Intelligente Kühltechnologie steigert die Energieeffizienz von HLK-Anlagen

In großen Gewerbegebäuden dienen Kälteanlagen als Kernkühlanlagen, wobei ihre Energieeffizienz direkte Auswirkungen auf die Betriebskosten und die Nachhaltigkeit hat. Was jedoch oft übersehen wird, ist, dass der Kälteanlagenraum selbst eine erhebliche Wärmequelle darstellt. Ein effektives Management und die Kontrolle der thermischen Lasten in diesen Räumen haben sich als entscheidender Faktor für die Optimierung der Gesamtleistung des Kältesystems herauskristallisiert.

Wenn Kältemaschinen das "Herz" von Kühlsystemen darstellen, dann fungieren Kälteanlagenräume als die "Adern und Nerven", die dieses lebenswichtige Organ erhalten. Doch diese unscheinbaren Räume bergen ein erhebliches Energieverbrauchspotenzial. Verschiedene elektrische Komponenten in Kälteräumen – einschließlich Kompressormotoren, Pumpenmotoren, Frequenzumrichtern (VFDs) und Transformatoren – erzeugen während des Betriebs erhebliche Wärme. Diese Wärmeabgabe reduziert nicht nur die Effizienz und Lebensdauer der Geräte, sondern erhöht auch den Kühlbedarf des Anlagenraums und erhöht letztendlich den Energieverbrauch des gesamten Systems.

Um eine intelligente Kühlung und Energieeinsparung in Kälteanlagen zu erreichen, müssen Ingenieure zunächst die Wärmequellen umfassend verstehen – ähnlich wie Ärzte Krankheiten diagnostizieren, bevor sie eine Behandlung verschreiben.

Kompressormotoren stellen in der Regel die größte Wärmequelle in Kälteanlagen dar. Diese lassen sich anhand der Kühlmethoden in zwei Kategorien einteilen:

• Hermetische Kältemaschinen: Motoren und Kompressoren sind in abgedichteten Einheiten untergebracht, die durch Kältemittelzirkulation gekühlt werden. Dieses Design überträgt die Motorwärme direkt auf das Kältemittel und minimiert so die Umweltbelastung.
• Offen angetriebene Kältemaschinen: Motoren werden über externe Kupplungen mit Kompressoren verbunden und verwenden Luft- oder Wasserkühlung. Diese Konstruktionen geben die Motorwärme direkt in die Anlagenräume ab und erhöhen so die Kühllasten.

Während einzelne Pumpenmotoren möglicherweise weniger Wärme erzeugen als Kältemaschinenmotoren, kann die gleichzeitige Verwendung mehrerer Pumpen eine erhebliche Wärmeabgabe erzeugen. ASHRAE Standard 90.1 schreibt Mindesteffizienzanforderungen für Motoren in gewerblichen Gebäuden vor, wobei größere Einheiten (200+ PS) eine Effizienz von 95 %+ erreichen. Aber selbst diese hocheffizienten Motoren wandeln einen Teil der Energie in Wärme um.

Obwohl Frequenzumrichter die Teillasteffizienz durch Anpassung der Motordrehzahl verbessern, erzeugen sie während der Energieumwandlung Wärme. Die Kühlmethoden variieren:

• Luftgekühlte Frequenzumrichter: Diese werden für kleinere Pumpen und Kühlturmlüfter verwendet und geben die Wärme direkt in die Anlagenräume ab.
• Wassergekühlte Frequenzumrichter: Diese werden typischerweise zur Kältemaschinensteuerung eingesetzt und übertragen die Wärme auf das Kühlwasser, wodurch die Umweltbelastung reduziert wird. Mittelspannungs-Frequenzumrichter (4160 V+) benötigen jedoch oft noch Luftkühlung.

• Transformatoren in Anlagenräumen
• Geräte zur Harmonie-Minderung
• Wärmeübertragung der Gebäudehülle
• Verschiedene Quellen (Beleuchtung, unisolierte Rohre, USV-Anlagen usw.)

Nach der Identifizierung der Wärmequellen müssen Ingenieure geeignete Managementansätze umsetzen, hauptsächlich durch Belüftung oder mechanische Kühlung.

Die Belüftung ermöglicht eine wirtschaftliche Wärmeabfuhr durch Einbringen von Außenluft. ASHRAE Standard 15 schreibt Mindestlüftungsraten von 0,5 cfm/sq.ft oder 20 cfm pro Person vor, wobei die maximalen Temperaturanstiege 18 °F nicht überschreiten dürfen. Wichtige Überlegungen sind:

• Luftströmungsmuster, die alle Wärmequellen abdecken
• Ordnungsgemäß gefilterte Lufteinlässe
• Lamellen, die für einen effektiven Luftstrom dimensioniert sind (unter Berücksichtigung einer typischen freien Fläche von 50-60 %)

Wenn die Belüftung unzureichend ist, wird eine mechanische Kühlung mit Luftaufbereitungsgeräten, Gebläsekonvektoren oder ähnlichen Geräten erforderlich. Die Auslegung erfordert die Festlegung von Temperatureinstellungen, die Berechnung der Kühllasten und die Auswahl geeigneter Geräte.

• Auswahl hocheffizienter Geräte
• Optimierung der Geräteanordnungen für einen effektiven Luftstrom
• Implementierung strenger Wartungsprogramme
• Verwendung intelligenter Steuerungen mit Echtzeitüberwachung
• Erforschung von Abwärmenutzungsmöglichkeiten

Letztendlich stellt das Wärmemanagement von Kälteanlagen einen kritischen, aber häufig übersehenen Aspekt der HLK-Konstruktion dar. Durch sorgfältige Planung und Ausführung können Ingenieure hocheffiziente Kühlsysteme entwickeln, die einen nachhaltigen Gebäudebetrieb unterstützen.