Projekt 27352/01

Entwicklung und Untersuchung eines Verfahrens zur kontinuierlichen Bewertung der Energieeffizienz von gewerblichen Kälteanlagen

Projektdurchführung

Cool Expert GmbH
Besenacker 14
35108 Allendorf

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Das Thema Energieeinsparung von Kälteanlagen gewinnt immer mehr an Bedeutung. Das wachsende Umweltbewusstsein und die stark gestiegenen Energiepreise sensibilisieren die Betreiber von Kälteanlagen, die verstärkt nach energieeffizienten Lösungen nachfragen. Zur nachhaltigen, energetischen Bewertung von gewerblichen Kälteanlagen fehlt es jedoch derzeit noch an der erforderlichen Technologie, die es insbesondere dem Betreiber von Kälteanlagen erlaubt, den energetischen Zustand seiner Anlagen ständig im laufenden Betrieb beobachten und einfach bewerten zu können. Es gibt zurzeit noch keine Lösungen, die eine energetische Gesamtbewertung der Energieeffizienz von Kälteanlagen während des laufenden Betriebs erlauben. Ziel des Vorhabens ist es daher, ein praktikables Verfahren zu erforschen und zu entwickeln, mit dem der energetische Zustand einer Kälteanlage kontinuierlich erfasst und als Key Performance Indikator (KPI) angezeigt werden kann. Hierdurch kann ein signifikanter Beitrag zur Verbesserung der Energieeffizienz von Kälteanlagen geleistet werden, indem für den Betreiber frühzeitig überhöhte Energieverbräuche (z. B. durch falsche Reglereinstellung, Kältemittelleckagen, schlecht ein-gestellte Expansionsventile) gemeldet werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn diesem Vorhaben wurde zum einen ein theoretischer Lösungsansatz verfolgt, mit dem ein neuartiges, indirektes Verfahren für direkt verdampfende Kälteanlagen untersucht wurde, das aus gemessenen Prozessgrößen (Temperaturen, Drücke), Anlagenzuständen und kältetechnischen bzw. thermodynamischen Zusammenhängen (Stoffdaten der Kältemittel,) eine hinreichend genaue Berechnung der Kälteleistung ermöglichen soll. Dies betrifft sowohl theoretische Untersuchungen der kälte- und thermodynamischen Grundlagen als auch experimentelle Untersuchungen an einer kältetechnischen Feldanlage. Bei der Bewertung der Gesamtenergieeffizienz von Anlagen wurde neben aus der Literatur bekannten Ansätzen auf das Einheitsblatt VDMA 24247-Teil 7 mit den Kenngrößen TCOP (Total Coefficient of Performance) als Leistungszahl und TEPF (Total Energy Performance Factor) als Arbeitszahl Bezug genommen, die als Key Performance Indikatoren (KPI) den energetischen Zustand der Anlage beschreiben sollen.
Als Basis für eine kontinuierliche energetische Bewertung und ein Energie-Monitoring von Kälteanlagen bedarf es geeigneter Hardware- und Software-Lösungen. Dazu wurden in diesem Vorhaben ausgehend von bereits vorhandenen Lösungen Konzepte entwickelt und gezielt weitere Komponenten und Software-Programme umgesetzt.


Ergebnisse und Diskussion

Es wurden im Wesentlichen folgende Ergebnisse erzielt: Einerseits konnten in dem Vorhaben Grundlagen geschaffen werden, ob und wie die Energieeffizienz im laufenden Anlagenbetrieb (Online-Verfahren) unter technischen und wirtschaftlichen Kriterien mit einer hinreichenden Genauigkeit bewertet werden kann. Dazu wurden ausgehend von Literaturangaben und theoretischen Untersuchungen verschiedene Ansätze untersucht und bewertet. Als Ergebnis konnte festgestellt werden, dass die verfolgte Methodik grundsätzlich für eine Online-Bewertung von Kälteanlagen geeignet ist, aber noch einige technische und wirtschaftliche Hürden für den praktischen Einsatz bestehen. So ist z. B. für die kontinuierliche Auswertung eine hohe Abtastrate der zu erfassenden Prozessgrößen in Sekunden-Auflösung bei den heute eingesetzten Datenloggern nicht üblich, was wiederum eine hohe Rechenleistung und Speicherbedarf für eine kontinuierliche Archivierung erfordert. Eine weitere Hürde ist die erzielbare Genauigkeit des Verfah-rens. Nach den Erkenntnissen ist für die in diesem Vorhaben beschriebenen indirekten Messverfahren in Verbindung mit dem üblichen Ein-/Aus-Taktbetrieb im laufenden Anlagenbetrieb von Gewerbekälteanlagen eine Messgenauigkeit unter 20 % nicht zu erwarten.
Ein weiteres Ergebnis wurde erzielt, indem durch intelligente Software-Algorithmen und Auswertungen aussagekräftige Auswertungen über den Anlagenzustand bezüglich energieineffizienter Betriebsweisen und intelligenter Überwachungs- und Diagnosefunktionen erstellt werden können. Damit lassen sich für den Betreiber und das Service-Personal von Kälteanlagen frühzeitig Indikatoren ableiten, ob und wie effizient eine Kälteanlage im laufenden Betrieb arbeitet. Hierzu wurden in dem Vorhaben ausgehend von einem intelligenten Kühlstellenregler relevante Betriebsparameter auf einem Datenlogger aufgezeichnet und anschließend über Software-Auswertungsprogramme aussagekräftige Darstellungen erstellt. So entstanden grafische Darstellungen in Form von sog. Carpet Plots, die in einer komprimierten Form Datenauswertungen über längere Zeiträume ermöglichen und zielgerichtete Hinweise auf Optimierungspotenziale erlauben.
Mit dem Vorhaben konnten somit wertvolle Erfahrungen gesammelt werden, welche grundsätzlichen Möglichkeiten aber auch Grenzen für eine Online-Bewertung der Energieeffizienz von Kälteanlagen bestehen.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Ergebnisse des Vorhabens wurde auf folgender Veranstaltung durch einen Vortrag mit Veröffentlichung im Tagungsband präsentiert: Meyer, F.: Abtauung zum energetisch besten Zeitpunkt, Vortrag bei ZVKKW Supermarkt-Symposium Kälte- und Wärmeerzeugung im Lebensmitteleinzelhandel, Nürnberg, 5./6. April 2011
Des Weiteren wurde auf das Vorhaben bei der Messe Chillventa, Nürnberg, Oktober 2010 hingewiesen, bei dem das Unternehmen Cool Expert Entwicklungs GmbH als Aussteller mit einem Messestand vertreten war.
Zwischen- und Endergebnisse des Vorhabens wurden zudem mehrfach bei internen und externen Seminar- und Workshop-Veranstaltungen präsentiert.
Es ist geplant, weitere Vorträge und Veröffentlichungen nach Abschluss des Vorhabens zu verfassen.


Fazit

Die in diesem Vorhaben durchgeführten Untersuchungen und erzielten Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse für den weiteren Forschungs- und Entwicklungsbedarf von Online-Verfahren zur Erhöhung der Energieeffizienz von Kälteanlagen im laufenden Betrieb sowie von Energie-Monitoring-Systemen. Es wird erwartet, dass zukünftig Lösungen für die gewerbliche Kältetechnik angeboten werden, die durch das kontinuierliche Energie-Monitoring mit Energieeffizienzbewertung zu einer Energieeinsparung in der Größenordnung von 10-15 % führen. Bei einem jährlichen Verbrauch von 77.000 GWh elektrischen Endenergieverbrauch für kältetechnische Anwendungen in Deutschland kann das kontinuierliche Energie-Monitoring von Kälteanlagen damit einen signifikanten Beitrag zur Umweltschonung leisten.