Je nach Kältemaschinentyp und Betriebsbedingungen erreichen viele gewerbliche und industrielle Kältemaschinen ihren höchsten Wirkungsgrad nicht unter Volllast, sondern im Teillastbetrieb. Während einer Hitzewelle arbeiten sie jedoch häufig nahe ihrer maximalen Leistung. Gleichzeitig führen höhere Außentemperaturen zu einer höheren Verflüssigungstemperatur des Kältekreislaufs, wodurch der COP zusätzlich sinkt. Das Ergebnis sind ein deutlich höherer Stromverbrauch und steigende Betriebskosten.
Wie können HLK-Ingenieure Kältemaschinen auch an den heißesten Tagen möglichst nahe an ihrem optimalen Betriebspunkt betreiben?
Es gibt verschiedene ingenieurtechnische Ansätze, um die Effizienz von Kälteanlagen zu verbessern und die Betriebskosten im Sommer zu senken. Welche Lösung die richtige ist, hängt von der jeweiligen Anwendung, dem Lastprofil und den Projektanforderungen ab.
Ein bewährter Ansatz in der Anlagenplanung ist die Staffelung mehrerer Kältemaschinen. Eine weitere Möglichkeit ist die thermische Energiespeicherung. Dabei wird die Effizienz und das Lastmanagement verbessert, indem der Zeitpunkt der Kälteerzeugung optimiert wird, anstatt zusätzliche Kälteleistung zu installieren. Dies kann besonders attraktiv sein, wenn Betriebskosten gesenkt werden sollen, ohne in zusätzliche Kältemaschinen investieren zu müssen.
1. Staffelung mehrerer Kältemaschinen
Anstatt eine einzelne große Kältemaschine einzusetzen, werden mehrere kleinere Maschinen installiert und bedarfsgerecht zugeschaltet. Dadurch arbeiten die laufenden Aggregate häufiger in ihrem optimalen Wirkungsgradbereich.
Vorteile
✔ Bessere Lastverteilung
✔ Höhere Anlagenverfügbarkeit und Betriebssicherheit
✔ Wartungsarbeiten sind möglich, während die übrigen Kältemaschinen weiter in Betrieb bleiben (sofern ausreichend Reserveleistung vorhanden ist)
✔ Weniger Verdichterstarts und -stopps
✔ Potenziell höherer saisonaler Anlagenwirkungsgrad durch eine optimierte Zuschaltstrategie
Nachteile
✖ Höhere Investitionskosten
✖ Zusätzliche installierte Kälteleistung, die möglicherweise nur während Lastspitzen benötigt wird
✖ Höherer Wartungsaufwand
2. Lastverschiebung durch thermische Energiespeicherung
Anstatt den gesamten Kältebedarf während der heißesten Tagesstunden zu erzeugen, wird ein Teil der Kälteenergie nachts produziert, wenn die Außentemperaturen niedriger sind und Kältemaschinen effizienter arbeiten.
Die gespeicherte Kälte wird anschließend während der Lastspitzen am Tag genutzt. Dadurch wird die Kältemaschine genau dann entlastet, wenn ihr Wirkungsgrad sonst am niedrigsten wäre.
Dadurch verbessert sich die Effizienz auf vier Arten:
✔ Höherer COP Die Kälte wird während der kühleren Nachtstunden erzeugt, wenn günstigere Bedingungen auf der Verflüssigerseite der Kältemaschine in der Regel einen höheren COP ermöglichen.
✔ Optimaler Betriebsbereich: Die thermische Batterie trägt dazu bei, die Kältemaschine näher an ihrem optimalen Betriebspunkt zu betreiben – häufig im Bereich von etwa 60–80 % Last, abhängig von Anlagentyp und Betriebsbedingungen.
✔ Lastglättung: Die thermische Batterie gleicht den Kältebedarf über den Tagesverlauf aus. Dadurch arbeitet die Kältemaschine gleichmäßiger, anstatt häufig hoch- und herunterzufahren oder ständig ein- und auszuschalten.
✔ Peak shaving: Während Lastspitzen übernimmt die thermische Batterie einen Teil der benötigten Kälteleistung. Dadurch werden sowohl die Belastung der Kältemaschine als auch ihre elektrische Leistungsaufnahme reduziert.
Viele Anwendungen erreichen Energieeinsparungen von 20–30 % im Bereich der Kälteerzeugung, ohne dass die bestehende Kältemaschine ersetzt werden muss. Je nach Anwendung ergeben sich darüber hinaus Vorteile wie eine geringere elektrische Spitzenlast, weniger Verdichterstarts, eine längere Lebensdauer der Anlage und ein reduzierter Wartungsaufwand.
Manchmal besteht die effizienteste Kühllösung nicht darin, eine größere Kältemaschine zu installieren.
Sondern darin, die vorhandene Anlage intelligenter zu betreiben.
Thermische Energiespeicherung kann auch Anlagen verbessern, die bereits mehrere Kältemaschinen einsetzen. Indem kurzfristige Lastspitzen abgefangen werden, kann die thermische Batterie das Zuschalten einer weiteren Kältemaschine verzögern oder sogar vermeiden. Dadurch werden Verdichterstarts, der Energiebedarf der Nebenaggregate sowie die elektrische Spitzenleistung reduziert, während zusätzliche Kälteleistung als echte Redundanz verfügbar bleibt.
Der tatsächliche Nutzen hängt von den Eigenschaften der Kältemaschinen, der Zuschaltstrategie und dem Lastprofil ab. Deshalb sollte jede Anlage individuell bewertet werden.
