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Software für die Kälte-, Klima- und Energietechnik

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Energetische Optimierung / Simulation der energetischen Güte von Kälteanlagen - Ein Rechenmodell - Dokument lesen

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1.) Bestimmung des Druckverlustes zur Pumpenauslegung in indirekten Systemen

Systeme mit indirekter Verdampfung finden in zahlreichen Bereichen der Kälte- und Klimatechnik Anwendung. Je nach Anwendungsfall stellen diese Systeme eine durchaus interessante und wirtschaftliche Alternative zu den Systemen mit Direktverdampfung dar. Die theoretische Vorbetrachtung und die Planung der Anlage ist im vielen Teilen gleich mit der von Systemen mit Direktverdampfung. So sind die Kühllastberechnung oder Kältebedarfsberechnungen naturgemäß identisch. Auch stellt die Auslegung oder Berechnung des Kältekreislaufes innerhalb des Flüssigkeitskühlsatzes für den versierten Fachmann kein Problem dar. Die Berechnung der Bauteile für die Kälteträgerseite der Anlage stellt für viele Betriebe noch relatives Neuland dar. Die Möglichkeiten zur Bestimmung aller zur vollständigen Anlagenplanung notwendigen Informationen ist auch nicht ohne weiteres möglich.

Die Berechnung der Rohrleitung wird wie bei den Systemen mit Direktverdampfung nach Druckverlust und maximaler Strömungsgeschwindigkeit vorgenommen. Wie üblich legt man die Dimensionen für den zu erwartenden maximalen Lastfall aus. Eine wichtige charakteristische Größe für die Pumpenauswahl ist der Massen- oder Volumenstrom. Dieser kann relativ einfach aus der notwendigen Kälteleistung, der Wärmekapazität des Kälteträgers und gewünschten Temperaturdifferenz ermittelt werden. Mit dem Volumenstromstrom ist die Bestimmung der maximalen Strömungsgeschwindigkeit leicht möglich. Komplexer ist die Bestimmung des Druckverlustes. Oft wird hier auch von der Druckhöhe gesprochen. Diese Angabe, anschaulich stellt sie die Höhe der Wassersäule in Meter dar, unterscheidet sich aber nur in der Einheit von den in Berechnungen üblichen Größen für den Druckverlust wie mbar oder kPa. Der Gesamtdruckverlust, der von der Umwälzpumpe überwunden werden muss, setzt sich aus drei wesentlichen Anteilen zusammen: Den Druckverlust in Rohrleitungsnetz, dem Druckverlust im Wärmeaustauscher des Flüssigkeitskühlers und dem Druckverlust in den Verbrauchern, Luftkühlern etc. Die Bestimmung aller drei Anteile ist notwendig, um eine Aussage machen zu können, wie groß der Gesamtdruckverlust ist.

Methoden zur Berechnung des Druckverlustes in den Rohrleitungen

Bei den Rohrleitungen gelten für die Berechnung des Druckverlustes für das gerade Rohr mathematische Beziehungen, die seit langen zum Stand der Technik gehören:

Mit der genauen Kenntnis über die zu erwartenden Druckverluste jedes einzelnen Bauteiles können nun genauere Werte für die Auswahl der Anlagenkomponenten gemacht werden. Dies kann helfen die Anlagenkosten, sowohl hinsichtlich der Investitionen als auch der Betriebskosten, zu senken. Weitere Informationen erhalten Sie unter www.cooltool-software.de oder per fax unter 02151- 93 84 24. In der nächsten Ausgabe wird die Bestimmung des Druckverlustes in den Verbrauchern behandelt.

2.) Bestimmung des Druckverlustes von Konvektoren in indirekten Systemen

Bestimmung des Druckverlustes von Konvektoren in indirekten Systemen Systeme mit indirekter Verdampfung bieten eine durchaus interessante Alternative zu System mit Direktverdampfung. Insbesondere bei hohen Verdampfungstemperaturen, langen Wegen für die Rohrleitungen und mittleren bis größeren Gesamtleistungen werden die Systeme durchaus konkurrenzfähig. Die theoretische Vorbetrachtung und Planung der Anlage weicht in einigen Teilen von der Berechnung der Komponenten für Systeme mit Direktverdampfung ab. Nachdem in letzten Teil die möglichst genaue Bestimmung der Druckverluste in den Rohrleitungen und Armaturen behandelt wurde, wird in dieser Ausgabe die Bestimmung des Druckverlustes in Klimakonvektoren behandelt. Die hydraulischen Druckverluste der auch Fan-Coils genannten Geräte kann bei verschiedenen Herstellern, bei gleicher nominaler Kälteleistung auf der Luftseite, stark voneinander abweichen.

Die Umwälzpumpe für ein indirektes System wird für den zu erwartenden maximalen Lastfall ausgewählt. Dafür sind zwei charakteristische Größen notwendig: der Volumenstrom und der Gesamtdruckverlust, der auch oft die Druckhöhe genannt wird. Die Bestimmung der Anteile aus der Rohrreibung sowie den Verlusten in regelungstechnischen und strömungsunterbrechenden Bauteilen wurde bereits behandelt. Für den zentralen Wärmeaustauscher im Flüssigkeitskühler werden im Allgemeinen individuelle Informationen des Herstellers herangezogen, die noch nicht vollständig standardisiert sind.

Ein weiterer sehr wichtiger Einflussfaktor sind die Verbraucher, die Luftkühler, Konvektoren und, Fan-Coils, die der Luft die Wärme entziehen. Im Klimabereich, werden mittlerweile von den verschiedenen Herstellern standardisierte Werte angegeben. Diese geben den Druckverlust bei einer Vorlauftemperatur von 7°C und einer Rücklauftemperatur von 12°C an. Das Medium ist reines Wasser und der den Druckverlust erzeugende Volumenstrom wird angegeben. Dieser Volumenstrom bezieht sich auf die maximale Nennleistung des Wärmeaustauschers. Durch diese Festlegung sind alle notwendigen Stoffdaten einfach zu bestimmen.

3.) Baumarkt vs. Profiqualität - wie viel Klima kriegt man für sein Geld

Vergleichstest zwischen Klimageräten aus dem Baumarkt und aus dem Fachbetrieb

Zu Anfang fragten wir uns: Vergleichen wir da nicht Äpfel mit Birnen? Oder tritt hier eine ältere Dame auf dem Hollandrad gegen Jan Ullrich und Lance Armstrong an? Ein Käfer Baujahr ´72 gegen einen nagelneuen A6 3.0 Tdi? Zugegeben, die getesteten Geräten kommen aus unterschiedlichsten Preissegmenten und aus unterschiedlichen Bezugsquellen. Daher werden die Voraussetzungen sicher nicht gleich sein.

Wir wollten hier auch nicht die Geräte einem genormten Vergleichstest unterzeihen, bei dem es auf Tausendstel Sekunden und Milliwatt Stromaufnahme ankommt. Vielmehr ging es darum, zu beurteilen, was der Kunde, bzw. der Betreiber einer Klimaanlage, für eine Gegenleistung für sein Geld erhält. Hier interessiert hauptsächlich, ob man ein für den Menschen geeignetes Raumklima mit den unterschiedlichen Systemen erzeugen kann. Und Raumklima bedeutet nicht nur, die Temperatur nach unten zu bringen. Auf dem Markt sind unterschiedliche Systeme verfügbar. Der Klassiker unter den Klein-Klimaanlagen ist sicherlich das stationäre, fest eingebaute Splitklimagerät. Räumliche Trennung von Außen- und Innengerät gewährleisten eine zuverlässige Funktionsweise und effektive Kühlung.

Da das Prinzip das Maß der Dinge ist, wurden vier verschiedenen Systeme untersucht. Zwei davon kann man aus Baumärkten, bzw. über ein bekanntes Internet Auktionshaus beziehen. Da die feste Installation aber auch gewisse Nachteile mit sich bringt, wurden mobile Lösungen mit berücksichtigt. Nicht jeder Vermieter ist schließlich erfreut, wenn plötzlich Kernbohrungen von nicht unerheblichem Durchmessern durch Wände getrieben werden, um Außen- und Innenteil miteinander zu verbinden. Je eine mobile Splitklimagerät und eine Gerät mit Abluftschlauch wurden ebenfalls mit untersucht, da auch Mieter während heißer Hochsommertage in den Genuss kühler Wohnräume kommen wollen. Im Test sind insgesamt sechs verschiedene Geräte untersucht worden. Dabei wurden die Geräte willkürlich gewählt, wir verzichten deswegen auch auf detaillierte Typenbezeichnungen. Auch sind die gewählten Marken nur als beispielhaft anzusehen und sollen nur der Unterscheidung der Geräte im Test dienen. Es wurden im einzelnen die Funktion der folgenden Geräte untersucht:

- Dilego Splitklima, 9000 BTU/h, im Vergleichstest der Stiftung Warentest von 2005 der Testsieger
- Einhell Splitklima, 9000 BTU/h,
- Argo mobiles Splitklima, 12000 BTU/h,
- Envicare Abluftschlauchgerät, 9000 BTU/h,

Bezugsquellen FÜR DIESE Geräte sind Baumärkte und der Internethandel über gekannte Auktionsplattformen. Daneben wurden zwei nur über den Kälte/Klimafachbetrieb zu beziehende Geräte untersucht:

- Fujitsu Inverter Splitklima, 9000 BTU/h,
- Mitsubishi Inverter Splitklima, 9000 BTU/h,

Versuchsablauf: Zur Untersuchung wurde ein Referenzraum mit einer Leistung von 2,4 kW über einen Zeitraum von 45 Minuten aufgeheizt. Danach wurde jedes System 2,5 Stunden zur Kühlung eingeschaltet, ohne die Heizung abzustellen. Dabei wurde bei allen Geräten eine Temperatur von 20°C sowie der Automatikmodus für alle anderen Funktionen wie Lüftergeschwindigkeit oder Klappenstellung gewählt. Während der Aufheizphase und während der Kühlphase wurden an insgesamt acht Stellen im Raum und an den Geräten die Temperaturverläufe aufgezeichnet. Ferner wurde bei den vier Splitklimasystemen die Verdampfungstemperatur, die Überhitzung in der Saugleitung und mehrere weitere Punkte im Kältekreislauf aufgenommen. Dies ermöglicht eine Aussage über die generelle Funktionsweise und die Qualität des thermodynamischen Vergleichsprozesses zu machen. Letztendlich wurde auch die Raumluftfeuchte erfasst, da sich ein Raumklima schließlich nicht nur über die Temperaturen, sondern auch über die Feuchte definiert. Beurteilung der wichtigsten Komfortkriterien Für den Kunden ist natürlich die zu erzielende Raumlufttemperatur eines der wichtigsten Kriterien. Tiefe Temperaturen deuten schließlich auf ein leistungsfähiges Gerät hin.

Für viele ein entscheidendes Kriterium für eine Klimaanlage. Neben der minimal zu erreichenden Raumtemperatur spielt aber die Regelung bei nur teilweise benötigter Last eine wichtige Rolle. Zu starke Schwankungen lassen den Raumzustand subjektiv als zu warm erscheinen. Die gezeichneten Temperaturverläufe machten hier detaillierte Aussagen über die Regelzustände im Raum möglich. Als einer der wichtigsten Kriterien wurde die am Ende der Betriebszeit resultierende Raumluftfeuchte gemessen. Zusammen mit den aufgezeichneten Temperaturen lassen sich bei den vier Splitklimageräten detaillierte Aussagen über die Funktionsweise der Innengeräte machen. Insbesondere ist die Beziehung von mittlerer Temperaturdifferenz zwischen Ansaug-, Verdampfungs- und Ausblastemperatur zu der am Ende resultierenden Raumluftfeuchte sind eines der wichtigsten Kriterien für die Qualität des Raumluftklimas. Qualitätskriterien für Klimaanlagen Natürlich spielte der Energieverbrauch der einzelnen Anlagen während der Messung eine entscheidende Rolle. Da alle Anlagen gleiche Lasten abführen mussten, konnten hier eindeutige Vergleichszahlen erfasst werden.

Tabelle 1: Die wichtigsten Kenndaten und Kriterien der Klimageräte

Neben dem Energieverbrauch Qel. ist der sich einstellende Raumluftzustand, der durch die relative Feuchte rF und die mittlere Temperatur der Raumes tRm beeinflusst wird, mit das wichtigste Kriterium. Der Raumluftzustand sollte im Bereich des Behaglichkeitsfeldes liegen, um negative Einflüsse auf Wohlbefinden und Gesundheit der im Raum anwesenden Personen zu verhindern. Aber auch die Temperaturschwankungen dtR und die konstruktiven Werte spielen eine wichtige Rolle. Dies sind die Ausblastemperatur taus und die mittlere Temperaturdifferenz dtm im Innenteil der Geräte. Für die mobile Geräte konnten diese Werte nicht ermittelt werden, da die Kreisläufe hermetisiert sind und eine zerstörungsfreie Messung der Drücke nicht möglich war. Die mittlere Temperaturdifferenz dtm ist ein entscheidendes Kriterium, wie die Luftqualität beeinfluss wird. Mit kleinen Wärmeaustauschern kann man preiswerte Anlagen bauen, die aber sehr kalte und sehr trockene Luft produzieren. Je größer der Verdampfer im Innenteil ist, um so kleiner kann die Temperaturdifferenz dtm ausfallen und um so geringer ist die Entfeuchtung. Energieverbrauch und Konstruktion Bei dem Verbrauchszahlen für die elektrischen Energiebedarf Qel. In der ersten Spalte fällt einem das große Gefälle zwischen 1,23 kWh bei dem Mitsubishi Gerät im Vergleich zu 2,68 kWh zum Abluftschlauchgeräte auf. Das entspricht 117% höherem Energieverbrauch! Auch die preisgünstigen Geräte von Einhell und Dilego liegen mit 71% bzw. 68% deutlich über dem besten Wert, genauso wie das mobile Splitgerät von Argo mit 75% mehr Energieverbrauch. Fujitsu liegt mit 1,78 kWh im Mittelfeld, allerdings bei tiefster erreichter Raumtemperatur. Beim Blick auf die Geräte fällt einem sofort auf, woran das liegen könnte.

Die Geräte mit dem hohen Energieverbrauch sind von der Bauform und dem Wärmeaustauschflächen deutlich kleiner. Klar erkennbar ist bei dem Fujitsu und Mitsubishi Geräten die vergrößerte Fläche der Verdampfer an den Innenteilen. Erreicht wird das durch eine aufwändige V-förmige Konstruktion in den Innenteilen. Dilego und Einhell sind hier deutlich kleiner ausgeführt bei gleichzeitig geringerem konstruktiven Aufwand. Insbesondere das Abluftschlauchgerät, das nominell die gleiche Leistung von 9000 BTU/h haben soll, ist wesentlich kleiner. Auch die Größe der Außenteile ist bei Fujitsu und Mitsubishi wesentlich größer als bei den anderen Geräten, was niedrigere Verflüssigungstemperaturen zu Folge haben wird. Hier wird bestätigt, was schon lange vermutet wurde: Ein vernünftiger, energiesparender Betrieb und Wärmeaustausch ist nur mit großen Flächen bei Verdampfer und Verflüssiger möglich. Die Anhebung der Verdampfungstemperatur bei gleichzeitig möglichst niedriger Verflüssigungstemperatur ist grundlegende Voraussetzung für geringen Energieverbrauch. Raumluftbedingungen als entscheidendes Kriterium Betrachtet man die nach 2,5 Stunden resultierenden Zustände der Raumluft, so ergibt sich ein ähnliches Bild: Die Geräte von Argo, Dilego und Envicare unterschreiten den Wert von 35% relativer Feuchte, der als die Untergrenze für die menschliche Behaglichkeit definiert ist. Die erreichten Temperaturen nach 2,5 Stunden Betrieb liegen auf unterschiedlichem Niveau, je nach Nennleistung der einzelnen Geräte. Insbesondere das Abluftschlauchgerät schaffte es nicht dauerhaft, die Temperatur im Raum konstant zu halten. Die Endtemperatur von über 25°C und der Verlauf der Kurven lässt vermuten, dass das Gerät nicht über die Leistung verfügt, gegen die Heizung im Raum gegenzuhalten. Das Gerät von Dilego pendelte sich bei 24,5°C ein und hielt die Temperatur, ohne dabei zu takten. Im Gegensatz dazu taktete das mobile Argo regelmäßig.

Das Gerät verfügte allerdings als einziges im Test über 12.000 BTU/h Leistung. Abbildung 4 zeigt den Temperaturverlauf im Raum, der durch den On/Off Betrieb entsteht. Ferner hatte das Argo die tiefste Ausblastemperatur von unter 1°C! Die starken Schwankungen von im Schnitt 2,6K und die sehr kalte Luft mindern die subjektive Behaglichkeit deutlich. Knapp an der Untergrenze des Behaglichkeitsfeld lag mit 37% das Einhell. Nach Ca. 1,5 Stunden fing auch dieses Gerät an zu takten und hielt die Temperatur im Raum bei durchschnittlich 23,2°C. Dabei blieben die Temperaturschwanken allerdings relativ gesehen klein. Die Invertergeräte von Fujitsu und Mitsubishi zeigten nicht nur im Vergleich zu den anderen Geräten unterschiedliches Verhalten, auch im direkten Vergleich führten die Geräte zu völlig unterschiedlichen Raumluftzuständen. Das Fujitsu kühlte die Raumluft stetig auf die eingestellten 20°C runter, wobei nach 2,5 Stunden eine Endtemperatur von 21,2°C erreicht wurde. Dabei blieb die Entfeuchtung im Rahmen, knapp 43% relative Feuchte sind ein passabler Wert. Das Mitsubishi kühlte den Raum innerhalb einer sehr kurzen Zeit auf unter 24°C runter und sorgte dann dafür, das die Raumluft bei dem Zustand verharrte. Dies erklärt auch den minimalen Energieverbrauch des Gerätes. Die Temperaturenverläufe nach Einschalten bei beiden Geräten wiesen keinerlei Schwankungen auf. Das unterschiedliche Verhalten der beiden Geräte lässt vermuten, das hier unterschiedliche Regelungskonzepte bei der Steuerung der Geräte zur Anwendung gekommen sind. Insgesamt schaffte es das Mitsubishi den besten Raumluftzustand zu erzeugen. Wobei die Raumtemperatur ca. 3,5K über den eingestellten 20°C lag. Dabei lagen die mittlere Verdampfungstemperatur bei 6,78°C und die Einblastemperatur bei 9,68°C, was in Verbindung mit der erzielten Raumfeuchte unangenehme Zugerscheinungen vermeiden hilft. Das technisch gleichwertig Fujitsu führte zu tieferen Temperaturen, bei immer noch niedrigem Energieverbrauch und geringer Entfeuchtung. Hier müsste man bei der Einstellung höhere Temperaturen wählen.

Die Aufnahme der Verdampfungstemperaturen und der Leistungsdaten der Außengeräte zeigt, das beide Geräte noch deutliche Leistungsreserven haben. Das Einhell Splitklimagerät lieferte gerade noch akzeptable Werte für die Raumluft, allerdings bei deutlich höherem Energieverbrauch. Die anderen drei Geräte lagen mit den erreichten Raumluftzuständen außerhalb des Behaglichkeitsfeldes. Abbildung 6 zeigt zusammenfassend die erreichten Endzustände im h,x-Diagramm. Das Geräuschniveau war bei den Splitklimageräten von Einhell und Dilego durchaus akzeptabel, insbesondere bei den Außenteilen, die die Werksangaben von 54 dBA einhielten. Hier waren alle Beteiligten erstaunt, das für den sehr günstigen Kaufpreis hier, nur das Geräuschniveau betrachtet, vernünftige Qualität geliefert wird. Lediglich bei den Innenteilen war ein etwas höherer Geräuschpegel als bei den Invertergeräten wahrnehmbar. Bei dem Gerät von Argo war der Geräuschpegel, dafür, das sich der Verdichter im Innenteil befindet, erstaunlich niedrig, aber trotzdem deutlich hörbar. Ein Zeichen, das trotzdem konstruktiv gedacht wurde und die sehr viel Platz benötigende Dämmung eingebaut wurde. Beim Abluftschlauchgerät ist das Geräusch schlichtweg nicht akzeptabel: Der Verdichter, die Ventilatoren und die Luftströmung durch den Abluftschlauch sind so deutlich zu hören, das ein Aufenthalt in der Nähe des Gerätes fast unmöglich ist. Offensichtlich ist als Attribut an die sehr kompakte Bauweise, und den geringen Preis, auf jede Art von Dämmung verzichtet worden.

Tabelle 2: Bewertung der Funktionen der einzelnen Geräte

Zusammenfassung:

Reine Abkühlung der Raumluft ist nicht Klimatisierung. Und die hohe Kunst mit nur einer Größe, der Kälteleistung der Anlage, gutes Klima zu machen, beherrschen nicht alle Hersteller in Vollendung. Die Messung und Speicherung der relevanten Anlagendaten wie Verdampfungstemperatur, Überhitzung, Luftein- und Austrittstemperatur zeigten, für den Laien nur schwer erkennbare, Unterschiede in der Funktionsweise der kältetechnischen Komponenten der untersuchten Geräte. So haben drei der untersuchten Geräte mit Klimatisierung wenig zu tun. Das Schlusslicht bildet eindeutig das Abluftschlauchgerät. Hier sollte klar sein, das so ein Gerät nur als kurzfristige Notlösung in Frage kommt und mehr als ein Kaltluftgebläse anzusehen ist. Neben dem höchsten Energieverbrauch im Test führte es zu starker Entfeuchtung und ungesunden Raumluftzuständen.

Die On/Off Geräte von Argo, Einhell und Dilego hatten bessere Verbrauchsdaten, konnten aber auch beim Raumklima nicht überzeugen. Lediglich das Einhell Gerät schaffte es, die Luft knapp im Behaglichkeitsfeld zu belassen. Sobald die Geräte nur noch im Teillastbereich gefordert sind, takten sie stark und führen zu extrem hohen, subjektiv als sehr unbehaglich empfundenen Temperaturschwankungen. Ferner hatten alle drei Geräte sehr tiefe Ausblastemperaturen, die bei direkter Richtung auf Personen als extrem unangenehm empfunden wird, da dies zu deutlichen Zugerscheinungen führt. Insgesamt betrachtet ist die Raumluftqualität bei dem Gerät von Einhell gerade noch akzeptabel, bei allen anderen ist sie als Mangelhaft einzustufen. Ferner kann man Zweifel anmelden, ob einige angegebenen Nennleistungen tatsächlich stimmen können bzw. an den Raum abgegeben werden können. Ferner führt das Takten der Geräte, wenn nur ein Teil der Leistung benötigt wird, zu starken Schwankungen der Temperatur im Raum, die den empfundenen Komfort einschränken. Tiefe Ausblastemperaturen und geringe Raumluftfeuchte sind aber auch aus medizinischer Sicht bedenklich: die Hals-Nasen-Ohren Ärzte dürften sich bei Einsatz dieser Geräte sicher verstärkt über Patienten freuen.

Die Inverter geregelten Geräte von Fujitsu und Mitsubishi schaffen es hingegen ein gutes Raumluftklima zu erzeugen. Dies ist nur mit Invertertechnologie zu erreichen, aufwändiger Konstruktion der Wärmeaustauscher, einer ausgeklügelten Steuerung der Betriebszustände und einer auf Erfahrung basierenden Software zur Regelung. Geringer Energieverbrauch, geringe Entfeuchtung, geringer Geräuschpegel und Erfüllung der realen Leistungsdaten zeichnen die Geräte aus. In der Regelung scheinen die beiden Geräte unterschiedlichen Konzepten zu folgen. Fujitsu setzt auf Leistung und schnelle Abkühlung, ohne dabei die Raumluft zu stark zu entfeuchten. Bedingt durch die gewählte Einstellung von 20°C verließ der endgültige Raumluftzustand zwar das Behaglichkeitsfeld, blieb aber klar unterhalb des Behaglichkeitsfeldes in einem Bereich guter relativer Feuchte. Bei höherer gewählter Temperatur wird der zu erzielende Raumluftzustand damit im Behaglichkeitsfeld liegen. Bei dem Gerät von Mitsubishi kommt es nach einer sehr schnellen Abkühlphase zu einem sehr konstanten Raumluftzustand, der deutlich erkennbar mitten im Behaglichkeitsfeld liegt. Gleichzeitig hatte das Gerät den geringsten Energieverbrauch. Insgesamt hinterließ das Gerät, auch bedingt durch die gute Verarbeitung, im Test den besten Eindruck. Abschließend kommt wieder ein altes Prinzip zur Geltung: Eigentlich sind wir zu arm, um billig einzukaufen bzw. zu klimatisieren.

Die Meisterklassen des Abschlussjahres 2007 mit einem Teil der Ausbilder IKKE - Praxisnahe Ausbildung von Meistern in Duisburg

Das neue Informationszentrum für Kälte-, Klima- und Energietechnik - IKKE gGmbH ist eine gemeinnützige Gesellschaft, deren alleiniger Gesellschafter die Kälteanlagenbauer-Innung Nordrhein (KIN) ist. Seit 2002 werden, neben zahlreichen anderen Kursen und Ausbildungslehrgängen, Meister in Teilzeitkursen, seit 2006 auch in Vollzeitkursen, im Kälteanlagenbau ausgebildet. Die Ausbildung wird dabei nicht nur mit den mit den hauptberuflichen, fest angestellten Kräften durchgeführt, sondern auch mit externen Kräften aus dem verschiedenen Bereichen wie z.B. Elektrotechnik und Anlagenplanung. Dadurch wird eine große Bandbreite und ein stets aktueller Bezug zur Praxis erreicht. Im Rahmen der abschließenden Projektwochen der Meisterklassen wurden im Herbst 2007 an mehreren Klimageräten Messgeräte angebracht. Sinn und Zweck war, die angehenden Meistern in zeit- und praxisgerechten Methoden der Anlagenanalyse einzuführen. Unter der Betreuung eines der Ausbilder, Dipl. Ing. Vilim Mergl, der als externer Dozent im Ausbildungsplan für die Anlagenplanung und -technik verantwortlich ist, wurden die Messungen aufgebaut, durchgeführt und anschließend ausgewertet.

4.) Abweichungen der realen Verdichterleistung vom in der DIN 8928 und der EN 12900 definierten Zustand

Die Leistung einer Kälteanlage hängt zu einem großen Teil von der Wahl des Verdichters ab. Hier gilt das alte Prinzip, das Hubraum durch nichts zu ersetzen ist Auf Grundlage der DIN 8928 sind die meisten noch im Umlauf befindlichen Leistungsdatenblätter erstellt worden. Es stellte sich aber im realen Betrieb heraus, dass die Abweichungen sehr stark vom gewählten Kältemittel und den Betriebszuständen abhängen. Traditionell verwendete Kältemittel wie R 22 hatten auf Grund ihrer thermodynamischen Eigenschaften kaum Abweichungen zwischen angegebenen DIN Zuständen und realer Leistung. Bei R 134a und insbesondere R 404A/R 507 können die Abweichungen der Leistungen aber in einer Größenordnung liegen, die durchaus zu einem Streitfall zwischen Betreiber und Anlagenbauer ausarten können. Beim Einsatz in der Tiefkühlung können die Werte der Abweichungen im Vergleich zur DIN 8928, je nach Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur sowie der Druckverluste in den Rohrleitungen über 30% betragen. Die DIN 8928 ist nun durch die EN 12900 ersetzt worden. Interessant ist die Frage, ob sich die Abweichungen signifikant verkleinert haben.

Wie bei der DIN 8928 lautet auch bei der EN 12900 die Definition der Kälteleistung : " Kälteleistung…Produkt aus dem Kältemittelmassenstrom durch den Verdichter und der Differenz der spezifischen Enthalpie des am Eingang des Verdichters auf den in Tabelle 1 angegebenen zutreffenden Wert überhitzten Kältemittels und der spezifischen Enthalpie der gesättigten Flüssigkeit in einem Zustand, der dem Druck am Verdichterausgang entspricht." Hier hat sich nichts geändert, da auch in der EN 12900 die für die Bestimmung der Kälteleistung heran zu ziehende nutzbare Verdampfungsenthalpie erst am Verdichtereintritt endet. Wie in der DIN 8928 werden starke Unterschiede im Massenstrom zu erwarten sein. Die Tabelle, auf die verwiesen wird, zeigt die neuen Bezugstemperaturen für die Angabe der Leistungen. Auch in der EN 12900 wird, wie in Tabelle 1 zu sehen ist, die Unterkühlung in der Flüssigkeitsleitung weggelassen. Wurde bei der DIN 8928 noch mit 25°C Ansaugtemperatur oder 20 K nutzbarer Überhitzung gearbeitet, so reduziert sich jetzt der Wert auf eine Ansaugtemperatur von 20°C an. Dies bedeutet, dass wiederum eine vergleichsweise große nutzbare Verdampfungsenthalpie vorliegt, die den für die Kälteleistung notwendigen Massenstrom stark verringert, insbesondere beim Einsatz in der Tiefkühlung.

Nutzbare Verdampfungsenthalpie als wichtiger Einflussfaktor

Insgesamt fällt einem bei Betrachtung der Tabelle 1 auf, dass sich die Temperaturen um rund 5 K Unterschied gesenkt haben. Die jeweiligen Temperaturen richten sich nach den Anwendungsgebieten. Die in der DIN 8928 noch nicht definierten Leistungen für "Haushaltsgeräte" werden bei 32°C angegeben. Für den breiten Anwendungsfall "Gewerbekälte" soll nun mit 20°C, statt mit 25°C, Ansaugtemperatur und bis dahin nutzbarer Verdampfungsenthalpie gerechnet werden. Dies bedeutet gegenüber den alten Werten eine Entwicklung hin zu realistischeren Leistungsangaben. Die Überhitzungen von 10 K bzw. 20 K sollen bei Verdichtern für Großkälte Verwendung finden, bei denen halogenierte Kältemittel zum Einsatz kommen. In den Tabellen 2 bis 4 sind die Verdampfungsenthalpien der einzelnen Kältemittel bei -5°C und bei -30°C für die DIN 8928 und EN 12900 Zustände für den Fall "Gewerbekälte" aufgeführt. Bei R 22 liegen die Abweichungen bei -5°C deutlich in einem Bereich von unter 10%. R 134a weißt nur geringfügig höhere Abweichungen auf, die um 10% herum liegen. R 404A weißt hier schon starke Unterschiede auf, die in diesem Bereich zwar von 14,5% auf 11% verringern. Die Verkleinerung der Abweichung ist aber immer noch signifikant. Dies sind Folgen der Formen der Dampfdruckkurven: R 22 hat eine breite und relativ homogene. R 134a ist relativ ähnlich. Aber bei R 404A/507 verläuft die Taulinie, insbesondere im unteren Bereich stark nach links. Dies deutet auf eine geringe nutzbare Verdampfungsenthalpie hin, besonders bei tiefen Temperaturen.

Einfluss von Ansaugdichte und Wärmekapazität des Sauggases

Die Leistung des Verdichters ist aber nicht nur von der nutzbaren Verdampfungsenthalpie abhängig, sondern auch von der Ansaugdichte und von der Wärmekapazität des Sauggases. R 22 hat eine vergleichsweise geringe Wärmekapazität im Sauggas. Eine der Konsequenzen ist die hohe Verdichtungsendtemperatur, die sich aus der Thermodynamik ergibt. Für die Abweichung der Leistungen ist jedoch von Vorteil. Da der Anteil der Wärmekapazität des Gases in der Saugleitung an der nutzbaren Verdampfungsenthalpie dadurch geringer wird. In den sich gegenseitig beeinflussenden Faktoren kommt es bei R 22 fasst zu einer Aufhebung der Abweichung der realen Leistung zu der durch EN 12900 definierten Leistung.
Im Gegensatz dazu sind die Wärmekapazitäten von R 134a und R 404A/R 507 in der Saugleitung vergleichsweise hoch. Im Miteinander von Dichte und Wärmekapazität kommt es hier aber zu wesentlich größeren Abweichungen, da bei einer realen nutzbaren Überhitzung von vielleicht 7 K wesentlich weniger Wärme transportiert werden kann. Die Konsequenz ist ein wesentlich höherer Kältemittelmassenstrom. Die Abweichung der Leistung ist zwar kleiner als die der reinen nutzbaren Verdampfungsenthalpien, liegt aber immer noch, trotz der 5 K geringeren Abweichung in einer Größenordnung, die Probleme bereiten könnte

Technische Ausführung der Anlage von wesentlicher Bedeutung

Natürlich ist die richtige Auswahl der Wärmeaustauscher von großer Bedeutung für die tatsächliche Leistung, die die Anlage bringen kann. An dieser Stelle seinen noch einmal zwei weitere wichtige Faktoren genannt, die die Leistung der Anlage mit beeinflussen: Die Druckverluste in der Saug- sowie in der Druckleitung und die Erwärmung des Gases in der Saugleitung durch mangelnde, fehlerhafte oder einfach nicht vorhandene Wärmedämmung. Die Druckverluste führen zu einem höheren Druckverhältnis bei der Verdichtung. Der Verdichter muss eine größere Arbeit leisten, der Liefergrad wird schlechter und das notwendige Hubvolumen größer. Dies ist einer der Gründe, warum die Druckverluste in den Leitungen einen gewissen Wert nicht überschreiten sollten. Ferner führt ein zu hoher Druckverlust in der Saugleitung zu einer Verringerung der Sauggasdichte und erfordert damit für die gleiche Kälteleistung ein größeres Hubvolumen.

Realer Zustand beim Betrieb einer Kälteanlage

Der reale Zustand beim Betrieb einer Kälteanlage wurde mit einer nutzbaren Überhitzung im Verdampfer von 7 K angenommen. Die weitere Erwärmung in der Saugleitung wurde mit 3 K und die Unterkühlung mit 2 K angenommen. Zur Durchführung der Berechnung wurde wieder mit der CoolTool Software vorgenommen. In der Software können die jeweiligen Überhitzungen und Unterkühlungen detailliert definiert werden, sowohl der real Zustand wie auch die Zustände nach der Norm. Ferner können mit CoolTool die Druckverluste in den Rohrleitungen bei der Bestimmung der tatsächlichen Leistung mit berücksichtigt werden.
Die erste Reihe der Berechnungen in den Tabellen 6 und 7 wurde nur mit den vom Normzustand abweichenden Stoffdaten ermittelt. Der zweite wurde zusätzlich mit Druckverlusten betrachtet, jeweils 1 K in der Saug- und in der Druckleitung. In der letzten Rechnung wurde zusätzlich zu den Druckverlusten mit einer Erwärmung in der Saugleitung von 20 K statt der oben erwähnten 3 K gerechnet. Die jeweiligen Vergleiche erfolgten für Verdampfungstemperaturen von +10°C bis hinunter zu -30°C, wobei in Schritten von 10 K vorgegangen wurde.

Auslegung nach physikalischen Gegebenheiten notwendig

Die relative Abweichung der tatsächlichen Kälteleistung wurden in den Tabellen 6 und 7 dargestellt, jeweils für R 134a und für R 404A/507. Alle relativen Leistungen sind wieder geringer als die Leistung in der Norm. Deutlich sieht man bei beiden Kältemitteln eine drastische Verringerung bei tiefen Temperaturen, die nur ca. zwei Prozent weniger beträgt als bei der DIN 8928. Insbesondere R 404A/507 neigt wieder zu starken Leistungseinbußen. Die weiteren Einflüsse verstärken diese Tendenz noch weiter. Die höchsten Abweichungen in der Tiefkühlung, dem klassischen Anwendungsgebiet von R 404A/507, betragen wieder 25%, wie in Tabelle 6 deutlich zu sehen ist. Bei R 134a zeigt sich ein ähnliches Bild. Die Änderung des Bezugszustände gegenüber der DIN 8928 hat an den Abweichungen maximal zwei Prozent verringert.
In den Tabellen 6 und 7 kann man wieder deutlich starke Abweichungen, insbesondere bei tiefen Temperaturen erkennen. Die gerne praktizierte Auswahl aus den Leistungsdatenblättern ist, auch wenn die EN 12900 bei der Erstellung verwendet wurde, birgt Risiken. Die Verwendung eines Verdichters, der bei realen Bedingungen weniger als 20% der benötigten Leistung hat, kann zu fehlender Kühlung und beim Betreiber zu Problemen führen. Auch die EN 12900 ändert nichts an der Tatsache, dass Verdichter mit den zu erwartenden Betriebszuständen ausgelegt werden muss: Nur das Verdichterhubvolumen unter Berücksichtigung des Liefergrades liefert eine klare Aussage darüber, welche Leistung das Aggregat tatsächlich haben wird.

   
CoolTool - Module
- Verdichterleistung
- ausgelegtes Praxisbeispiel
 
 
 
 
 

Abb 1.: Bildung der Summe der Strömungsbeiwerte je nach individueller Länge und Anzahl der eingebauten Bauteile in der CoolTool Software.

Abb.2 : Bestimmung des tatsächlichen Druckverlustes von Armaturen mittels kv-Wert in der CoolTool Software

Abb. 1 : Veränderung des Rohrreibungswiderstandes bei den klassischen Kälteträgern Äthylen- und Propylenglykol

Abb. 2 : Veränderung des Rohrreibungswiderstandes bei neuen Kälteträgern auf Salz- oder organischer Basis

Abb. 3 : Darstellung der Auslegungen und automatischen Berechnung der hydraulischen Druckverlustes in der CoolTool Bauteilauswahl für Kaltwassersysteme

Screenshots

Abb. 1 : IKKE - Schulleiter Karsten Beermann und Meisterschüler Florian Meyer bei der Vorbereitung eines Klimagerätes für den Test.

Abb 2.: Beides angeblich 9000 BTU/h: Das Abluftschlauchgerät Envicare und das Fujitsu – Splitklimagerät.

Abb. 3a: Unterschiede in der Konstruktion des Innenteils: Doppelt so große Oberfläche durch V-förmigen Verdampfer beim Mitsubishi Gerät. Einfacher Rippenrohrtauscher beim Dilego.

Abb. 3b: Unterschiede in der Konstruktion des Innenteils: Doppelt so große Oberfläche durch V-förmigen Verdampfer beim Mitsubishi Gerät. Einfacher Rippenrohrtauscher beim Dilego.

Abb. 4: Temperaturverlauf On/Off beim mobilen Splitgerät. Deutlich erkennbar die Taktung im Teillastbereich.

Abb.5: Gleichmäßige Temperatur bei Invertergeräten ohne Takten oder Schwankungen für hohen Komfort.

Abb. 6: Endgültig erreichte Raumluftzustände der sechs Geräte. Deutlich erkennbar die Lage des Mitsubishi Gerätes mitten im Behaglichkeitsfeld.

Abb 7. : Aufnahme aller relevanten Anlagendaten zur Analyse der Betriebsweise und graphische Darstellung zur Auswertung

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 5

Tabelle 6

Tabelle 7

Abbildung 1

 
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