,0Wärmetauscher Austritt 12,2 13,9 13,3

Ein mögliches Problem bei niedriger Wasserzulauftemperatur ist eine ungenaueDurchflussregelung des Ventils im Teillastbereich. Systeme mit niedrigem Durch-fluss müssen mit einem ausreichend dimensionierten Ventil mit großem Regelbe-reich ausgestattet sein. In manchen bestehenden System müssen Ventile ausge-tauscht werden, die für die neuen Durchflussraten nicht geeignet sind, währenddie Wärmetauscher weiterverwendet werden können.

Optionen für Kühltürme in Systemen mit geringemDurchfluss

Kleinerer KühlturmKühltürme können in ihrer Funktionsweise mit Wärmetauschern verglichen wer-den — obwohl hierbei häufig Missverständnisse auftreten. In einem Kühlturmwird die Wärme des eintretenden Wassers an die Umgebungsluft abgegeben.Daher kann für ein System mit geringerer Durchflussrate (im Zuge einer Neuin-stallation oder beim Austauschen eines Kühlturms) ein kleinerer Kühlturm mithöherem Wirkungsgrad gewählt werden. Wie ist das möglich?

Da die Menge der abgegebener Wärme bei Standard-Auslegungsbedingungen inetwa mit der Wärmeabfuhr von Systemen mit geringem Durchfluss überein-stimmt, kann der für die Wärmeabgabe benötigte Bereich geschätzt werden:

Q. = U A1 �T1, wobei A = der Fläche, U = Koeffizient für Wärmeübertragung und �T = Temperaturdifferenz

= U A2 �T2 oder A1 �T1= A2 �T2

Legt man Standard-Auslegungsbedingungen zugrunde, beträgt die Temperatur-differenz zwischen der Kühlturmeintrittstemperatur und der Umgebungs-Feucht-kugeltemperatur für �T1:

�T1 = 34,6 – 25,6 = 9,0 °C;

Bei einer typischen Auslegung mit geringem Durchfluss beträgt �T2:

�T2 = 37,3 – 25,6 = 11,7 °C;

Daraus folgt:

A1 × 16,2 = A2 × 21,1 oder A2 = 0,77 A1

Kaltwasserreduzierung pro 1°Zunahme der

Wasserrücklauftemperatur °C

SYS-APM001-DE 21


Die Wärmeübertragungsleistung in einem Kühlturm lässt sich entweder über dieOberflächengröße oder den Luftstrom bzw. über eine Kombination beider Mög-lichkeiten ändern. Dem Auswahlprogramm des Kühlturmherstellers können diegenaue Größe und die Leistungsaufnahme entnommen werden. In dem Beispielauf Seite 16-18 wurde sowohl die Kühlturmgröße als auch der Luftstrom kleinergewählt (und damit die erforderliche Leistungsaufnahme des Ventilators).

Gleicher Kühlturm, geringere AnnäherungstemperaturEine weitere Möglichkeit besteht darin, den gleichen Kühlturm mit einer geringe-ren Durchflussrate zu betreiben. In einem neuen System ist dies eine Möglichkeit,in bestehenden Systemen oft eine Notwendigkeit. Bei gleicher Kühllast kann derKühlturm eines Systems mit geringerem Durchfluss kälteres Wasser zurückleiten.Das bedeutet, dass die Annäherung des Kühlturms an die Feuchtkugel-Umge-bungstemperatur abnimmt. Im vorhergehenden Beispiel mit einer Leistung von1580 kW läge beim gleichen Kühlturm die Eintrittstemperatur des Kühlwassersbei 28,6 °C, anstatt 29,4 °C bei einem kleineren Kühlturm. Es ist zu beachten, dassdie Eintrittstemperatur für den Kühlturm bei etwa 36,4 °C liegen würde. Ausdiesem Grund wird der Einfluss einer reduzierten Durchflussrate auf denEnergieverbrauch der Wasserkühlmaschine teilweise durch die niedrigereEintrittstemperatur des Verflüssigerwassers aufgehoben.

Gleicher Kühlturm, leistungsfähigere WasserkühlmaschineEine Möglichkeit zur Nachrüstung, von der viele Gebäudeeigentümer profitieren,ist der Einbau einer neuen, leistungsfähigferen Wasserkühlmaschine unter Weiter-verwendung des bestehenden Kühlturms, der Kühlwasserpumpe und den Kühl-wasserleitungen. In vielen Fällen lässt sich so die Leistung des Kaltwassersystemsin einem begrenzten finanziellen Rahmen erweitern. Tabelle 9 zeigt die Ausle-gungsbedingungen beim Ersetzen einer alten Wasserkühlmaschine mit einer Leis-tung von 1.580 kW durch eine neue Maschine mit einer Leistung von 2.370 kW.Dies entspricht einer Leistungssteigerung um 50 Prozent. Ausführlichere Erläute-rungen zu diesem Beispiel finden Sie im nächsten Abschnitt, Systemkonfigura-tionen. Die Auswahl der neuen Wasserkühlmaschine muss anhand dieser neuenBedingungen erfolgen.

Tabelle 9 — Nachträgliche LeistungssteigerungAlte Maschine Neue Maschine

Kälteleistung, kW 1.580 2.370Kühlturm Durchflussrate, l/s 85,2 85,2

Eintrittstemperatur, °C [°F] 34,6 [94,3] 39,4 [103]Austrittstemperatur, °C [°F] 29,4 [85] 31,1 [88]

FK-Umgebungstemperatur, °C 25,6 25,6

SYS-APM001-DE22


Bei der Dimensionierung neuer Systemesind verschiedene Faktoren zu beachten:Bei einem geringeren Rohrleitungsquer-schnitt können kleinere und billigere Ventileverwendet werden, Sonderausführungenentfallen. Allerdings führt die Reduzierungdes Rohrquerschnitts zu erhöhtemDruckabfall. Zwischen Anschaffungs- undBetriebskosten muss ein Gleichgewichtbestehen. Dies kann dieNachrüstungskosten beträchtlichverringern, da die vorhandenenRohrleitungen weiterverwendet werdenkönnen.

KostenfaktorenDurch eine Absenkung der Durchflussrate von Kalt- oder Kühlwasser sind bei denInstallationskosten folgende Einsparungen möglich:

• Kleinere Pumpen, Ventile, Siebe, Verbindungen, elektrische Anschlüsse

• In neuen System reduzierte Rohrgrößen

• In bestehenden Systemen mehr Leistung durch die bestehenden Kaltwasser-rohre

• Reduzierte Kühlturmgröße, Aufstellfläche und Leistungsaufnahme des Venti-lators

Alternativ kann ein kleiner dimensionierter Kühlturm bei niedriger Durchflussrategewählt werden. Eine reduzierte Aufstellfläche kann für den Gebäudeeigentümermehrere Vorteile haben:

• Geringerer Platzbedarf auf Grundstück (oft wichtiger als man denkt)

• Reduzierte Anforderungen an die Gebäudestatik, da sich die Menge anKühlturmwasser reduziert

• Reduzierte Erdarbeit- und Materialkosten im Fall eines großen Gebäudeturmsmit einem betonierten Auffangbecken

• Verbessertes optisches Erscheinungsbild durch geringere Kühlturmhöhe

Zusätzlich zur Einsparung bei den Installationskosten sind auch niedrigere Be-triebskosten für die gesamte Anlage möglich. Aufgrund einer kleineren Pumpeund/oder eines kleineren Kühlturms lassen sich die Betriebskosten für beide Kom-ponenten wesentlich senken, ohne dass sich dies nachteilig auf dieBetriebskosten für die Wasserkühlmaschine auswirkt. Analyseprogramme wieDOE 2.1, TRACE™ oder System Analyzer™ kann zur Bestimmung derJahresbetriebskosten eingesetzt werden. Nordeen und Schwedler6 haben gezeigt,dass die Betriebskosten für Kaltwassersysteme bei Verwendung von Absorptions-Wasserkühlmaschinen ganz wesentlichen Nutzen aus einer reduziertenKühlwasserdurchflussrate ziehen. Abbildung 6 zeigt Betriebskosten, die mit derAnalysesoftware System Analyzer™ errechnet wurden.

SYS-APM001-DE 23


Abbildung 6 — Jährliche Systembetriebskosten

4,5 Tonne/gpm

3,60Tonne/gpm

3,09Tonne/gpm

Kelly und Chan5 vergleichen die Betriebskosten von Kaltwassersystemen vor Ort.Sie stellen zusammenfassend fest:

Es gibt Situation, aus denen sich nur Vorteile ergeben. In den meisten Fällenbringen größere Temperaturunterschiede (�T) und die damit verbundenenniedrigeren Durchflussraten nicht nur eine Ersparnis bei den Installationskosten,sondern in der Regel auch eine Energieersparnis über das Jahr gesehen. Dies giltinsbesondere dann, wenn ein Teil der Erstkosteneinsparungen in effizientereWasserkühlmaschinen investiert wird. Bei Wasserkühlmaschinen mit gleichenAnschaffungskosten liegen die jährlichen Betriebskosten bei niedrigerenDurchflussraten etwa bei denen von Systemen mit “Standarddurchflussraten”,jedoch immer noch bei niedrigeren Erstkosten.

SYS-APM001-DE24


Fehleinschätzungen bei Systemen mit geringererDurchflussrate

Dies sind einige der Fehleinschätzungen bezüglich Systemen mit geringemDurchfluss:

1. Eine niedrige Durchflussrate eignet sich nur für lange Rohrleitungssysteme.

2. Eine niedrige Durchflussrate ist nur für bestimmte Wasserkühlmaschinengeeignet.

3. Eine niedrige Durchflussrate kann nur bei neuen Kaltwassersystemenangewandt werden.

Im Folgenden soll jede dieser drei Fehleinschätzungen erläutert werden:

Fehleinschätzung Nr. 1 — Eine niedrige Durchflussrate eignet sich nur für langeRohrleitungssystemeEine Methode, diese Behauptung zu untersuchen, besteht darin, das vorher-gehende Beispiel anzuwenden, sich jedoch auf die Kühlwasserseite zu konzen-trieren. Wir beginnen mit dem Beispiel der Seiten 16-18. Unter Verwendung dergleichen Wasserkühlmaschine, jedoch mit kleinerem Kühlturm und ohne Druck-verlust durch Kühlwasserrohrleitungen kann die Auswirkung reduzierter Durch-flussraten untersucht werden.

Tabelle 10 — Auswirkungen bei reduziertem DurchflussKühlwasserpumpe Grundausf. Niedrige DurchflussrateDurchflussrate, l/s 85,2 56,8Systemdruckabsenkung, kPa 0 0Druckverlust Verflüssigerrohrbündel, kPa 59,5 28,7Anhebung des statischen Drucks/Kühlturm, kPa 57,1 37,7Pumpenleistung, kW 13,2 5,0 Leistungsaufnahme Ventilator, kW 14,2 5,4

SYS-APM001-DE 25


Die Leistungsaufnahme von Wasserkühlmaschine, Kühlwasserpumpe und Kühl-turmventilator wird in Abbildung 7 dargestellt. Zu beachten ist, dass die Gesamt-Leistungsaufnahme der Kaltwasseranlage nur bei Volllast zunimmt. Wie bereitserwähnt, erfolgt dies ohne jeglichen Druckabfall in den Kühlwasserrohren, Venti-len oder Anschlüssen. Interessant ist dabei die Tatsache, dass die Rentabilitäts-grenze bei Volllast bei etwa 23,9 kPa liegt. Ferner ist zu beachten, dass dieGesamt-Leistungsaufnahme des Systems mit geringem Durchfluss bei allenTeillastbedingungen unter dem des Basissystems liegt. Es ist daher einleuchtend,dass reduzierte Durchflussraten selbst bei kurzen Rohrleitungen denEnergieverbrauch der Anlage verringern.

Fehleinschätzung 2 — Eine niedrige Durchflussrate eignet sich nur für bestimmteWasserkühlmaschinenDemirchian et al.3, Eley4 sowie Schwedler und Nordeen6 haben unabhängig von-einander gezeigt, dass sich der Energieverbrauch des Systems durch reduzierteDurchflussraten herabsetzen lässt. Bemerkenswert ist dabei, dass es sich bei denuntersuchten Systemen um Wasserkühlmaschinen dreier verschiedenerHersteller handelte, die Energieeinsparungen jedoch nur zwischen 2,0 bis 6,5Prozent abweichten. In allen Fällen ließ sich, unabhängig vom Hersteller, derSystemenergieverbrauch senken. Darüber hinaus wiesen Demirchian et al.2 sowieSchwedler und Nordeen6 eine Reduzierung der Anschaffungskosten nach.

Abbildung 7 – Vergleich des Systemenergieverbrauchs (ohne Rohrleitung)

Sys

tem

-Lei

stun

gsau

fnah

me

(kW

h)

3,0 Tonne/gpm

2,0 Tonne/gpm

System-Kühllast

SYS-APM001-DE26


Fehleinschätzung 3 — Eine niedrige Durchflussrate kann nur bei neuenKaltwassersystemen angewandt werdenWie bereits in den Unterabschnitten Verhalten des Wärmetauschers beiabnehmender Wassereintrittstemperatur sowie Optionen für Kühltürme inSystemen mit geringem Durchflussbeschrieben, gibt es für die Verwendungbestehender Infrastrukturen (Pumpen, Rohre, Wärmetauscher und Kühltürme)verschiedene Möglichkeiten, um die verfügbare Kälteleistung zu erweiternund/oder die Energiekosten des Systems durch die Verwendung niedrigererDurchflussraten zu senken.

Nach eingehender Untersuchung ist deutlich geworden, dass es möglich ist,selbst bei kurzen Leitungenswegen bei Systemen mit geringem DurchflussEinsparungen unabhängig vom jeweiligen Hersteller zu erzielen, und dassSysteme mit geringem Durchfluss auch für die Nachrüstung geeignet sind.Systemplaner sollten dabei auch die Vorzüge für den Gebäudeeigentümer imAuge behalten, denn reduzierte Durchflussraten haben oft einen beträchtlichenWertzuwachs zur Folge.

Verweise1 ARI Standard 550/590-1998, Standard for Water Chilling Packages Using theVapor Compression Cycle, Air-Conditioning and Refrigeration Institute.

2 ARI Standard 560-1992, Standard for Absorption Water Chiller and WaterHeating Package, Air-Conditioning and Refrigeration Institute.

3 Demirchian, G.H., PE und Maragareci, M.A., P.: “The benefits of highercondenser-water �T at Logan International Airport central chilled-water plant.”IDEA 88th Annual Conference Proceedings, 1997, S. 291-300.

4 Eley, C.: “Energy analysis–replacement of chillers for buildings 43, 47, and48.”Eley Associates, CA, April 1997.

5 Kelly, D.W. und Chan, T.: “Optimizing chilled-water plants,” Heating/Piping/AirConditioning, Januar 1999, S. 145-7.

6 Schwedler, M., PE, und Nordeen, A.: “Low flow works for absorbers too!”Contracting Business, November 1998, S. 108-112.

SYS-APM001-DE 27

Systemkonfigurationen

Bei konstanter Durchflussrate fließt das Wasser in beiden Wasserkühlmaschinenkontinuierlich, ganz gleich, ob eine Maschine in Betrieb ist oder nicht. Wenn nureine Maschine in Betrieb ist, wirkt sich dies natürlich auf dieKaltwasservorlauftemperatur aus. Die in Abbildung 8 dargestellten Temperaturenzeigen den Anstieg der Kaltwasservorlauftemperatur, wenn eine Maschine beiTeillast abgeschaltet wird. Dies kann eine unzureichende Entfeuchtung oderKälteleistung zur Folge haben.

Alternativ kann die laufende Wasserkühlmaschine rückgesetzt werden, um unterdiesen Bedingungen eine niedrigere Vorlauftemperatur zu erreichen. Auf dieseWeise kann die Wasservorlauftemperatur des gemischten Systems auf einem ak-zeptableren Wert gehalten werden. Dies erschwert die Regelung und kann mög-licherweise zu einem erhöhten Energieverbrauch der Wasserkühlmaschine auf-grund des Bedarfs nach kälterem Wasser führen. Der Wassertemperatur ist nachunten ein Grenzwert gesetzt, der von der Niederdruck-Sicherheitsabschaltung,den unteren Grenzwerten für die Verdampfer-Kältemitteltemperatur oder denunteren Grenzwerten für die Austrittstemperatur des Kaltwassers bestimmt wird.

Kaltwassersysteme mit mehreren Wasserkühlmaschinen sind häufigeranzutreffen als Einzelmaschinen. Die Gründe liegen auf der Hand: So wie diemeisten zivilen Flugzeuge mit mehreren Motoren ausgestattet sind, lohnen sichauch Kaltwassersysteme mit mehreren Wasserkühlmaschinen – ein Mittelwegzwischen Zuverlässigkeit und Kosten. Am häufigsten sind Anlagen mit zweiWasserkühlmaschinen anzutreffen. Da sich die Systemlast über ein breitesSpektrum ändern kann, reicht bei Mehrfachsystemen oft der Betrieb einerMaschine. In diesen Zeiträumen lässt sich bei einer korrekten Systemkonzipierungdie für den Betrieb einer zweiten Wasserkühlmaschine und deren Zusatzgeräteerforderliche Energie einsparen.

Wasserkühlmaschinen in Parallelschaltung

Abbildung 8 zeigt ein System mit zwei parallel geschaltete Wasserkühlmaschinenmit einer Kaltwasserpumpe.

Abbildung 8 – Parallel geschaltete Wasserkühlmaschinen mit einer gemeinsam genutztenPumpe

12,2 °C [54 °F] 12,2 °C [54 °F]

9,4 °C [49 °F]

6,6 °C [44 °F]

KonstanterDurchfluss

Wasserkühlmaschine2 (ausgeschaltet)

Wasserkühlmaschi-ne 1 (eingeschaltet)

SYS-APM001-DE28

Werden separate Pumpen für die Wasserkühlmaschinen verwendet (Abbildung9), kann ein Maschinen-Pumpen-Paar zusammengeschaltet werden. Dies löst dieoben beschriebenen Probleme der Durchflussmischung, bringt aber ein neuesProblem mit sich. Wenn nur eine Pumpe läuft, nimmt die Gesamtwassermenge jenach Kurvenverhältnis von Pumpe und System beträchtlich ab. Alle Verbraucherim System erhalten weniger Wasser, ungeachtet ihres tatsächlichen Bedarfs. Folg-lich kann es zum “Verhungern” einiger Verbraucher kommen, wenn die Kühllastnach wie vor hoch ist, z. B. bei Verbrauchern in Räumen mit konstanter Kühllastoder solchen, die am weitesten von der Pumpe entfernt sind.


Abbildung 9 – Parallel geschaltete Wasserkühlmaschinen mit separaten Pumpen


Wasserkühlmaschine1 (eingeschaltet)

Aus

Ein


Teildurchfluss(“Verhungerte”

Wärmetauscher)

SYS-APM001-DE 29

Wasserkühlmaschinen in Serienschaltung

Bei in Serie geschalteten Wasserkühlmaschinen wie in Abbildung 10 ist dasMischproblem und das der Unterversorgung der Wärmetauscher (wenn eine derPumpen nicht läuft) gelöst. Eine Serienschaltung stellt eine Reihe neuerHerausforderungen bezüglich der Einstellwerte für Temperatur und derDurchflussregelung dar.

Abbildung 10 — Wasserkühlmaschinen in Serienschaltung


Die Durchflussrate durch jede Kühlmaschine entspricht der Durchflussrate durchdas gesamte System, d. h. das Zweifache der einzelnen Durchflussraten vonparallel geschalteten Wasserkühlmaschinen (zwei Maschinen). Dies bedeutet,dass der Verdampfer der Wasserkühlmaschine sich an die doppelteWassermenge anpassen muss. Da sonst alles gleich bleibt, führt dies zu einemgeringeren Wasserdurchfluss und einem verringerten Wirkungsgrad derWasserkühlmaschine. Dieser Verlust wird aber mehr als ausgeglichen durch diehöhere Leistung der vorgeschalteten Wasserkühlmaschine, die bei wärmerenTemperaturen betrieben wird. Bei in Serie geschalteten Wasserkühlmaschinenmüssen die Druckverluste addiert werden. Dies kann zu einem beträchtlichenAnstieg des Druckverlusts im gesamten System führen. Auf der anderen Seitekönnen in Serie geschaltete Wasserkühlmaschinen sehr gut in Systemen mitgeringerem Durchfluss arbeiten, in denen die Temperaturdifferenz größer ist als9 °C, was zu weniger Druckverlust führt. Systeme mit geringerem Durchflusswerden detailliert zu Beginn von Seite 16 behandelt.

12,2 °C [54 °F]

6,6 °C [44 °F]9,4 °C [49 °F]

Wasserkühlmaschine 2Sollwert = 6,6 °C [44 °F]

KühllastWärmetauscher

Wasserkühlmaschine 1Sollwert = 6,6 °C [44 °F]

SYS-APM001-DE30


Die Temperaturregelung kann auf verschiedene Arten erfolgen. Abbildung 10zeigt eine Strategie, bei der der Regler an jeder Wasserkühlmaschine auf denSollwert der Systemauslegung eingestellt ist. Jede Wasserkühlmaschine kanndazu verwendet werden, der Systemanforderung auf bis zu 50 Prozent derSystemlast zu entsprechen. Bei Systemlasten über 50 Prozent wird vorrangig überdie vorgeschaltete Wasserkühlmaschine versucht, die Auslegungs-Wasseraustrittstemperatur zu erreichen. Die verbleibende Kühllast wird von dernachgeschalteten Wasserkühlmaschine abgedeckt.

Bei abgestuften Sollwerten der Wasserkühlmaschinen (vorgeschaltete Maschine9,4 °C; nachgeschaltete Maschine 6,7 °C), wird die nachgeschaltete Kühlmaschinezuerst belastet. Die vorgeschaltete Maschine erbringt den Teil der Systemlast, derdie Kapazität der nachgeschalteten Maschine übersteigt. Dieser Steuermechanis-mus bietet mehrere Vorzüge: Erstens läuft die vorgeschaltete Maschine stets beierhöhter Temperatur, was einen höheren Wirkungsgrad zur Folge hat. Wird fernereine Absorptions-Wasserkühlmaschine vorgeschaltet, so erhöht sich ihreLeistung. Eine Absorptions-Wasserkühlmaschine mit einer Kälteleistung von1.760 kW bei einer Kaltwasseraustrittstemperatur von 6,7 °C, kann bei 10 °CKaltwasseraustrittstemperatur eine Leistung von 2.110 kW liefern. Der Leistungs-und Wirkungsgradunterschied zwischen Kältemaschinen mit Turbo-, Schrauben-,Hubkolben- oder Scrollverdichter ist wesentlich geringer. Bei sinnvollem Einsatzeiner Serienschaltung können diese Vorzüge zu reduzierten Installationskostenund einer erhöhten Brennstoffflexibilität für den Gebäudeeigentümer führen.

Will man die Kühllast gleichmäßig auf zwei Wasserkühlmaschinen verteilen, sokann ein Managementsystem verwendet werden, um den Sollwert der vorge-schalteten Maschine abhängig von den Änderungen der Systemlast zurückzu-setzen.

SYS-APM001-DE 31


Systeme mit Primär-Sekundär-Kreislauf (entkoppelteSysteme)

Die Hauptursache für alle Schwierigkeiten bei der Steuerung von parallel geschal-teten Kühlmaschinen ist das festgelegte Verhältnis zwischen Wasserkühlmaschineund Systemdurchflussraten. Wenn es jedoch möglich ist, die Rohrleitungen fürdie Kaltwasserproduktion (Wasserkühlmaschine) von den Kaltwasserverteilungs-rohren (Verbraucher) zu entkoppeln, kann auch die Steuerung separat erfolgen.Das zuvor genannte festgelegte Verhältnis besteht dann nicht mehr.

Systemgrundlagen

Hydraulische EntkopplungAbbildung 11 zeigt das entkoppelte System im Grundschema. Diese Strategiewird auch Primär-Sekundär-Kreislauf genannt. Bei der Produktion und Verteilungdes Kaltwassers werden separate Pumpen für separate Wasserkreisläufeverwendet. Während dasselbe Wasser zweimal (von verschiedenen Pumpen)gefördert wird, verdoppelt sich die Leistungsaufnahme der Pumpen nicht. Diesliegt daran, dass die Pumpen des Primärkreises nur den Druckverlust auf derProduktionsseite überwinden müssen, während die Pumpen des Sekundärkreisesnur den Druckverlust im Verteilungssystem überwinden müssen.

Abbildung 11 – Entkoppeltes System

Wasserkühlmaschine 1



Bypassleitung

Zulauf

Produktion

Verteilung

SYS-APM001-DE32


Die frei durchgängige Bypassleitung entkoppelt die produktions- und verteilungs-seitigen Pumpen, so dass diese nicht in Serie geschaltet (gekoppelt) sind.

Obwohl die beiden Pumpenkreisläufe unabhängig voneinander arbeiten, habensie doch drei Dinge gemeinsam:

• die Bypassrohrleitung,

• statischer Druck, ohne Durchfluss (aus der Gebäudewassersäule) und

• Wasser.

Änderungen der Durchflussraten oder Drücke aufgrund von Änderungen desdynamischen Drucks oder der Anzahl der laufenden Wasserkühlmaschinen habenkeinen Einfluss auf die Bypassleitung.

Das Ausmaß der Entkopplung hängt allein von der Durchflusseinschränkung(bzw. dem Fehlen derselben) in der Bypassleitung ab. Eine komplette Entkopp-lung erfolgt nur dann, wenn die Bypassleitung keinerlei Druckverlust bei einerbeliebigen Durchflussrate aufweist. Da dies nicht möglich ist, kommt es stets zueiner unbedeutenden Kopplung der Pumpen. Es kommt allein darauf an, dieBypassleitung von unnötigen Durchflussbegrenzungen wie Rückschlagventilenfreizuhalten. Näheres siehe Rückschlagventil in der Bypassleitung.

ProduktionskreislaufEine einzelne Pumpe im Kaltwasser-Produktionskreis (Wasserkühlmaschine) för-dert nur Wasser aus dem T-Stück an der Bypass-Rücklaufseite (Punk A in Abbil-dung 12), durch die Wasserkühlmaschine und in das T-Stück an der Versorgungs-seite der Bypassleitung (Punkt B in Abbildung 12). Dies bedeutet eine relativgeringe Druckdifferenz und erfordert nur geringe Pumpenleistung. Zusätzlich dazuläuft jede einzelne Pumpe nur dann, wenn die entsprechende Wasserkühlmaschi-ne in Betrieb ist.

Die Produktionskreise sind sowohl untereinander als auch vom Verteilungskreisunabhängig. Sie können aus Pumpen-Wasserkühlmaschinen-Paaren bestehen,die wie unabhängige Wasserkühlmaschinen funktionieren. Es sind auch Kombi-nationen aus mehreren Pumpen mit Stufenschaltung und automatischen Zwei-stellungs-Regelventilen möglich, die ebenso wie das Pumpen-Wasserkühlmaschi-nen-Paar funktionieren. Abbildung 12 zeigt letztere Anordnung. Die Temperatur-regelung erfolgt ebenfalls unabhängig. Der mit der Kühlmaschine mitgeliefertekonventionelle Kaltwassertemperaturregler übt diese Funktion aus.

SYS-APM001-DE 33


Alter, Ausführung, Größe oder Hersteller der Wasserkühlmaschinen haben keinenEinfluss. Der Systembetrieb ist allerdings am einfachsten, wenn alle Wasserkühl-maschinen so ausgelegt sind, dass sie mit der gleichen Kaltwasseraustrittstempe-ratur und gleichem Temperaturanstieg (Temperaturdifferenz) der Maschinelaufen.

Interessant ist dabei die Tatsache, dass alle Wasserkühlmaschinen in Betrieb biszum gleichen Prozentsatz ausgelastet sind, wenn sie in einem entkoppelten Sys-tem Kaltwasser mit der gleichen Temperatur produzieren. Unter Umständen willman zu einem bestimmten Zeitpunkt eine bestimmte Auslastung einer Wasser-kühlmaschine haben. Näheres hierzu siehe Variationen im Kaltwassersystem.

Abbildung 12 – Kaltwasser-Produktionskreis

Produktionskreis-Pumpen




Bypassleitung

Vorlauf

Produktion

Verteilung

Rücklauf

AutomatischeAbsperrventile

A B

SYS-APM001-DE34


Das Verteilungssystem ist einfach konzipiert: Abbildung 13 zeigt eine vereinfachteDarstellung des Verteilungssystems mit mehreren Wärmetauschern, deren Durch-fluss jeweils über ein Regelventil reguliert wird. In diesem Fall dürfen keine 3-Wege-Ventile für die Durchflussregelung verwendet werden, da ein konstanterDurchfluss nicht erwünscht ist. Stattdessen kommen 2-Wege-Regelventile zumEinsatz. Wenn die Kühllast den Systemdurchfluss ändert, wäre bei einer Pumpemit konstanter Drehzahl das Verhältnis zwischen Durchflussrate und Druck ver-schoben. Das bedeutet, dass die Pumpe als Reaktion auf die Änderung der ge-wünschten Durchflussrate einen neuen Gleichgewichtspunkt entlang ihrer Be-triebskurve findet. Eine beispielhafte Pumpenkurve ist in Abbildung 13 dargestellt.

Alternativ können mehrere Pumpen oder Pumpen mit variabler Drehzahl verwen-det werden, um, vergleichbar einer Ventilatorsteuerung bei einem System mitvariablen Luftvolumenstrom, den dynamischen Pumpendruck zu begrenzen. Beikorrekter Ausgelegung kann sich die Leistungsaufnahme der Pumpe bei Teillastder theoretischen kubischen Relation zur Durchflussrate annähern und auf dieseWeise den Energieverbrauch wesentlich senken. Die meisten modernen entkop-pelten Systeme sind mit einer Verteilerpumpe mit variabler Drehzahl ausgestattet.

Grundlagen des VerteilungssystemsDas Verteilungssystem nutzt die Fähigkeit zur Anpassung an verschiedene Lastensowie die Tatsache, dass der Systemdurchfluss variabel ist und (in einem korrektfunktionierenden System) die Tatsache, dass die Wasserrücklauftemperaturennahe der vorgegebenen Temperatur gehalten wird. Diese letzte Annahme wirdausführlicher in Abschnitt ”Minimum �T-Syndrom” diskutiert.

VerteilungDie Pumpen des Verteilerkreises födern Wasser aus dem T-Stück auf der Zulauf-seite (Punkt B in Abbildung 12), drücken es durch die gesamten Verteilerrohre zuden Kälteverbrauchern und fördern es zurück zum T-Stück auf der Rücklaufseite(Punkt A in Abbildung 12). Diese Pumpe kann (und muss) für variablen Volumen-strom ausgelegt sein.

Abbildung 13 – Kaltwasser-Verteilungskreis

Bypassleitung

VorlaufRücklauf

Kühllast

Verteilung

Pumpenkurve

Durchfluss

Druck

SYS-APM001-DE 35


Unterschiedliche KühllastenNicht alle Kühllasten erreichen ihren Spitzenwert zum gleichen Zeitpunkt. Daherwird von der Wassermenge, die zu einem beliebigen Zeitpunkt fließt, die“Summe der Spitzenlasten” abgezogen, die in einem Verteilerkreis mitkonstantem Durchfluss erforderlich wäre. Dies bietet die Möglichkeit, die Leistungder Wasserkühlmaschine und der Pumpe sowie die Dimensionierung derRohrleitungen erheblich niedriger auszulegen.

Variabler DurchflussEs wird nur das tatsächlich von den Verbrauchern benötigte Wasser gepumpt. Diemeiste Zeit über bedeutet dies eine wesentlich niedrigere Durchflussrate und einenoch wesentlichere Reduzierung des Energieverbrauchs der Pumpen.

Erhöhte WasserrücklauftemperaturenDa unbenutztes Kaltwasser die Wärmetauscher nicht umfließt, bewirkt dies eineKühlung des Umlaufwassers. Theoretisch wäre damit dieWasserrücklauftemperatur stets mindestens so hoch wie bei Volllast. Praktischgesehen ist dies nicht immer möglich, wird aber in einem korrektfunktionierenden System annähernd erreicht. Tatsächlich liegt bei den meistenTeillastbedingungen die Wasserrücklauftemperatur von korrekt funktionierendenWärmetauschern über der Auslegungstemperatur. In Systemen, die Gegenstrom-Wärmetauscher verwenden, geschieht dies, da das Wasser beim Austritt aus demWärmetauscher versucht, seine Temperatur dem eintretenden Luftstromanzunähern.

Eine hohe Wasserrücklauftemperatur bietet Vorteile bei der Systemplanung. So istbeispielsweise eine Vorrangschaltung der Wasserkühlmaschinen möglich. Einehöhere Temperatur des zurückfließende Wassers ist bei allen Systemenvorteilhaft, insbesondere jedoch bei der Wärmerückgewinnung und freienKühlung. Näheres hierzu siehe Abschnitt Variationen im Kaltwassersystem.

SYS-APM001-DE36

Pumpenanordnung

GemeinsamVerteilungssysteme sind in einer Vielzahl von Anordnungen möglich. Es kann z. B.eine einzige große Pumpenstation, wie in Abbildung 12 dargestellt, verwendetwerden. Diese Station kann aus Einzel- oder Doppelpumpen mit Folgeschaltungbestehen.

CampusAlternativ kann jedes der sekundären Verteilungssysteme parallele verrohrt wer-den. Abbildung 14 zeigt separate Verteilungssysteme für jede der drei Kühlstellen.Diese Anordnung bietet sich für eine mögliche Anlagenerweiterung an, da einfachPumpen des sekundären Verteilerkreises zur bestehenden Anlage hinzukommenkönnen.

Abbildung 14 – Pumpenanordnung “Campus”

Tertiär-KreislaufEin tertiärer Kreislauf stellt eine Erweiterung des Primär-Sekundär-Kreislaufs dar,wenn die Verteilerpumpen des Sekundärkreises ihre Leistungsgrenze erreichen.

Ferner können die Kühlstellen vom Sekundär-Kreislauf entkoppelt werden, washäufig bei Systemen mit hoher Kälteleistung der Fall ist. Abbildung 15 zeigt eineMethode für einen tertiären Kreislauf zu den Verbrauchern. Eine Verbraucher bzw.eine Kühlstelle kann ein ganzes Gebäude oder ein einzelner Wärmetauscher sein.Wenn bei einer oder mehreren Kühlstellen extreme Drücke überwunden werdenmüssen, ist die Variabilität der Verteilerpumpe stark eingeschränkt. Ein tertiärerKreislauf ermöglicht die Verlagerung übermäßiger Pumpenanforderungen aufeinen dritten Pumpenkreislauf. Auf diese Weise wird die Verteilerpumpe vorDruckschwankungen geschützt.

Von besonderer Bedeutung bei der Kühllastregelung ist, dass nur das zur Kühlungbenötigte Wasser aus dem Verteilerkreis entnommen wird. Das Wasser darf erstdann in die Rücklaufleitung fließen, wenn es eine bestimmte Temperatur erreichthat. Die Pumpen eines tertiären Kreislaufs können mit konstantem oder variablemVolumenstrom ausgelegt sein, damit die Kälteverbraucher optimal mit Kaltwasserversorgt werden.

Verteilerpumpendes

Sekundärkreislaufs

SYS-APM001-DE 37

Pumpenanordnung

Abbildung 15 – Pumpenanordnung in Tertiär-Kreislauf

Rückschlagventil

Antrieb mit variabler Drehzahl Druckgeber



Verb

rauc

her

Verb

rauc

her

Regel-ventil

Entkoppeltes System - FunktionsprinzipAm T-Verbindungsstück (Anschluss der Zulauf- und Bypassleitungen) wird dasVerhältnis zwischen Zulauf und Bedarf ausgeglichen. Der Zulauf umfasst dieGesamtdurchflussrate von allen in Betrieb befindlichen Pumpen-Kühlmaschinen-Paaren (vgl. Abb. 16). Der Bedarf ist die im Verteilungssystem erforderliche Durch-flussrate entsprechend der Kühllast. Besteht ein Ungleichgewicht zwischen Zulaufund Bedarf, fließt Wasser in die Bypassleitung bzw. wird daraus entnommen. DieDurchflussmenge kann direkt erfasst oder von der Wassertemperatur in der By-passleitung abgeleitet werden.

Bei unzureichendem Kaltwasserzulauf fließt warmes Wasser von den Verbrau-chern über die Bypass-Seite des T-Stücks in das Verteilungssystem. Das Gemischaus Kaltwasser (Wasserkühlmaschine) und warmem Wasser (Rücklauf) fließt an-schließend in den Verteilerkreis. Dieser Vorgang beeinflusst die Regelung der Kalt-wassertemperatur. Wird der Volumenstrom von der Bypass- in die Zulaufleitung(über T-Stück; siehe Abb. 16) erfasst, kann eine weitere Wasserkühlmaschine mitPumpe zugeschaltet werden. Das vom zugeschalteten Gerätepaar gelieferte zu-sätzliche Kaltwasser gleicht Zulaufmenge und Bedarf (am T-Stück) aus, so dasskein warmes Wasser aus dem Rücklauf mit Kaltwasser gemischt wird. Solange ander Versorgungsseite des T-Stücks kein warmes Wasser mit Kaltwasser gemischtwird, ist keine zusätzliche Maschinenkapazität erforderlich. Wird warmes Wassermit Kaltwasser gemischt, muss je nach zulässiger Menge eine weitere Wasser-kühlmaschine zugeschaltet werden.

Abbildung 16 – Entkoppelte Systemversorgung über T-Stück

Rücklauf

Vorlauf

ProduktionsseiteÜberschüssigesKaltwasser

Bypass

UnzureichendeVersorgung

Verteilungsseite

SYS-APM001-DE38

Pumpenanordnung

In der Regel übersteigt der Kaltwasserzulauf den Bedarf, so dass überschüssiges Kaltwasser zurRücklaufseite des T-Stücks fließt. Zu frühes Abschalten einer Pumpe auf der Produktionsseiteführt zu einer unzureichenden Durchflussmenge in der Bypassleitung, so dass die Pumpewieder eingeschaltet wird. Die erforderliche überschüssige Menge hängt von der Kapazität derWasserkühlmaschine ab, die ausgeschaltet werden soll. Das überschüssige Kaltwasser mussein bestimmtes Volumen überschreiten, bevor eine Wasserkühlmaschine einschließlich Pumpeabgeschaltet werden kann. Nähere Erläuterungen hierzu in Schaltfolge der Wasserkühlmaschi-nen. Sind alle Wasserkühlmaschinen gleich dimensioniert, kann das Signal für überschüssigesKaltwasser konstant sein.

Das Zu- und Abschalten und damit die Anzahl der Wasserkühlmaschinen, die jeweils in Betriebsind, wird einfach durch Feststellen der Durchflussrichtung in der Bypassleitung geregelt. Somithandelt es sich um ein durchflussabhängiges System, im Gegensatz zu einem temperaturab-hängigen System.

Durchflussabhängige Regelung

Um ein System mit Primär-Sekundär-Kreislauf korrekt betreiben zu können, müssen Durchfluss-richtung und Durchflussrate in der Bypassleitung angezeigt werden. Dies kann auf direktemoder indirektem Weg erfolgen. Fließt das Wasser in der Bypassdurchfluss vom Zulauf in Rich-tung Rücklauf, handelt es sich um einen Überschuss. Fließt das Wasser in umgekehrter Rich-tung, spricht man von einem Defizit.

DurchflusserfassungDie direkte Durchflusserfassung in der Bypassleitung kann über mehrere Wege erfolgen. Eineganze Reihe von Messtechniken wurde bisher erfolgreich eingesetzt. Dazu gehören Pitot- undVenturi-Rohr, Messblende, Differenzdruckmessung, Turbinen-, Laufrad- und Wirbeldurchfluss-messer, induktive und Ultraschall-Durchflussaufnehmer. Hinsichtlich Messgenauigkeit, Installa-tionsaufwand und Wartungsfreundlichkeit gibt es wesentliche Unterschiede. Für exakte Messer-gebnisse müssen Durchflussmesser, je nach Ausführung in unterschiedlichen Abständen,regelmäßig kalibriert werden. Werden sensorische Durchflussmesser verwendet, müssen derkorrekte Messbereich und die Kalibieranforderungen unbedingt eingehalten werden. ExakteMessergebnisse hängen vom Zustand und der ordnungsgemäßen Verwendung derMessinstrumente ab. Ferner ist zu beachten, dass viele Durchflussmessgeräte für exakteErgebnisse gerade verlaufende Rohre mit unterschiedlichem Durchmesser erfordern.

TemperaturerfassungDer Mischwasser-Volumenstrom am Austritt der Zulauf- und Rücklauf-T-Stücke (Abbildung 17)kann indirekt zur Bestimmung der Relation zwischen Kaltwasserzulauf und -bedarf verwendetwerden. Für die Bestimmung der exakten Menge des Kaltwasserüberschusses oder -mangelsin der Bypassleitung können Standardgleichungen zur Temperaturmischung verwendetwerden.

Ein programmierbarer Regler erfasst dabei fünf Temperaturwerte — an den Punkten A, B, C, Dund E. (Einige Regelungen verwenden nur zwei Sensoren an den Punkten B und D in Verbin-dung mit “vorprogrammierten” algebraischen Mischgleichungen.) Der Bearbeitungssoftwareliegen die herkömmlichen Gleichungen zur Berechnung der Mischwassertemperatur zugrunde.Über sie lassen sich die erforderlichen Maßnahmen zur korrekten Regelung des Kaltwasser-systems bestimmen.

Abbildung 17 — Temperaturerfassung

D (Erforderlich) (Optional) A

E (Erforderlich) (Optional) B

C

(Optional)

Hauptrücklauf Hauptzulauf

SYS-APM001-DE 39

Pumpenanordnung

Es ist zu beachten, dass Sensor D exakte Ergebnisse liefern muss, besonders beieiner Anlage mit mehreren Wasserkühlmaschinen, da geringfügigeTemperaturänderungen die Schaltfolge der Wasserkühlmaschinen beeinflussenkönnen. Jede dieser Methoden zur Temperaturmessung bietet Kostenvorteile undhöhere Flexibilität, wenn ein Gebäude- oder Anlagenmanagementsystem bereitsexistiert oder in der Planung ist.

Schaltfolge der Wasserkühlmaschinen

Je nach Durchflussrate- und richtung in der Bypassleitung könnenWasserkühlmaschinen zu-oder abgeschaltet werden.

Zuschalten einer WasserkühlmaschineBei ungenügendem Durchfluss in der Bypassleitung wird dem System Wasserzugeführt, dessen Temperatur über der Auslegungstemperatur liegt. (Vgl. Ab-schnitt ”Minimum �T-Syndrom”.) Zu diesem Zeitpunkt kann eine Wasserkühl-maschine und eine Pumpe zugeschaltet werden. Häufig wird der unzureichendeDurchfluss eine bestimmte Zeit beobachtet (z. B. 15 Minuten) um sicherzugehen,dass es sich nicht um einen vorübergehenden Zustand handelt. Auf diese Weisekann zu häufiges Ein- und Ausschalten einer Wasserkühlmaschine vermiedenwerden.

Abschalten einer WasserkühlmaschineSobald genug überschüssiges Wasser durch die Bypassleitung fließt, kann eineWasserkühlmaschine abgeschaltet werden. Welche Menge ist dafür ausreichend?Die Menge muss so groß sein, dass die Wasserkühlmaschine nicht innerhalbeines kurzen Zeitraums wieder eingeschaltet wird. Vielfach wird hierzu die über-schüssige Menge mit der Durchflussrate der Wasserkühlmaschine verglichen, dieabgeschaltet werden soll. Liegt das Verhältnis zwischen 110 und 115 Prozent, wirddie Maschine abgeschaltet. Beispiel:

Wasserkühlmaschine 1 produziert 60,6 l/s Kaltwasser mit einer Temperatur von4,4 °C, während Wasserkühlmaschine 2 90,8 l/s produziert. Die aktuelle Über-schussmenge in der Bypassleitung beträgt 69,4 l/s.

• Die überschüssige Menge der Bypassleitung beträgt durchWasserkühlmaschine 1 aktuell 115 Prozent. Wird Maschine 1 abgeschaltet,ergibt sich ein Restüberschuss von 8,8 l/s.

• Dabei ist zu beachten, dass der aktuelle Überschuss der Bypassleitung durchWasserkühlmaschine 2 bei 76 Prozent liegt. Wird Maschine 2 abgeschaltet,ergibt dies eine fehlende Durchflussmenge von 21,5 l/s, d. h. dieseWasserkühlmaschine muss nach kurzer Zeit wieder eingeschaltet werden.

Die Lösung für eine effiziente Ausnutzung der Maschinen besteht in diesem Falldarin, Maschine 1 abzuschalten und Maschine 2 laufen zu lassen.

SYS-APM001-DE40

Systeme mit primärseitigvariablem Volumenstrom

Eine weitere Methode zum Angleichen der Durchflussmengen im Produktions-und Verteilungskreis besteht darin, sie auszugleichen. Systeme mit primärseitigvariablem Volumenstrom erfordern Wasserkühlmaschinen, die bei variierendemVerdampferdurchfluss korrekt arbeiten.

Vom Konzept her ähnelt das System mit primärseitig variablem Volumenstromdem vertrauten Konzept mit konstantem Primär- und variablem Sekundär-Volu-menstrom, das eher unter der Bezeichnung entkoppeltes System bekannt ist.1Beide benötigen beispielsweise eine Bypassleitung. Die Bypassleitung für einSystem mit primärseitig variablem Volumenstrom stellt dieMindestdurchflussrate durch die Wasserkühlmaschinen sicher. JederWasserkühlmaschine in der Anordnung ist eine Pumpe zugeordnet.. Der Betriebder einzelnen Pumpen ist auf die jeweilige Wasserkühlmaschine abgestimmt.

Abbildung 18 — System mit primärseitig variablem Volumenstrom

In einem System mit primärseitig variablem Volumenstrom ändert sich die Durch-flussrate des Wassers im gesamten System — durch den Verdampfer jeder ein-geschalteten Wasserkühlmaschine sowie auch durch die Wärmetauscher.

Für die Einrichtung eines Systems mit primärseitig variablem Volumenstrom sind2-Wege-Regelventile an den Wärmetauschern, Absperrrventile an denWasserkühlmaschinen und eine Bypassleitung mit einem Regelventil erforderlich.Aber:

• Durch die Wasserkühlmaschinen-Pumpen mit variablem Volumenstrom entfällteine separate Verteilungspumpe.

• Die Bypassleitung kann sowohl vor als auch nach den Wärmetauschern ange-ordnet werden.

• Ein Regelventil in der Bypassleitung stellt sicher, dass die Durchflussmenge derlaufenden Wasserkühlmaschine(n) nie unter die Mindestgrenze fällt.

Rückschlagventile



Wasserkühlmaschinenpumpenmit variablem Volumenstrom

Regelventilfür Mindestdurchfluss inWasserkühlmaschine

Systemwärmetauscher2-Wege-Regelventile

Optionaler“Bypass”.Ggf. sindmehrere 3-Wege-Ventileerforderlich

SYS-APM001-DE 41


Klärung eines allgemein verbreitetenMissverständnissesRichtig oder falsch: “Kältemaschinenarbeiten in einem System mit variablemanstelle von konstantem Primär-Volumen-strom aufgrund des höheren LMTD-Wertes(mittlere logarithmische Temperaturdiffe-renz) effizienter.”

Es trifft zu, dass die Rücklauftemperatur ineinem korrekt arbeitenden System mitprimärseitig variablem Volumenstrom beiveränderter Durchflussmenge konstantbleibt. Es trifft ebenfalls zu, dass der LMTD-Wert erhöht werden kann, indem der Kalt-wasser-Volumenstrom produktionsseitig(primärseitig) von konstant auf variabelumgestellt wird. Aber es gilt noch andereFaktoren zu berücksichtigen.

In einem System mit primärseitig kon-stantem Volumenstrom:

• Verdampfer-Eintrittstemperatur undLMTD-Wert verringern sich mit abneh-mender Kühllast.

• Der Wärmeübergangskoeffizient bleibt,wie der Primär-Volumenstrom, trotzLastminderungen konstant.

In einem System mit primärseitigvariablem Volumenstrom:

• Der Wärmeübergangskoeffizient imVerdampfer der Wasserkühlmaschinenimmt mit abnehmender Durchflussrateab.

• Eine verringerte Durchflussrate reduziertden Wärmeübertragungs-Wirkungsgraddes Verdampfers der Wasserkühlma-schine.

Im Endeffekt bleibt der Stromverbraucheiner bestimmten Wasserkühlmaschinegleich, unabhängig davon, ob die Ver-dampferdurchflussrate (dieser Wasser-kühlmaschine) variabel oder konstant ist.

Vorteile von Systemen mit primärseitig variablemVolumenstrom

Der Einsatz von Systemen mit primärseitig variablem Volumenstrom bringtGebäudebesitzern mehrere Kostenvorteile, die direkt auf die Pumpen zurückzu-führen sind. Die offenkundigsten Kosteneinsparungen ergeben sich aus demWegfall der Verteilerpumpe des Sekundärkreislaufs, wodurch keine Ausgaben fürdie entsprechenden Rohranschlüsse (Material- und Arbeitskosten),Elektroarbeiten und den Antriebsmotor mit Frequenzumrichter anfallen. Obgleichdie Pumpenanzahl verringert ist, nimmt die Dimensionierung der Pumpen undAntriebsmotoren mit Frequenzumrichtern zu, da die Pumpen so ausgelegt seinmüssen, dass sie die Druckabsenkung der gesamten Anlage überwinden können.Dadurch werden einige der Einsparungen bei den Installationskosten wiederaufgehoben.

Immobilienbesitzer nennen häufig die durch die fehlende Pumpe eingespartenEnergiekosten als Grund für den Einbau eines Systems mit primärseitig variablemVolumenstrom. Mit Hilfe eines Software-Analysetools wie System Analyzer™,TRACE™ oder DOE 2.1 können Sie ermitteln, ob die zu erwartenden Energieein-sparungen den Einsatz eines Systems mit primärseitig variablem Volumenstromin einer bestimmten Situation rechtfertigen.

Unter Umständen ist es einfacher, statt eines Systems mit Primär-Sekundär-Kreislauf ein System mit primärseitig variablem Volumenstrom bei einerbestehenden Kaltwasseranlage einzusetzen. Im Gegensatz zu Systemen mitPrimär-Sekundär-Kreislauf kann die Bypassleitung an fast allen Stellen imKaltwasserregelkreis installiert werden und eine zusätzliche Pumpe ist nichterforderlich.

Wichtige Faktoren

Die Folgeschaltungen von Wasserkühlmaschinen erfordern ein genaues Verständ-nis der Systemdynamik, da sich die Durchflussraten durch jede Wasserkühlma-schine, die in Betrieb ist, ändern. Die erforderliche Steuerstrategie zur Vermeidungdes vorzeitigen Einschaltens bzw. Neustarts der Wasserkühlmaschine wird kom-pliziert, sobald die mehrere Maschinen in Betrieb sind oder die Leistung der ver-schiedenen Maschinen ansteigt. Der Systemplaner muss bereits früh in der Ent-wicklung eine genaue Steuerungsschaltfolge festlegen und diese dem Herstellerder Steuer- und Regeleinrichtungen deutlich vermitteln. Vorteihaft ist es, wennzwischen Eigentümer, Betreiber, Konstrukteur und Hersteller der Kälteanlage(einschließlich der Steuerungen) eine partnerschaftliche Zusammenarbeit besteht.

Die Regelung der Durchfluss-Schwankungen ist von großer Bedeutung. Dahersind die zulässigen Schwankungen der Durchflussrate mit dem Hersteller derWasserkühlmaschine abzustimmen und das System so auszulegen, dass diezulässigen Werte nie überschritten werden. Die Betreiber müssen die Funktionendes Systems mit primärseitig variablem Volumenstrom grundsätzlich verstehen,was eine entsprechende Schulung erfordert. Der Erfolg der Systemkonzipierungsteht in direktem Zusammenhang zu der Fähigkeit der Betreiber, die Ziele derEntwicklung umzusetzen.

Eine wichtiger Gesichtspunkt bei der Untersuchung von Systemen mit variablemPrimär-Volumenstrom ist die Tatsache, dass diese Systeme für eine korrektePlanung und Konzipierung mehr Zeit als andere Systeme benötigen. Wer dieseZeit und Planung nicht investieren will oder kann, wird mit anderen Systemenwahrscheinlich bessere Ergebnisse erzielen.

SYS-APM001-DE42


Hinweis zur AnwendungWährend sich in diesem System die Durch-flussrate des Verdampfers ändern kann,können Wasserkühlmaschinen mit weiter-entwickelten Steuer- und Regeleinrichtun-gen mit einer zeitweiligen Entlastung rea-gieren. Dies führt zu einer, in der Regelkurzzeitigen, höheren Kaltwasseraustritts-temperatur. Bei Anwendungen, die einestrikte Kaltwassertemperaturregelungbenötigen, sind Empfehlungen des Herstel-lers zu beachten, die die Nutzung dervariablen Verdampferdurchflussratebetreffen.

Zum Zeitpunkt der Abfassung dieses Hand-buchs bieten die neuesten Steuerungeneine exakte Temperaturregelung, wenn dieSchwankung der Durchflussrate auf unter10 Prozent der Auslegungs-Durchflussratepro Minute begrenzt ist. Bei einigen hoch-modernen Steuerungen ist eine Erweite-rung dieses Grenzwerts auf 30 Prozent derAuslegungs-Durchflussrate pro Minute fürdie meisten Komfortanwendungen zuläs-sig, da die Verdampferwasseraustritts-temperatur nicht mehr als einige Minuten,wenn überhaupt, vom Sollwert abweicht.Auch hier sind die grundsätzlichen Grenz-werte mit dem Hersteller abzustimmen.

Grenzwerte

Die Verdampferdurchflussraten ändern sich mit veränderten Systemanforderun-gen. Allerdings sind der absoluten Durchflussrate und der zulässigen ÄnderungGrenzen gesetzt. Eine Überschreitung dieser Grenzwerte kann zu einer instabilenSteuerung der Wasserkühlmaschine oder schwerwiegenden Störungen führen.

Absolute Grenzwerte für die DurchflussrateDie Durchflussrate des Verdampfers muss zwischen oberem und unterem Grenz-wert gehalten werden. Aktuell liegt der festgeschriebene Bereich für die Wasser-geschwindigkeit vieler Wasserkühlmaschinen bei 0,9-3,4 m/s, obwohl einige Her-stelle mittlerweile zulässige Bereiche von 0,46-0,61 m/s anbieten. Bitten Sie daherden Hersteller um die aktuellen Durchflussratengrenzwerte (l/s) für Ihr Gerät. Derobere Grenzwert ist im Allgemeinen festgelegt, um Leitungserosion zu vermei-den, während der untere Grenzwert für eine stabile Steuerung sorgt.

ÄnderungsrateReagiert die Steuerung einer Kühlmaschine nicht korrekt, kann die Maschine beiraschen Änderungen der Durchflussrate durch die Sicherheitseinrichtungen abge-schaltet werden. Um sicherzustellen, dass die Wasserkühlmaschine in Betriebbleibt, müssen Änderungen der Verdampferdurchflussrate innerhalb der vomHersteller angegebenen Grenzwerten liegen. Dies kann die Verwendung von ver-zögernd wirkenden Regelventilen an jeder Wasserkühlmaschine erfordern, umwährend eines Schaltvorgangs (der Folgeschaltung) die Durchflussänderungen zureduzieren, insbesondere bei parallel geschalteten Pumpen.

Bypass-Durchflussregelung

Wie bei einem System mit Primär-Sekundär-Kreislauf reagieren Systeme mitprimärseitig variablem Volumenstrom bei Laständerungen mit einer Anpassungder Durchflussrate. Wenn sich die Systemanforderung der Mindestdurchflussratefür eine einzelne Wasserkühlmaschine annähert, muss das Wasser über eineBypassleitung geführt werden, um die Durchflussrate durch den Verdampfer überdem Minimum zu halten.

Methoden

• Bypassleitung mit VentilWie zuvor erläutert, kann der Volumenstrom der Bypassleitung zentral oderdurch 3-Wege-Ventile geregelt werden. Wird eine Bypassleitung mit Ventilverwendet, muss dieses langsam öffnen, wenn sich die Durchflussrate einereingeschalteten Wasserkühlmaschine dem Minimum nähert. Steigt dieDurchflussrate über die Mindestrate der Wasserkühlmaschine um einenfestgelegten Grenzwert, schließt das Ventil.

• 3-Wege-VentilEine Alternative besteht in der Bereitstellung von 3-Wege-Ventilen in entferntenTeilen des Systems. Die Pumpe muss so gesteuert werden, dass diese Ventiledie Gesamtdurchflussrate stets über der Mindestdurchflussrate der Wasser-kühlmaschine halten. Zur Sicherstellung dieser Durchflussrate kann die Pumpeso gesteuert werden, dass ein Druckunterschied an diesem Ventil bestehenbleibt. Auf diese Weise ist ein nahezu konstanter Durchfluss an diesem Punkt imSystem gewährleistet.

SYS-APM001-DE 43


Messung des VerdampferdurchflussesDie Messung des Verdampferdurchflusses ist für die Regelung von Systemen mitprimärseitig variablem Volumenstrom entscheidend. Eine gängige Methode istdie direkte Messung mit Strömungswächtern. (Dabei ist zu beachten, dass einigeStrömungswächter kalibriert werden müssen, was häufig unterbleibt.) Alternativkann der Wasserdruckverlust über den Verdampfer gemessen und die Ver-dampferdurchflussrate auf der Grundlage der Herstellerdaten bestimmt werden.

Lage der Bypassleitungen

Eine Bypassleitung ist sowohl für einen primärseitig konstanten als auch einenprimärseitg variablen Volumenstrom erforderlich. In einem System mit Primär-Sekundär-Kreislauf ermöglicht die Entkopplung die Umleitung von überschüssi-gem Wasser des Primärkreislaufs. Im System mit primärseitig variablemVolumenstrom ermöglicht die Bypassleitung die Systemsteuerung zurAufrechterhaltung der Durchflussraten entsprechend der Mindestanforderungender Wasserkühlmaschine.

Für die Bypassleitung in Systemen mit primärseitig variablem Volumenstrom gibtes drei gemeinsame Installationspunkte:

• Die für das System mit primärseitig variablem Volumenstrom erforderlichekleinere Bypassleitung ist an der gleichen Stelle zu installieren, an der dieBypassleitung eines entkoppelten Systems liegt. Ein Pumpenantrieb mitvariabler Drehzahl nah an den Wasserkühlmaschinen reduziert die Durchfluss-rate und ermöglicht wesentliche Energie- und Kosteneinsparungen. Ein Nachteilist, dass das Ventil gegen höhere Drücke arbeiten muss, was zu erhöhtemVerschleiß und eingeschränkter Regelung führt.

• Verwenden Sie daher an einigen Wärmetauschern des Systems 3-Wege-Ventile.Während diese Methode den Mindestdurchfluss sichert, reduziert sie die Ein-sparungen bei den Pumpenbetriebskosten aufgrund der erhöhtenSystemdurchflussrate und einer abnehmenden Wasserrücklauftemperatur.

• Positionieren Sie eine Bypassleitung sowie ein Ventil nahe am Ende des Rohr-verlaufs. Dadurch wird der Betriebsdruck am Bypassregelventil reduziert unddie Steuerung stabilisiert. Einige der Betriebskosteneinsparungen müssen fürdie Aufrechterhaltung des Pumpenbetriebsdrucks auf höherem Niveauaufgegeben werden, wenn die Bypassleitung in größerer Distanz zu denWasserkühlmaschinen sitzt. Die Leitung muss so dimensioniert sein, dass dieMindestdurchflussrate gewährleistet ist.

Schaltfolge der Wasserkühlmaschinen

Systeme mit primärseitig variablem Volumenstrom erfordern eine komplexereFolgeschaltung als Systeme mit Primär-Sekundär-Kreislauf. Maßgeblich für eingut funktionierendes System mit primärseitig variablem Volumenstrom - oder fürdessen Misserfolg - sind die Zeit und Überlegungen, die in die Folgeschaltung derWasserkühlmaschinen investiert werden. Um die Funktion des Systems sicherzu-stellen, muss der Prozess genau durchdacht, die Folgeschaltung mit den System-programmierern abgesprochen und der Betreiber ordnungsgemäß eingewiesenwerden.

SYS-APM001-DE44


Zuschaltung einer Wasserkühlmaschine in einem Systemmit primärseitig variablem Volumenstrom

Wenn die bereits eingeschaltete Wasserkühlmaschinen die Durchflussrate nichtmehr erhöhen können, entweder aufgrund der Pumpenleistung oder der maximalzulässigen Verdampferdurchflussrate, oder wenn die Wasserkühlmaschinen denKaltwassersollwert nicht mehr erreichen, kann eine Wasserkühlmaschine zuge-schaltet werden. In einem korrekt betriebenen System wird die Zulaufwasser-temperatur überwacht. Überschreitet die Temperatur den Auslegungs-Sollwertum eine bestimmten Wert (z. B. 0,8 °C) für eine festgesetzte Zeitdauer(beispielsweise 15 Minuten), wird eine weitere Wasserkühlmaschine zugeschaltet.

Die Zuschaltung von Wasserkühlmaschinen kann zu beträchtlichenSchwankungen der Durchflussraten führen. Dies gilt insbesondere für ein Systemmit zwei Wasserkühlmaschinen. Folgendes Beispiel hilft, die Problemstellung desSystems besser zu erläutern:

Tabelle 11 — Beispiele für Schwankungen der DurchflussmengeAuslegungs-Durchflussrate Mindestdurchflussrate Maximale Durchflussrate

l/s l/s l/sWasserkühlmaschine 1 60,6 36,3 133,1Wasserkühlmaschine 2 90,8 42,6 156,1

Zu einem bestimmten Zeitpunkt ist die Wasserkühlmaschine 1 eingeschaltet,wobei 69,4 l/s Wasser durch den Verdampfer fließen. Die geforderte Kaltwasser-temperatur kann nicht mehr aufrecht erhalten werden. Was geschieht, wenn dasVentil von Wasserkühlmaschine 2 geöffnet wird, aber keine andere Maßnahmeerfolgt? Unter der Annahme, dass die Druckverluste gleich sind, fließen 34,7 l/sdurch jede Wasserkühlmaschine. Das bedeutet, dass die Durchflussrate fürMaschine 1 sofort um 50 Prozent abfällt (wahrscheinlich ist die Steuerung nichtmehr in der Lage, darauf angemessen zu reagieren) und wir sind damit unter derMindestdurchflussrate für jede Wasserkühlmaschine. Dies kann tatsächlich zueinem Problem führen, da die Steuerung versucht, die Wasserkühlmaschinedurch Abschalten zu schützen. Dies führt dazu, dass eine Kombination vonPumpendrehzahl, Bypassventilregelung und verzögert reagierende Ventile an denWasserkühlmaschinen zwei Aufgaben übernehmen müssen:

• Die Schwankungen der Durchflussrate innerhalb der Herstellergrenzwertehalten.

• Die Durchflussrate jeder Wasserkühlmaschine über dem Minimum halten.

Als Grundsatz gilt, dass die Steuerung von Systemen mit primärseitig variablemVolumenstrom bei der Systemplanung miteinbezogen werden MÜSSEN.

SYS-APM001-DE 45


Abschalten einer Wasserkühlmaschine in einem System mitprimärseitig variablem Volumenstrom

Auch das Abschalten einer Kühlmaschine in einem solchen System ist nichteinfach. Nehmen wir beispielsweise an, dass beide Wasserkühlmaschinen nahezuan ihrer Mindestdurchflussrate arbeiten. Maschine 1 liefert 41,0 l/s und Maschine2 47,9 l/s, so dass das System insgesamt bei 88,9 l/s liegt.

Vorgehensweise 1

Maschine 1 abschalten: Es ist offensichtlich, dass es möglich sein sollte, Maschi-ne 1 abzuschalten und die Systemlast damit zu erfüllen, solange die Durchfluss-rate nicht zu schnell zunimmt. Allerdings liegt die Systemdurchflussrate nahe derAuslegungsdurchflussrate für Maschine 2, d. h. wenn sich die Systemdurchfluss-rate erhöht, ist ein Neustart von Maschine 1 erforderlich.

Vorgehensweise 2

Maschine 2 abschalten: Liegt die Kühlwassertemperatur von Maschine 1 unterdem Auslegungswert, hat ihre Leistung zugenommen. Kann Maschine 2 jetztabgeschaltet werden? Sicherlich liegt die Durchflussrate von Maschine 1innerhalb der zulässigen Grenzwerte. Aber es ist nicht sicher, ob sie dieerforderliche Leistung erbringen kann oder nicht. In diesem Fall liegt das Problemdarin, sicherzustellen, dass nach dem Abschalten einer Wasserkühlmaschine eineausreichende Kaltwassermenge vorliegt.

Offensichtlich ist die Steuerung ein extrem wichtiger Aspekt eines Systems mitprimärseitig variablem Volumenstrom. Bei vielen Kaltwassersystemen von zweibis fünf Wasserkühlmaschinen wählen Systemplaner für die Minimierung kom-plexer Steuervorgänge eher ein System mit Primär-Sekundär-Kreislauf.

“Überpumpen” einer Wasserkühlmaschine in einem Systemmit primärseitig variablem Volumenstrom

Bei einigen Anwendungen dieser Systeme werden parallel geschaltete Pumpenverwendet, mit denen eine Kühlmaschine “überpumpt” werden kann. ”Überpum-pen” bedeutet hier, mehr Wasser durch eine Kühlmaschine zu pumpen, als beider ursprünglichen Auslegung vorgesehen. Im vorhergehenden Beispiel wäreMaschine 1 jederzeit “überpumpt”, wenn die Wasserdurchflussrate 60,6 l/s über-steigt. Allerdings muss die Durchflussrate immer noch unter dem maximal zuläs-sigen Wert liegen. Erinnern wir uns, dass der Druckverlust über den Verdampferetwa im Quadrat der Durchflussrate zunimmt. Für das “Überpumpen” einer Was-serkühlmaschine kann es zwei Gründe geben.

Erlaubt man ein Absinken der Kühlwassertemperatur, kann die Wasserkühlma-schine bei Bedarf auch mehr Kaltwasser bereitstellen. Der einzige Weg, diesehöhere Leistung tatsächlich zu erreichen, ist die Anhebung der Durchflussrateoder der Temperaturdifferenz. Die Wasserrücklauftemperatur ist eingestellt, daherbleibt jetzt nur noch zu entscheiden, ob die Wasseraustrittstemperatur abnehmenoder die Durchflussrate zunehmen soll. Eine Erhöhung der Wassertemperatur er-schwert den Systembetrieb, während sich in einem System mit primärseitigvariablem Volumenstrom eine Zunahme der Wasserdurchflussrate relativ einfachrealisieren lässt. Durch eine Erhöhung der Verdampferdurchflussrate kann dieWasserkühlmaschine mehr Kühlung bereitstellen.


SYS-APM001-DE46

Einige Betreiber überpumpen eine Kühlmaschine als “Erste-Hilfe-Maßnahme” fürSysteme, bei denen das ”Minimum �T-Syndrom” auftritt (siehe hierzu Seite 61).In einem Beispiel für das “Minimum �T-Syndrom” wird eine verringerte (z. B. 9,4°C) Wasserrücklauftemperatur erfasst, die unter der Auslegungs-Wasserrücklauftemperatur (z. B. 13,3 °C) liegt. Auch hier besteht die einzigeMöglichkeit zur Belastung der Wasserkühlmaschine in der Herabsetzung derKaltwassertemperatur oder der Durchflussratenerhöhung. Wenn diePumpenleistung und -drehzahl es zulässt, kann die Durchflussrate und Kapazitätder Wasserkühlmaschine erhöht werden. Der zulässige Betriebsbereich derPumpe darf dabei nicht überschritten werden.

Entscheidende Anforderungen an Systeme mit primärseitig variablemVolumenstromObwohl diese Systeme eindeutige Vorteile haben1, dürfen sie nicht für alleAnlagen verwendet werden. Für den erfolgreichen Betrieb eines System mitprimärseitig variablem Volumenstrom ist ein klares Verständnis und die Beach-tung folgender Vorbedingungen wesentlich.

• Die Steuerung der Wasserkühlmaschine muss die Temperatur bei variierenderDurchflussrate adäquat regulieren.

• Die Steuerungen auf Systemebene müssen sowohl Temperatur als auchDurchflussrate je nach Änderung der Systemanforderung angemessenregulieren.

• Für Konzipierung und Programmierung der Steuerungsschaltfolge des Systemsist ausreichend Zeit einzuplanen.

• Der Systembetreiber muss den beabsichtigten Betriebsablauf kennen.

• Das System muss über Einrichtungen zur Gewährleistung der Anforderungenfür die Mindestdurchflussraten aller Wasserkühlmaschinen verfügen. In derRegel ist dies eine der oben erläuterten Bypassmethoden.

Ein System mit primärseitig variablem Volumenstrom erschwert alle Aspekte derSystemplanung sowie des Systembetriebs. Folglich müssen viele Maßnahmenergriffen werden, damit der erfolgreiche Betrieb eines solchen Systems sicher-gestellt wird.

Verweise1 Schwedler, M., PE and Bradley, B.; “An Idea for Chilled-Water Plants Whose TimeHas Come...Variable-Primary-Flow Systems,”Engineers Newsletter, Vol. 28, No.3, The Trane Company, 1999.

SYS-APM001-DE 47

Optionen für dieKaltwasserregelung

Erhöhen und Reduzieren der Kaltwassertemperatur

In zahlreichen Kaltwasseranlagen wird eine Rückstellung der Kaltwassertempe-ratur eingesetzt, d. h. die Einstellungen der Wasserkühlmaschine werden geän-dert, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Wie bereits in Abschnitt 1, Grundla-gen der Kaltwasseranlage, erläutert wurde, verringert sich bei Erhöhung der Kalt-wassertemperatur der Stromverbrauch der Wasserkühlmaschine. In einem Pum-pensystem mit konstantem Volumen kann auf diese Weise der Stromverbrauchdes Systems gesenkt werden, wenn die Feuchtigkeit weiterhin reguliert wird. DieFeuchtigkeitsregelung kann verloren gehen, wenn bei Erhöhung der Kaltwasser-temperatur die Luftaustrittstemperatur am Wärmetauscher bis zu einem Punktansteigt, an dem keine angemessene Entfeuchtung mehr stattfindet.

In Pumpsystemen mit variablem Volumen steigt der Stromverbrauch der Pumpebei Zunahme der Kaltwassertemperatur häufig erheblich an, wodurch sich imAllgemeinen auch der Stromverbrauch des Gesamtsystems erhöht. Vor einerErhöhung der Kaltwassertemperatur muss der gesteigerte Stromverbrauch derPumpe berechnet werden und diesen mit den Energieeinsparungen an derWasserkühlmaschine verglichen werden. Berücksichtigen Sie, dass der ASHRAE/IESNA Standard 90.1–19991 die Kaltwasser-Rückstellung für Systeme mitkonstantem Volumen — von Ausnahmen abgesehen — vorschreibt, Systeme mitvariablem Volumen aus den genannten Gründen von dieser Voraussetzungjedoch ausnimmt.

Eine häufig übersehene Methode, den Stromverbrauch des Systems zu senken,besteht in der Reduzierung der Kaltwassertemperatur, wodurch der Stromver-brauch der Pumpe abnimmt, während der Stromverbrauch der Wasserkühl-maschine steigt. Diese Strategie eignet sich bei angemessener Leistung derWasserkühlmaschine und Temperaturanhebung. Darüber hinaus kann die Redu-zierung der Kaltwassertemperatur zu einer verbesserten Entfeuchtung im Gebäu-de beitragen. Wenn die Temperatur am Verflüssiger unter dem vorgegebenenWert liegt, steigt bei Reduzierung der Kaltwassertemperatur zudem die Leistungder Wasserkühlmaschine. Weitere Wasserkühlmaschinen und Zusatzgerätekönnen somit später gestartet werden. Diese Option wird in Zusammenhang mitdem “Minimum �T-Syndrom” detailliert erläutert.

Beachten Sie, dass jede Änderung der Kaltwassereinstellungen eine Änderungder Algorithmen für die Wasserkühlmaschinenschaltfolge voraussetzen, um dieEinhaltung der Systemleistung zu gewährleisten. Diese zusätzliche Schwierigkeitlohnt sich häufig nicht.

SYS-APM001-DE

Optionen für dieKaltwasserregelung

Rückstellung “kritischer” Ventile

Häufig werden Pumpen so geregelt, dass an einem entfernten Wärmetauschereine konstante Druckdifferenz aufrechterhalten wird. Wird der Wärmetauschernicht für die Zone mit dem größten Kühlbedarf (die kritische Zone) eingesetzt,leistet die Pumpe mehr Druck als erforderlich und verbraucht somit mehr Stromals nötig. Systeme mit integrierten luft- und produktionsseitigen Steuersystemensowie DDC-Regelung für Ventile bieten zusätzliche Einsparmöglichkeiten bei denBetriebskosten der Pumpe. Wird ein System überwacht und für jeden Zeitpunktdas kritische Ventil ermittelt, kann der Betriebsdruck der Pumpe so eingestelltwerden, dass das Regelventil für die kritische Zone annähernd geöffnet ist. Dieintegrierte Steuerung versetzt System-Steuergeräte in die Lage, die kritische Zonezu ermitteln und die Einstellungen der Pumpe dynamisch zu ändern, wodurch dieBetriebskosten der Pumpe gesenkt werden.

Die Steuergeräte kennen die Stellung der einzelnen Ventile, über die der notwen-dige Wasserdurchfluss im Wärmetauscher geregelt wird. Das Gebäudeautoma-tionssystem überwacht kontinuierlich die Ventilsteuergeräte und ermittelt,welches Ventil am weitesten geöffnet ist. Das Steuergerät ändert diePumpeneinstellungen, so dass zumindest das Ventil, das den höchstenEinlassdruck erfordert, fast vollständig geöffnet ist. Die Pumpe erzeugt daraufhinnur so viel Druck, dass der erforderliche Wasserdurchfluss durch dieses“kritische” Ventil erreicht wird, wodurch Energieeinsparungen an der Pumpeerreicht werden.

Verweise1. BSR/ASHRAE/IESNA 90.1–1999, “Energy standard for buildings except low-rise

residential buildings”, Illuminating Engineering Society of North America andAmerican Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.,1999.

48

SYS-APM001-DE 49

Auslegungsrichtlinien

Konfiguration der Kaltwasserpumpe

Pumpen können sich am Ein- oder Auslass der Wasserkühlmaschine befinden,sofern am Einlass der Pumpe ein angemessener, positiver Saugdruck herrscht.Bei extremen Wassersäulenhöhen (z. B. in Hochhäusern) ist die Pumpe häufigam Auslass der Wasserkühlmaschine positioniert, so dass der Verdampfer demstatischen Druck anstelle des statischen plus dynamischen Drucks (durch diePumpe) unterliegt. Die Notwendigkeit von Hochdruckwasserkammern an derWasserkühlmaschine besteht nicht.

Ein weiterer Vorteil der Platzierung der Pumpe vor der Wasserkühlmaschinebesteht darin, dass die Wasserkühlmaschine die vom Pumpenmotor an dasWasser abgegebenen Wärme direkt ableiten kann. Es ist nicht erforderlich,kälteres Wassers zu produzieren, um die Wärme der Pumpe zu kompensieren.

Eine Pumpe pro WasserkühlmaschineIn Systemen mit Primär-Sekundär-Volumenstrom bzw. mit primärseitig variablemVolumenstrom vereinfacht der Einsatz einer Pumpe pro Wasserkühlmaschine denWasserkreislauf. Die Pumpe stellt den für die spezifische Wasserkühlmaschineerforderlichen Durchfluss und Druck sicher. Das Zuschalten weiterer Pumpen hatauf den Wasserkreislauf nur minimalen Einfluss. Ein Nachteil eines solchen Sys-tems ist die mangelnde Leistungsveserve, da Pumpe und Wasserkühlmaschinezugeordnet sind. Dies kann jedoch durch eine Reservepumpe und den zugehöri-gen Leitungen und Ventilen ausgeglichen werden, so dass die Reservepumpe imNotfall für eine beliebige Wasserkühlmaschine eingesetzt werden kann.

Mehrere Pumpen an einem VerteilerUm das Problem der Redundanz zu lösen, bevorzugen einige Systemplaner dieVerwendung von n+1 Verteilerpumpen. Dabei steht n für die Anzahl der Wasser-kühlmaschinen. In einer solchen Anordnung kann jede Pumpe mit einer beliebi-gen Wasserkühlmaschine verwendet werden. Das Kreislaufsystem wird dadurchjedoch komplexer. Sind nicht alle Leitungsrohre und Druckverlust am Verdampfergleich, fließen unterschiedliche Wassermengen zu den Wasserkühlmaschinen.Wie bereits bei Systemen mit primärseitig variablem Volumenstrom erläutert,stellen mehrere Pumpen bei einer Folgeschaltung der Wasserkühlmaschinenhohe Ansprüche an die Regelung und Steuerung.

Beide Pumpenkonfigurationen haben Vorteile: Bei nur einer Pumpe pro Wasser-kühlmaschine wird der Wasseranschluss vereinfacht, während mehrere Pumpenan einer Rohrleitungsverzweigung redundante Pumpenleistung bieten.

SYS-APM001-DE50


Dimensionierung von Bypassleitungen

Bypassleitungen werden sowohl in Systemen mit Primär-Sekundär-Volumen-strom als auch in Systemen mit primärseitig variablem Volumenstrom benötigt.In entkoppelten Systemen sollte die Größe der Bypassleitung 110 bis 115 Prozentder vorgegebenen Durchflussmenge für die leistungsfähigsteWasserkühlmaschine entsprechen. In einem System mit primärseitig variablemVolumenstrom sollte die Größe der Bypassleitung an derMindestdurchflussmenge der leistungsfähigsten Wasserkühlmaschine bemessenwerden.

Während minimaler Druckverlust angestrebt wird, können durch die relativ kurzeBypassleitung erhebliche Wassergeschwindigkeiten ohne nennenswerten Druck-verlust erreicht werden. Die Länge der Bypassleitung muss ausreichen, um einwillkürliches Mischen von Kaltwasser (Zulauf) mit wärmerem Wasser (Rücklauf)zu verhindern. Die empfohlene Mindestlänge beträgt das fünf- bis zehnfache desLeitungsdurchmessers.

Wassermenge im Kreislauf

Zur Ermittlung der für die korrekte Regelung eines Kaltwassersystems notwen-digen Wassermenge müssen zwei Fragen beantwortet werden. • Wie schnell kann die betreffende Wasserkühlmaschine auf veränderte

Bedingungen reagieren?• Wie schnell kann das System auf veränderte Bedingungen reagieren?

Die für den einwandfreien Betrieb des Kreislaufes erforderliche Wassermengehängt von den Antworten auf diese beiden Fragen ab. Beachten Sie, dass beideAntworten eine Zeitspanne angeben.

Erforderliches Volumen = Durchflussrate × Kreislaufzeit

Dabei gilt:• Erforderliches Volumen = Wasser im Wärmetauscher, in den Leitungen, im

Verdampfer, im Speicherbehälter usw. in Liter.• Durchflussrate = Durchflussrate des Systems in l/s.• Kreislaufzeit = die Zeit, die das Wasser zum Austreten aus der Wasserkühl-

maschine, Durchlaufen des Systems und für den Rücklauf zur Wasserkühl-maschine bei stabilem Systembetrieb benötigt (in Sekunden).

SYS-APM001-DE 51


Verhalten der Wasserkühlmaschine auf veränderte BedingungenBefolgen Sie die Anweisungen des Herstellers der verwendeten Wasserkühl-maschine. Sie legen die Mindestwassermenge im Kreislauf fest. Es handelt sichdabei jedoch um die Mindestmenge für die Wasserkühlmaschine, nicht für dasSystem (siehe nächster Abschnitt). Zahlreiche moderne Wasserkühlmaschinenverfügen über Steuerungen, die schnell auf veränderte Bedingungen reagieren.Manche Wasserkühlmaschinen reagieren in nur einer Minute auf eine Änderungder Wasserrücklauftemperatur, während andere fünf oder mehr Minuten benö-tigen. Die Reaktionszeit variiert je nach Ausführung und Auslegung der Wasser-kühlmaschine.

Verhalten des Systems bei veränderten BedingungenSelbst wenn die Wasserkühlmaschine auf veränderte Betriebsbedingungenschnell reagieren kann, ist zu beachten, dass sich die Mindestzeit zumDurchlaufen des Kreislaufs aus dem Zusammenwirken zwischenWasserkühlmaschine, Systempumpen und Regelventilen ergibt. Ändern sich dieSystembedingungen zu schnell, können diese Komponenten u. U. mitVerzögerung reagieren. Überprüfen Sie daher dieses Zusammenwirken, um einestabile Systemsteuerung zu gewährleisten.

Beispiel:Der korrekte Betrieb einer bestimmten Wasserkühlmaschine setzt voraus, dasssich im Kreislauf mindestens zwei Minuten lang Wasser befindet. Nach Analysedes Zusammenspiels der Systemkomponenten wird jedoch festgestellt, dass eineKreislaufzeit von fünf Minuten am besten geeignet ist. Die Systemdurchflussratebeträgt 60,6 l/s.

Erforderliches Volumen (E.V.) = 60,6 l/s × 5 Minuten = 18.180 Liter[E.V. = 960 gpm × 5 Minuten = 4.800 Gallonen]

Wenn sich in Verdampfer, Rohrleitungen und Wärmetauschern weniger als daserforderliche Volumen befindet, muss ein Behälter zur Erhöhung des Kreislauf-volumens installiert werden. Um eine optimale Stabilität zu erzielen, sollte sichder Behälter im Wasserrücklauf befinden und so ausgelegt sein, dass das zurück-fließende Wasser mit dem Wasser im Behälter gemischt wird.

Anlagenerweiterung

In Systemen mit Primär-Sekundär-Volumenstrom bzw. mit primärseitig variablemVolumenstrom kann die Anlage problemlos erweitert werden, indem eine weitereWasserkühlmaschine mit Pumpe hinzugefügt wird. Die Hauptfragen sind, ob dieVerteilungsleitungen für das Kaltwasser den Durchfluss leisten können und wiedie neue Wasserkühlmaschine installiert wird, ohne den Betrieb der anderenWasserkühlmaschinen zu beeinträchtigen. Wenn das vorhandene Leitungsnetzund die Pumpenleistung für die neue (höhere) Durchflussrate ausreicht, ist dasSystem funktionsfähig. Um den Kaltwasserfluss auch während der Installationeiner neuen Wasserkühlmaschine aufrechtzuerhalten, verfügen manche Anlagenbereits über Flansche bzw. Stutzen für den Anschluss der neuen Wasserkühl-maschine. Diese kann daher während des Systembetriebs installiert werden.Anschließend werden die Ventile an den Verbindungsstellen geöffnet.

SYS-APM001-DE52


Bei der Verwendung von entkoppelten Systemen für große “Campus”-Anlagenbefinden sich hinzugefügte Kälteverbraucher oft in großerer Entfernung (1,5 Kilo-meter oder mehr) von der ursprünglichen Kühllast. Dennoch bevorzugen vielePlaner, die neue Kühllast an das vorhandene System anzuschließen. Das in Abbil-dung 19 dargestellte zweiseitig entkoppelte System erfüllt diese Anforderung.Eine zweite Anlage zur Kaltwasserproduktion wird an einem geeigneten Platz imneuen Teil des Geländes installiert. Das Verteilungssystem wird spiegelbildlich zuden Originalleitungen ausgelegt. Anschließend erfolgt der beidseitige Anschluss.

Auf diese Weise können beide Produktionskreise den jetzt gemeinsam verwen-deten Verteilungskreis speisen. Der Punkt ohne Durchfluss wechselt, wenn beideProduktionsseiten belastet werden. Wenn bei jahreszeitlich bedingter geringerKühllast ein kompletter Produktionskreis abgeschaltet werden soll, ist dies pro-blemlos möglich, sofern der laufende Anlagenteil über ausreichend Produktions-und Verteilungskapazität verfügt. Bei ganzjährig betriebenen Anlagen kann dieseMethode die Betriebskosten während vieler Wochen im Jahr erheblich senken.Zudem können so die neueren, effizienteren Maschinen bevorzugt belastetwerden.

SYS-APM001-DE 53


Abbildung 19 – Zweiseitig entkoppeltes System

Rückschlagventile



Bestehen-de Anlage

Produktion

Verteilung

Vorhandene Bypassleitung

Kühllasten

Neue Bypassleitung

Neue Kälteanlage


SYS-APM001-DE54

Variationen imKaltwassersystem

Eine Reihe von Variationen im Kaltwassersystem kann und sollte verwendet wer-den, wenn sie angemessen sind. Jede Konfiguration bietet bestimmte Vorteilebezüglich der Problembehebung oder der Wertsteigerung des Systems.

Wärmerückgewinnung

ASHRAE/IESNA Standard 90.1–19991 setzt bei bestimmten Anwendungen eineWärmerückgewinnung voraus. Bedenken hinsichtlich der Raumluftqualität habendie Verwendung von Systemen gefördert, die die Zuluft zum Zwecke derEntfeuchtung herunterkühlen und anschließend wieder erwärmen, um dieAnforderungen an die Raumluft zu erfüllen. ASHRAE/IESNA Standard 90.1–1999begrenzt zudem die in diesen Anwendungen verwendete Energie zurWiedererwärmung. Aufgrund dieser Vorschriften und der Energiekosten habenKälteanlagen mit Wärmerückgewinnung einen neuen Aufschwung erlebt. DasBeispiel in Abbildung 22 stellt ein kosteneffizientes Modell zurWärmerückgewinnung dar. Dieses Modell wird vor allem für Brauchwasser inHotels und für bestimmte Prozessanwendungen eingesetzt.

Vorrangschaltung

Die Vorrangschaltung ist für Systeme mit Wärmerückgewinnung geeignet, da dieWasserkühlmaschine mit Wärmerückgewinnung so besser ausgelastet wird undmehr Wärme erzeugt, die für den gewünschten Prozess gewonnen werden kann.Zudem eignet sich die Vorrangschaltung für folgende Anwendungen: Hochleis-tungswasserkühlmaschinen, die möglichst immer voll belastet sein sollten, oderWasserkühlmaschinen, die andere Energiequellen als Strom verwenden, z. B.Absorptions-Wasserkühlmaschinen, die Abwärme aus einem Heizkraftwerknutzen, oder Wasserkühlmaschinen, die mit einem Generator gekoppelt sind. Inletzterem Fall kann das System bei hohen Stromkosten bevorzugt die Wasser-kühlmaschine mit der alternativen Energiequelle belasten.

SYS-APM001-DE 55


Parallelanordnung

Wird eine Wasserkühlmaschine in einem entkoppelten System auf der Verbrau-cherseite von der Bypassleitung, platziert, wird sie beim Einschalten vorrangigbelastet. Wie in Abbildung 20 zu sehen ist, verfügt Wasserkühlmaschine 1 immerüber die höchste Wassertemperatur des Systems und wird vorrangig belastet. DieWasserkühlmaschinen auf der Produktionsseite der Bypassleitung (Wasserkühl-maschine 2 und 3) werden, wie bereits erläutert, zu gleichen Teilen belastet.

Abbildung 20 – Parallelschaltung mit Vorrangschaltung

GleicheBelastung

VorrangigeBelastung



Bypassleitung


Produktion

Verteilung

Ein Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Wasserkühlmaschinen aufder Produktionsseite der Bypassleitung häufig im Teillast betrieben werden. ÄltereWasserkühlmaschinen oder moderne Modelle mit hohem Schaltpunkt sind hierzuu. U. nicht geeignet.

SYS-APM001-DE56


Abbildung 21 – Vorrangschaltung beizusätzlicher, verbraucherseitigerWasserkühlmaschine



Bypassleitung


Die verbraucherseitige Maschine erhält daszurückfließende Wasser mit der höchsten

Temperatur.

Vert

eilu

ngPr

oduk

tion

Entkoppeltes System mit zusätzlicher Maschine imBypassbetrieb

Abbildung 21 zeigt eine einfache Modifikation des üblichen entkoppelten Sys-tems. Die im Bypassbetrieb geschaltete zusätzliche Wasserkühlmaschine kühltdas Wasser mit der höchsten Eintrittstemperatur, so dass diese Maschinewährend des Betriebs der Kälteanlage immer voll belastet werden kann.

Das Besondere an dieser Anordnung ist, dass sie nicht nur eine vorrangige Belas-tung ermöglicht, sondern auch den Betrieb des betreffenden Geräts auf der Erzeu-gerseite (Wasserkühlmaschine, Wärmetauscher usw.) nicht jeder beliebigen Tem-peraturänderung folgen muss. Bei dieser Konfiguration wird das zurückfließendeWasser des Systems für die nachgeschalteten Wasserkühlmaschinen vorgekühlt,so dass deren Kälteleistung und Energieverbrauch verringert wird. Dadurchwerden die Gesamtbetriebskosten der Kaltwasseranlage gesenkt.

Die Geräte in der Rücklaufleitung des Verbraucherkreises tragen nicht zurAufrechterhaltung der Durchflussrate bei. Sie reduzieren lediglich die Temperaturdes in den Produktionskreis zurückfließenden Wassers. Dies steht zwar imGegensatz zu dem Prinzip, die höchstmögliche Wasserrücklauftemperatur zuerzielen, ist jedoch häufig die beste Möglichkeit, eine freie Kühlung oder spezielleWärmerückgewinnung zu erhalten oder die Investitionskosten für dieEisspeicherung zu senken.

Entkoppelte Systeme mit einer zusätzlichen Maschine im Bypassbetrieb arbeitenim Allgemeinen am wirtschaftlichsten, wenn die verbraucherseitige Wasserkühl-maschine kleiner als diejenigen auf der Produktionsseite der Bypassleitung ist. Dasich die Pumpenanforderungen und der Energieverbrauch durch Modifikationender Systemanordnung ändern, sollten die wirtschaftlichen Auswirkungen miteinem Computerprogramm analysiert werden.

Im Folgenden werden drei verschiedene Systemkonfigurationen vorgestellt, dievon einer zusätzlichen Wasserkühlmaschine im Bypassbetrieb profitieren können.

SYS-APM001-DE 57


Abbildung 22 – Plattenwärmetauscher Plattenwärmetauscher

Bei freier Kühlung kann ein Wärmetauscher8 das Wasser bestenfalls zu wenigenBetriebszeiten auf angenommene 8,9 °C abkühlen. Anstatt diese Kühlkapazität zuignorieren, sollte der Wärmetauscher im größtmöglichen Umfang für den Rück-laufstrom eingesetzt werden. Stromabwärts angeordnete Wasserkühlmaschinenkönnen die Kaltwassertemperatur zusätzlich reduzieren, so dass die freie undmechanische Kühlung gleichzeitig eingesetzt werden. Die Betriebszeit desWärmetauschers wird durch diese Konfiguration erhöht. Da diese Kapazität beimwärmsten Wasser im System zum Tragen kommt, wird der größtmögliche Nutzenerzielt.

Wärmerückgewinnung

Eine ähnliche Situation tritt ein, wenn eine Wasserkühlmaschine mit Wärmerück-gewinnung auf der Verbraucherseite5 platziert wird (siehe Abb. 22). DieseWasserkühlmaschine kann mit einem speziellen Verflüssiger für dieWärmerückgewinnung ausgestattet sein oder es kann sich um eine Standard-Wasserkühlmaschine mit einem einzelnen Verflüssiger handeln, die alsWärmepumpe dient. Die Wasserkühlmaschine ist u. U. nicht in der Lage, dasWasser auf die für das System notwendige Temperatur abzukühlen. Dies ist beidieser Konfiguration jedoch unerheblich. Betrachten Sie die Maschine nicht alsWasserkühlmaschine, sondern als Heizung. Die Hauptfunktion ist das Heizen, dieKühlung ist nur ein Nebeneffekt. Das zurückfließende Kaltwasser stellt für dieWasserkühlmaschine mit Wärmerückgewinnung eine unbegrenzte Wärmequelledar. Die Wasserkühlmaschine kühlt das Kaltwasser lediglich so weit ab, dass derHeizbedarf gedeckt werden kann. Sie umgehen somit bei der Regelung dasProblem, wie überschüssige Wärme am Verflüssiger abgebaut wird, wenn dieKühl- und Heizlast einer Wasserkühlmaschine keinen perfekten Wärmeausgleichergeben.

Optionale Brennstoffe

Eine Absorptions-Wasserkühlmaschine kann als zusätzliche Maschine im Bypass-betrieb eingesetzt werden. Die Wasserkühlmaschine kann belastet werden, wenndies aufgrund der Tarife des Versorgungsunternehmens vorteilhaft ist. Zudemwird sichergestellt, dass das zurückfließende Wasser mit der höchstenTemperatur zunächst zur Absorptions-Wasserkühlmaschine gelangt, die somiteffizienter arbeitet und mehr Kühlleistung erbringt.

Systemsteuerung

Die Flexibilität von Systemen mit einer zusätzlichen Maschine im Verbraucherkreisist höher, da die Maschine zum Vorkühlen des zurückfließenden Wassers verwen-det wird, nicht aber zur Produktion von Kaltwasser mit Systemtemperatur. Siekönnen somit durch ein anderes Signal belastet werden. Wird das Wasser desRücklaufs vorgekühlt, bietet die Verwendung eines Plattenwärmetauschers eineneindeutigen Vorteil. Eine Wasserkühlmaschine mit Wärmerückgewinnung kann sobelastet werden, dass nur die benötigte Menge an Warmwasser erzeugt und dieWasseraustrittstemperatur am Verflüssiger als Signal verwendet wird. Wird dievorrangige Belastung bei einer Absorptions-Wasserkühlmaschine eingesetzt,kann diese nur durch eine Reduzierung der Wasseraustrittstemperatur belastetwerden.



Bypassleitung

Plattenwärme-tauscher

Vert

eilu

ngPr

oduk

tion

SYS-APM001-DE58


Wasserkühlmaschinen mit unterschiedlicher Leistung

Viele Systemplaner scheinen standardmäßig Wasserkühlmaschinen mit gleicherLeistung in einer Kaltwasseranlage zu verwenden. 2,3 Die Anpassung der Wasser-kühlmaschinenleistung an die Systemlast bietet jedoch einige Vorteile. Beim Starteiner Wasserkühlmaschine wird auch die Zusatzausrüstung eingeschaltet, wo-durch der Energieverbrauch im System steigt. Im Allgemeinen gilt, je kleiner dieWasserkühlmaschine, um so kleiner die Zusatzausrüstung. Ein anderer Vorteil istdie effiziente Belastung der Wasserkühlmaschinen. Häufig kann dies über Wasser-kühlmaschinen mit unterschiedlicher Leistung realisiert werden. Vergleichen Siedie eine Aufteilung der Kälteleistung von 60/40 (eine Wasserkühlmaschine mit 60-prozentiger, die zweite mit 40-prozentiger Systemleistung) und die Aufteilung derKälteleistung von 1/3 zu 2/3 (eine Wasserkühlmaschine mit 1/3, die andere mit 2/3der Systemleistung). Der Vorteil ist, dass die Systemlast besser auf die Gesamt-leistung der Wasserkühlmaschinen können abgestimmt werden kann, so dass dieEffizienz des Gesamtsystems zunimmt.

Serienschaltung im Gegenstromverfahren

Eine andere energiesparende Systemkonfiguration beinhaltet die zuvor erläuterteReihenschaltung, erweitert jedoch auf Kaltwasser und Kühlwasser. In Abbil- dung 23 ist eine solche Konfiguration zu sehen.

Beachten Sie, dass in diesem Fall die nachgeschaltete Maschine Kaltwasser miteiner Temperatur von 4,4 °C und die vorgeschaltete Maschine Kaltwasser mit 10°C produziert. Die Kühlwassereintrittstemperatur der nachgeschalteten Maschinebeträgt 29,4 °C, die der vorgeschalteten Maschine 35 °C. Die Pumpanforderungliegt daher auf der Kaltwasserseite bei nur 1,2 gpm/Tonne und auf der Kühlwas-serseite bei nur 1,5 gpm/Tonne, d. h. die Leistungsaufnahme und damit die Ener-giekosten der Pumpen werden erheblich gesenkt.

Die erforderliche Temperaturanhebung der beiden Wasserkühlmaschinen wirddurch diese Konfiguration ausgeglichen (siehe Abb. 23a). Kaltwasser und Kühl-wasser fließen in entgegengesetzte Richtung, daher die Bezeichnung Gegen-stromverfahren.

Die Serienschaltung im Gegenstrom-verfahren kann mit allen Wasserkühl-maschinentypen realisiert werden. InAbbildung 23 sind Doppel-Wasserkühl-maschinen dargestellt. Eine einzelne großeWasserkühlmaschine kann als Doppelma-schine gebaut werden. Kalt- und Kühlwas-serkreislauf sind in beiden Hälften der Du-plexmaschine identisch. Die höhere Leis-tung ergibt sich aus der Trennung von Ver-dichtern und Kältemittelkreisläufen. Diebeiden Hälften bieten somit redundanteLeistung und steigern die Systemzuver-lässigkeit.

SYS-APM001-DE 59


Abbildung 23 – Serienschaltung im Gegenstromverfahren

Vorgeschaltete Wasserkühlmaschine

40,6 °C [105 °F]

15,5 °C [60 °F]

35 °C [95 °F]

10 °C [50 °F]

Nachgeschaltete Wasserkühlmaschine

29,4 °C [85 °F]

4,4 °C [40 °F]

Abbildung 23a – Konzept der gleichmäßigen Temperaturanhebung

40,6 °C[105 °F]

Wasserkühl-maschine miteinem einzigenVerdichter

Serienschaltungim Gegenstrom-verfahren

VorgeschalteteWasserkühlmaschine

NachgeschalteteWasserkühlmaschine

36,1 °C [65 °F]30,6 °C [55 °F]

30,6 °C [55 °F]

4,4 °C [40 °F]

10 °C[50 °F]4,4 °C

[40 °F]

35 °C[95 °F]

40,6 °C[105 °F]

SYS-APM001-DE60


Anwendungen außerhalb des Durchfluss- undTemperaturbereiches der Wasserkühlmaschine

Es kann vorkommen, dass Systemplaner für die Kühlung Wasserkühlmaschineneinsetzen möchten, die zwar über ausreichend Leistung verfügen, deren Durch-flussrate oder Kaltwassertemperatur aber nicht innerhalb des geforderten Be-reichs liegt. Dies ist häufig bei Produktionsprozessen der Fall. Im Folgenden wer-den zwei Beispiele für Systemauslegungen vorgestellt, die die gewünschten Be-dingungen erfüllen können.

Abweichende DurchflussrateBei einem Kunststoff-Spritzgussprozess werden 5,1 l/s Wasser mit einer Tempe-ratur von 10 °C zur Kühlung benötigt. Die Rücklauftemperatur beträgt 15,6 °C. Diegewählte Wasserkühlmaschine kann Kaltwasser mit dieser Temperatur bereitstel-len, hat aber eine Mindest-Durchflussrate von 7,6 l/s. Das folgende System in Ab-bildung 24 kann diesen Prozess mit Kaltwasser versorgen. Durch dieEntkopplung der Wasserkühlmaschine von der Prozesslast ist eine abweichendeWasserdurchflussrate möglich, so dass der Durchfluss in derWasserkühlmaschine innerhalb des zulässigen Bereichs liegt. Bei einem Systemmit einer Wasserkühlmaschine wird mit einer Pumpe und einem 3-Wege-Ventildas gleiche Ergebnis erzielt.

Abbildung 24 – Abweichende Durchflussrate der Kälteanlage

10 °C5,1 l/s

Pumpe mit konstantemVolumen

Wasserkühl-maschine

Pumpe mit konstantemVolumen 7,6 l/s

10 °C7,6 l/s

Bypass-leitung

13,7 °C7,6 l/s

10 °C2,3 l/s

15,6 °C5,1 l/s

Prozess-last

SYS-APM001-DE 61


Abweichende WassertemperaturBei einem Laborprozess werden 7,6 l/s Wasser mit einer Temperatur von 29,4 °Czur Kühlung benötigt. Die Rücklauftemperatur beträgt 35 °C. Die erforderlicheGenauigkeit übersteigt die Regelgenauigkeit des Kühlturms. Die verwendete Was-serkühlmaschine bietet zwar eine ausreichende Leistung, aber die maximale Kalt-wasser-Austrittstemperatur beträgt 15,6 °C.

Mittels zweier Bypassleitungen kann das Mischventil die korrekte Temperatur fürdie Prozesslast bereitstellen, während Durchflussrate und Kaltwassertemperaturder Wasserkühlmaschine im zulässigen Bereich liegen. Im Beispiel in Abbildung25 ist die Durchflussmenge der Wasserkühlmaschine und des Prozesses gleich,was allerdings nicht erforderlich ist. Ist die Durchflussrate derWasserkühlmaschine höher, wird mehr Wasser durch die Bypassleitung geführtund mit warmem Wasser des Rücklaufs gemischt.

Abbildung 25 – Abweichende Kaltwassertemperatur der Kälteanlage

15,6 °C7,6 l/s

29,4 °C7,6 l/s15,6 °C

7,6 l/s

Prozess-last

Wasserkühl-maschine

Misch-ventil

Bypass-leitungen

Pumpe mitkonstantem

Volumen

35 °C7,6 l/s

Pumpe mitkonstantem

Volumen7,6 l/s

35 °C2,2 l/s

Abbildung 26 zeigt ein Beispiel für eine Prozessanwendung, die eine präzisereTemperaturregelung erfordert, als die Regelung der Wasserkühlmaschine zulässt.

Wird beispielsweise Wasserkühlmaschine 2 eingeschaltet, wird erst nach einerbestimmten Zeit der Sollwert der Kaltwassertemperatur erreicht. Das zugeordneteRegelventil bleibt geschlossen und das Wasser wird durch die Bypassleitunggeleitet, bis Wasserkühlmaschine 2 den Sollwert erreicht hat, so dass die Tempe-ratur des Kaltwassers innerhalb des Toleranzbereichs bleibt. Wenn Wasserkühl-maschine 2 den Temperatursollwert erreicht, wird das Regelventil geöffnet.

Diese Anordnung erfordert eine andere Schaltfolgestrategie für die Wasserkühl-maschinen als das standardmäßige entkoppelte System. Das Wasser darf nichtvon der Rücklaufseite zur Vorlaufseite umgeleitet werden, da andernfalls dieTemperatur des für die Prozesskühlung bestimmten Kaltwassers außerhalb desToleranzbereichs liegt. Stellen Sie die Systemsteuerung so ein, dass Wasserkühl-maschine 2 eingeschaltet wird, bevor die Durchflussrate zu gering ist.

15,6 °C5,4 l/s

21,1 °C7,6 l/s

35 °C5,4 l/s

SYS-APM001-DE62


Abbildung 26 – Präzise Temperaturregelung bei mehreren Wasserkühlmaschinen

Regelventile Pumpe mitvariablerDrehzahl

Wasserkühl-maschine 1

Wasserkühl-maschine 2

Bypass

Prozess-last

Verweise1. BSR/ASHRAE/IESNA 90.1–1999, “Energy standard for buildings except low-rise

residential buildings”, Illuminating Engineering Society of North America andAmerican Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,Inc., 1999.

2. Eppelheimer, D., P.E. und Bradley, B.; “Chilled-Water Plants and…Asymmetry asa Basis of Design”, Engineers Newsletter, Volume 28, No. 4, The TraneCompany, Oktober 1999.

3. Landman, W. und Bradley, B.; “Off-Design Chiller Performance”, EngineersNewsletter, Volume 25, No. 5, The Trane Company, Dezember 1996.

4. Trane Applications Engineering Group, “A New Era of Free Cooling”, EngineersNewsletter, Volume 20, No. 3, The Trane Company, 1991.

5. Trane Applications Engineering Group, “Two Good Old Ideas Combine to FormOne New Great Idea”, Engineers Newsletter, Volume 20, No. 1, The TraneCompany, 1991.

SYS-APM001-DE 63

Problemfragen zumKaltwassersystem

“Minimum ��T-Syndrom”

Während der letzten Jahre war das “Minimum �T-Syndrom” ein viel diskutiertesThema.1,3 Es äußert sich durch eine zu niedrige Wasserrücklauftemperatur ingroßen Systemen, so dass die Wasserkühlmaschinen nicht vollständig belastetwerden können. Viele Systemoperatoren setzten daher zusätzlicheWasserkühlmaschinen ein, um die Durchflussanforderungen zu erfüllen. MancheSystemplaner setzen sich für die Integration eines Rückschlagventils in derBypassleitung ein, so dass die primären und sekundären Kaltwasserpumpen inReihe geschaltet werden und der Durchfluss über den Verdampfer derWasserkühlmaschine geregelt werden kann. Andere Systemplaner installierengrößere Primärpumpen als erforderlich, um Wasserkühlmaschinen bei Teillast zu“überpumpen”. Diese Lösungen sind jedoch nur eine “Erste Hilfe” und behebennicht die Ursache des Problems.

Coad2 verweist darauf, dass ein fehlerfreies Wassersystem wie geplant arbeitetund erläutert die Mängel bei der Verwendung von Rückschlagventil und dem”Überpumpen”. Taylor5 empfiehlt, einige Hilfsverfahren zu implementieren, umdas Problem zu beheben. Dazu gehören:• 3-Wege-Ventile vermeiden.• Feststellen, ob das Problem nicht von der luftseitigen Regelung verursacht wird.• Auf eine korrekte Wartung des Systems achten, einschließlich eines regelmäßi-

gen Wechsels der Luftfilter, der Reinigung von Wärmetauschern, Kalibrierungder Regel- und Steuereinrichtungen und korrekte Sollwerte.

Versuchen Sie, vor Einsatz von “Erste-Hilfe-Maßnahmen” zur Behebung derSymptome des “Minimum �T-Syndroms” den ordnungsgemäßen Betrieb desSystems zu gewährleisten, indem Sie ein oder alle von Taylor5 vorgeschlagenenVerfahren verwenden. Neben diesen Verfahren wird in Systemen mit 2-Wege-Regelventilen durch Verringerung der Kaltwassertemperatur die Wasserrücklauf-temperatur erhöht.

Rückschlagventil in der Bypassleitung

Manche Systemplaner empfehlen die Installation eines Rückschlagventils in derBypassleitung eines Systems mit Primär-Sekundär-Kreislauf, um eine ausreichen-de Durchflussrate in der Bypassleitung sicherzustellen. Grundlage dieser Empfeh-lung ist, dass das Rückschlagventil die Pumpen des Primär- und Sekundärkreis-laufs im Falle eines Systemfehlers (geringe Temperaturdifferenz) in Reihe schaltetund mehr Wasser durch die Wasserkühlmaschine pumpt. Auf diese Weise wirdder Durchfluss im Primär- und Sekundärkreislauf ausgeglichen. Dieser Ansatz istjedoch nicht allgemein anerkannt. Coad2 vertritt folgende Meinung:

Wenn das System mit variablem Volumenstrom ausgelegt wurde und aufgrundniedriger Wasserrücklauftemperaturen Probleme auftreten, ist die Lösung nichtin der Anlage, sondern vielmehr in der Kühllast zu suchen.

SYS-APM001-DE64


Als eine Lösung wurde die Installation eines Rückschlagventils in Anlagen mitoder ohne entkoppeltem Wasserkreislauf vorgeschlagen. Das Rückschlagventilkann jedoch lediglich verhindern, dass Wasser an den Wasserkühlmaschinenvorbeigeleitet wird. Das Ergebnis ist eine größere Durchflussmenge der Wasser-kühlmaschine. Mit der Installation des Rückschlagventils muss daher ein Algo-rithmus einhergehen, der bei Überschreiten der Auslegungs-Durchflussrate ent-weder die Drehzahl der Systempumpe(n) verringert oder zusätzliche Wasser-kühlmaschinen einschaltet. Die Lösung mit Rückschlagventil birgt somit eigeneProbleme, und zahlreichen Systemplanern behagt es nicht, Pumpen in Serie zuschalten, ohne die gesamten Auswirkungen zu kennen.

Daher wird hier die Verwendung von Rückschlagventilen in der Bypassleitungnicht empfohlen.

Fehlerbehebung

Bei den zahlreichen Ansätzen, die möglichen Kunden zur Verfügung stehen,scheint der Hauptgedanke unterzugehen. Kaltwasseranlagen werden gekauft, umzuverlässig Kaltwasser zu produzieren, das z. B. für die Komfortklimatisierungoder die Prozesskühlung benötigt wird. Beim Betrieb einer solchen Anlage sinddaher Einrichtungen erforderlich, die Fehler an der Kalt- oder Kühlwasserpumpe,der Verflüssigerpumpe, dem Kühlturm oder der Wasserkühlmaschine beseitigen.Die Fehlerbehebung sollte ein fester Bestandteil des Steuer- und Regelsystemsder Kaltwasseranlage sein. Betrachten Sie Abbildung 27. Wenn die Folgeschal-tung versucht, Wasserkühlmaschine 2 und die zugehörige Pumpe zu starten, diePumpe jedoch eine elektrische Störung aufweist, sperrt die Steuerung automa-tisch Wasserkühlmaschine 2 und die entsprechende Pumpe. Anschließend mussdie Steuerung Wasserkühlmaschine 3 und die zugehörige Pumpe starten. Gleich-zeitig zeigt die Steuerung dem Betreiber eine Alarmmeldung an.

Alternative Energiequellen

Es zwei grundlegender Ansätze:• Für eine alternative, interne Energiequelle sorgen, die bei einem Stromausfall

oder unverhältnismäßig hoher Stromkosten (tageszeitabhängige Tarife) dieVersorgung des Systems sicherstellt.

• Eine zusätzliche Möglichkeit zur Kaltwasserproduktion schaffen, z. B. durchVerwendung von Erdgas, anderen fossilen Brennstoffen oder kostengünstigemStrom als alternative Energiequelle.

Start von Wasserkühlmaschine 3

Wasserkühlmaschine 2 nicht verfügbar

Wasserkühlmaschine 1 in Betrieb

Bypassleitung

Rücklauf Kaltwasserzulauf

Abbildung 27 – Fehlerbehebung

SYS-APM001-DE 65


Stromerzeugung

Entwurf, Konstruktion und Betrieb von Stromaggregaten mit ausreichender Leis-tung sind bekannt. Die Leistung des Stromaggregats kann für den Betrieb der ge-samten Kälteanlage oder für eine Notsituation ausgelegt werden. Die Stromerzeu-gung kann außerbetrieblich erfolgen, um eine eine Erhöhung des innerbetriebli-chen Anlagevermögens zu vermeiden.

Eine Möglichkeit der Stromerzeugung besteht in der Verwendung eines mit derWasserkühlmaschine direkt oder indirekt gekoppelten Motors. In beiden Fällenwird Kaltwasser unter Verwendung eines alternativen Brennstoffs produziert, z. B.Erdgas oder Heizöl. Bei indirekter Kopplung kann die Wasserkühlmaschine miteinem alternativen Brennstoff oder Netzstrom betrieben werden. Bei einem direktgekoppelten Motor kann ausschließlich der alternative Brennstoffe verwendetwerden.

Alternative Brennstoffe

Manche Systemplaner bevorzugen Wasserkühlmaschinen, die fossile Brennstoffenutzen. Ein Beispiel sind Absorptions-Wasserkühlmaschinen, die mit Erdgas, Was-serdampf oder Heißwasser betrieben werden. Anlagen mit diesen Wasserkühl-maschinen, die an anderer Stelle detailliert erläutert werden4, bieten dem Eigen-tümer Vorteile bei dauerhaft unterschiedlichen Brennstofftarifen.

Wärmespeicherung

Eine andere, erfolgreich eingesetzte alternative Energiequelle ist die Wärmespei-cherung. Wasserkühlmaschinen produzieren zu Zeiten geringer Stromkosten Eisoder Kaltwasser. Die anfallende Energie wird in Behältern gespeichert und zuZeiten hoher Stromkosten freigegeben, um die Kühllast zu erbringen. Die Wärme-speicherung wird an anderer Stelle detailliert erläutert.6,7,8,9

Der Einsatz dieser Technologien bedeutet eine Wertsteigerung für denGebäudebesitzer durch überlegte Nutzung alternativer Brennstoffe.

SYS-APM001-DE66


Alternativplan

Neben der Fehlerbehebung sollten Anlagenplaner gemeinsam mit dem Gebäude-besitzer einen Alternativplan für die Kaltwasserproduktion erstellen, der bei Not-abschaltungen oder längeren Ausfällen greift. Für die Prozesskühlung ist dieshäufig unabdingbar. Ein solcher Plan könnte beispielsweise die Zusammenarbeitmit Zulieferern umfassen, um kurze Vorlaufzeiten bei Geräteleasing zu gewähr-leisten. Wird das Geräteleasing mit einer Integration von Anschluss-Stutzen bzw.Flanschen in das Kaltwassersystem kombiniert, können die Geräte schnellerangeschlossen und der Alternativplan schneller umgesetzt werden, so dass dieProduktion von Kaltwasser in kürzester Zeit erneut anläuft.

Alternativplan für den KühlbetriebZahlreiche Unternehmen verfügen heutzutage über Alternativpläne für wichtigeBereiche ihres Geschäfts. Einige wurden für Naturkatastrophen aufgestellt,während andere einen Stromausfall in entscheidenden Bereichen beheben. Nurwenige Unternehmen haben sich jedoch Gedanken über einen Ausfall der Küh-lung gemacht. Welche Auswirkungen hätte ein Ausfall oder extremer Abfall derKühlung durch Wetterbedingungen oder andere Faktoren auf das Geschäft?Welche finanziellen Risiken gehen mit dem Ausfall der Kühlung einher?

Alternativpläne für die Kühlung haben eine Minimierung der Verluste durch denvollständigen oder teilweisen Ausfall der Kühlung zum Ziel. Der Gebäudebesitzerkann durch die Existenz eines Notfallplans und die Vorbereitung vonErsatzgeräten schneller reagieren. Zahlreiche Unternehmen nehmen dieseVorbereitung erst nach der Konstruktionsphase vor, obwohl diese Phase eineeinfache und kostengünstige Gelegenheit bietet, die Anlage vorzubereiten.Zudem ist dies der geeignete Zeitpunkt, Wasser- und Stromanschlüsse zuinstallieren. Die Kosten können so niedrig gehalten werden, und es besteht keinBedarf, vorhandene Geräte auszuschalten, um die erforderlichen Vorbereitungenim Gebäude zu treffen.

Alternativpläne für die Kühlung sind dazu gedacht, sich auf einen Ausfall der Küh-lung während des alltäglichen Betriebs vorzubereiten. In einer kritischen Situationkann so überlegter und ohne Überstürzung gehandelt werden. Die folgendenThemen sind allgemein gehalten. Sie geben einen Überblick über den Planungs-prozess. Die Alternativplanung selbst ist äußerst detailliert und situationsab-hängig.

Erforderliche Mindestkapazität: Zunächst muss die erforderliche Mindestkapazitätfestgestellt werden. Verfügt die Anlage über mehrere Wasserkühlmaschinen, isteine geringere Leistung in Notsituationen akzeptabel. Beispiel: Die Kälteleistungeiner Anlage beträgt 6.330 kW, es ist jedoch nur eine Mindestleistung von4.220 kW erforderlich. Daher muss ein Aktionsplan für den Fall aufgestellt werden,dass Wasserkühlmaschine 1, Wasserkühlmaschine 2 und 3, usw. ausfällt.

SYS-APM001-DE 67


Typ und Größe der WasserkühlmaschineTyp und Größe der für eine Einrichtung benötigten Alternativkühlung werden vonmehreren Faktoren bestimmt. Die Wahl der Wasserkühlmaschine bestimmt imGegenzug, wie die Anlage vorbereitet wird. Die folgenden Parameter haben u. a.Einfluss auf die Wahl der Wasserkühlmaschine:• Leistungsaufnahme• Installationsfreundlichkeit (luftgekühlte Wasserkühlmaschinen sind leichter zu

installieren)• Standort oder verfügbarer Platz• Komfort- oder Prozesskühlung

Standort der AnlageDer Standort kann bei der Alternativplanung eine wichtige Rolle spielen. Bei derWahl eines Standorts für Ersatzgeräte müssen folgende Faktoren berücksichtigtwerden:• Lage der Wasser- und Stromanschlüsse• Geräuschempfindliche Bereiche der Einrichtung• Leichter Zugang für die Servicemitarbeiter• Kein Zugang für unbefugte Personen

Wasser- und Stromanschlüsse

• Dimensionierung des Wasseranschlusses• Lage externer Anschlüsse• Ausreichende Energieversorgung• Leistung des Generators (bei Bedarf)

Zusatzausrüstung

• Pumpenleistung• Ersatzleitungen und -Schlauchverbindungen• Stromkabel

Dieser Abschnitt gibt einen kurzen Überblick über Faktoren, die bei der Erstellungeines Alternativplans für die Kühlung zu berücksichtigen sind. Bedenken Siejedoch, dass je nach Anwendung andere Faktoren ebenfalls eine Rolle spielenkönnen.

SYS-APM001-DE68


Verweise1. Avery, G., PE; “Controlling Chillers in Variable-Flow System”, ASHRAE Journal,

Februar 1998, S. 42-45.2. Coad, W.J., PE; “A Fundamental Perspective on Chilled-Water Systems”,

Heating/Piping/Air Conditioning, August 1998, S. 59-66.3. Kirsner, W.; “The Demise of the Primary-Secondary Pumping Paradigm for

Chilled-Water Plant Design”, Heating/Piping/Air Conditioning, November 1996.4. Schwedler, M., PE and Brunsvold, D., Absorption Chiller System Design, SYS-

AM-13, The Trane Company, Mai 1999.5. Taylor, S. T.; “Degrading Delta-T in New and Existing Chilled Water Plants”,

Cool $ense National Forum on Integrated Chiller Retrofits, Lawrence BerkeleyNational Laboratory and Pacific Gas & Electric, September 1997.

6. Trane Applications Engineering Group, “Thermal Storage – Understanding ItsEconomics”, Ice Storage Systems, Engineered Systems Clinics. ISS-CLC-1, TheTrane Company, 1991.

7. Trane Applications Engineering Group, “Thermal Storage – Understanding theChoices”, Ice Storage Systems, Engineered Systems Clinics. ISS-CLC-2, TheTrane Company, 1991.

8. Trane Applications Engineering Group, “Thermal Storage – UnderstandingSystem Design”, Ice Storage Systems, Engineered Systems Clinics. ISS-CLC- 3,The Trane Company, 1991.

9. Trane Applications Engineering Group, “Thermal Storage – UnderstandingControl Strategies”, Ice Storage Systems, Engineered Systems Clinics. ISS-CLC-2, The Trane Company, 1991.

SYS-APM001-DE 69

Variationen imKühlwassersystem

In wassergekühlten Wasserkühlmaschinen müssen Änderungen im Kühlwasser-system beachtet werden. Die Temperaturen und Durchflussraten des Kühlwasserswerden in Abschnitt “Grundlagen der Kaltwasseranlagen” erläutert. Da die Steue-rung von luftgekühlten Verflüssigern Teil der Wasserkühlmaschinenkonstruktionsind, wird hier auf dieses Thema nicht eingegangen.

Um eine optimale Wärmeübertragungsleistung zu erzielen, müssen die Wärme-übertragungsflächen des Verflüssigers frei von Kesselstein und Schlamm sein.Selbst eine geringe Kesselsteinansammlung kann die Wärmeübertragung unddamit den Wirkungsgrad der Wasserkühlmaschine erheblich mindern.Einzelheiten zur Aufbereitung von Kühlturmwasser werden in diesem Handbuchnicht erläutert. Nehmen Sie die Dienste eines qualifizierten Spezialisten für dieWasseraufbereitung in Anspruch, um den erforderlichen Umfang derWasseraufbereitung zur Beseitigung von Schadstoffen im Kühlturmwasser zuermitteln.

Konfiguration der Verflüssiger-Durchflussrate

Die wichtigste Voraussetzung ist ausreichender Druck am Pumpeneintritt. DiePumpe muss daher häufig unterhalb des Auffangbeckens des Kühlturms positio-niert werden.

Ein Kühlturm pro WasserkühlmaschineBei einigen Anwendungen ist jeder Wasserkühlmaschine ein Kühlturm zugeord-net. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn die Wasserkühlmaschinen und zugehö-rigen Kühltürme zu unterschiedlichen Zeitpunkten angeschafft wurden, z. B. imZuge einer Anlagenerweiterung.

VerteilerpumpenEine häufig verwendete Pumpenanordnung verfügt über ein Kühlturmauffang-becken mit mehreren Pumpen, eine Kühlwasserleitung sowie separate, kleinerdimensionierte Leitungen für jede Wasserkühlmaschine (siehe Abbildung 28). Siebietet eine Reihe von Vorteilen:• Redundante Pumpenleistung.• Wenn die Zellen des Kühlturms isoliert werden können, ist ein Betrieb jeder

Kühlturmzelle mit einer beliebigen Wasserkühlmaschine möglich.• Die Wasseranschlüsse bereiten im Allgemeinen weniger Probleme als auf der

Kaltwasserseite.• Kühltürme können von Wasserkühlmaschinen entfernt positioniert werden und

mittels einer einzigen Zulauf- und Rücklaufleitung angeschlossen werden.

Abbildung 28 – Leitungsanschluss derKühlwasserpumpen

Kühlwasser-pumpen

Kühltürme

Kühllast

SYS-APM001-DE70


Kühlwasserregelung für vorübergehende BedingungenDer Betrieb jeder Wasserkühlmaschine erfordert eine Druckdifferenz zwischenVerdampfer und Verflüssiger. Die Wasserkühlmaschine muss diese Druckdifferenzinnerhalb der vom Hersteller spezifizierten Zeit erzeugen. Andernfalls wird siedurch die Steuerung abgeschaltet. Unter bestimmten Anlaufbedingungen kann esproblematisch sein, diese Druckdifferenz innerhalb der angegebenen Zeitaufzubauen.

Dies kann beispielsweise in einem Bürogebäude der Fall sein, das während eineskalten, klaren Herbstwochenendes nicht besetzt war. Die Wassertemperatur imAuffangbecken des Kühlturms beträgt 4,4 °C. Am Montag ist es jedoch sonnigund warm, so dass die Wasserkühlmaschine eingeschaltet werden muss. Da dieWasserkühlmaschine jedoch nur geringfügig belastet ist und das Auffangbeckendes Kühlturms sehr groß ist, kann die Druckdifferenz nicht vor Abschalten derWasserkühlmaschine erreicht werden. Kann hingegen die Durchflussmenge amVerflüssiger für eine bestimmte Wasserkühlmaschine reduziert werden, ist einsolches Szenario weniger wahrscheinlich. Durch die geringere Durchflussmengesteigt die Kühlwasseraustrittstemperatur, die Kältemitteltemperatur desVerflüssigers sowie der Druck des Kältemittels.

Die Durchflussmenge kann wie folgt reduziert werden:• Kühlturm-Bypassleitung• Wasserkühlmaschinen-Bypassleitung• Ein bis zwei Drosselventile in der Kühlwasserleitung und Pumpenbetrieb gemäß

der zugehörigen Kurve• Kühlwasserpumpe mit variabler Drehzahl

Nachdem die Mindestdruckdifferenz erreicht wurde, kann der Durchfluss erhöhtwerden, solange diese Mindestdruckdifferenz nicht unterschritten wird. MancheSystemplaner und Betreiber sind besorgt, dass unter solchen Anlaufbedingungendie Kühlwasserrohre verschmutzen könnten. Da die Anlage jedoch nur selten undfür kurze Zeit bei reduzierter Durchflussmenge betrieben wird, ist diese Befürch-tung unbegründet. Die Vor- und Nachteile dieser Möglichkeiten werden in ver-schiedenen Veröffentlichungen dargelegt.1,5

SYS-APM001-DE 71


Regelungsmethoden für den Kühlturmventilator

In Kühltürmen wird die Wassertemperatur im Auffangbecken erzeugt. Bei Ände-rung der Wärmeabfuhrlast oder der Umbegungsluft-Feuchtkugeltemperaturmüssen die Kühlturmventilatoren mehr oder weniger Luft bewegen, um diegewünschte Wassertemperatur zu erreichen.

Betrieb eines einzelnen VentilatorsDas Ein- und Ausschalten eines einzelnen Ventilators stellt eine Methode dar, dieWassertemperatur grob zu regeln. Da sich der Luftstrom in Abhängigkeit derVentilatordrehzahl ändert, ändert sich auch die Wärmeabfuhr.Temperaturschwankungen zwischen 4 °C und 6 °C sind nicht selten. MancheWasserkühlmaschinen, vor allem ältere Modelle mit pneumatischer Steuerung,erbringen bei derartigen Temperaturschwankungen eine geringere Leistung.Zudem muss darauf geachtet werden, dass der Ventilator nicht zu häufig ein- undausgeschaltet wird, da dies zu Schäden am Motor, Antrieb oder Ventilatorblockführen kann.

2-stufige VentilatorenHäufig werden Kühlturmventilatoren mit zwei Drehzahlstufen installiert, umTemperaturschwankungen zu verringern. Die niedrigere Drehzahl beträgt imAllgemeinen zwischen 50 und 70 Prozent der vollen Drehzahl. Da sich die Wärme-abfuhr ungefähr proportional zur Ventilatordrehzahl ändert, liegen dieTemperaturschwankungen bei nur 50 bis 75 Prozent des Betriebs eines einzelnenVentilators. Auch in diesem Fall sollte der Ventialtor nicht zu häufig ein- undausgeschaltet werden, da sonst das Getriebe einem erheblichen Verschleißunterliegt und ausfallen kann. Ein wichtiger Vorteil 2-stufiger Ventilatoren bestehtdarin, dass der Stromverbrauch des Ventilators bei niedriger Drehzahl wesentlichgeringer ist. Der Stromverbrauch des Ventilators entspricht (ungefähr) derKubikwurzel der Drehzahl. Bei halber Drehzahl liegt der Stromverbrauch daher beica. 15 Prozent des Verbrauchs bei voller Drehzahl.

“Pony“–MotorEine weitere Option, die Kühlturmhersteller anbieten, ist die Bereitstellung vonzwei separaten Motoren für den Antrieb des Ventilators. Der kleinere der beidenMotoren wird als “Pony“-Motor bezeichnet. Er wird bei zwei Dritteln der vollenDrehzahl betrieben und verbraucht etwa 30 Prozent des Stroms, der bei vollerDrehzahl erforderlich ist. Entscheidend ist, dass bei der Steuerung des Kühlturmsder Wechsel zwischen verschiedenen Drehzahlen minimiert wird.

Antriebe mit variabler DrehzahlDie Verwendung von Antrieben mit variabler Drehzahl für Kühlturmventilatorenbietet zwei wichtige Vorteile. Zum einen kann die Temperatur desKühlturmwasser sehr exakt reguliert werden. Zum anderen können erheblicheEnergieeinsparungen erzielt werden, da der Stromverbrauch des Ventilators derKubikwurzel aus der Geschwindigkeit entspricht. Zudem kann bei Antrieben mitvariabler Drehzahl die Ventilatordrehzahl geändert werden, ohne dass an Getriebeoder Motor Verschleißerscheinungen auftreten. Sie können darüber hinausakustische Vorteile bringen, da die Geräuschentwicklung bei niedriger Drehzahlwesentlich geringer ist.

SYS-APM001-DE72


Plattenwärmetauscher

Wie bereits in Abschnitt “Variationen im Kaltwassersystem” erläutert wurde, kön-nen Plattenwärmetauscher zusammen mit einem Kühlturm eingesetzt werden,um bei geringen Feuchtkugeltemperaturen Kühlung zu leisten. In diesen Fällenwählen Systemplaner häufig einen überdimensionierten Kühlturm, so dass dieserfür längere Zeiten mit dem Wärmetauscher verwendet werden kann.

Brunnen-, Fluss- oder Seewasser

Es kann vorkommen, dass Brunnen-, Fluss- oder Seewasser durch den Verflüs-siger gepumpt wird. In dieser Situation sollten die Kosten für das Pumpen desWassers jedoch mit den Vorteilen für die Wasserkühlmaschine durch denerhöhten Durchfluss am Verflüssiger verglichen werden. Der in der lokalenGesetzgebung verankerte Umweltschutz ist ein weiterer zu berücksichtigenderFaktor. In manchen Regionen ist ein Ablassen von genutztem Brunnenwasserverboten. Andere lokale Behörden begrenzen die maximale Temperatur vonWasser, das in ein Gewässer geleitet wird. Die Durchflussmenge muss sorgfältiggewählt werden, um sowohl wirtschaftliche als auch umweltpolitischeAnforderungen zu erfüllen.

Regelung der Kühlwassertemperatur

Energiegleichgewicht zwischen Wasserkühlmaschine und KühlturmDie Regelung der Kühlwassertemperatur wurde von verschiedenen Personenuntersucht. In den vergangenen Jahren haben Braun und Didderich2, Hydeman,Gillespie und Kammerud3 sowie Schwedler4 unabhängig voneinanderfestgestellt, dass das Gleichgewicht zwischen dem Stromverbrauch derWasserkühlmaschine und des Kühlturms große Bedeutung hat. Hydeman, et al.haben belegt, dass die optimale Kühlwassertemperatur für eine spezifischeKaltwasseranlage sowohl von der Wasserkühlmaschinenlast als auch von derUmgebungstemperatur abhängt (siehe Abbildung 29). Alle Studien habengezeigt, dass bei vielen Betriebspunkten die niedrigste Temperatur, die derKühlturm produzieren kann, nicht optimal ist. Systemplaner und -betreibermüssen die Nutzung von Steuerungen auf Systemebene analysieren, um dieTemperatur im Auffangbecken so einzustellen, dass dieGesamtleistungsaufnahme von Wasserkühlmaschine und Kühlturm reduziertwird. Diese optimale Steuerung von Wasserkühlmaschine und Kühlturm kannmittels eines Managementsystems für Kälteanlagen automatisiert werden.

SYS-APM001-DE 73


Abbildung 29 – Optimierung der Leistungsaufnahme von Wasserkühlmaschine undKühlturm

Leistungsaufnahme der Anlage im Verhältnis zumSollwert der Kühlwassertemperatur

Oberhalb dieser Kühlwas-sertemperatur entsprichtdie Kälteleistung der Was-serkühlmaschinen nichtmehr der Kühllast.

Leis

tung

sauf

nahm

e (k

W)

Niedrigste Temperatur desKühlwassers, die der Kühl-turm bei dieser Kühllastund Feuchtkugeltemperaturproduzieren kann

1.200

1.000

800

600

400

200

0

Kühlwasser-Sollwert (°F)

5.803 kW 18,3 °C Feuchtkugel

4.080 kW 15 °C Feuchtkugeltemperatur

2.567 kW 12,2 °C Feuchtkugeltemperatur

Abbildung 29 wurde mit Genehmigung von Hydeman, et al. verwendet.

Optionen für die Kühlwasserpumpe

Gleichgewicht zwischen Wasserkühlmaschine und PumpeIn bestimmten Situationen kann ein Systemplaner die Durchflussmenge des Kühl-wassers zusätzlich oder anstelle der Drehzahl des Kühlturmventilators ändern.Dies ist in Systemen mit hoher Pumpenleistung von Vorteil. Bei Verwendungeines Antriebs mit variabler Drehzahl kann die Durchflussrate reduziert werden,um den Stromverbrauch der Pumpe wesentlich zu senken – etwa im Verhältniszur Kubikwurzel der Drehzahl. Eine Änderung der Geschwindigkeit von Pumpeund Ventilator ist komplex und erfordert eine angemessene Auslegungs- undInstallationszeit.

60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88

SYS-APM001-DE74


Einschränkungen des variablen VolumenstromsDer Durchfluss am Verflüssiger muss oberhalb der für den Verflüssiger zulässigenMindestdurchflussmenge liegen. Der Operator muss dieAnnäherungstemperatur des Verflüssigers (die Differenz zwischen derKühlmitteltemperatur im Verflüssiger und der Austrittstemperatur desKühlwassers) protokollieren, um eine Verschmutzung der Rohre zu verhindern.Die Annäherungstemperatur kann mittels eines Managementsystems fürKälteanlagen überwacht werden.

Die Konstruktion von Kühlturm und/oder Kühlturmdüsen kann die zulässigeDurchflussmenge am Verflüssiger beeinflussen. Fällt der Durchfluss unter dasvom Hersteller angegebene Minimum, wird das Wasser nicht mehr gleichmäßigim Kühlturm verteilt. Die Effektivität der Wärmeübertragung am Kühlturm nimmtdaher ab. In Extremfällen kann es sogar zu einem Gefrieren des Wassers im Kühl-turm kommen. Wenn Sie einen variablen Durchfluss in Betracht ziehen, solltenSie sich mit dem Hersteller des Kühlturms in Verbindung setzen, um die Mindest-durchflussmenge zu erfragen und Düsen oder Kühlturmkonfigurationen zu wäh-len, die variable Durchflussmengen unterstützen.

Entkoppeltes KühlwassersystemUm mögliche Probleme aufgrund variabler Durchflussmengen an einem Kühl-turm zu umgehen, entkoppeln manche Systemplaner das Kühlwassersystem(siehe Abbildung 30). Diese Anordnung ermöglicht eine Energieoptimierung,indem die Pumpenleistung reduziert wird, ohne das System übermäßig zu kom-plizieren. Da Kühltürme bei einem vollen Wasserdurchfluss über das Übertra-gungsmedium die beste Leistung erzielen, sorgt eine separate Umlaufpumpe füreinen konstanten Durchfluss im Kühlturm. Diese Pumpe verbraucht nur wenigStrom, da nur eine äußerst geringe Druckerhöhung notwendig ist.

Dedizierte Kühlwasserpumpen mit variablem Durchfluss (CDWP-1 und CDWP-2)ermöglichen eine Herabsetzung der Pumpenleistung, wenn die Temperatur desKühlwassers eine unproduktive Reduzierung des Kältemitteldrucks imVerflüssiger verursacht. Die Anzahl dezidierter Pumpe lässt die Anordnungzunächst kompliziert erscheinen, berücksichtigen Sie jedoch den Wegfall vonReglern und Ventilen.

Abbildung 30 – EntkoppeltesKühlwassersystem

Kühlturmventilator(Wechselrichterbetrieb)

Kühlturm

Wasserauffang-becken Umlaufpumpe

für dasKühlturmwasser

CDWP-2

(Wechselrich-terbetrieb)

CDWP-1

(Umkehrer)



SYS-APM001-DE 75


Nachrüstungsmöglichkeiten

Bei Einsatz der zuvor in Abschnitt “Kaltwassersystem – Optionen” vorgestelltenKonzepte für geringe Durchflussmengen stehen zahlreiche Nachrüstungsmög-lichkeiten offen. Gebäudebesitzer können beispielsweise die Kapazität eines vor-handenen Systems in Folge einer Gebäudeerweiterung erhöhen. In vielen Gebäu-den befindet sich das Kühlwassersystem (Leitungen, Pumpe und Kühlturm) in gu-tem Zustand, es erweist sich jedoch als unterdimensioniert. Durch eine Änderungder traditionellen Konstruktion kann häufig die vorhandene Infrastruktur beibehal-ten und trotzdem zusätzliche Kapazität gewonnen werden.

Berücksichtigen Sie, dass ein Kühlturm nicht auf eine bestimmte Leistung be-schränkt ist. Kühltürme sind Wärmetauscher, die Wärme zwischen derWassereintrittstemperatur und der Umgebungs-Feuchtkugeltemperaturübertragen. Durch eine Änderung der Durchflussrate oder der Temperatur kanndie Kühlturmkapazität beeinflusst werden – häufig positiv. Das folgende Szenariostellt dies beispielhaft dar.

Beispiel Ein Krankenhaus verwendet derzeit eine Wasserkühlmaschine mit einerKälteleistung von 1.580 kW, die ersetzt werden muss. Die Kühlwasser-Durchfluss-rate beträgt 85,2 l/s. Die folgenden Voraussetzungen müssen bei der Wahl einesKühlturms erfüllt werden:• Wassereintrittstemperatur: 35 °C [95 °F]• Wasseraustrittstemperatur: 29,4 °C [85 °F]• Umgebungsluft-Feuchtkugeltemperatur: 25,6 °C [78 °F]

Vor Kurzem wurde der Kühlturmeinbau ausgetauscht. Kühlturm, Kühlwasserlei-tungen und Pumpe sind in gutem Zustand. Das Krankenhaus plant eine Erweite-rung um 50 Prozent mehr Kühllast auf 2.370 kW. Muss das Kühlwassersystemersetzt werden? Die Antwort lautet “Nein”, solange die Wasserkühlmaschinekorrekt ausgewählt wird.

Wie ist dies möglich? Wenn der Druckabfall des Kühlwassers an der neuen Was-serkühlmaschine gleich oder kleiner als der Druckabfall an der vorhandenenWasserkühlmaschine ist, kann die gleiche Wassermenge gepumpt werden. Beigleicher Durchflussmenge kann eine Wasserkühlmaschine mit einer Leistung von2.370 kW mit einem Temperaturanstieg des Kühlwassers von ca. 8,3 °C gewähltwerden. Unter Verwendung der Auswahlsoftware des Kühlturmherstellers kannder gleiche Kühlturm bei erhöhter Temperaturdifferenz verwendet werden. Wie inAbbildung 31 zu sehen ist, lauten die neuen Sollwerte wie folgt:• Wassereintrittstemperatur: 39,4 °C [103 °F]• Wasseraustrittstemperatur: 31,1 °C [88 °F]• Umgebungsluft-Feuchtkugeltemperatur: 25,6 °C [78 °F]

SYS-APM001-DE76


Es zeigt sich, dass mit dem gleichen Kühlturm und der gleichen Durchflussratemehr Wärme abgegeben werden kann (ca. 50 Prozent mehr).

Der Systemplaner kann häufig zur Senkung der Gesamtprojektkosten beitragen,indem die vorhandene Infrastruktur beibehalten und nur eine Wasserkühlma-schine mit größerer Temperaturdifferenz ausgewählt wird.

Abbildung 31 – Auswahl eines Kühlturms mit anderen Wasserkühlmaschinenleistungen

KühlturmWassertemperatur ( °F)

90

85

80

75

70

6555 60 65 70 75 80

Feuchtkugeltemperatur ( °F)

15 °F [8,3 °C] �

10 °F [5,6 °C] �

8,3 °C Unterschied5,6 °C UnterschiedSollwert

SYS-APM001-DE 77


Verweise1. “Condenser-Water Temperature Control for CenTraVac™ Centrifugal Chiller

Systems”, CTV-EB-84, The Trane Company, Mai 1997.2. Braun, J.E. and Diderrich, G.T.; “Near-Optimal Control of Cooling Towers for

Chilled-Water Systems.” ASHRAE Transactions, 96(2):806-13.1990.3. Hydeman, M., Gillespie, K., and Kammerud, R.; “CoolTools Project: A Toolkit to

Improve Evaluation and Operation of Chilled-Water Plants.” Cool $enseNational Forum on Integrated Chiller Retrofits, Lawrence Berkeley NationalLaboratory and Pacific Gas & Electric, September 1997.

4. Schwedler, M., PE, and Bradley, B.; “Tower Water Temperature – Control ItHow???” Engineers Newsletter, Volume 24, No. 1, The Trane Company, 1995.

5. “Water-Cooled Series R Chiller – Models RTHB & RTHC Condenser WaterControl”, RLC-EB-4, The Trane Company, August 1999.

SYS-APM001-DE78

Schlussfolgerung

Da die meisten Kaltwassersysteme mehr als eine Wasserkühlmaschine enthalten,müssen Sie die Konzepte für eine Verwendung mehrerer Wasserkühlmaschinenund deren Anwendung kennen. Die betreffenden Prinzipien sind nicht übermäßigkomplex. Der Systemaufbau besteht lediglich darin, einige Grundregeln derangewandten Physik zu beachten.

Für Konstruktion und Betrieb von Kaltwassersystemen steht eine Vielzahl vonAuswahlmöglichkeiten zur Verfügung. Hierzu zählen Durchflussrate, Temperatur,Systemkonfiguration und Steuerungsoptionen. Nach Beurteilung des Bedarf undder Anforderungen des Gebäudebesitzers und des Betreibers der Kälteanlagekönnen Systemplaner Lösungen mit einer beachtlichen Wertsteigerung aus-wählen.

Bei der Anwendung der Prinzipien in diesem Handbuch müssen die folgendenRegeln beachtet werden:

• Regel 1 Bemühen Sie sich um Einfachheit. Einfach bedeutet nicht, möglichstwenige Komponenten zu verwenden. Einfachheit ermöglicht normalerweiseallgemeine Verständlichkeit.

• Regel 2 Wenn der Systemplaner die Funktionsweise eines Systems erläuternkann, besteht die berechtigte Annahme, dass das System ordnungsgemäßarbeiten wird. Kann er die Funktionsweise eines Systems nicht erklären, ist eineffizienter Betrieb des Systems unwahrscheinlich.

• Regel 3 Wenn der Systembetreiber die Erklärung des Systemplaners versteht,wird das System vermutlich ordnungsgemäß arbeiten. Andernfalls ist eineffizienter Betrieb des Systems unwahrscheinlich.

SYS-APM001-DE 79

Glossar

ASHRAE American Society of Heating, Refrigeration, and Air ConditioningEngineers (Amerikanische Vereinigung der Heiz-, Kühl- und Klimatechnik-Ingenieure).

COP Coefficient of Performance (Leistungskoeffizient oder Leistungszahl);Kühlwirkung geteilt durch Wärmeaufnahme (ohne Einheit); Kehrwert desWirkungsgrades.

Direkte digitale Regelung (DDC - direct digital control) Programmierung vonGebäuderegelsystemen zur Steuerung variabler Ausgänge, z. B. Ventile oderStellglieder. In der Klimaindustrie steht DDC für eine direkte digitale Regelungdurch einen Mikroprozessor-Controller ohne Zwischengeräte.

Gebäude-Automatisierungssystem Eine Kombination aus Reglern und anderenSoftwareprodukten, die mit verschiedenen mechanischen Systemen kommuni-zieren und diese steuern, um das Gebäudemanagement zu ermöglichen. Hierzuzählen neben Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlage auch Beleuchtungssysteme,Zugangskontrolle sowie verschiedene weitere Geräte innerhalb eines Gebäudes.Auch als Gebäudemanagementsystem (BMS) bezeichnet.

Geflutete Rohrbündelverdampfer Verdampfer, Wasserdurchfluss durch Rohre ineinen Verdampfer und außerhalb der Rohre Kältemittel.

Kühllast, Kälteverbraucher Geräte, Kühlstellen.

Kaltwasser Kaltwasser bzw. am Verdampfer austretendes Wasser, das von derWasserkühlmaschine produziert wird (indem es durch das Rohrbündel des Ver-dampfers fließt) und das zu den Wärmetauschern der RLT-Anlage im gesamtenGebäude gepumpt wird. Innerhalb des Verdampfers umströmt das Kältemitteldas Rohrbündel, das die Wärme aus dem Kaltwasserrücklauf absorbiert.

Kühlwasser Wird auch als Kühlturmwasser, als austretendes Kühlwasser, aus-tretendes Kühlwasser, eintretendes Absorberwasser oder Verflüssigerabsorber-wasser bezeichnet. Wird aus einer Quelle (Kühlturm, Fluss, Brunnen, usw.), an dieWärme abgegeben wird, gewonnen, durch die Rohre im Absorber und Verflüssi-ger und zurück zur Quelle geleitet.

Bei elektrisch betriebenen Wasserkühlmaschinen nimmt das Kühlwasser nurWärme vom Verflüssiger auf. Bei Absorptions-Wasserkühlmaschinen muss dasKühlwasser zudem Wärme vom Absorber aufnehmen. Das Wasser fließt imAllgemeinen von der Quelle mit einer Temperatur von 29,4 °C zunächst zumAbsorber und anschließend zum Verflüssiger (Reihenschaltung). Die zugehörigenTemperaturen sind die Wassertemperatur beim Eintritt in den Absorber (oderbeim Austritt aus dem Kühlturm) und die Wassertemperatur beim Austritt ausdem Verflüssiger (oder beim Eintritt in den Kühlturm).

SYS-APM001-DE80

Glossar

Kühlturmwasser Siehe Kühlwasser.

Kühlwasser, Austritt Siehe Kühlwasser.

Mechanischer Verdichtungszyklus Elektrisch betriebene Wasserkühlmaschinenverwenden Elektromotoren, die zur Produktion von Kaltwasser für das Kühl-system einen Verdichter antreiben. Dies geschieht über ein mechanisches Verfah-ren, in das Kältemittel als Betriebsmittel eingesetzt wird. Innerhalb der Behälterherrschen Temperatur- und Druckunterschiede. Wärme wird dort bei geringenTemperaturen absorbiert und mit höherer Temperatur abgegeben.

Psychrometische Datenermittlung Messung von Temperatur, Druck undLuftfeuchtigkeit mittels eines psychrometrischen Diagramms.

Psychrometrisches Diagramm Diagramm, das die Beziehung zwischenTemperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit darstellt.

Pumpen (System)

Kaltwasserpumpe Befördert das Kaltwasser durch den Verdampferabschnitt derWasserkühlmaschine und anschließend durch die Rohrleitungen des Gebäudes.

Kühlwasserpumpe Befördert das Kühlwasser von der Quelle/Kühlturm durchdie Wasserkühlmaschine, den Verflüssiger und zurück zur Quelle/Kühlturm.

Rohrbündel Bezeichnung für einen Wärmetauschertyp, der aus einemRohrbündel innerhalb eines Gehäuses besteht und häufig in Verflüssigern undVerdampfern eingesetzt wird. Bestehend aus Mantel, Rohre die im Rohrbodeneingelassen sind.

Temperatur, Umgebungs- Lufttemperatur in der Umgebung des betreffendenObjekts.

Temperatur, Feuchtkugel Maßeinheit für die Luftfeuchtigkeit. Dies ist dieVerdunstungstemperatur einer Luftprobe, die mittels eines Thermometersgemessen wird, dessen Schaft mit einem feuchten Docht bedeckt ist.

Turmwasser Siehe Kühlwasser.

3-Wege-Ventil Ein Durchfluss-Regelventil mit drei Anschlüssen für die Flüssigkeit.Es reguliert die konstante Durchflussmenge durch oder um die Kälteverbraucher.

2-Wege-Ventil Ein Durchfluss-Regelventil mit zwei Anschlüssen für die Flüssigkeit.

Verflüssiger Bauteil der Wasserkühlmaschine, in dem Kältemitteldampf inFlüssigkeit umgewandelt wird, so dass bei Eintritt des Kältemittels in denVerdampfer Temperatur und Druck reduziert sind.

SYS-APM001-DE 81

Ventil, Drossel- Kleines Ventil, das vor allem in Manometerleitungen eingesetztwird, um die Leitung zwischen den Ablesungen zu sperren und während derAblesung zu drosseln, so dass Schwankungen verhindert werden.

Verdampfer Bereich der Wasserkühlmaschine, in dem das Kaltwasser desSystems kontinuierlich gekühlt wird, indem das Kältemittel innerhalb einesVakuums durch Wärmeabsorption aus dem Kaltwasserrücklauf in Dampfumgewandelt wird.

Verschmutzung Ablagerung von Fremdmaterial auf der Wasserseite der Rohre inKältemittel-Verflüssigern oder Wasserkühlmaschinen, die die Wärmeübertragungbeeinflussen.

Wärmetauscher Ein Verdampfer oder Verflüssiger, der aus Rohren mit oder ohneerweiterter Oberfläche (Lamellen) besteht.

Wärmeübertragung Übertragung von Wärme von einem Körper bzw. einerSubstanz an eine andere. Die drei Wärmeübertragungsmethoden lauten Leitung,Konvektion und Strahlung.

Wasserkühlmaschine Maschinentechnik zur Beförderung von Kaltwasser zu denverschiedenen Kühlregistern einer Installation.

Wärmetauscher Gerät zur Übertragung von Wärme zwischen zwei physischgetrennten Flüssigkeiten / Medien.

Glossar

SYS-APM001-DE82

Bibliographie

2000 ASHRAE HVAC Systems and Equipment Handbook, Chapter 12, HydronicHeating and Cooling System Design. American Society of Heating, Refrigeration,and Air Conditioning Engineers (Amerikanische Vereinigung der Heiz-, Kühl- undKlimatechnik-Ingenieure).

2000 ASHRAE HVAC Systems and Equipment Handbook, Chapter 36, CoolingTowers. American Society of Heating, Refrigeration, and Air ConditioningEngineers (Amerikanische Vereinigung der Heiz-, Kühl- und Klimatechnik-Ingenieure).

ARI Standard 550/590 1998, Standard for Water Chilling Packages Using the VaporCompression Cycle, Air-Conditioning & Refrigeration Institute.

ARI Standard 560–1992, Standard for Absorption Water Chiller and Water HeatingPackage, Air-Conditioning & Refrigeration Institute.

Avery, G., PE; “Controlling Chillers in Variable Flow System”, ASHRAE Journal,Februar 1998. S. 42–45.

Braun, J.E. and Diderrich, G.T.; “Near-Optimal Control of Cooling Towers forChilled-Water Systems.” ASHRAE Transactions, 1990, 96(2):806–13.

BSR/ASHRAE/IESNA 90.1–1999, “Energy Standard for Buildings Except Low-RiseResidential Buildings”, Illuminating Engineering Society of North America andAmerican Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.,1999.

Coad, W.J., PE; “A Fundamental Perspective on Chilled-Water Systems”,Heating/Piping/Air Conditioning, August 1998, S. 59–66.

“Condenser Water Temperature Control For CenTraVac™ Centrifugal ChillerSystems”, CTV-EB-84, The Trane Company, Mai 1997.

Demirchian, G. H., PE and Maragareci, M. A., PE; “The Benefits of HigherCondenser Water �T at Logan International Airport Central Chilled Water Plant.”IDEA 88th Annual Conference Proceedings, 1997, S. 291–300.

Eley, C.; Energy Analysis – Replacement of Chillers For Buildings 43, 47, and 48.Eley Associates, CA, April 1997.

Eppelheimer, D., P.E. und Bradley, B.; “Chilled-Water Plants and…Asymmetry as aBasis of Design”, Engineers Newsletter, Volume 28, No. 4, The Trane Company,1999.

Hougton, D., PE; “Know Your Flow, a Market Survey of Liquid Flow Meters”, TechUpdate, E SOURCE, INC., März 1996.

Die mit einem Sternchen (*)gekennzeichneten Newsletter findenSie unterwww.trane.com/commercial/library/newsletters.asp.

SYS-APM001-DE 83

Bibliographie

Hydeman, M., Gillespie, K., and Kammerud, R.; “CoolTools Project: A Toolkit toImprove Evaluation and Operation of Chilled-Water Plants.” Cool $ense NationalForum on Integrated Chiller Retrofits, Lawrence Berkeley National Laboratory andPacific Gas & Electric, September 1997.

Kelly, D.W. and Chan, T.; “Optimizing Chilled Water Plants”, Heating/Piping/AirConditioning, Januar 1999, S. 145–7.

Kirsner, W.; “The Demise of the Primary-Secondary Pumping Paradigm forChilled-Water Plant Design”, Heating/Piping/Air Conditioning, November 1996.

Landman, W. und Bradley, B.; “Off-Design Chiller Performance”, EngineersNewsletter, Volume 25, No. 5, The Trane Company, Dezember 1996.

Schwedler, M., PE; “Take It To the Limit…Or Just Halfway?” ASHRAE Journal, Juli1998, S. 32–9.

* Schwedler, M., PE und Bradley, B.; “An Idea for Chilled-Water Plants WhoseTime Has Come...Variable-Primary-Flow Systems”, Engineers Newsletter, Volume28, No. 3, The Trane Company, 1999.

* Schwedler, M., PE und Bradley, B.; “How Low-Flow Systems Can Help You GiveYour Customers What They Want”, Engineers Newsletter, Volume 26, No. 2, TheTrane Company, 1997.

Schwedler, M., PE und Bradley, B.; “Tower Water Temperature – Control ItHow???” Engineers Newsletter, Volume 24, No. 1, The Trane Company, 1995.

Schwedler, M., PE und Nordeen, A.; “Low-Flow Works for Absorbers Too!”Contracting Business, November 1998, S. 108-112.

Schwedler, M., PE; Letter to the Editor, ASHRAE Journal, April 1998, S. 30.

Taylor, S. T.; “Degrading Delta-T in New and Existing Chilled Water Plants”, Cool$ense National Forum on Integrated Chiller Retrofits, Lawrence Berkeley NationalLaboratory and Pacific Gas & Electric, September 1997.

Trane Applications Engineering Group, “A New Era of Free Cooling”, EngineersNewsletter, Volume 20, No. 3, The Trane Company, 1991.

Trane Applications Engineering Group, “Two Good Old Ideas Combine to FormOne New Great Idea”, Engineers Newsletter, Volume 20, No. 1, The TraneCompany, 1991.

SYS-APM001-DE84

Bibliographie

Trane Applications Engineering Group, “Thermal Storage – Understanding ItsEconomics”, Ice Storage Systems, Engineered Systems Clinics. ISS-CLC-1, TheTrane Company, 1991.

Trane Applications Engineering Group, “Thermal Storage – Understanding theChoices”, Ice Storage Systems, Engineered Systems Clinics. ISS-CLC-2, The TraneCompany, 1991.

Trane Applications Engineering Group, “Thermal Storage – UnderstandingSystem Design”, Ice Storage Systems, Engineered Systems Clinics. ISS-CLC-3,The Trane Company, 1991.

Trane Applications Engineering Group, “Thermal Storage – UnderstandingControl Strategies”, Ice Storage Systems, Engineered Systems Clinics. ISS-CLC- 2,The Trane Company, 1991.

Waltz, J. P., PE, CEM; “Don’t Ignore Variable Flow”, Contracting Business, Juli1997, S. 133–144.

“Water-Cooled Series R Chiller – Models RTHB & RTHC Condenser WaterControl”, RLC-EB-4, The Trane Company, August 1999.

Webb, R.L. und Li, W.; “Fouling in Enhanced Tubes Using Cooling-Tower Water,Part I: Long-Term Fouling Data”, International Journal of Heat and Mass Transfer,2000.

SYS-APM001-DE 85

Index

2-Wege-Ventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

3-Wege-Ventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6

A

Alternativplan für den Kühlbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66

Änderungswert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51

Anlagenerweiterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51

Anordnung, parallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55

Anschlüsse, Strom und Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67

Antriebe mit variabler Drehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71

Auslegungsrichtlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49

Ausrüstung, Zusatz- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67

B

Belastung, Vorrangschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54

Brennstoff, alternativ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64

Brennstoff, optional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57

Bypassdurchflussregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42

Bypassleitung mit Rückschlagventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63

D

Darcy-Weisbach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

Defizit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

Dimensionierung von Bypassleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50

Durchfluss, variabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

Durchflusserfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

Durchflussgrenze, absolute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42

Durchflussrate, abweichend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60

Durchflussraten, auswählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16

Durchflussraten, Kostenfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22

Durchflussraten, Standardauslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15

Durchflussraten, unterschiedliche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

SYS-APM001-DE86

Index

E

Einschränkungen des variablen Volumenstroms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74

Einschränkungen, variabler Durchfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73

Energiegleichgewicht zwischen Wasserkühlmaschine und Kühlturm . . . . . . . . . .72

Entkoppeln, hydraulisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

Entkoppeltes System - Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37

Erweiterung, Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51

F

Fehlerbehebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64

G

Geringe Durchflussrate, Fehleinschätzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24-26

Gleichgewicht zwischen Wasserkühlmaschine und Pumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . .73

Grenzwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42

H

Hazen-Williams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17

K

Kaltwasser- und Kühlwasserdurchfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15

Kaltwasser- und Kühlwassertemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

Kaltwasseranlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

Kaltwasserstrom, Einfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

Kaltwasserpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8

Kaltwasser-Rückstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47

Kaltwassersystem, Problemfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63

Kaltwassertemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

Kaltwassertemperatur, Einfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

Kaltwasserverteilungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7

Konfiguration der Kaltwasserpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49

Konfiguration der Verflüssiger-Durchflussrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69

Kühllast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

Kühllast, Auswirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

SYS-APM001-DE 87

Index

Kühllast, Unterschied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

Kühlturm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

Kühlturm, geringer Annäherungstemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

Kühlturm, leistungsfähigere Wasserkühlmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

Kühlturmoptionen bei geringem Durchfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20

Kühlturm pro Wasserkühlmaschine, ein Kühlturm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69

Kühlwasserstrom, Einfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

Kühlwasserregelung für vorübergehende Bedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70

Kühlwassersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

Kühlwassersystem, entkoppelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74

Kühlwassertemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14

Kühlwassertemperatur, Einfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

L

Lage der Bypassleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43

Leitungen, Verteiler- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9

M

"Minimum �T-Syndrom" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63

Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71

N

Nachrüstungsmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75

Nachträgliche Leistungssteigerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21

P

Parallelanordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55

Plattenwärmetauscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57, 72

Pumpe mit variablem Durchfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6,7

Pumpe pro Wasserkühlmaschine, eine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49

Pumpe, Verteilungs- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

Pumpen an einem Verteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49, 69

Pumpenanordnung, "Gemeinsam" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36

Pumpenanordnung, "Campus" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36

Pumpenanordnung, tertiär . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36

Pumpenoptionen, Kühlwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73

SYS-APM001-DE88

Index

R

Reaktion der Wasserkühlmaschine auf veränderte Bedingungen . . . . . . . . . . . . .61

Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

Regelung, durchflussabhängig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

Regelung der Kühlwassertemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72

Regelungsmethoden für den Kühlturmventilator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71

Regelung, Wasserkühlmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11

Rückschlagventil in der Bypassleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63

Rückstellung “kritischer” Ventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48

S

Serienschaltung im Gegenstromverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58

Software-Analysetool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41

Steuerung, Pumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12

Steuerung, System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57

System mit primärseitigem variablen Volumenstrom (VPF-System) . . . . . . . . . .40

System, geringe Durchflussrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24

System, primärseitig variabler Volumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40

Systeme mit primärseitig variablem Volumenstrom, "Überpumpen" einer Wasserkühlmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

Systeme mit primärseitig variablem Volumenstrom, Abschalten einerWasserkühlmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

Systeme mit primärseitig variablem Volumenstrom, Zuschalten einerWasserkühlmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44

Systeme mit primärseitig variablem Volumenstrom, entscheidendeAnforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46

Systeme mit primärseitig variablem Volumenstrom, Vorteile . . . . . . . . . . . . . . . .41

Systeme mit primärseitig variablem Volumenstrom, wichtige Faktoren . . . . . . .41

Systeme, Primär-Sekundär-Kreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31

Systemsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57

Systemzulauf und Bedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

SYS-APM001-DE 89

Index

T

Temperatur, abweichend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61

Temperatur, Standardauslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13

Temperatur, Verhalten des Wärmetauschers bei abnehmenderWassereintrittstemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19

Temperatur, wärmeres Rücklaufwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35

Temperaturerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

Temperaturregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

U

Überschüssiger Durchfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38

Umgebungstemperatur, Einfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10

V

Ventilator, 2-stufig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71

Ventilator, Betrieb einzelner Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71

Verdampfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3

Verflüssiger, luftgekühlt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5

Verflüssiger, wassergekühlt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

Verhalten des Systems bei veränderten Bedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51

Verteilungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34

W

Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54

Wärmetauscher, ohne Regelventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6,7

Wasser, Brunnen-, Fluss- oder Seewasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72

Wasserkühlmaschine, Abschalten im System mit primärseitig variablem Volumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45

Wasserkühlmaschine, Abschalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

Wasserkühlmaschine, Zuschalten zu System mit primärseitig variablem Volumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44

Wasserkühlmaschine, Zuschalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39

Wasserkühlmaschine, luftgekühlt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

Wassermenge im Kreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50

SYS-APM001-DE90

Index

Wasserkühlmaschine, unterschiedliche Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58

Wasserkühlmaschine, wassergekühlt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2

Wasserkühlmaschinen, in Serienschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Wasserkühlmaschinen, parallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27

Wasserkühlmaschinenbereich, Anwendungen außerhalb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60

Wasserkühlmaschinenproduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32

Wasserkühlmaschinenschaltfolge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39, 43

Z

Zusätzliche Maschine im Bypassbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56

SYS-APM001-DE 91

The Trane CompanyAn American Standard Companywww.trane.com

For more information contactyour local sales office ore-mail us at [email protected]

Bestellnummer für Dokumentation

Akten-Nr.

Ersetzt

Lagerort

Im Interesse einer kontinuierlichen Produkt- und Produktdatenverbesserung behält sich die TraneCompany das Recht vor, Konstruktionen und Spezifikationen ohne vorherige Ankündigung zu ändern.

Die in dieser Veröffentlichung genannten Geräte dürfen nur von qualifizierten Technikern installiert undgewartet werden.

SYS-APM001-DE

PL-000-SYS-APM001-DE-0201

COM-AM-21 0587

La Crosse

Société Trane – Société Anonyme au capital de 61 005 000 Euros – Siège Social: 1 rue des Amériques – 88190Golbey – France – Siret 306 050 188-00011 – RSC Epinal B 306 050 188Numéro d’identification taxe intracommunautaire: FR 83 3060501888

Documents

Handbuch für die Anwendungs-technik Entwurf und Steuerung … · 2015. 9. 16. · SYS-APM001-DE Vorwort ©American Standard Inc. 2001. Alle Rechte vorbehalten. Das vorliegende Handbuch