Praxiserfahrungen bei der Performance-Bewertung von Kompressions-kälteanlagen

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KÄLTEANLAGEN

Praxiserfahrungen bei der Perfor-
mance-Bewertung von Kompressions-
kälteanlagen

 Autoren
 (v.l.:) Thomas Keller1, Magdalena Wolf1, Barbara Beigelböck2, Katharina Eder2, Stephan Vollmuth1, Christian Steininger2, Tobias Pröll1, 1Univer-
 sität für Bodenkultur Wien, Institut für Verfahrens- und Energietechnik, Wien, Österreich; 2Vasko+Partner Ingenieure Ziviltechniker für Bauwesen
 und Verfahrenstechnik GmbH, Wien, Österreich

Kompressionskälteanlagen . Regelung . Mobile Messtechnik . Practical experience in the performance evaluation
Messdatenerfassung of compression refrigeration systems
Intelligente Regelungsstrategien können, durch die Vermei- compression refrigeration systems . control . mobile measurement .
dung von ineffizienten Betriebspunkten, zur Effizienzsteige- data acquisition
rung von Kälteanlagen beitragen. Im Zuge des Forschungspro-
jekts „VICC – Virtual Cooling Control“ soll der energetische Intelligent control strategies can help to increase the efficiency of
Mehrwert von Regelungsstrategien auf Basis von virtuellen refrigeration systems by avoiding inefficient operating points. The
Datenpunkten untersucht werden. Dazu werden verschiedene project „VICC – Virtual Cooling Control“ focusses on the implemen-
Kompressionskälteanlagen vermessen, um eine valide Daten- tation of control strategies based on virtual data points. For this
basis für eine Modellierung zu schaffen. Für eine energietech- purpose, various compression refrigeration systems will be measu-
nische Bewertung werden Systemkennzahlen und Effizienzpa- red in order to create a valid database for modeling. For an
rameter der Einzelkomponenten verschiedener Teilsysteme energy-related evaluation, system key figures and efficiency para-
und der gesamten Anlage entwickelt. Bei der Messdatenerhe- meters of the individual components, subsystems and the entire
bung kommen mobile Messfühler mit unterschiedlichen plant will be developed. Mobile measuring sensors with different
Messprinzipien zur Anwendung. Kostengünstige Temperatur- measuring principles are used for data collection. Low-cost tempera-
messfühler können im stationären Zustand gute Ergebnisse ture sensors can provide good results in steady state. Initial results
bereitstellen. Erste Ergebnisse der Performance-Bewertung of the performance evaluation show that the overall efficiency of
zeigen, dass die Gesamteffizienz der untersuchten Anlage zwi- the investigated plant varies between 3.8 and 4.5 (EER). However,
schen 3.8 und 4.5 (EER) schwankt. Es sind jedoch weiterfüh- further investigation of additional plants is planned to expand the
rende Untersuchungen von zusätzlichen Anlagen ge- data base.
plant, um die Datengrundlagen zu erweitern.

1 Einleitung und Literaturüberblick Wohngebäuden von 91 GWh (2015) auf verfügbar sind. In der Studie „Verdoppe-
Durch die globale Herausforderung des 388 GWh (2050) zu erwarten. lung der Jahresarbeitszahl von Klimakäl-
Klimawandels rückt der Energieaufwand Vor diesem Hintergrund rückt ein effi- teanlagen durch Ausnützung eines klei-
für den Betrieb von Kälteanlagen zur zienter Betrieb von Kälteanlagen in den nen Temperaturhubes“ [2] werden Ener-
Gebäudeklimatisierung immer mehr in Fokus. Bei der Planung, Ausführung und gie- und Exergieanalysen durchgeführt,
den Vordergrund. Studien zufolge ist von dem Betrieb von Kälteanlagen wird in sowie Messungen an zwei realen Anla-
einer Verdreifachung des Energiebedarfs vielen Fällen jedoch nur die Leistungs- gen detailliert beschrieben. Für die ge-
für Kälteanlagen bis 2050 auszugehen zahl EER (Energy Efficiency Ratio) der messenen Anlagen werden die Jahresar-
[1]. Abb. 1 zeigt den prognostizierten Kältemaschine betrachtet, eine umfas- beitszahlen ermittelt. Wesentliche Aus-
Stromverbrauch für die Gebäudeküh- sende Betrachtung der gesamten Kälte- sage ist, dass der Temperaturhub mög-
lung, aufgeteilt in Wohn- und Nicht- anlage findet kaum statt. Dies ist inso- lichst klein gehalten werden muss. Im
wohngebäude. Während in Nicht- fern bemerkenswert, da die Kosten für Projekt „Kälteanlagen in der Praxis –
wohngebäuden der Stromverbrauch von die Kühlung von Gebäuden im Allgemei- Werkzeuge für die Betriebsanalyse und
614 GWh (2015) auf 1.750 GWh (2050) nen als hoch angesehen werden – ge- Systemoptimierung“ [3] wurden Excel-
steigen wird, ist auch ein Anstieg bei naue Zahlen und Daten jedoch kaum Tools zur energetischen Optimierung von

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Kälteanlagen entwickelt. Ziel des Projek- Prognostizierter Strom-
 1
tes ist, die Entwicklung von einfach anzu- verbrauch Kälteanlagen
wendenden Werkzeugen für die Betriebs-
analyse und Systemoptimierung von Käl-
teanlagen in Büro-, Produktions- und In-
dustriegebäuden anzustellen. Konkrete
Werte für den Energieeffizienz-Kennwert
‘TEPF’ (Total Energy Performance Ratio)
von Gesamtsystemen finden sich in der
veröffentlichten Dokumentation zu die-
sem Projekt nur sehr eingeschränkt.
 Eine Auswertung einschlägiger kälte-
technischer Publikationen (Dokumenta-
tion der DKV-Tagungen, Fachzeitschrif-
ten für Kältetechnik) zeigt, dass die Be-
trachtung einer Jahresarbeitszahl von
Gesamtsystemen nicht erfolgt bzw. nicht me. Erfahrungswerte zeigen, dass „klas- Messdatenerhebung sowie erste Ergeb-
publiziert wird. Lediglich die Forderung sische“ Regelstrategien mit konstanten nisse aus der Systemoptimierung der
nach einem entsprechend hohen Wert Temperaturen und/oder Massenströmen untersuchten Kälteanlage vorgestellt.
für die Energieeffizienz EER bzw. saisona- um die Kältemaschine arbeiten und die
le EER findet man in verschiedenen Un- Temperatur erst im Zuge der Verteilung 2 Anlagenbeschreibung
terlagen. auf die Abnehmer auf das jeweils ge- 2.1 Allgemeine Beschreibung
 Vor diesem Hintergrund wird immer wünschte Temperaturniveau heben. Die- der Kälteanlage
deutlicher, dass eine Gesamtbetrachtung se Vorgangsweise ist insgesamt energie- Betrachtet wird eine gewerbliche Kälte-
des Systems Kälteanlage für Optimie- technisch nicht sinnvoll, jedoch allgemei- anlage in Wien mit wassergekühlter
rungsmaßnahmen nötig ist. Dabei muss ne Praxis. Zudem zeigt sich, dass die Rückkühlung. Dazu wird ein Donauarm,
jedoch beachtet werden, dass Kälteanla- Standard-Auslegung der Kälteanlagen der die Wiener Innenstadt durchfließt
gen komplexe Systeme aus mehreren meist bei sehr hohen Temperaturdiffe- und als Donaukanal bezeichnet wird, ge-
Komponenten (Kältemaschine, Rückküh- renzen zwischen Verdampfung und Kon- nutzt. Die Kältemaschine besitzt eine
ler, Pumpen, u.a.) sind, die meist mit ei- densation erfolgt. Dies ist einerseits den Kälteleistung von knapp 200 kW, die in
ner eigenständigen Regelung ausgestat- nötigen Temperaturdifferenzen der Wär- modularer Bauweise mit mehreren her-
tet sind. Einen guten Überblick über Re- meübertrager geschuldet, allerdings metischen Scrollverdichtern erzeugt
gelung von Kälteanlagen bieten die „In- sind auch keine Kältemaschinen verfüg- wird. Damit kann eine 6-stufige Leis-
foblätter Kältetechnik: Regelungs- bar, die hohe Vorlauftemperaturen (ca. tungsregelung erzielt werden. Das ge-
technik“ [4] von der deutschen Energie- 15 – 18°C) und niedrige Temperaturhübe samt betrachtete System, das hier als
Agentur (dena), die im Rahmen der Initi- erreichen. Kälteanlage bezeichnet wird, besteht aus
ative EnergieEffizienz+, Industrie und Abgeleitet von diesem Hintergrund einer Kältemaschine, einem Pufferspei-
Gewerbe entstanden sind. Die Ergebnis- bieten Kälteanlagen Optimierungspo- cher, einem Wärmeübertrager, fünf Pum-
se beziehen sich primär auf die Kältema- tenzial. Auch der Systembetrieb, und da- pen, Rohren, Filtern, Ventilen und weite-
schine. Darin wird das generelle Regelziel mit hauptsächlich das Teillastverhalten ren Bauteilen, die für diese Arbeit nicht
einer Kältemaschine als Gleichgewicht von verschiedenen Komponenten bei un- weiter relevant sind. Die Anlage kann
der verschiedenen Energieflüsse (Ver- terschiedlichen Regelstrategien, kann in auch in einem Freecooling-Modus betrie-
dampferleistung, Verdichterleistung, der Planungsphase kaum abgeschätzt ben werden.
usw.) definiert. Es wird zwischen Kühl- oder verglichen werden. Das Forschungs- Wir betrachten die Anlage unter der
stellentemperaturregelung, Verdampfer- projekt „VICC – Virtual Cooling Control“, Verwendung von drei unterschiedlich
füllungsregelung und Verdichterleis- gefördert durch die Wiener Wirtschafts- weit gefassten Systemgrenzen, die im
tungsregelung unterschieden. Empfeh- agentur – Ein Fond der Stadt Wien, setzt Anlagenschema in Abb. 2 eingezeichnet
lungen für eine verbesserte Regelung hier an, und versucht, mit Simulations- sind. Die Systemgrenze Kältemaschine
und Betriebsführung von Anlagen bietet modellen Optimierungspotenziale in Be- umfasst die Kältemaschine mit ihren
auch das VDMA Einheitsblatt 24247-7 standsanlagen zu erheben. Basis für die Vor- und Rückläufen auf Kalt- und Kühl-
[5]. Eine gute Zusammenfassung über Optimierungen stellen validierte, dyna- wasserseite. Die Systemgrenze Kälteer-
Regelstrategien von Kälteanlagen bietet mische Modelle von Kälteanlagen auf zeugung schließt zusätzlich zur Kältema-
auch die Broschüre „Stetige Leistungsre- Komponenten-Ebene dar. Um Messda- schine alle Pumpen von der Wärmesenke
gelung im Kälte-Kreislauf“ von Siemens ten für die Modellvalidierung zu erhal- (Donaukanal, in der Abbildung links) bis
Building Technologies [6]. ten, werden im Projekt verschiedene Käl- zum Pufferspeicher ein. Im letzten Schritt
 Eine weitere Herausforderung für ei- teanlagen untersucht. Neben Messdaten wird die Systemgrenze über den Puffer-
nen effizienten Betrieb von Anlagen ist aus der übergeordneten Gebäudeauto- speicher hinweg bis zu den Abnehmern
die Performance in der Teillast. Grund- mation werden fehlende Messpunkte bei erweitert und somit die gesamte Anlage
sätzlich stehen für eine Teillast-Regelung den Anlagen mittels nicht-invasiven Sen- betrachtet.
zwei „Antriebsschrauben“ zur Verfügung soren (Temperatur, Durchfluss) erhoben. In der Einleitung wurde bereits erläu-
– eine Änderung der Temperaturen/Tem- Nachfolgend werden anhand eines kon- tert, dass die Messdaten den Kern des
peraturdifferenzen oder der Massenströ- kreten Beispiels Erfahrungen aus der Projekts darstellen. Für die Leistungsana-

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 lyse der Kälteanlage müssen alle relevan-
 ten Temperaturen, Durchflüsse und elek- 2
 trischen Leistungsverbräuche gemessen
 werden. Im Anlagenschema in Abb. 2
 sind neben den Systemgrenzen auch die
 Messpunkte eingezeichnet. Die elektri-
 sche Leistungsmessung erfolgt mit Gerä-
 ten der Firmen Fluke und Qualistar, die
 Rogowskispulen zur Messung des Stroms
 verwenden. Die Messung der Volumen-
 ströme erfolgt per Ultraschall-Durch-
 fluss-Messgeräten der Firmen Flexim
 und PCE. Die Geräte der Firma Flexim
 verfügen außerdem über zwei Pt100
 Clamp-on-Temperaturfühler, die zur
 Messung der Temperaturen im Vor- und Anlagenschema mit den betrachteten Systemgrenzen
 Rücklauf der jeweiligen Durchflussmes-
 sung platziert wurden. Alle weiteren
 Temperaturen wurden mittels digitalen sächliche Leistungszahl (EERKM) auf die nale Regelbeschreibung, die genauen
 Halbleiter-Temperaturfühler des Typs höchste theoretisch mögliche Leistungs- Einstellparameter sind daraus häufig
 DS18S20 gemessen und in mehreren zahl εCarnot (Gleichung 3) bezogen und so nicht ableitbar. Hinzu kommt, dass eine
 Raspberry Pis verarbeitet. der Gütegrad (Gleichung 4) des Betriebs- Nachführung der Dokumentationsunter-
 zustands ermittelt. lagen bei Umbauten nicht immer voll-
 2.2 Effizienzparameter umfänglich realisiert wird.
 Zur Beurteilung der Effizienz verschiede- = Um eine Vermessung der Anlage aus
 ner statischer Betriebszustände wird die üℎ − energietechnischer Sicht zu realisieren,
 Leistungszahl EER (Energy Efficiency Ra-  Gl. 3 sind deshalb zumeist zusätzliche Senso-
 tio, auch bekannt als COP) herangezo- ren erforderlich. Die Nachrüstung und
 gen. Dabei wird (im Falle einer Kühlung) speziell die Einbindung der Sensorik in
 der abgeführte Wärmestrom auf die auf- ü =  Gl. 4 bestehende Gebäudeleittechniksysteme
 
 gewendete elektrische Leistung bezo- ist, sofern technisch realisierbar, nur teu-
 gen. Beide Größen (und folglich auch die Der Gütegrad beschreibt wie nah die er umzusetzen. Zudem besteht die The-
 EER) hängen von den angelegten Sys- tatsächliche Leistungszahl (EERKM) an der matik des Datenexports der vorhande-
 temgrenzen ab. In dieser Arbeit wird mit theoretischen Maximal-Leistungszahl nen Datenpunkte, der häufig nicht durch
 der EERKM (Gleichung 1) die Effizienz der nach Carnot liegt, und kann auch als Ver- die Betriebsführung vor Ort realisiert
 Kältemaschine beschrieben. Durch Er- gleichswert zwischen verschiedenen Be- werden kann, sondern auch von der aus-
 weiterung der Systemgrenzen bis zur triebspunkten herangezogen werden. Je führenden Firma (Gebäudeautomation)
 Kälteerzeugung (inkl. Kaltwasser- und höher der Gütegrad, desto effizienter die durchgeführt wird und somit kosten-
 Kühlwasserkreis) kann mit der Effizienz- Kältemaschine. pflichtig ist.
 kennzahl EERKE (Gleichung 2) die Effizienz
 der Kälteerzeugung quantifiziert wer- 3 Praxiserfahrungen bei der Messda- 3.2 Parameteränderung im
 den. tenerfassung und -auswertung laufenden Betrieb
 Wie einleitend erwähnt, ist ein wesentli- Häufig kommt es während einer Mess-
 cher Aufgabenschwerpunkt im Zuge des phase zu Parameteränderungen in der
 ̇ ä 
 =  Gl. 1 Forschungsprojektes die Anlagenver- Anlage, die entweder von der Gebäu-
 , 
 messung, die auch (un)erwartete Hür- deautomatisierung oder der Betriebs-
 den mit sich gebracht hat. führung durchgeführt werden. Grund-
 ̇ ä ̇ ä sätzlich ist es von Vorteil, die Betriebs-
 = =
 , , ä ℎ + , , üℎ + , , 
 3.1 Umgang mit fehlenden Messpunkten führung aktiv in die Messungen einzube-
 ̇ ä ̇ ä 
 = =
 , , ä ℎ 
 In der Praxis sind in gebäudetechnischen ziehen. So ist diese informiert, sollte es
 ä ℎ + , , üℎ + , , 
 Anlagen, in denen eine Gebäudeautoma- zu Eingriffen in das System kommen.
  Gl. 2 tion (GA) umgesetzt ist, im Allgemeinen Zudem können auch verschiedene Be-
 jene Datenpunkte vorhanden, die der triebsmodi der Anlage durchlaufen und
 Die tatsächlichen Temperaturniveaus der Betriebsüberwachung dienen. Die Doku- in Abstimmung mit der Betriebsführung
 beschriebenen Anlage entsprechen nicht mentationsunterlagen sind auf die Er- messtechnisch erfasst werden. Im Ideal-
 den vom Hersteller angegebenen Ausle- haltung des Betriebes ausgelegt, d.h. es fall kann die Betriebsführung schriftlich
 gungstemperaturen, weshalb die Effizi- sind vorrangig Bauteillisten, Wartungs- (z.B. in einem aufgelegten Heft) manuel-
 enzen nicht direkt miteinander überein- listen und Kontaktdaten vorhanden. Die le Anpassungen dokumentieren.
 stimmen. Der Temperaturhub ist niedri- Betrachtung von unterschiedlichen Be- Änderungen durch das GA-System
 ger, die Effizienz somit höher. Um die triebsfällen / Betriebspunkten ist in der können eventuell durch Speicherung von
 Werte dennoch mit den Herstelleranga- Dokumentation meist nicht vorhanden. Sollwertvorgaben dokumentiert werden.
 ben vergleichen zu können, wird die tat- Üblicherweise gibt es eine sehr funktio- Hier ist allerdings im Vorfeld zu klären,

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ob die gewünschten Parameter im GA-
System gespeichert werden. Ist dies nicht 3
 Fernzugriff:
der Fall, kann man eine Adaptierung im Temperaturmessung
 Überwachung,
GA-System andenken, wobei hier die Datentransfer

Kosten der Programmierung des GA-Sys-
tems beachtet werden müssen.

3.3 Erfahrungen mit mobiler Sensorik
Für die Vermessung der Kälteanlagen Strom- und Spannungsmessung
wurde daher ein unabhängiges Messsys- LTE-Router
 Internet
tem aufgebaut und die ersten Erfahrun- Datentransfer via WLAN/LAN
gen zeigen, dass die erzeugerseitige Ver- Kabelgebundene
 Datenübertragung (USB, BUS,
messung mit kostengünstiger Messtech- RS232, Klemmen)
nik umsetzbar ist. Die sekundärseitige /
abnehmerseitige Vermessung ist in Ab-
 Durchflussmessung
hängigkeit der Anzahl der vorhandenen
Abnehmergruppen und Aufbau der Tech-
 Schematischer Aufbau und Datentransfer des Datenerfassungssystem zur Vermessung von Käl-
nikzentralen schwerer zu realisieren. Pri- teanlagen.
mär wurde auf mobile Clamp-on-Mess-
technik für Durchfluss, elektrische Leis-
tung und Temperaturen gesetzt. Die Da- tralen diese Rohrabschnitte jedoch nicht nungen und Strömen und sind daher
terfassung erfolgt über Einplatinen- in ausreichender Länge vorhanden. auch für “einfache Leistungsmessung”
computer, die über ein WLAN-Netzwerk, • Für die Durchflussmessung mittels meist ein Übermaß. Im Gegenzug ist die
das von einem LTE-Router aufgebaut Clamp-on-Sensoren ist das Aufbringen Speicherkapazität für Langzeitmessun-
wird, miteinander verbunden sind. Mit- einer Koppelpaste erforderlich. Weil die- gen nicht optimiert. Als Alternative wur-
tels LTE-Router ist auch ein Fernzugriff se austrocknet, muss sie in regelmäßigen den daher Raspberry Pis mit Current Sen-
sowie ein Auslesen der Messdaten aus Abständen erneuert werden, um die Sig- sor Adaptor in Kombination mit Strom-
der Ferne möglich. Abb. 3 zeigt schema- nalqualität aufrechtzuerhalten. Am wandlern verwendet. Diese Geräte ha-
tisch den Aufbau des Messdatennetz- Markt sind unterschiedliche Qualitäts- ben den Nachteil, dass die Span-
werks. stufen für Koppelpasten erhältlich. Bei nungsmessung nur von einer Phase
 Ein eigenes Messsystem zu installie- den Messungen hat sich gezeigt, dass möglich ist. Damit kann der Wirkleis-
ren bietet die Möglichkeit einer flexiblen, qualitativ minderwertige Produkte, spe- tungsfaktor nur für eine Phase korrekt
zielgerichteten und unabhängigen Mess- ziell bei höheren Temperaturen (z.B. berechnet werden. Für Abnehmer mit
datenerfassung. Bei der Umsetzung wur- Kühlwasserleitungen mit rund 45°C), nahezu gleicher Phasenbelastung ist
de einerseits auf günstige und einfach teilweise lediglich für 24 Stunden eine dies jedoch ausreichend. Ein anderer
verfügbare Messtechnik/Messsensoren ausreichende Signalqualität liefern, Nachteil dieser Messgeräte ist eine Limi-
gesetzt und zudem wurden nach Mög- während höherwertige Pasten ver- tierung bei den Kabelquerschnitten.
lichkeit Open-source-Programmlösun- gleichsweise bis zu 3 Wochen ein stabiles
gen via günstigen Einplatinencomputer Messsignal zeigen. 3.3.3 Temperaturmessung
(z.B. Raspberry Pi, Arduino, o.Ä.) verwen- Sofern vorhanden, können Tauchhülsen
det. Erfahrungen mit diesem Messsys- 3.3.2 Elektrische Leistungsmessung zur Temperaturmessung herangezogen
tem sind anschließend zusammenge- Für die Spannungsmessungen stehen werden. Üblicherweise sind diese jedoch
fasst. verschiedene Anschlussmöglichkeiten in meist nicht an allen gewünschten Positi-
 der Praxis zur Verfügung. Magnetische onen vorhanden. Eine praktikable und
3.3.1 Durchflussmessung Kontaktspitzen können im Schaltschrank kostengünstige Lösung stellen Anlege-
Alle Messmethoden zur Bestimmung des an Klemmkontakten leicht platziert wer- temperaturfühler dar. Eine sorgfältige
Volumenstroms / der Strömungsge- den. In Hinblick auf die Sicherheit sind Montage unter der Kältedämmung und
schwindigkeit benötigen Einlauf- und verschraubte Systeme bzw. Klemmen Verwendung von Wärmeleitpaste bei der
Auslaufstrecken, sogenannte Beruhi- klar zu bevorzugen. Bei der Verwendung Installation sind essenziell für eine zu-
gungsstrecken. Diese dienen zur Gleich- von Klemmen ist jedoch oftmals die Ent- verlässige Temperaturmessung.
richtung des Strömungsprofils, um Ver- fernung von Schutzabdeckungen not- • Das wichtigste Thema im Bereich der
wirbelungen in der Strömung, die das wendig, was wiederum für Langzeitmes- Temperatursensoren betrifft die Mess-
Messergebnis negativ beeinflussen, zu sungen nicht praktikabel ist. Zudem genauigkeit der Sensoren. Die meisten
vermeiden. Die Beruhigungsstrecke ist müssen freie Abgänge zur Verfügung Kälteanlagen werden kaltwasser- als
vom Durchmesser des Rohres abhängig stehen. Sofern ein Reserveabgang vor- auch kühlwasserseitig auf Temperatur-
und liegt zwischen dem 5- bis 10-Fachen handen ist, kann dieser Verwendung fin- spreizungen zwischen 5 – 10 K ausge-
des Rohrdurchmessers. Bei einem Rohr den. Allgemein gilt: Nur fachkundige legt. Im Betrieb liegt diese Temperatur-
mit 100 mm Durchmesser ist daher eine Techniker dürfen Eingriffe in elektrische differenz meist deutlich niedriger (2 –
gerade Einlaufstrecke von mindestens Kreise vornehmen! 5 K). Dies hat zur Folge, dass der Fehler
1 m und eine Auslaufstrecke von mindes- • Elektrotechnische Messgeräte von der Temperaturdifferenz größere Auswir-
tens 0.5 m nötig. Häufig sind aufgrund namhaften Herstellern haben enorme kung hat als bei größeren Spreizungen.
der beengten Verhältnisse in Technikzen- Möglichkeiten für die Analyse von Span- Speziell bei den Temperatursensoren ist

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deshalb auf eine gute Montage der Sen-
soren zu achten. Zudem ist es erforder- 4
lich, die Sensoren gegeneinander abzu-
gleichen / zu kalibrieren, um möglichst
kleine Abweichungen in der Temperatur-
differenz zu erhalten. Im einfachsten Fall
kann dies eine Vergleichsmessung aller
Temperaturfühler bei Raumtemperatur
sein, um die generellen Abweichungen
zueinander festzustellen. Bei dieser Mes-
sung sollte darauf geachtet werden, dass
im Raum keine Störgrößen (Luftzug, ge-
öffnetes Fenster / Tür) die Messung be-
einflussen. In einem weiteren Schritt
kann die absolute Abweichung der Tem-
peraturfühler zu einem Referenzpunkt,
z.B. Eiswasser, erfolgen. Darüber hinaus Temperaturmessung: Flexim 1.1 = Kühlwasser Vorlauf, Flexim 2.1 = Kaltwasser Rücklauf,
gibt es Kalibriereinrichtungen für Tempe- Rsp T1 = Kühlwasser Rücklauf
raturfühler. Deren Einsatz erhöht die Ge-
nauigkeit der Messung, muss jedoch den
Investitionskosten für die Kalibrierein- 5
richtung gegenübergestellt werden.
• Während der Messungen können zu-
dem punktuell Vergleichsmessungen der
Temperaturfühler an derselben Messstel-
le durchgeführt werden. In unserem Fall
wurden in regelmäßigen Abständen die
digitalen Temperaturfühler an die Positi-
on der genaueren Pt100-Oberflächen-
temperaturfühler des Flexim angelegt
und die Messdaten verglichen. In (Ab-
schnitt 4.3 ) ist die Auswertung dieser
Vergleichsmessungen zusammengefasst.

3.4 Aufbau eines Messdaten-
netzwerks zur Datenablage Elektrische Leistungsmessung: Fluke 1 = Pumpe Kühlwasser, Fluke 2 = Pumpe Rückkühler
Die Messdaten müssen zur weiteren Ver- Donaukanal, Fluke 3 = Kältemaschine, Qualistar 1 = Pumpe Kaltwasser
arbeitung gesammelt und gespeichert
werden. Um für die Auswertung brauch- Datenverarbeitung. Mobile LTE-Router und Kontrolle der Datenaufzeichnung
bar zu sein, müssen die Datensätze nicht sind kostengünstig und können nahezu können ohne physische Anwesenheit
nur vollständig (alle zur Simulation rele- überall eine stabile Verbindung zum In- durchgeführt werden, wodurch Ressour-
vanten Datenpunkte), sondern auch vali- ternet herstellen. Wenn es keine Mög- cen und Kosten eingespart werden kön-
de und synchron sein. Die Logfiles der lichkeit zum Aufbau eines Internetzu- nen. Es gibt mehrere Möglichkeiten für
verschiedenen Messgeräte werden auf ganges gibt, wird eine externe Real- die Umsetzung eines Fernzugriffs, z.B.
einem Server gespeichert und gesam- Time-Clock an einen Messcomputer an- dynamisches DNS. Die Vor- und Nachtei-
melt. Manche Messgeräte müssen regel- gebracht, der die Uhrzeit an alle anderen le sind je nach Messobjekt und Anforde-
mäßig manuell ausgelesen werden, da Messcomputer ausschickt, um einen ein- rungen an die Datensicherheit individu-
eine Einbindung in das Mess-Netzwerk heitlichen Zeitstempel zu garantieren. ell zu beurteilen.
aufgrund fehlender Schnittstellen nicht Jedenfalls müssen Messgeräte miteinan- • In einem weiteren Schritt können mit-
immer möglich ist und der interne Da- der vernetzt werden, was schwieriger tels Fernzugriff auch Alarme bei Mes-
tenspeicher die Messdauer limitiert. An- wird, je verteilter die haustechnischen sausfällen/Messanomalien beispielswei-
dere Geräte, deren Messdaten über Ras- Anlagen im Gebäude sind. (Einsatz von se per E-Mail / SMS versendet werden.
pberry Pis abgespeichert werden und Routern / Repeater / mehreren Netzwer- Dazu wäre es erforderlich, den jeweiligen
somit kaum durch Speicherkapazitäten ken). Gegenüber einem WLAN-Netzwerk Messwerten Systemgrenzen vorzuge-
beschränkt sind, müssen dagegen nur wäre eine kabelgebundene Verbindung ben; bei Verletzung dieser kann ein
darauf überprüft werden, ob die Daten- aufgrund höherer Stabilität natürlich zu Alarm generiert werden, der automati-
aufzeichnung korrekt abläuft. bevorzugen, ist jedoch aufgrund räumli- siert versendet wird.
• Wesentlich für die Messdatenerfas- cher Gegebenheiten selten umsetzbar.
sung ist ein einheitlicher Zeitstempel. • Ein Fernzugriff auf das Mess-Netz- 3.5 Auswertung der
Die Installation einer Real-Time-Clock werk zur Überprüfung der Datenauf- heterogenen Messdaten
bzw. einer zentralen Zeitvorgabe, z.B. zeichnung bringt viele Vorteile mit sich. Aufgrund der Vielfältigkeit der Messge-
über das Internet, erleichtern die weitere Rückmeldungen über die Messqualität räte ergeben sich Unterschiede in der

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Struktur der aufgezeichneten Daten (z.B.
Format des Zeitstempels, Mittelwertbil- 6
dung / Momentanwert, Intervall der Da-
tenaufzeichnung). Die unterschiedlichen
Datenstrukturen werden mittels Python-
Scripts unter Verwendung bekannter Bi-
bliotheken (Numpy, Pandas) vereinheit-
licht und ein Gesamtdatensatz daraus
generiert. Die Bibliothek Bokeh erlaubt
eine Visualisierung mit interaktiven Dia-
grammen. Diese Variante hat sich an-
fänglich als sehr praktikabel herausge-
stellt, die Datenspeicherung im Format
Comma-separated values (.csv) wird al-
lerdings mit zunehmender Datengröße
unhandlich, da mit dem verwendeten
Reader ein zeichenweises Einlesen er-
folgt. Kälteleistung der Kältemaschine. Die Zeiträume für die statische Effizienzbetrachtung sind
 Daraus ist der nächste logische Schritt farblich hervorgehoben.
einer Implementierung einer Daten-
bankstruktur entstanden. Zur grafischen
Aufbereitung kann die plattformüber- 1 Zeiträume für die statische Betrachtung und Datenauswertung
greifende Open-Source-Anwendung
Grafana verwendet werden. Damit kön- Bezeichnung Zeitraum
nen “live”-Datenaktualisierungen wäh- 1 12.06.19 12:00 bis 12.06.19 16:00
rend der Messungen realisiert werden. 2 12.06.19 17:30 bis 12.06.19 18:50
Zudem ist es eine schnelle und einfache 3 12.06.19 20:00 bis 13.06.19 00:00
Möglichkeit, die Messdaten grob mittels 4 13.06.19 06:00 bis 13.06.19 08:00
SQL-Abfragen zu analysieren. 5 13.06.19 13:10 bis 13.06.19 15:10
 Die in diesem Kapitel beschriebenen 6 14.06.19 11:00 bis 14.06.19 16:30
Praxiserfahrungen dienen dem Zweck, 7 14.06.19 22:00 bis 15.06.19 00:30
Effizienzoptimierungen von Bestandsan- 8 17.06.19 10:00 bis 17.06.19 11:20
lagen durchzuführen. Im folgenden Kapi-
tel werden erste Ergebnisse aus der Be-
triebsmessung zusammengefasst, die 2 EER (Energy Efficiency Ratio) für die Systemgrenzen Kältemaschine
bereits mögliche Optimierungspotenzia- (EERKM) und Kälteerzeugung (EERKE)
le erkennen lassen. ̇ ä Pel,KM EERKM Pel,KE EERKE
 Zeitraum
 [kW] [kW] [-] [kW] [-]
4 Ergebnisse der
 1 84,06 20,53 4,10 24,53 3,43
Messdatenauswertung
 2 85,64 20,58 4,16 24,58 3,48
Mit den Messdaten der in Abschnitt 2.1
beschriebenen Anlage werden erste Effi- 3 84,08 20,57 4,09 24,56 3,42
zienzkennzahlen und Potenziale zur Sys- 4 27,81 6,42 4,33 10,41 2,67
temoptimierung erhoben. 5 83,33 20,04 4,16 24,02 3,47
 6 84,69 20,14 4,21 24,14 3,51
4.1 Betriebsanalyse der Anlagen 7 84,17 19,98 4,21 23,99 3,51
Die gesamten Messungen fanden von 8 52,08 12,85 4,05 16,83 3,10
06/2019 bis 07/2019 statt. In Abb. 4 sind
beispielhaft die Messwerte von drei Tem-
peratursensoren abgebildet. Die roten Zeitraums werden nun möglichst stati- erkennbaren Leistungsstufen einge-
Pfeile markieren Phasen mit Ausfällen sche Phasen ausgewählt, um diese zur zeichnet, wobei die Kältemaschine
von Messgeräten. Simulation eines Betriebspunktes heran- grundsätzlich mit sechs Leistungsstufen
 In Abb. 5 ist analog dazu die Leis- zuziehen. In Tab. 1 sind die Messzeiträu- betrieben werden kann.
tungsmessung der Kältemaschine und me für die Effizienzbestimmung zusam-
der Pumpen dargestellt. In Grau ist die mengefasst. 4.2 Systemgrenzenabhängiger
mittels Fluke gemessene elektrische Leis- Aus der elektrischen Leistungsauf- Kennzahlenvergleich
tungsaufnahme der Kältemaschine ein- nahme der Kältemaschine lässt sich gut In der Tab. 2 sind die Effizienzparameter
gezeichnet. Für die Performancebestim- erkennen, dass diese zur Regelung über für die in Abb. 2 dargestellten System-
mung wurden die Messdaten vom vier Leistungsstufen verfügt. Abb. 7 zeigt grenzen um die Kältemaschine und die
12.06.2019 bis 20.06.2019 ausgewertet. die elektrische Leistungsmessung im Un- Kälteerzeugung in den untersuchten
Abb. 6 zeigt die thermischen Energieströ- tersuchungszeitraum vom 06.06.2019 Zeiträumen aufgelistet. Die EERKM zeigt
me im Messzeitraum. Innerhalb dieses bis 20.06.2019. In Orange sind die vier die Effizienz unmittelbar an der Wärme-

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pumpe. Bei EERKE erhöht sich der elektri-
sche Leistungsbedarf um den Bedarf der 7
Umwälzpumpen. Wenn in einem nächs-
ten Schritt die Systemgrenze bis über
den Pufferspeicher zu den Abnehmern
gezogen wird, wird die simple statische
Betrachtungsweise problematisch, weil
keine Information über die bereits einge-
speicherte Kälte im Pufferspeicher vor-
liegt. Bei bloßer Betrachtung der Kälte-
leistungen kann es in einem herausge-
lösten, statischen Betriebszustand der
Fall sein, dass die vom Pufferspeicher
abgegebene Kälteleistung höher ist als
jene, die momentan von der Kältema-
schine erzeugt wird. Die Ergebnisse der
Messdaten werden unter Verwendung
 Leistungsstufen der Kältemaschine. Bei der Datenauswertung lässt sich ein häufiges Takten
des Gütegrads mit den Herstelleranga-
 der Kältemaschine in kurzen Intervallen (ca. 5 Minuten) erkennen.
ben verglichen.
 In Tab. 3 sind die Effizienzparameter
gegenübergestellt. Die EERKM ist bei der 8
Messung zwar höher, der Gütegrad je-
doch niedriger. Wie oben bereits erwähnt
ist im Vergleich zur Herstellerangabe der
tatsächliche Temperaturhub der Anlage
viel geringer, was einen merklich höhe-
ren theoretischen (Carnot-) Wirkungs-
grad zur Folge hat. Im Vergleich dazu ist
die gemessene Effizienz (EERKM) nur ge-
ringfügig höher, woraus der niedrigere
Gütegrad resultiert.

4.3 Auswertung der
verschiedenen Temperatursensoren
Zum Abschluss des Ergebnisteils wird die
in Kapitel 3.2.3 beschriebene Vergleichs-
messung der unterschiedlichen Tempe-
 Temperaturmessung zweier unterschiedlicher Sensortypen im Vergleich an derselben Mess-
ratursensoren vorgestellt. Bei Kältema-
 position
schinen, die mit großen Durchflüssen
und geringen Temperaturspreizungen
betrieben werden, reagiert die berechne- 3 Gegenüberstellung der Effizienzparameter zwischen
te Kälteleistung bereits auf kleine Tem- Herstellerangaben und Messergebnissen anhand des Gütegrads
peraturabweichungen sehr sensibel. So
auch der Fall bei der betrachteten Anla- EERKM Temperaturhub Carnot
 Gütegrad
 [-] [°C] [-] [-]
ge, weshalb die eingesetzten Tempera-
tursensoren (neben der Kalibrierung) Herstellerangabe 3,67 23 12,29 0,3
auch gegeneinander verglichen werden, Messung* 4,16 16,5 17,34 0,24
um deren Verhalten und Zuverlässigkeit *über alle Zeiträume gemittelt
besser einschätzen zu können.
 Abb. 8 zeigt die Temperaturmessung turfühler etwas langsamer und weniger Aus diesem Grund wurden die Pt100 als
zweier unterschiedlicher Typen von Tem- ausgeprägt. Die Spitzen, die der Pt100- Referenzfühler verwendet.
peratursensoren (Pt100, DS18S20) an Temperaturfühler aufzeichnet, werden
derselben Stelle im System über die Zeit. vom anderen Fühler als abgerundete 5 Fazit und Ausblick
In Blau sind die Messpunkte des Pt100- Kurve wahrgenommen, mit weniger stei- Den Ausgangspunkt dieser Arbeit bildet
Temperaturfühlers abgebildet, in Orange len Übergängen zwischen den Ausprä- die Vermessung von Kälteanlagen. Dazu
die des DS18S20-Fühlers. Während die- gungen, wodurch es im Bereich des Wen- wurde eine „mobile und zerstörungs-
ses exemplarischen Zeitraums über eine depunkts zu einem Überkreuzen der bei- freie“ (außerdem möglichst preiswerte)
Stunde mit mehreren Temperatur- den Temperaturverläufe kommt. Die Messtechnik angeschafft, bestehend aus
schwankungen zeigt sich das unter- Temperaturen aus den Flexim-Geräten Raspberry Pis und verschiedenen Gerä-
schiedliche Verhalten der beiden Senso- erscheinen plausibler, da sie stärkere ten zur Messung von Temperatur, Durch-
ren. Bei einem Temperaturanstieg oder Amplituden aufzeichnen, die nur aus re- fluss und elektrischer Leistung. Um
-abfall reagieren die Halbleiter-Tempera- alen Temperaturen herrühren können. brauchbare Messdaten zu erhalten, gibt

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es von der Auswahl der Messpunkte über liert und deren Regelverhalten nachge- [2] Wellig B., Kegel B., Meier M. (2006): Ver-
die Handhabung der Messgeräte bis hin bildet werden. Die hierzu notwendigen doppelung der Jahresarbeitszahl von Kli-
zur Auswertung der Messdaten vieles zu Messdaten wurden bereits erhoben. Eine makälteanlagen durch die Ausnützung ei-
beachten. Wie im Praxiskapitel gezeigt, geeignete Modellentwicklung für den nes kleinen Temperaturhubes. Energie
sollte unter anderem auch die Kalibrie- Pufferspeicher zur vollumfänglichen Si- Schweiz, Zugriff unter: https://www.ara-
rung und Vernetzung der Messgeräte mulation wird erarbeitet und mutige Re- mis.admin.ch/Default?DocumentID=6328
sowie deren Überwachung und Daten- gelstrategien auf Simulationsebene aus- 1&Load=true (11.12.2020)
verarbeitung bedacht werden. Die Kalib- getestet. n [3] Hemminger U., (2014): KaP - Kälteanlagen
rierung der Temperatursensoren wird in der Praxis. Steinbeis-Innovationszent-
besonders wichtig, wenn geringe Tempe- Nomenklatur und Abkürzungen rum Energie-, Gebäude- und Solartechnik
raturabweichungen große Auswirkun- DNS Domain Name Service (Projektkoordinator), Zugriff unter: htt-
gen nach sich ziehen, wie es bei einer GA Gebäudeautomation ps://his-he.de/fileadmin/user_upload/
Kältemaschine mit geringer Temperatur- SQL Structured Query Veranstaltungen_Vortraege/2014/7._Fo-
spreizung der Fall ist. Language rum_Energie_2014/8_hemminger.pdf
 Bereits bei der oberflächlichen Aus- LTE Long Term Evolution (11.12.2020)
wertung und Visualisierung der Messda- (4G Mobilfunk) [4] Deutsche Energie-Agentur (k.A.): Infoblät-
ten können Systemineffizienzen und Op- El Elektrisch ter Kältetechnik: Physikalische Grundla-
timierungsmöglichkeiten ersichtlich EER Energy Efficiency Ratio [-] gen der Kälteerzeugung. Zugriff unter: ht-
werden. Im Ergebnisteil wurden die EERKM Energy Efficiency Ratio, tp://www.andreasjahnke.de/index_htm_
durchaus befriedigenden Leistungszah- Kältemaschine [-] files/Infoblaetter_Kaeltetechnik.pdf
len der Anlage gezeigt. Außerdem zeigt EERKE Energy Efficiency Ratio, (11.12.2020)
sich am Taktverhalten der Kältemaschine Kälteerzeugung [-] [5] VDMA (2011): VDMA 24247 - 7 Energieef-
beispielhaft ein Anlagenverhalten, das P Leistung [kW] fizienz von Kälteanlagen“, Hrsg.: VDMA
aus Verschleiß- oder Effizienzgründen Q Wärmemenge [kJ] eV, Verlag: Beuth, Berlin
verbesserungswürdig scheint und Raum Wärmestrom[kW] [6] Siemens AG Building Technologies Divisi-
für Optimierung bietet. on (2017): Kältetechnik, Zugriff unter: htt-
 Einen erwähnenswerten Vorteil stellt LITERATUR ps://www.downloads.siemens.com/
auch die Mobilität der Messgeräte dar. [1] Kranzl L., Müller A., Maia I., Büchele R., download-center/Download.aspx?pos=do
Sie können zur Vermessung mehrerer, Hartner M. (2018): Wärmezukunft 2050. wnload&fct=getasset&id1=a6v10327350
auch unterschiedlicher Anlagen einge- Erfordernisse und Konsequenzen der De- (11.12.2020)
setzt oder für sonstige Messaufgaben karbonisierung von Raumwärme und
verwendet werden. Warmwasserbereitstellung in Österreich
 In einem weiteren Schritt sollen ver- Endbericht (2018), Erneuerbare Energien
messene Anlagen auch dynamisch simu- Österreich, Technische Universität Wien

PUBLIKATIONEN
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Der Kältemonteur xis zugeschnittenen physikali- ßende 7. Teil widmet lenbockel aktualisiert.
 schen Grundwissen werden im sich dann der In- Das Handbuch richtet
Handbuch für die Praxis zweiten Teil die Komponenten standhaltung von sich an Kältemonteu-
 von Kälteanlagen behandelt. Kälteanlagen. Es re, Mechatroniker für
Konzipiert als praxisorientier- Im dritten Teil werden Rohrlei- wird ausführlich dar- Kältetechnik, Auszu-
tes Standardwerk hilft dieses tungen nicht in Hinsicht auf gestellt, wie Mes- bildende und Meister-
Buch dem Kältemonteur im Berechnung und Materialaus- sungen und Servicearbeiten schüler im Kälteanlagenbauer-
täglichen Arbeitsleben und be- wahl, sondern in ihrer Funktion durchzuführen sind. Der Autor handwerk, aber auch an Quer-
antwortet komplexe Fragen, in der Kälteanlage, der Kenn- Rolf Seidel war nahezu 40 Jahre einsteiger und Studierende.
die der Berufsalltag an ihn zeichnung sowie Verlegung be- in der kältetechnischen Indust-
stellt. Die nunmehr 14. Auflage leuchtet. Im folgenden vierten rie tätig, darunter in verant-
wurde auf den aktuellen Stand Teil „Inbetriebnahme und Be- wortlicher Position bei der Lin- Seidel, Rolf/Noack, Hugo:
der Technik, insbes. der Normen triebshinweise“ geht es um den de AG. Er arbeitete viele Jahre Der Kältemonteur
und Vorschriften, gebracht. Me- Schaltschrank, das Ausrichten in deutschen und europäischen Handbuch für die Praxis
chatroniker/innen für Kälte- der Antriebe, die Prüfung der Normausschüssen mit. Hugo 14., aktualisierte Auflage 2020
technik und Kälteanlagenbau- Drehrichtung der Elektromoto- Noack (†) war über 25 Jahre 310 Seiten, Broschur,
er/innen finden darin alle wich- ren sowie die Einstellung der Leiter der Montageabteilung Buch: ISBN 978-3-8007-4281-3,
tigen Vorgehensweisen bei der Sicherheitsschalt- und Regelge- bei Linde. In verschiedenen E-Book: ISBN 978-3-8007-4282-0
Montage sowie Instandsetzung räte. Die beiden knapp gehalte- Gremien wirkte er bei der Er- EUR 49,-
und Instandhaltung von Kälte- nen Kapitel stellen im An- stellung von Normen und VDE Verlag GmbH, Berlin,
anlagen. Nach dem im ersten schluss Kälteanlagen und Wär- Richtlinien mit. Die 14. Auflage Offenbach
Hauptteil auf die tägliche Pra- mepumpen vor. Der abschlie- wurde von Dipl.-Ing. Dirk Wil- www.vde-verlag.de

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