Script-Auszügefp-tga.de/Handouts_2008.pdf · Bild-3 // Quellluft in Verbindung mit Kühldecke. Büroklimatisierung, Modelle Im Auftrag der FH-BS/WF Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen

Dipl.-Ing.(FH) Frank Petersen Juni 2008

Modul 7: Nichtwohnbauten

Thema: Kältetechnik + Anlagenoptimierung

� Aufgaben der Kälteversorgung

� Der Kälteprozeß

� Bauarten der Kältetechnik

� Kältemittel

� Besonderheiten der Klimakaltwasser-Hydraulik

� Energetische Optimierungen

Script-Auszüge

Dozent: Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen

Kältetechnik und Anlagenoptimierung

Dipl.-Ing. (FH) Frank Petersen // Jun 2008

Im Auftrag der FH-BS/WF

1) Aufgabenstellung der Kälteversorgung

Themenübersicht:

2) Der Kälteprozeß

3) Bauarten der Kältetechnik

4) Kältemittel

5) Besonderheiten der Klimakaltwasser-Hydraulik

6) Energetische Optimierungen




Am Beispiel Verwaltungsgebäude:

1) Aufgabenstellung der Kälteversorgung

4.000 m² Büro-Nutzfläche

Fassade: zu 2/3 verglast, äußerer Sonnenschutz

200 Räume á 18m² (für je 2 Personen)

400m² Besprechungsräume, klimatisiert

>> Kühllastberechnung geregelt in VDI 2078

Büroklimatisierung, Modelle



Bild-1 // Vollklimatisierung [Kühllast je nach LW nur teilweise]




Bild-3 // Quellluft in Verbindung mit Kühldecke




Bild-5 // Stille Kühlung + freie Lüftung

Heizen auf 22°C




Bild-7 // Induktionsgerät mit AU-Luft, zentrale Abluft, „nackte Decke“




2) Der Kälteprozeß




Der ideale Kälteprozeß




zugeführt

Kälte

Q

QCOP

&

&

=

Leistungszahl

oder neudeutsch Coefficient of performance

Zum Vergleich die „ideale Leistungszahl“ (verlustfrei) nach Carnot

0

0

TT

TCOP

C

KCK

−→ =< εε

Aufwand

NutzenK =ε

5,263

263,15K313,15K

263,15KC40C;10 C0 tt =

−

>>°=°−=




zugeführt

Volllast bei e WärmepumpngHeizleistu

Q

QCOP

&

&

=

zugeführt

Volllast bei ungKälteleist

Q

QEER

&

&

=

Energy Efficiency Ratio Energie Effizienz Rate

Coefficient of performance

EER = Nennkälteleistungszahl

berücksichtigt wird dabei auch der Bedarf an elektrischer Leistung für jegliche Sicherheits- und

Kontrollvorrichtung sowie die Ventilator- und die Pumpenleistung im Verflüssigungskreislauf.




Der reale Kälteprozeß

0

0

TT

T

C

KCK

−

=< εε

1kWs=1kJ

1bar=100.000 Pa




Stoffdiagramm zum Kältemittel R134a




Stoffdiagramm zum Kältemittel R22

Seit 2000 inDeutschland

verboten

Seit 2000 inDeutschland

verboten




3) Bauarten der Kälteerzeuger

Bauarten >>

Im Jahre 1834 bauteder US-AmerikanerJacob Perkins(1766–1849) die ersteKompressions-kältemaschine mitdem Kältemittel Ether,die er am 14. August1835 unter demNamen Äthereis-

maschine patentierenlässt. Das KältemittelEther hat jedoch denNachteil, dass es mitLuftsauerstoff hochex-plosive Peroxide bildetund die Äthereis-maschinen zuweilenexplodierten.

Quelle: wikipedia




Bauarten der Kälteerzeuger

a) Hubkolben

Carrier Serie 30gk




Bauarten der Kälteerzeuger

b) drehende Verdichter




Scrollverdichter




Schraubenverdichter

200 – 1500 kW




Splitgeräte [Scroll]bis 75kW je Verdichter




Max. 50m

Leitungslänge

zwischen Innen- und

Außengeräten

Spiralverdichter [Scroll]

Statt Klimakaltwasser wird direkt Kältemittel bis zumInnengerät geführt




Rückkühler [Wasser bzw. Glykol/Wasser] 1/2




Naßkühlturm bzw. Verdunstungskühlturm 1/4

Offener Kühlturm




Verflüssiger [Kältemittel]




4) Das Kältemittel

klimatische Kenngrößen von Kältemittel

ODP >> Ozonabbaupotential (Kältemittel R11 = 1,0)

GWP >> direktes Treibhauspotenzial

Beispiel GWP100 R134a = 1300 { 1kg R134a entspricht 1300kg CO2 [Zeithorizont = 100a] }

Beispiel GWP100 CO2 = 1

TEWI >> Total Equivalent Warming Impact

klimatische Kenngrößen von Kältemittel


GWP >> direktes Treibhauspotenzial

Beispiel GWP100 R134a = 1300 { 1kg R134a entspricht 1300kg CO2 [Zeithorizont = 100a] }

Beispiel GWP100 CO2 = 1


.... und die Diskussionen um die Auswirkungen auf´s Klima




4) Das Kältemittel

Für Klimatisierung am gebräuchlichsten >>

R 134a

R 407c

R 410A

R 717TEWI >> Total Equivalent Warming Impact

Kältetechnik + Anlagenoptimierung

Dipl.-Ing.(FH) Frank Petersen Jun 2008

Das ideale Kältemittel

� Das Kältemittel sollte nicht brennbar, weder explosiv noch giftig sein

� Das Kältemittel soll nicht umweltschädlich sein

� Das Kältemittel sollte leicht feststellbar sein, damit Undichtigkeiten imSystem ohne Mühe gefunden werden können

� Es sollte eine hohe Verdampfungswärme aufweisen

� Die den Kondensationstemperaturen entsprechenden Drücke solltennicht zu hoch sein, damit schwere Konstruktionen der Kältemaschinevermeidbar sind

� Die Drücke im Arbeitsbereich der Kältemaschine (zwischenVerdampfungs- und Kondensationstemperatur) sollten über demAtmosphärendruck liegen, um das Eindringen von Luft in die Anlagezu verhindern

� Der Kältemitteldampf sollte ein niedriges spezifisches Volumenhaben, um Kompressorgröße und Kompressorhub klein zu halten (beiKolbenkompressoren)

� Das Kältemittel soll gute Verträglichkeit mit den normalen Schmier-mitteln aufweisen

� Es soll möglichst günstige, den Wärmeübergang beeinflussendeStoffgrößen besitzen (Wärmeleitzahl, Viskosität, Dichte)

� Das Kältemittel darf die in Kälteanlagen verwendeten Werkstoffe nichtangreifen und soll chemisch stabil sein

� Es sollte billig und leicht zu handhaben sein

Hinweis

Kältemittel R22 ist in Deutschland für Neuanlagen seit dem 1.1.2000 verboten

Kenngrößen von Kältemittel





Kühlen durch Befeuchten

Adiabate Kühlung




Adiabate Kühlung



AU Zu

AB FO

Erw

ärm

en d

urch

ZU

Bef

euch

ten

+ K

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n

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+ K

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n

SGK - Technologie

Auch gebräuchlich:DEC-Technologie

Desiccant

Evapuration

Cooling

Sorptions

Gestützte

Klimatisierung


Adiabate Kühlung



AU Zu

AB FO

Beispiel 20.000 m³/h

AB: 20.000m³/h x 1,2kg/m³ x 3g/kg = 72 kg/h Wasser

AB: 72 kg/3.600s * 2.450 kJ/kg = 49 kW

ZU: 20.000m³/h x 1,2kg/m³ x 2,5g/kg = 60 kg/h Wasser

ZU: 60 kg/3.600s * 2.450 kJ/kg = 40,8 kW

ZU

AB

AU

Sommer

DIN 1946



Systemvarianten für eine Kälteerzeugungsanlage

Bauart des Verdichters (angegebene Leistungen = Kälteleistung)

• Scroll-Verdichter (bis zu 12-stufige Anlagen; je Stufe bis ca. 75 kW)

• Kolbenverdichter (ca. 50 – 600 kW)

• Schraubenverdichter (ca. 150 – 1.500 kW)

• Turboverdichter (ca. 1.300 – 4.000 kW)

• Absorptions-Kältemaschinen (250-5.000 kW) [Stoffpaar >> Lithium-Bromid mit Wasser als Kältemittel oder Wasser mit Ammoniak (NH3)als Kältemittel]; (in Deutschland sind bereits mehr als 1.000 MW Kälteleistung installiert)

• Adsorptions-Kältemaschinen (hydrophiler Feststoff > „Silikagel“);bisher nur wenige Geräte in der Praxiserprobung

Art des Rückkühlprozesses

• indirekt: das Kältemittel wird mittels Wasser rückgekühlt; imNormalfall gibt das Wasser dann seinerseits die aufgenommeneWärme an die Umgebungsluft ab (via Trockenkühler oder Kühlturm)

• direkt: das Kältemittel durchläuft einen außen aufgestelltenVerflüssiger

Bauart Kälteerzeugungsanlage

• Klassische Kombination aus a) wassergekühlter Kältemaschine[irgendwo im Gebäude] und b) Rückkühlwerk auf dem Dach(Rückkühlwasser enthält Glykol);

• Kaltwassersatz für Außenaufstellung: Kältemaschine mit luftge-kühltem Verflüssiger (Prinzip der „direkten Rückkühlung“); dieGeräteeinheit wird als Unit auf dem Dach aufgestellt.Hinweis für Winterbetrieb: entweder das Klimakaltwasser enthält Glykol oder die Maschine erhältfür Winterbetrieb eine elektrische Heizung

• Kaltwassersatz für Innenaufstellung: Kältemaschine mit luftgekühltemVerflüssiger; die Geräteeinheit wird als Unit innerhalb des Gebäudesaufgestellt, die notwendige Luft für den Rückkühlprozeß wird überKanäle herangeführt.Hinweis für Winterbetrieb: das Klimakaltwasser kann ohne Glykol betrieben werden(thermostatische Absicherung über Außenluftklappe)



• „Kompaktanlage“: luftgekühlte Kältemaschine für Dachaufstellung mitim Gehäuse integrierten Komponenten wie Klimakaltwasserpumpe,Pufferspeicher und Regelung (anschlußfertige Blackbox).

• Splitgeräte: Kombination aus a) Wasserkühlmaschine [irgendwo imGebäude] und b) Verflüssiger auf dem Dach; die Verbindung wirdüber Kältemittelleitungen hergestellt („Heißgas“-Leitungen); max.Höhenunterschied ca. 35-45m

• „Kleinkälte-Splitanlage“: luftgekühlte Kältemaschine ohne Verdampferfür Dachaufstellung in Verbund mit einem verbraucherseitigenDirektverdampfer >> keine Erzeugung von Klimakaltwasser,stattdessen zirkuliert das Kältemittel auch innerhalb des Gebäudesdirekt zum Umluftgerät für die Raumkühlung (Anwendung z.B. beiEDV- und Technikräumen oder in der Gastronomie-/Lebensmittel-branche zur Lagerung von Lebensmitteln oder Kühlung vonNaßmüllräumen)

• „Multisplitanlage“: luftgekühlte Kältemaschine ohne Verdampfer fürDachaufstellung in Verbund mit mehreren verbraucherseitigenDirektverdampfern >> keine Erzeugung von Klimakaltwasser,stattdessen zirkuliert das Kältemittel auch innerhalb des Gebäudesdirekt zu den Umluftgeräten für die Raumkühlung.

Bauart Rückkühlwerk bzw. Verflüssiger

• Trockenkühler: Kühlung des Rückkühlwassers mit Luft überAxialventilatoren (effektivere Bauform bei „V“-Anordnung derWärmeübertrager)

• Naßkühlturm: das Rückkühlwasser wird direkt versprüht; derHauptkühleffekt entsteht durch die Verdunstung des Wassers.

• Trockener Kühlturm: das Rückkühlwasser läuft durch WÜ-Rohrschlange, ohne Kontakt mit der Atmosphäre; die WÜ-Rohrschlange wird mit Wasser besprüht >> wintertauglich

• Luftgekühlter Verflüssiger: Bauform wie „Tischkühler“, jedoch direktvom Kältemittel durchströmt (eingangsseitig dampfförmig,ausgangsseitig flüssig).

Betriebstemperaturen

• Einsatz für Klimakaltwasser (oberhalb des Nullpunktes)

• Einsatz für Klimakaltwasser, jedoch mit Eisspeicher

• Einsatz für Tieftemperaturbereiche (z.B. Lebensmittel)




Besonderheiten der Klimakaltwasser-

Hydraulik

5)

Kleine Temperaturdifferenzen = große Rohrleitungen

Stabile Betriebsverhältnisse notwendig, keine starkschwankenden Volumenströme (Pufferspeicher, hydraulische Weiche)

Tauwassergefahr (Dämmung + Korrosion)

Frostgefahr bei frei verlegten Leitungen (Glykol, elektr. Beheizung)

Anlagenvarianten >>

�

�

��

�



Kältetechnik undAnlagenoptimierung

Sommer

Übergangszeit

Winter

BTA: nachts über KM

EDV: mittelbar 24/24h über KM

Heizung: AUS

BTA: nachts über Freecooling

EDV: mittelbar über Freecooling

Heizung: AUS

BTA: heizt über Fernwärme

EDV: mittelbar über RL-Hzg.

Heizung: EIN

BT

A =

Baute

ilaktivie

rung

BK

A =

Beto

nkern

aktivie

rung

Atlantik-Haus (St. Pauli)


Dipl.-Ing.(FH) Frank Petersen Juni 2008 Seite 1/2

Kältetechnische Anlagen

Energierelevante Hinweise für Planung und Betrieb

Checkliste:

(1) Geräteauswahl in Richtung besserer maschinentechnischer Wirkungsgrade (COP/EER)

(2) Temperaturniveau auf Verbraucherseite: soweit das Investitionsbudget dies zuläßt,werden auf der Verbraucherseite größere Kühlregister vorgesehen; ermöglicht bei glei-cher Kälteleistung den Betrieb mit höherer mittlerer Temperatur des Klimakaltwassers.Vorteil >> Verbesserung des maschinentechnischen Wirkungsgrades der Kältemaschi-ne bei Anhebung der Verdampfungstemperatur.

(3) Homogenes Temperaturniveau auf Klimakaltwasserseite: bei verschiedenen Tempera-turniveaus auf der Verbraucherseite bestimmt derjenige Verbraucher die einzustellendeVerdampfungstemperatur, der das niedrigste Temperaturniveau anfordert; dies kann fürden COP der Maschine sehr ungünstig sein.Also bei unterschiedlichen Temperaturen auf der Verbraucherseite >> getrennte Anla-gen

(4) Temperaturniveau im Rückkühlprozess: bei Verwendung von Wasser bzw. Wasser-Glykol als Rückkühlmedium ist die Trockenkühlung die energetisch ungünstigste Wahl;bei Direktverflüssigung empfiehlt sich a) der Hybridkühlturm [Kombination aus Trocken-kühlung für Winterbetrieb und Naßkühlung im Sommer] und b) die Nachkühlung des be-reits verflüssigten Kältemittels.Ziel >> Absenken der Verflüssigungstemperatur

(5) Verbraucherseite mit Systemen höherer Betriebstemperaturen: Kühldecke und Beton-kernaktivierung erbringen die Kühlleistung mit höhereren Temperaturen auf der Klima-kaltwasserseite als herkömmliche Systeme wie Umluftgeräte, Induktionsgeräte, Kühlungüber RLT etc.

(6) Verbraucherseite volumenstromvariabel: das Klimakaltwasser erwärmt sich uner-wünschterweise über 2 Quellen, a) die Pumpenleistung und b) über die Umgebung wäh-rend der „Spazierfahrt“ durch das Gebäude. Dieser Effekt wird auf das unvermeidlicheMaß reduziert, indem nur die verbrauchsbezogen notwendige Wassermenge zirkuliertund diese zielorientiert umgewälzt wird anstatt ziellos das Gebäude zu durchfahren.Hilfsmittel >> hydraulische Weiche im Verbraucherkreis [ergibt konstanten Volumen-strom für die Kältemaschine und variablen Volumenstrom für den Verbraucherkreis]

(7) Wärmetransport über Luft minimieren: die Systeme „Kühldecke“, „Bauteilaktivierung“und „Stille Kühlung“ sind gesamtenergetisch besser als der Transport von Kühlleistungin Form eines Luftvolumenstroms

(8) Regelung optimieren >> Betriebszeiten eingrenzen

(9) Klimatisiertes Nutzvolumen einschränken >> nicht den ganzen Raum kühlen sondernnur den Schaltschrank

(10) Zu kühlende Luftmengen in Klimaanlagen klein halten: z.B. über Quellluft statt impuls-reicher Induktionslüftung >> die Abwärme wird ungekühlt „nach oben“ weggeschoben[nur der Aufenthaltsbereich bis ca. 2,3 Meter über OKFFb wird klimatisiert; oberhalb die-ser Zone wird eine beliebige Temperaturerhöhung zugelassen]

(11) Nutzung der „Abfall“-Wärme aus Rückkühlprozess (z.B. bei Kühlräumen) >> z.B. fürBeheizung und/oder Warmwasserbereitung [direkt oder über Wärmepumpe]


Dipl.-Ing.(FH) Frank Petersen Juni 2008 Seite 2/2

(12) Nutzung der Fortluft zu Rückkühlzwecken: im Vergleich zur Trockenkühlung besser, dageringeres Temperaturniveau [Voraussetzung: konsequent paralleler Betrieb von Kälte-und Lüftungsanlage sowie ein ausreichender Luftvolumenstrom]

(13) Nächtliche freie Kühlung: durch geöffnete Fenster [Voraussetzung: Doppelfassadeoder gelüfteter Innenhof] oder unkonditionierte mechanische Lüftung

(14) Freie Kühlung im Winter: bei Einsatz von Trockenkühlern kann in der kalten Jahreszeitdie Kältemaschine komplett weggeschaltet werden und die Kälteerzeugung erfolgt direktüber die Trockenkühler

(15) Solare Kühlung: Kälte zur Klimatisierung solar erzeugen über Sonnenkollektoren inVerbindung mit einer Absorptionskältemaschine [„Kälte auf Bestellung“ >> wenn dieSonne scheint ...]

(16) Eisspeicher: Stromkosten minimieren durch Kappung der Leistungsspitze >> Ab-schalten der Kältemaschinen im Zeitbereich hoher elektrischer Abnahmen durch Vor-haltung einer „Kältereserve“ mittels Eisspeicher

(17) Kälteerzeugung über Außenluft: bei ganzjährigen Dauerverbrauchern (z.B. LAN-Raum)ermöglicht die Kälteerzeugung durch Nutzung des niedrigen Temperaturniveaus derAußenluft ein Abschalten der Kälteerzeugungsanlage in der kalten Jahreszeit

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