MTA Deutschland GmbH AL-KO Symposien 2020 - MTA ...
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AL-KO Symposien 2020 MTA Deutschland GmbH • Betrachtung der aktuellen Kältemittelsituation bei Wasserkühlsätzen • Optimierter Aufbau von Kalt- und Kühlwassersystemen Lars Saalborn Key-Account-Manager Klima
MTA S.p.A und MTA Deutschland GmbH MTA produziert und vertreibt seit über 35 Jahren energieeffiziente Kaltwassersätze, Wärmepumpen, Freikühler und Druckluft-Kältetrockner. Prozesskühlung Klimatechnik Drucklufttechnik Engineering Mietkälte+
Produkte Kaltwassersätze Wärmepumpen Rückkühler Kaltwasser-Innengeräte • Luftgekühlt • Luftgekühlt • Tischkühler • Deckenkassetten • Wassergekühlt • Wassergekühlt • V-Kühler • Wandgeräte • Freikühlung • Inverter • Freikühler
Das ideale Kältemittel gibt es nicht! Anforderungen an das Kältemittel • Nicht brennbar • Nicht giftig • Nicht korrosiv • Thermisch & chemisch stabil • Hohe Kälteleistung mit niedrigem Energieaufwand • Günstiges Druckverhältnis • Günstiger Preis / gute Verfügbarkeit Umweltverträglichkeit: • Kein Ozonabbaupotential (ODP=0) • Geringes Treibhauspotential (GWP) Quelle: Westfalen
Montreal Protokoll 1987 regelt den Ausstieg aus chlorhaltigen Stoffen (ODP Wert) Die Ozonschicht Das Ozonabbaupotential ODP Ozone Depletion Potential einer chemischen Verbindung ist eine Maßzahl für den relativen Effekt des Abbaus der Ozonschicht (Ozonloch), die durch den Stoff ausgelöst werden kann, bezogen auf die im Montreal-Protokoll mit dem ODP-Wert 1 festgelegte Substanz Trichlorfluormethan (R11). https://www.planet-schule.de/warum/regen/themenseiten/t3/s4.html Erfüllt! Alle heutigen Kältemittel: ODP = 0
Kyoto Protokoll 1997 regelt den Umgang mit fluorhaltingen Stoffen (GWP Wert) Der Treibhauseffekt Folgen: • Langsame Erwärmung der Erde • Abschmelzen der Polkappen https://wiki.bildungsserver.de/klimawandel/index.php/Treibhauseffekt • Ansteigen des Meeresspiegels Das (relative) Treibhauspotenzial (Global Warming Potential = GWP) oder CO2 -Äquivalent • Mehr Niederschläge gibt an, wie viel eine festgelegte Menge eines Treibhausgases zum Treibhauseffekt beiträgt. Als Vergleichswert dient Kohlendioxid CO2 GWP=1
Restriktionen –aus der F-Gase Verordnung (EU) 517/2014 gültig ab 01.01.2015 Restriktionen [zusätzlich zu den bestehenden Einschränkungen aus der 842/2006] Datum Feuerlöscher, welche R 23 enthalten (Ausnahme: kritische Anwendungen) 1.1.2016 Haushaltskühlschränke und Tiefkühltruhen, die HFKWs mit einem GWP von 150 und mehr enthalten 1.1.2015 Kühltheken und Kühltruhen im kommerziellen Bereich (hermetisch geschlossen) die HFKWs mit 1.1.2020 einem GWP von 2500 und mehr enthalten Kühltheken und Kühltruhen im kommerziellen Bereich (hermetisch geschlossen) die HFKWs mit 1.1.2022 einem GWP von 150 enthalten Stationäre Kälteanlagen mit F-Gasen mit einem GWP >2500, ausgenommen Anlagen für 1.1.2020 Temperaturen kleiner -50C° Neue Kältezentralen für kommerzielle Zwecke mit einer Kapazität ab 40kW, mit Ausnahme des 1.1.2022 Hauptkreislaufes von Kaskadensystemen, deren Kältemittel einen GWP-Wert unter 1500 haben muß Tragbare Raumklimageräte (hermetisch geschlossen) mit HFKWs mit einem GWP von 150 oder mehr 1.1.2020 Split-Systeme mit weniger als 3 kg Kältemittelfüllung und HFKW mit einem GWP-Wert von 750 oder 1.1.2025 mehr. XPS-Schäume mit HFKW mit einem GWP-Wert von 150 oder mehr 1.1.2020 Andere Schäume, die HFKW enthalten mit einem GWP von 150 oder mehr 1.1.2023 Technische Aerosole, die HFKW enthalten mit einem GWP von 150 doer mehr, außer für medizinische 1.1.2020 Anwendungen oder Anforderungen der nationalen Sicherheit betreffen
Kältemittel Typ GWP R134a H-FKW 1.430 R407C H-FKW 1.774 R410A H-FKW 2.088 R404A H-FKW 3.922 Ab 01.01.2020 Verbot von Kältemaschinen mit einem GWP >= 2.500. FCKW = Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe H-FCKW = Hydrierte Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe H-FKW = Hydrierte Fluor-Kohlenwasserstoffe HFO = Hydrofluorolefin
Kältemittel Phase-Down aus der F-Gas Verordnung EU 517/2014
Alternative Kältemittel?
Kältemittel Typ GWP Sicherheitsklasse R134a H-FKW 1.430 A1 R1234yf HFO ~1 A2L schwer entflammbar R1234ze HFO ~1 A2L schwer entflammbar R513A H-FKW + HFO 631 A1 R407C H-FKW 1.774 A1 R410A H-FKW 2.088 A1 R32 H-FKW 675 A2L schwer entflammbar R454B HFO 460 A2L schwer entflammbar R744 (CO2) Natürliches Kältemittel 1 A1 R717 (Ammoniak) Natürliches Kältemittel 0 B2L R290 (Propan) Natürliches Kältemittel 3 A3 brennbar, explosiv GWP CO2=1 H-FKW = Hydrierte Fluor-Kohlenwasserstoffe HFO = Hydrofluorolefin
Ersatzkältemittel zu R134a im Vergleich R134a R513a R1234 ze Typ HFKW Gemisch HFO Trend auslaufend Übergang Mittel-Langfristig Zusammensetzung Einstoff 44% R134a + 56% R1234yf Einstoff GWP 1430 631 1 Sicherheitsklasse A1 A1 A2L Toxizitätsklasse A = gering giftig A = gering giftig A = gering giftig Brennbarkeitsklasse 1 = keine Flammenausbreitung 1 = keine Flammenausbreitung 2L = geringe Brennbarkeit Einsatzbereich Kaltwassersätze Kaltwassersätze Kaltwassersätze Klimaanlagen Klimaanlagen Klimaanlagen Wärmepumpen Wärmepumpen Wärmepumpen NK-Kühlräume NK-Kühlräume
R134a R513a R1234 ze hohe Effizienz ähnliche Energieeffizienz wie R134a sehr niedriger GWP Vorteile weltweite Verfügbarkeit vergleichbare Projektierung wie R134a zukunftsfähig einfache Projektierbarkeit Verwendung von R134a alternatives Kältemittel, wird von geringe Sicherheitsstandards Komponenten Herstellern als Standard-Kältem. in Neuanlagen etabliert nicht zukunftssicher mittelfristige Alternative größere Anlagengröße nicht preisstabil, nächster relativ geringer GWP geringe volumetrische Preisanstieg durch Kälteleistung (ca. 25% niedriger als Nachteile Verknappung 2021 zu R134a) erwarten in Europa künstlich erzeugte Bauteile müssen frei von höhere Sicherheits-anforderungen Verfügbarkeit Aluminium sein (R1234yf) als bei R513a, da A2L keine Planung für Neuanlagen Preislich etwas teurer als R134a Anwendung als Übergangstechnologie
Ersatzkältemittel zu R410A im Vergleich R410A R454B R32 Typ HFKW Gemisch HFO Trend auslaufend mittelfristig mittelfristig Zusammensetzung Zweistoff 69% R32 + 31% R1234yf Einstoff GWP 2088 467 675 Sicherheitsklasse A1 A2L A2L Toxizitätsklasse A = gering giftig A = gering giftig A = gering giftig Brennbarkeitsklasse 1 = keine Flammenausbreitung 2L = geringe Brennbarkeit 2L = geringe Brennbarkeit Einsatzbereich Kaltwassersätze Kaltwassersätze Kaltwassersätze Klimaanlagen Klimaanlagen Klimaanlagen Wärmepumpen Wärmepumpen Wärmepumpen Split-Geräte
R410A R454B R32 Hohe Effizienz annährend gleiche Energieeffizienz Hohe Effizienz wie R410A geringe Alternativ Kältemittel, wird von Alternativ Kältemittel, wird von Vorteile Sicherheitsstandards Herstellern als Standard- Herstellern als Standard-KM in Kältemittel in Neuanlagen Neuanlagen etabliert. etabliert. Sehr stark verbreitet Günstiger Preis Einfache Projektierbarkeit Zukunftsfähig Zukunftsfähig Gute Erfahrungen bei Split- Anlagen Nicht zukunftssicher höhere Sicherheits-anforderungen höhere Sicherheits-anforderungen als bei R410A, da A2L als bei R410A, da A2L Nachteile nicht Preisstabil, nächster Noch keine Erfahrungen, da neu im Preis wird von einem Produzenten Preisanstieg durch Markt bestimmt Verknappung in 2021 zu erwarten hoher GWP
Natürliche Kältemittel im Vergleich R290 Propan R717 Ammoniak R744 CO2 Typ Natürlich Natürlich Natürlich Trend Langfristig Langfristig Langfristig Zusammensetzung Einstoff Einstoff Einstoff GWP 3 0 1 Sicherheitsklasse A3 B2L A1 Toxizitätsklasse A = gering giftig B = giftig nicht giftig Brennbarkeitsklasse 3 = brennbar - explosiv 2L = geringe Brennbarkeit nicht brennbar Einsatzbereich Kaltwassersätze Tiefkühlung Tiefkälte Wärmepumpen große Kühlleistungen Industriekälte als Kaskade mit NH 3 Wärmepumpen Transportkühlung
R290 Propan R717 Ammoniak R744 CO2 hervorragende umweltfreundlichstes ökologisch sehr gut thermodynamische (GWP=0) und effizientestes Sehr niedriger Preis, da Eigenschaften, ähnliche Kältemittel überhaupt Abfallprodukt Drucklage wie herkömmliche Vorteile sehr preiswert Einfach zu beschaffen hohe volumetrische Kälteleistung ideal für Anlagen mit kleinem exzellente Wärmeübertragung (bei to -55°C bis 0°C) 4-12-fach Füllinhalt kleinste Rohrdurchmesser höher als bei Ammoniak keine korrosive Wirkung einzigartiger Geruch zur nicht toxisch, nicht brennbar gegenüber Aluminium und Leckageerkennung Kupfer zukunftssicher zukunftssicher zukunftssicher sehr hohe Sicherheits- erhöhte Extrem hoher Preis anforderungen, daher Sicherheitsanforderungen Sehr hohe Drucklage bis 135 bar überwiegend in der Industrie wegen Toxizität Höhere Leckage-Prüfintervalle Bei kleineren Leistungen nicht kompakte luftgekühlte Anlage Nachteile (dadurch höhere Betriebskosten) praktikabel umsetzbar nicht zu marktgerechten Preisen realisierbar wenige Hersteller Leitungen, Wärmetauscher Berstgefahr bei hohen im Vergleich zu R410A doppelter sind nur in Stahl auszuführen Umgebungstemperaturen im Preis Stillstand. narkotisierend und erstickend, Nur offene Verdichter möglich Hohe Sicherheitsanforderungen explosiv
Aufstellungsanforderungen A2L –Kältemittel (R32, R454B, R1234ze) im Maschinenraum Klasse III gem. EN 378 • Zugang nur durch autorisiertes Personal (keine Füllmengenbeschränkung) • Raumluft- und brandschutztechnische Trennung von anderen Gebäudeteilen • Keine andere elektrischen Bauteile (Pumpe, E-Schrank) im Maschinenraum. • Mechanisches Notbelüftungssystem (mit ATEX-Ventilator) mit 2 unabhängigen Notbetätigungseinrichtungen autarke Spannungsversorgung • Decken, Wände, Boden müssen feuerbeständig ausgeführt werden • Kältemittelwarnsystem mit optischem und akustischem Alarmsignal
Aufstellungsanforderungen A2L –Kältemittel (R32, R454B, R1234ze) Außenaufstellung auf dem Dach gem. EN 378 • Zugang nur durch autorisiertes Personal (keine Füllmengenbeschränkung) • Aufstellung muss so erfolgen, das im Falle einer Leckage kein Gas ins Gebäude oder in die Kanalisation gelangen kann • Notabschaltung muss gefahrlos erreichbar sein • Feuerlöscheinrichtungen müssen in ausreichender Menge vorhanden sein • Gekennzeichnete Fluchtwege einrichten
Dichtigkeitskontrollen Gesetzeslage Die Betreiber von Anlagen, die fluorierte Treibhausgase mit einem Treibhauspotenzial, das fünf Tonnen CO2 oder mehr entspricht, müssen sicher stellen, dass die Einrichtung auf Dichtheit kontrolliert wird. Führung von Aufzeichnungen Die Ergebnisse der Dichtigkeitsüberprüfung müssen in einem Anlagenlogbuch protokoliert und dokumentiert werden. (Betreiberpflicht) Ausbildung und Zertifizierung Die Dichtigkeitskontrollen dürfen nur von sachkundigem Personal gemäß EN13313 durchgeführt werden.
Prüfintervalle • Die F-Gase-Verordung 1 x pro Jahr 2 x pro Jahr 4 x pro Jahr EU517/2014 spricht von Grenze CO2-Äquivalent ab 5 t ab 50 t ab 500 t CO2 Äquivalent je GWP entspricht einer Füllmenge von kg/Kreis Anwendung R134a 1430 3,5 35,0 349,7 • Jeder Kältekreis ist eine R513A 631 7,9 79,2 792,4 eigene Anwendung R1234ze 1 5.000,0 50.000,0 500.000,0 • Bei einer Maschine mit 2 R410A 2088 2,4 23,9 239,5 Kältekreisen wird nur der R32 675 7,4 74,1 740,8 Kreis mit der höchsten R454B 460 10,9 109,0 1.090,0 Füllmenge berücksichtigt Beispiel: 500 kW luftgekühlten Kältemaschine mit einem Füllgewicht von 40 kg pro Kreis Hinweis: Mit Leckage-Erkennungssystem: Halbierung der Prüfintervalle.
Das optimale Kältemittel, das alle unsere Anforderungen Fazit erfüllt, wird es nicht geben. Entscheidend ist außerdem, welche Kältemittel entwickelt werden und von den Verdichter Herstellern freigegeben werden. Je nach Technologien werden wir Kältemittel einsetzen, die für die jeweiligen Anwendungen am geeignetsten sind.
Jetzt ein bisschen Hydraulik…..
Einfach geschlossener Kreislauf Druckausdehnungsgefäß Kältemaschine Verbraucher Manometer Vorspannung/Vordruck „Druckmesser“ Vorteile: Keine Verdunstung, keine Verkeimung, keine Verschmutzung Nachteile: Wasserverluste sind nur mit Aufwand aufzufüllen (entlüften, Nachfüllpumpe)
Dimension und Auswahl der Rohrleitung • Druckverluste in Rohrleitungen • Der Zusammenhang zwischen Fließgeschwindigkeit und Rohrleitungsdurchmesser Carl Hanser Verlag
Dimension und Auswahl der Rohrleitung • Zusammenhang zwischen Fließgeschwindigkeit und Rohrleitungsdurchmesser • Länge der Rohrleitung • Druckverluste in Rohrleitungen 4 v= = 2 Als Faustformel bei Kühlwasserleitungen: Strömungsgeschwindigkeit ideal zwischen 1,5 bis 2,0 m/s
Gesamtdruckverluste im System Die einzelnen Druckverluste (in Reihe) werden addiert • Druckverlust des Kühlers (Rückkühler, Kaltwassersatz etc.) • Druckverlust der Rohrleitung und deren Einbauten (Armaturen, Ventile etc.) • Druckverlust des Verbrauchers • Der Gesamtdruck darf nicht höher sein, als der max. zulässige Druck des schwächsten Bauteils • Speziell auf den Abblase Druck des Sicherheitsventils ist zu achten Hinweis zum Rohrleitungsmaterial: • Verträglichkeit des Materials, kein verzinktes Rohrmaterial im Wasser/Glykol Netz (der Zink löst sich ab und zerstört die Gleitringdichtung der Pumpen) • UV Belastung bei Kunststoffrohrleitungen berücksichtigen
Beispiel Pumpen-Kennlinie eines Herstellers Quelle: KSB
Pumpen Kennlinie im Betriebspunkt Hier eine Pumpe mit 3 unterschiedlichen Laufrad-Durchmessern Im Betriebspunkt ergeben sich die Saugvermögen der Pumpe weiteren technischen Daten • NPSH Wert (Saugvermögenden Pumpe) • Wirkungsgrad der Pumpe • Elektrische Leistungsaufnahme
Die Pumpe muss immer auf den richtigen Gegenduck gedrosselt werden. m Betriebspunkt (Auslegung) Förderhöhe Pumpenkennlinie Tatsächlicher Gegendruck der Anlage m³/h Fördermenge Betrieb ohne Gegendruck „Die Pumpe läuft aus der Kennlinie“
Volumenstrom richtig drosseln Das Eindrosseln erfolgt durch einen zusätzlichen Widerstand auf der Druckseite der Pumpe! Nie auf der Saugseite! • Passende Strangregulierventile sind am besten geeignet. • Bei kleineren Volumenströmen kann der Volumenstrom direkt abgelesen werden. • Bei größeren Ventilen kann zur Einregulierung eine externe Messeinheit angeschlossen werden Quelle: KSB Quelle: Taconova GmbH Quelle: KSB
Der Druckverlust ist insgesamt zu hoch oder der Verbraucher hat eine variable Regelung m Die Pumpe läuft im „eigenen Saft“ Tatsächlicher Gegendruck bis das Wasser anfängt zu kochen der Anlage Betriebspunkt Förderhöhe Pumpenkennlinie m³/h Fördermenge • Die Pumpe kann nicht fördern und das Laufrad läuft immer im selben Wasser • Die Folgen sind Beschädigungen am Laufrad (Kavitation) und der Gleitringdichtung
Der Druck macht den Unterschied! Quelle: KSB 2,5 bar 2,0kW 1,1 bar 0,9kW Leistungsdifferenz 1,1kW x 8.600h/a x 0,12ct/kWh = 1.135,- €/a
Einfacher Regelkreislauf Durchgangs-Regelventil Regelventil Kühler oder Verbraucher Kältemaschine Bei Kältemaschinen Keine ideale Lösung! min. Volumenstrom nicht zu empfehlen der Pumpe?
Einfacher Regelkreislauf Dreiwege-Regelventil TIC Kühler oder Verbraucher Kältemaschine Bei einem einfachen Kreislauf zum Schutz der Kältemaschine besser ein Dreiwege-Regelventil einbauen.
Regelkreislauf mit einem Zwischenkreis • Sehr exaktes Regelergebnis bei der Verbraucher Temperatur. • Sicherer Betrieb der Kältemaschine Mischtemperatur K V1 V2 V T1 T2 Das Ventil mischt warmes zum kalten Wasser hinzu
Kreislauf mit Pufferspeicher oder hydraulischer Weiche P Wann, wie groß und wohin? P K V P Zur Erhöhung des Wasservolumens bei kleinen Kreisläufen oder variablen Volumenströmen.
Kreislauf mit einem Pufferspeicher Der Kaltwasserpufferspeicher soll bei Bedarf (z.B. bei kurzen Rohrleitungen) das Anlagenvolumen erhöhen Die Platzierung des Puffers sollte im Rücklauf P erfolgen K Das erforderliche Volumen wird wie folgt ermittelt: V Volumenstrom [l/s] x Mindestlaufzeit Verdichter [s]) Volumen = Anzahl Verdichter Faustformel für die Größe des Puffers/Weiche: 5 kg Wasser je kW Kälteleistung der kleinsten Verdichterleistungsstufe der Kältemaschine.
Kreislauf mit einer hydraulischen Weiche als Vierleiter Version V1 > V2 V1=konstant V2=variabel K HyWa V FU Konstanter Volumenstrom Variabler Volumenstrom Nachteil: Durch die Mischtemperatur im kalten Bereich der Weiche kann die Temperatur zum Verbraucher höher sein, als die von der Kältemaschine erzeugte Temperatur. (Energieverschwendung)
Kreislauf mit einer hydraulischen Weiche als Dreileiter Version V1 > V2 HyWa K V FU Konstanter Volumenstrom Variabler Volumenstrom Vorteil: Exakt die von der Kältemaschine erzeugte Temperatur geht zum Verbraucher und die Weiche wird nur als Puffer genutzt.
Kreislauf mit einer hydraulischen Weiche als paralleler Schichtenspeicher V1 > V2 K HyWa V FU Konstanter Volumenstrom Variabler Volumenstrom Ideal um die Kältemaschine vor Temperaturspitzen zu schützen und gleichzeitig den Verbraucher zu kühlen.
Kaltwassersystem mit Freikühlfunktion: Wie binde ich den Freikühler in das System ein: • luftgekühltes System • wenn Freikühlung nur als Teilleistung erforderlich ist • wassergekühltes System
Freikühlung bei luftgekühlten Kältemaschine Kühlleistung = Freikühl-Leistung V1 > V2 HyWa K V FU Konstanter Volumenstrom Variabler Volumenstrom Vorteil: Exakt die von der Kältemaschine erzeugte Temperatur geht zum Verbraucher und die Weiche wird als Puffer genutzt.
Freikühlung bei luftgekühlten Kältemaschine Kühlleistung > Freikühl-Leistung V1 > V2 V2 V1 > V2 HyWa K V FU V1 Konstanter Volumenstrom Variabler Volumenstrom Vorteil: Exakt die von der Kältemaschine erzeugte Temperatur geht zum Verbraucher und die Weiche wird Puffer genutzt.
Beispiel: Freikühlung - wassergekühltem System:
Lohnt sich die Investition in die Freikühlung? Die Beispiel aus der Praxis: • Prozesskühlung in einem Maschinenbauunternehmen • Betrieb 24h / 7 Tage • Erforderliche Kälteleistung: 800kW • Erforderliche Freikühlleistung: 800kW • Temperaturniveau: 21°C auf 15°C
Berechnung der möglichen Einsparung: Energiebetrachtung Projekt: Schätzung der Energieeinsparung bei Entlastung der Kaltwassersätze durch einen Freikühler Kälteleistung bei Freikühlung: 830 kW Temperaturen: 21°C / 15°C zur Info die korrekten Werte eintragen Referenzort: Essen Auswahl trefen 8640 Jahresstunden Jahresstunden an denen die Freikühlung zu 100% greift Eingabe -> 6100 Stunden Leistungsaufnahme der Kaltwassersätze Leistungsaufnahme Freikühler Prozesskühlung Eingabe -> 256 kW Eingabe -> 60 kW 179,2 kW Winterbetrieb Verbrauch Kaltwassersätze Verbrauch Freikühler Winterbetrieb 1093120 kWh 366000 kWh Leistungsaufnahme Pumpenanlage im Freikühlbetrieb Eingabe -> 5,5 kW Verbrauch Pumpenanlage im Freikühlbetrieb 33550 kWh Einsparung Strompreis 693570 kWh 0,12 € 83.228,40 € pro Jahr Hinweis: Bei den oben angegebenen Verbräuchen und Einsparungen handelt es sich um Abschätzungen! Die Daten können sich auf Grund von den tatsächlichen Wetterverhältnissen und Betriebsdaten ändern. Zusätzliche Investitionskosten für den Kunden: < 70.000,-- Euro
Beispiel: Freikühlung bei einem wassergekühltem System mit zusätzlicher Wärmerückgewinnung • Ganzjähriger Kältebedarf ca. 450 kW • Durchschnittlich 600 kW Wärme stehen bereit • Zusätzlich zur Freikühlung können voraussichtlich EUR 200.000 pro Jahr an Heizkosten eingespart werden
Vielen Dank für Ihr Interesse
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