Aktuelles zur Energieeinsparung in der Lagerung - Inhalt
←
→
Transkription von Seiteninhalten
Wenn Ihr Browser die Seite nicht korrekt rendert, bitte, lesen Sie den Inhalt der Seite unten
18.08.2018
Aktuelles zur Energieeinsparung
in der Lagerung
Inhalt
Hintergrund und Ziele
Kältetechnik/ Wärmerückgewinnung
Indirekte und direkte Kühlung
Auslegung von Kälteanlagen
Forschungsprojekt COOL
118.08.2018
Hintergründe und Ziele
Zwei Wege…
Mehr Ertrag bei gleichem Energieeinsatz Gleicher Ertrag bei weniger Einsatz
Produktverluste minimieren Stromverbrauch senken!
Warnung:
Hintergrundwissen kann zu Einsichten führen und
verursacht Bewusstsein
Hintergründe
19,5 ct
Einkauf Leipziger Strombörse Großabnahme schafft Preisvorteil
Quelle: HORTIGATE
218.08.2018
Hintergründe
-Beispiel (Obst-)Lagerliegenschaften-
Steigender Energiebedarf durch:
längere Lagerzeiträume
Steigerung der Leistung von Kompressoren etc.
mehr Technik (CA controlled atmosphere)
Verteilung der Energieträger:
75-95% elektrischer Energiebedarf
5-25% thermischer Energiebedarf
Jahres Leistungsverlauf
Praxisbeispiele
-Verbrauch, Kosten und Verteilung-
Lagerkapazität 11.915t
Jährlicher Energieverbrauch
Elektrizität 1.422,507 kWh/a (Anteil 98,7)
Erdgas 75.235 kWh/a (Anteil Kosten 1,3)
Lagerkapazität 5.500t
Jährlicher Energieverbrauch
Elektrizität 1.036,801 kWh/a (Anteil 98,1)
Fernwärme 70.169 kWh/a (Anteil Kosten 1,9)
Kälteleistung in kW Wärmeentzug
Ventilatorleistung in kW Wärmezufuhr
318.08.2018
Wärmerückgewinnung
Energieformen:
potentielle Energie Energieerhaltungsgesetz
latente Energie
kinetische Energie Energie ist die Größe, die aufgrund der Zeitinvarianz der
chemische Energie Naturgesetze erhalten bleibt, das heißt, die
elektrische Energie Gesamtenergie eines abgeschlossenen Systems kann
thermische Energie weder vermehrt noch vermindert werden
1. Kühlung ist der Entzug von Energie aus einem System
Bildquelle Rolf Kirchhof
2. Energieeinträge ob mechanischer, elektrischer oder thermischer, müssen dem
System wieder entzogen werden!
Energieverbrauch für 'Gala' während 5,5 Monate
Lagerung in CA bei 1,5°C (210 t) 2008/09
Gesamtstrom:
14038 kWh
(2.106,- € at 15 €Cent /kwh)
Kühlung
Cooling
Ventilatoren
Ventilation fans
41% Abbtauung
Defrosting
CO2
CO2scrubbing
-Adsorber
Quelle: McCormick et al. 2010
418.08.2018
Wärmebelastung eines Apfellagerraums
(Osterloh, 1996)
~6% Abkühlung bei
~16%
Einlagerung
Atmungswärme
~8% gelagerter Äpfel
~70%
Wärmeeinfall durch
gedämmte Wände
sonstige
Kältetechnik und Wärmerückgewinnung
Kältetechnik
Direkt (1-Kreislauf) oder Indirekt (2-Kreislauf)
Kälteanlage:
Verdichter
Kondensator GWP & ODP
Expansionsventil
Lüfter am Luftkühler (Verdampfer)
Kältemittel und Technik F-Gase
Verordnungen = Herausforderungen ErP
Wärmerückgewinnung
COP SCOP
to
∆T
EER SEER
tc
518.08.2018
Technische Komponenten eines CA-Lagerraum
Lunge Gas-Barriere & Isolation
Atmungswärme
O2
N2, O2
CO2
CO2 , N2, O2 Absorber
CO2 , O2
N2
CO2, C2H4, H2O N2
Separator Luft
Technische Komponenten der Kühl- und CA-
Obstlager
Kältetechnik (1-Kreislauf)
Kälteanlage: Verdichter, Kondensator, Expansionsventil, Lüfter am
Luftkühler
gasförmig
gasförmig
niedriger Druck
hoher Druck
1-Kreislauf
TEV EEV
flüssig flüssig
618.08.2018
Technische Komponenten der Kühl- und CA-
Obstlager
Kältetechnik (2-Kreislauf)
Kälteanlage: Verdichter, Kondensator, Expansionsventil, Lüfter am
Luftkühler Keine Bafa Förderung
von direktverdampfend
2-Kreislauf Systemen ab 2020 1-Kreislauf
Speicher & Wärmetauscher
gasförmig
flüssig
gasförmig
TEV EEV
flüssig flüssig
flüssig
geringes ∆T = geringe Entfeuchtung geringere Kältemittelmenge
Zirkulationspumpen = zusätzlicher Leistungsbedarf
Technische Komponenten eines CA-Lagerraum
-Elektrische Expansionsventile EEV-
Effizientere Kälteanlagenutzung
schnelle Reaktion auf Lastschwankungen
Optimierung des Kühlverhaltens
Geringere Entfeuchtung des Lagergutes
sehr gutes Teillastverhalten Möglichkeit der
Verflüssigungsdruckabsenkung
Optimierung des Kühlverhaltens
einfacher Service durch Fernüberwachung
Wartungskostenersparnis
Quelle: Danfoss
718.08.2018
Kältemittel
Quelle: Umweltbundesamt
Kältemittel
ODP = ozone depletion potential
GWP = global warming potential
Kältemittel GWP
CO2 1
R134A 1.430
Keine Bafa Förderung
Preisanstieg von
von direktverdampfend
Kältemitteln Bsp. 134a
Systemen ab 2020
818.08.2018
Kältemittel
-Auswirkungen-
Reduzierung der Kältemittelmenge
2-Kreislauf
2-Kreislauf 1-Kreislauf
Speicher & Wärmetauscher
gasförmig
flüssig
gasförmig
Räume n
TEV EEV
flüssig flüssig
flüssig
Kältemittel
-Auswirkungen-
Reduzierung der Gesamtmenge
2-Kreislauf
2-Kreislauf 1-Kreislauf
Speicher & Wärmetauscher
gasförmig
flüssig
gasförmig
TEV EEV
flüssig flüssig
flüssig
918.08.2018
Kältemittel
-Auswirkungen-
Reduzierung der Kältemittelmenge
2-Kreislauf
Einsatz von natürlichen Kältemitteln
Propan R290 GWP=3
NH3 R717 GWP=0
Wärmerückgewinnung
Plattenwärmetauscher
Warmwasserwärmetauscher
Sauggaswärmetauscher
Quelle: Hartmann Energietechnik
1018.08.2018
Wärmerückgewinnung
Quelle: Hartmann Energietechnik
Heißwasserbehandlung
Auslegung von Kältesystemen
Auslegungsparameter: Qo= 23 kW; bei to= -5 °C; tc= 45 °C; Einzelkälteaggregat; R507A
Verdampferauslegung: TL1= 2 °C; to= -5 °C; DT1= 7 K;1 Verdampfer
tc 35°
Qo Kälteleistung in kW
26
tc 45°
23
1
1 Leistungskennlinie
des Verdampfers
Auslegungsparameter
to °C -14 -7 -5 ±0
DT1= 7 K 2 5 10 TL1 °C
DT1= 9 K
Schwierigkeit I: Ungleichmäßige Wärmelasten Verteilung über die Lagerperiode. 90%
Abkühlungsphase zu 10% Lagerphase
Schwierigkeit II: schnelle Abkühlung gegenüber erhöhter Verdunstung
größere Verdampferoberfläche = geringeres ∆T°C
Stapelplan (Beispiel 15% Schnellere Abkühlung) Quelle: F. Meyer
1118.08.2018
Einfluss der Kondensationstemperatur auf die
Leistungsaufnahme
Verflüssigungstemperatur tc °C
35 45
27 14
13
Auslegungsdaten: 26
Q0 = 23 kW 12
Elektrische Leistung P in kW
TL1 = 2 °C Kälteleistung Q0 in kW
25
to = -5 °C 11
tu / tc = 32 / 45 °C
Kältemittel R507 24 10
Qo
P 9
23
8
22
7
21 6
-7 -5,0
Verdampfungstemperatur to °C Quelle: F. Meyer
Beispiel: Isolierung
Energy consumption of three 11 t CA rooms over 4 months
of storage (2014/15)
700
600
Kühlung 7 DCA 3°C
500 Kühlung 8 DCA 3°C
400
kWh
Kühlung 9 ULO 1°C
300
Lüfter (7) ULO 1°C
200
100 Lüfter (8) ULO 3°C
0
Lüfter (9) ULO 1°C
26.09.2014
26.09.2014
27.09.2014
27.09.2014
28.09.2014
28.09.2014
31.10.2014
30.11.2014
31.12.2014
21.01.2015
12°C
9 8 7
18:3023:1508:3016:1508:45 18:00 17:00
Ø annual outside temperature
8,5°C handling store
18.08.2018 Marc Spuhler & Daniel Neuwald, KOB 24
1218.08.2018
Beispiel: Isolierung
Energieverbrauch 11 t CA Räume bei 4 Lagerzeit
(2014/15)
700
Kühlung 7 DCA 3°C
600
500 Kühlung 8 DCA 3°C
400
kWh
Kühlung 9 ULO 1°C
300
Lüfter (7) ULO 1°C
200
100 Lüfter (8) ULO 3°C
0
Lüfter (9) ULO 1°C
26.09.2014
26.09.2014
27.09.2014
27.09.2014
28.09.2014
28.09.2014
31.10.2014
30.11.2014
31.12.2014
21.01.2015
12°C
9 8 7
18:3023:1508:3016:1508:45 18:00 17:00
Ø Außentemperatur
8,5°C handling store
Boniturraum
18.08.2018 Marc Spuhler & Daniel Neuwald, KOB 25
Beispiel: Isolierung
Energieverbrauch 11 t CA Räume bei 4 Lagerzeit
(2014/15)
700
Kühlung 7 DCA 3°C
600
500 Kühlung 8 DCA 3°C
400
kWh
Kühlung 9 ULO 1°C
300
Lüfter (7) ULO 1°C
200
100 Lüfter (8) ULO 3°C
0
Lüfter (9) ULO 1°C
26.09.2014
26.09.2014
27.09.2014
27.09.2014
28.09.2014
28.09.2014
31.10.2014
30.11.2014
31.12.2014
21.01.2015
12°C
9 8 7
18:3023:1508:3016:1508:45 18:00 17:00
Ø Außentemperatur
8,5°C Boniturraum
18.08.2018 Marc Spuhler & Daniel Neuwald, KOB 26
1318.08.2018
Isolierung
Effizienz
≈25 % ≈30 %
10 cm Isolierung 14 cm Isolierung
14 cm Isolierung
+Bodenisolierung bei
Grundwasser Nähe
Isolierung
-Wärmebrücken-
Unterbrochene
Kältebrücke am
Hx L xTürrahmen
B, ,
Sandwich Paneele
Sandwich Paneele
Untertage, im Berg
1418.08.2018
rel. Luftfeuchte in Abhängigkeit von
∆T bei Luftkühlern
100
Werkbild
Fa.: ROLLER
95
rel. feuchte Luft in %
90
85
80
75
70
4 5 6 7 8 9 10 11 12
∆T in K
Quelle: F. Meyer
Beispiel: Entfeuchtung in Abhängigkeit der
Verdampfungstemperatur
Ausschnitt h-x-Diagramm bei 1013,25mbar rel. Feuchte: 90% 100%
3
Luftkühler Eintritt
2 TL1 = 2°C
1 rel. F.= 92%
Temperatur [°C]
0
-1
-2
mittlere Kühler- Blocktemperatur Mittlere Kühler- Blocktemperatur
-3 tOberfläche= -3,1 °C DT1=9K tOberfläche= - 0,9°C DT1= 7K
-4
-5
-6
0 1 2 3 4 5
abs. Feuchte X [g. H20/kg tr. Luft] abs. Entfeuchtung bei
∆x= 0,5 - 0,9 °C DT1= 7 K
abs. Entfeuchtung bei [g/kg]
-3,1 °C DT1= 9 K ∆x= 1,0 [g/kg]
Quelle: F. Meyer
1518.08.2018
Kooperationsprojekt COOL
SAS
I M SA S
Institut für Mikrosensoren, -aktoren und -systeme
Lüftung
Einsatzorte und Laufzeiten
Anforderungen an die Lüftung in Obstlagern
Motorisierung der Lüfter
Steuerung und Lüftung
1618.08.2018
Anforderungen an die Lüftung
Lagerfaktor Wärmeabfuhr
Lagerbedingungen homogene Bedingungen
Woraus ergibt sich der Ventilationsbedarf?
1. Lagerphase 3. Verteilung der Fruchttemperatur
2. Stapelplan 4. Leistung der Lüfter
rel. CA-
Temperatur
Luftfeuchtigkeit Atmosphäre
Merke: t °C Oberfläche (Verdampfer) Atmung Atmung
Luftgeschwindigkeit
Wasserverlust Wasserverlust Wasserverlust
Einfluss der Lüftung auf die Wasserverluste
Grenzschicht 100% rel. Luftfeuchtigkeit
Luftgeschwindigkeit ab 0.2 m/s
Gradient der Luftfeuchtigkeit
Beispiel:
50°C
10% rel. Luftfeuchte
25°C
50% rel. Luftfeuchte
10°C
75°C rel. Luftfeuchte
absolute Wassermenge
relative Wassermenge
1718.08.2018
Einfluss der Lüftung auf die Wasserverluste
Beispiel:
Grenzschicht 100% rel. Luftfeuchtigkeit rel. Luftfeuchte
50°C
10%
Luftgeschwindigkeit ab 0.2 m/s
25°C
Gradient der Luftfeuchtigkeit
50%
Lufttemperatur/Fruchttemperatur
10°C
Gasdiffusion
75°C
Einfluss auf parasitäre Erkrankungen
Einsatzorte von Lüftern und Laufzeiten
1818.08.2018
Luftführung-Ventilatoren
Ein Ventilator besteht aus Motor, Gehäuse, Laufrad
Die Luftleistung ist von der Druckerhöhung abhängig
Der Luftvolumenstrom ändert sich proportional zur Drehzahl
2 Lüfter nebeneinander 2 Lüfter hintereinander
+ +
Druckerhöhung [Pa]
Druckerhöhung [Pa]
2 Ventilatoren 2 Ventilatoren
- 1 Ventilatoren - 1 Ventilatoren
- Luftvolumenstrom m3/h + - Luftvolumenstrom m3/h +
Luftführung AC vs. EC
Alternating Current x Electronically Commutated
AC EC
geringe Investionskosten Hohe Investitionskosten
Kosten für Regelung Keine Zusätzliche kosten zur Reglung
höhere Verluste bei Teillast Hohe Effizienz auch bei Teillast
Außerrotor Außerrotor
Rotorwincklung und Laminierung
Wicklung
Stator
Versorgung Versorgung Steuerung
Statorwicklung
1918.08.2018
Luftführung-Ventilatoren
Förderungsfähig BLE u. Bafa
Vorteile des EC zum AC:
höherer Wirkungsgrad Leistungsanpassung an die Lagerphase
effizienter im Teillastbereich (>90 %)
geringere Wärmeentwicklung
2
Stromaufnahme [kW]
1
Güntner Fachveröffentlichung: AC- versus EC-
Motorentechnik.(2010)
AC + Phasenschnitt
0 AC + Transformator
5000 13000 19000 AC + Frequenzumrichter
m3/h EC + 0-10 V Steursignal
EC vs. AC
30.0°C
Off 50% 100%
20.0°C
25.0°C
AC 100%
EC 100%
AC 50%
EC 50%
10.0°C
2018.08.2018
EC vs. AC
Energieverbrauch [kWh] / Lüfter Laufzeit [h]
Abtauung
Möglichkeiten der Abtauung:
elektrisch → zusätzlicher Wärmeeintrag
Ventilationsnachlauf → ineffizient
Heiß-Gas ≈ effizient, hohes Investment + Wärme
Heiß-Wasser ≈ effizient, hohes Investment + Wärme
∆ T°C ↓ → Entfeuchtung
Ventilator = Heizer
2118.08.2018
Luftführung in der Theorie
Luftleitblech
Luftkühler
Luftkühlerabschottung
Tür
Luftführung in der Simulation
Seitenansicht mittlere Reihe Seitenansicht mittlere Reihe zwischen
zwischen den Kisten den Kisten
Kombination aus 2 Anemometern IMSAS 2015: R. Jedermann
2218.08.2018
Einfluss der Stapellung
-Abkühlzeitraum-
Fruchttemperatur Block
Lufttemperatur Block
Fruchttemperatur 10 cm Stapelabstand
Lufttemperatur 10 cm Stapelabstand
Abkühlzeitraum
Methoden – Kühlräume und Messpositionen
Apfellagerraum (100 t)
Stapel von 7 x 4 x 8 Kisten
Reihenabstände variabel durch
verschiebbare Seitenwand
4 bzw. 3 Ventilatoren über den Kistenreihen
Luftströmungsmessung in 24 Kisten in Reihe 1 und 2
Reihe 1 2 3 4
2318.08.2018
Einfluss der Stapelung auf die
Luftgeschwindigkeit
Dummy Verdampfer
verschiebare Seitenwand
Einfluss der Stapelung auf die Luftgeschwindigkeit
2418.08.2018
Ergebnisse
Einfluss der Stapelung auf die Luftgeschwindigkeit
• Entscheiden ist nicht die gesamt Luftleistung! Sondern eine gleichmäßige
Verteilung.
Lüfterposition mittig über dem Stapel
Lüfterposition mittig über dem Stapelspalt
Varianten 100% 75% 50% Ø
V5 1,78 1,79 1,80 1,79
V1 1,64 1,63 1,75 1,67
V2 1,76 1,53 1,14 1,48
V4 1,70 1,47 1,25 1,47
V6 1,49 1,43 1,49 1,47
V3 1,63 1,30 0,96 1,29
V7 1,38 1,25 1,19 1,27
Ergebnisse - Einfluss der Stapelung
Reihe 2, 4 Ventilatoren, 100% Leistung
10cm,10cm Block 10cm 6 Stapel 10 cm
10cm,30cm Block 30cm Doppelreihe 10 cm
0,5 m/s
0 m/s
2518.08.2018
Einfluss von Luftabschottung und Luftleitblech
Methoden – Kühlräume und Messpositionen
Apfellagerraum (50 t)
Luftkühler mit Ventilatoren und Luftabschottung
Geschwindigkeit am Luftaustritt 3-4 m/s
Reihenabstand 13 cm
Messpositionen in mittlerer
Kistenreihe
5 Sensoren / Kiste
2618.08.2018
Methoden – Kühlräume und Messpositionen
Untersuchung der auftretenden Vergleich Raum 5 und 4 mit und ohne
Luftgeschwindigkeit bei Lagerbedingungen Luftleitblech
10 Messpositionen
Raum 5 mit Luftleitblech (LLB) + Abschottung 4 Messpositionen
(AS) Raum 5 ohne Luftleitblech (LLB) +
Raum 4 ohne Luftleitblech (LLB) + ohne Abschottung (AS)
Abschottung (AS) Raum 4 mit Luftleitblech (LLB) + ohne
5 Leistungsstufen Ventilation (0 %, 25 %, 50 Abschottung (AS)
%, 75 % u. 100 %) 4 Leistungsstufen Ventilation (25 %, 50 %,
Messbedingungen = Bedingungen Lagerphase 75 % u. 100 %)
Ergebnisse
Luftgeschwindigkeit in ausgewählten Kisten
0,2
0,0
2718.08.2018
Ergebnisse – Einfluss der Ventilatordrehzahl
Reihe 1
Ventilatordrehzahl 100% 75% 50% 25%
0.4 m/s
0 m/s
Ergebnisse – Einfluss der Ventilatordrehzahl
Reihe 2
Ventilatordrehzahl 100% 75% 50% 25%
0.4 m/s
0 m/s
2818.08.2018
Ergebnisse
Einfluss von Luftleitblech und
Luftkühlerabschottung auf die Luftgeschwindigkeit
Air velocity [m/s] Verdampfer
2,5 2,5
2,2 2,1
2,0 2,0
Luftgeschwindigkeit 1,5
1,2 1,2 1,5
1,3 1,1
[m/s] 1,0 1,0
0,4 0,3
2,5
0,5 0,5 2,0
0,0 0,0 1,3 1,1
1,5
1,0
0,4 0,5
2,5 0,5
2,0 0,0
1,3 1,3 1,3 1,4
1,5 2,5 2,5
1,0 2,0 2,0
0,5 1,4 1,4
1,5 1,5
0,0 0,7 0,8
1,0 1,0
0,6 0,6 0,3
0,5 0,3 0,5
0,0 0,0
2,5
2,5
2,1 2,1 2,0
2,0
1,5
1,5
0,7 0,8
1,0
1,0
0,3 0,3
0,3 0,3 0,5
0,5
0,0
0,0
Tür not optimized
Unverändert sealing-off
Luftleitblech++ air deflector
Abschottung air deflector
Luftleitblech sealing- off
Abschottung
Ergebnisse
Produktqualität nach Lagerung unter reduzierter
Lüfterdrehzahl
2918.08.2018
Ergebnisse
Produktqualität nach Lagerung unter reduzierter
Lüfterdrehzahl
Einfluss der Kisten auf die Luftführung
3018.08.2018
Einfluss der Kisten auf die Luftführung
7% Öffnungsfläche 28%
Alt
Porosität der
Apfelschüttung 40%
Neu
Zusammenfassung
Einfluss Luftkühlerabschottung: Luftgeschwindigkeiten im oberen Teil sind
reduziert! Im unteren Teil erhöhte Luftgeschwindigkeiten (Vereisung!)
Positiv da unter dem Verdampfer und in den untersten Kisten immer die
niedrigsten Luftgeschwindigkeiten vorliegen
Einfluss Luftleitblechs: Kein Einfluss oder eine Verbesserung der Ø-
Luftgeschwindigkeiten. (Luftstrom reist bereist vor erreichen der Ecke ab)
Es gibt auch bei reduzierter Lüfterleistung keine Schichtung und keine
Unterschiede zwischen den Varianten.
3118.08.2018
Zusammenfassung
Mittlere Luftgeschwindigkeit in den oberen Kisten etwa 10 Mal so hoch wie in
den Kisten in Bodennähe
Geringe Luftgeschwindigkeit in den Kisten zwischen den Früchten (≤ 0.4
m/s)
Reduzierte Luftmenge (3 Ventilatoren über Spalten) führt nur in oberen Kisten
zu reduzierter Strömungsgeschwindigkeit im Vergleich zu 4 Ventilatoren über
Kistenreihen
Baugleiche Räume mit Stapelabstand kühlen ≈15% schneller im Vergleich zu
Räumen ohne Stapelabstand
Zusammenfassung
Die Fruchtqualität wird nicht durch eine auf 50% reduzierte Lüfterleistung
(nach Abkühlung) beeinträchtigt.
≈40% des Energieverbrauch für die Lüfter und ≈13% der Laufzeit der
Kühlung kann durch eine auf 50% Lüfterleistung reduziert werden.
Die Fruchtqualität ist durch eine auf 50% reduzierte Lüfterleistung (nach
Abkühlung) nicht beeinträchtigt.
EC motorisierte Lüfter sind bei 100% Leistung 21% effizienter und bei 50%
Leistung sogar >27%, gegenüber einem AC motorisierten Lüfter
3218.08.2018
Anhang
Lüftungsanlagenverordnung 1253/2014
Inkrafttreten IEC-Motorenverordnung 640/2009 Ventilatorenverordnung 327/2011
EnEv 2014, §15 Abs.4
Verpflichtende WRG: 73%
01.01.2018
Optische/ akustische Filteranzeige bzw. Warnung
Mindestwirkungsgrad IE3 (0,75 kW bis 375 kW)
01.01.2017
oder IE2 + Frequenzumrichter
Verpflichtende WRG: 67%
01.01.2016
Ventilatoren mehrstufig Regelbar (>2 Stufen) oder stufenlos
Mindestwirkungsgrad IE3 (7,5 kW bis 375 kW) Leistungsaufnahme von >125 W Mindesteffizienz
01.01.2015
oder IE2 + Frequenzumrichter 2. Stufe
21.11.2013 3
RLT-Anlagen mit Volumenstrom >4000 m /h müssen mindestens der
EnEv SFPv Klasse 4 oder besser entsprechen
LeistungsaufnahmeSie können auch lesen
