Handbuch für die
Anwendungstechnik
Entwurf und Steuerung
von Kaltwassersystemen
mit mehreren
Wasserkühlmaschinen
SYS-APM001-DE
Entwurf und Steuerung
von Kaltwassersystemen
mit mehreren
Wasserkühlmaschinen
Mick Schwedler, Anwendungstechniker
Ann Yates, technische Informationsgestaltung
Vorwort
Das vorliegende Handbuch beschreibt Komponenten, Konfigurationen, Optionen
und Steuerungsstrategien von Kaltwassersystemen. Es soll Systemplanern
Lösungsmöglichkeiten aufzeigen, mit deren Hilfe sie die Anforderungen der
Kunden an diese Systeme erfüllen können – als vollständige Planungsanleitung
für ein bestimmtes Kühlmaschinensystem ist es nicht gedacht.
Den größten Nutzen können Anlagenplaner aus diesem Handbuch ziehen, wenn
sie sich zunächst mit den Grundlagen von Kaltwassersystemen vertraut machen
und die Vorzüge der unterschiedlichen Optionen kennen. Bei der Planung einer
konkreten Anwendung können dann gezielt die Abschnitte gelesen werden, in
denen geeignete Optionen behandelt werden.
Die als Referenzmaterial erwähnte Publikation “Engineers Newsletter”
(Technische Mitteilungen) ist unter folgender Internet-Adresse verfügbar:
www.trane.com/commercial/library/newsletters.asp
Die Trane Company übernimmt dadurch, dass sie diese Systementwurfs- und
Anwendungskonzepte vorschlägt, keine Gewährleistung für die Leistung oder die
Einhaltung von Auslegungswerten der sich daraus ergebenden Systementwürfe.
Der Systementwurf ist das Vorrecht des Systemplaners und liegt allein in seiner
Verantwortung.
©American Standard Inc. 2001. Alle Rechte vorbehalten.
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Inhalt
Allgemeine Hinweise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .1
Grundlagen der Kaltwasseranlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
Wasserkühlmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
Kühllast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
Kaltwasserverteilungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
Kühlwassersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Regelungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
Kaltwassersystem - Optionen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
Kaltwasser- und Kühlwassertemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
Durchflussraten von Kalt- und Kühlwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
Fehleinschätzungen bei Systemen mit geringerer Durchflussrate . . . . . . . . . . . . .24
Systemkonfigurationen
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
Wasserkühlmaschinen in Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
Wasserkühlmaschinen in Serienschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
Systeme mit Primär-Sekundär-Kreislauf (entkoppelte Systeme) . . . . . . . . . . . . . .31
Pumpenanordnung
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
Durchflussabhängige Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
Schaltfolge der Wasserkühlmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
Systeme mit primärseitig variablem Volumenstrom . . . . . . . .40
Vorteile von Systemen mit primärseitig variablem Volumenstrom . . . . . . . . . . . .41
Wichtige Faktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
Schaltfolge der Wasserkühlmaschinen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
Optionen für die Kaltwasserregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Erhöhen und Reduzieren der Kaltwassertemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
Rückstellung “kritischer“ Ventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
Auslegungsrichtlinien
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
Konfiguration der Kaltwasserpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
Dimensionierung von Bypassleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
Wassermenge im Kreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
Anlagenerweiterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
SYS-APM001-DE
iii
Inhalt
Variationen im Kaltwassersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
Vorrangschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
Wasserkühlmaschinen mit unterschiedlicher Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
Serienschaltung im Gegenstromverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
Anwendungen außerhalb des Durchfluss- und Temperaturbereiches der
Wasserkühlmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
Problemfragen zum Kaltwassersystem
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
”Minimum DT-Syndrom” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
Rückschlagventil in der Bypassleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
Fehlerbehebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
Alternative Energiequellen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
Alternativplan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
Variationen im Kühlwassersystem
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
Konfiguration der Verflüssiger-Durchflussrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
Regelungsmethoden für den Kühlturmventilator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Plattenwärmetauscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
Brunnen-, Fluss- oder Seewasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
Regelung der Kühlwassertemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
Optionen für die Kühlwasserpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
Nachrüstungsmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
Schlussfolgerung
Glossar
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79
Bibliographie
Index
iv
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .78
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .82
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .85
SYS-APM001-DE
Inhalt
Abbildungen
Abbildung 1
Abbildung 2
Abbildung 3
Abbildung 4
Abbildung 5
Abbildung 6
Abbildung 7
Abbildung 8
Abbildung 9
Abbildung 10
Abbildung 11
Abbildung 12
Abbildung 13
Abbildung 14
Abbildung 15
Abbildung 16
Abbildung 17
Abbildung 18
Abbildung 19
Abbildung 20
Abbildung 21
Abbildung 22
Abbildung 23
Abbildung 23a
Abbildung 24
Abbildung 25
Abbildung 26
Abbildung 27
Abbildung 28
Abbildung 29
Abbildung 30
Abbildung 31
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Typische Wasserkühlmaschine mit Verdichter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
Leistungsregelung mittels Ventilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
Ungeregelter Wärmetauscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Vereinfachte Darstellung eines Verteilungssystems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
Leistung des Kaltwassersystems bei Teillast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
Jährliche Systembetriebskosten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
Vergleich des Systemenergieverbrauchs (keine Rohrleitung) . . . . . . . . . . . . . . . .25
Parallel geschaltete Wasserkühlmaschinen mit einer gemeinsam genutzten
Pumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
Parallel geschaltete Wasserkühlmaschinen mit separaten Pumpen . . . . . . . . . .28
Kühlmaschinen in Serienschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29
Entkoppeltes System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
Kaltwasser-Produktionskreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
Kaltwasser-Verteilungskreis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
Pumpenanordnung “Campus” . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
Pumpenanordnung in Tertiär-Kreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
Entkoppelte Systemversorgung über T-Stück . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
Temperaturerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
System mit primärseitig variablem Volumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
Zweiseitig entkoppeltes System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .53
Parallelschaltung mit Vorrangschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
Vorrangschaltung bei zusätzlicher verbraucherseitiger Wasserkühlmaschine 56
Plattenwärmetauscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
Serienschaltung im Gegenstromverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59
Konzept der gleichmäßigen Temperaturanhebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .59
Abweichende Durchflussrate der Kälteanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
Abweichende Kaltwassertemperatur der Kälteanlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
Präzise Temperaturregelung bei mehreren Wasserkühlmaschinen . . . . . . . . . .62
Fehlerbehebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
Leitungsanschluss der Kühlwasserpumpen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
Optimierung der Leistungsaufnahme von
Wasserkühlmaschine und Kühlturm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
Entkoppeltes Kühlwassersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
Auswahl eines Kühlturms mit anderen Wasserkühlmaschinenleistungen . . . .76
v
Inhalt
Tabellen
Tabelle 1
Empfohlene Überwachungspunkte für Wasserkühlmaschinen nach
ASHRAE Richtlinie 3-1996 ...........................................................................11
Tabelle 2 Standard-Auslegungsbedingungen für AbsorptionsWasserkühlmaschinen.................................................................................15
Tabelle 3 Standard-Auslegungsbedingungen für Kaltwassersysteme ................16
Tabelle 4 Kaltwasserpumpe, niedrige Durchflussrate .............................................17
Tabelle 5 Kühlturm, niedrige Durchflussrate.............................................................17
Tabelle 6 Kühlwasserpumpe, niedrige Durchflussrate............................................17
Tabelle 7 Gesamt-Leistungsaufnahme des Systems...............................................18
Tabelle 8 Einfluss der herabgesetzten Wassertemperatur......................................20
Tabelle 9 Nachträgliche Leistungssteigerung ...........................................................21
Tabelle 10 Auswirkungen bei reduziertem Durchfluss ..............................................24
Tabelle 11 Beispiele für Schwankungen der Durchflussmenge ..............................44
vi
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Allgemeine
Hinweise
Viele Gebäudeeigentümer suchen Lösungen, durch die sie in ihren Geschäftsbeziehungen eine verbesserte Qualität bei erhöhter Wettbewerbsfähigkeit und
Rendite anbieten können. Systemplaner im Bereich der Heizungs- und Klimaanlagentechnik (HVAC) raten Gebäudeeigentümern oft zur Verwendung von
Kaltwassersystemen für die Bereitstellung hochqualitativer, kosteneffizienter
Klimaanlagen. Mit dem Aufkommen flexiblerer Kühlmaschinen, Steuerungen
auf Systemebene und Software-Analysetools hat die Anzahl an Kaltwassersystemoptionen stark zugenommen.
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1
Grundlagen der
Kaltwasseranlagen
Kaltwasseranlagen bestehen aus folgenden Funktionseinheiten:
• Wasserkühlmaschinen zur Kaltwassererzeugung
• Wärmetauscher zur Abführung der Wärme (Kühllast) an den Verbraucherstellen
• Kaltwasserpumpen und -rohrleitungssysteme, die das Kaltwasser zu den vorher
erwähnten Verbraucherstellen bringen
• Kühlwasserpumpen, Rohrleitungssysteme und Kühltürme, die die Wärme an
die Umgebungsluft abgeben (bei wassergekühlten Wasserkühlmaschinen)
• Regelungssysteme zur Steuerung der mechanischen Bauteile zu einem
funktionierenden System
Wasserkühlmaschine
Wasserkühlmaschinen sind in unterschiedlichen Ausführungen erhältlich: In den
meisten Fällen handelt es sich um Absorptions- oder
Verdichtungskältemaschinen, letztere mit Turbo-, Schrauben- oder
Scrollverdichtern. Ferner sind auch einige ältere Bauarten mit
Hubkolbenverdichtern erhältlich. Die Rückkühlung bei Wasserkühlmaschinen
kann entweder mittels Luft oder Wasser erfolgen (luft- oder wassergekühlt). Die
wichtigsten Bauteile von Wasserkühlmaschinen sind: Verdampfer, Verdichter,
Verflüssiger und Expansionseinrichtung(en). Das vorliegende Handbuch
behandelt die Wirkungsweise von Verdampfer und Verflüssiger einer Wasserkühlmaschine und die Auswirkungen auf die Kaltwasseranlage.
Abbildung 1 — Typische Wasserkühlmaschine mit Verdichter
Verdichter
Verflüssiger
Verdampfer
2
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Grundlagen der
Kaltwasseranlagen
Verdampfer
Der Verdampferteil einer Wasserkühlmaschine besteht aus einem Rohrbündelwärmetauscher (Kältemittel an Wasser). Je nach Bauart der Wasserkühlmaschine
fließt entweder Kältemittel oder Wasser durch die Rohre.
• In einem überfluteten Rohrbündelverdampfer wird das kalte, flüssige Kältemittel
bei niedrigem Druck über ein Verteilsystem im Mantel des Wärmetauschers
gleichmäßig über die Rohre gesprüht. Die Temperaturdifferenz zwischen dem
Wasser in den Rohren und dem versprühten Kältemittel lässt das Kältemittel bei
annähernd gleichem Druck verdampfen. Dieser Vorgang ermöglicht die Abfuhr
von Wärme vom Wasser an das Kältemittel.
• Bei einem Verdampfer mit Direkteinspritzung ist der Mantelraum vom Wasser
durchflossen, das kalte, flüssige Kältemittel durchströmt die Rohre bei
niedrigem Druck.
In jeder Auslegung ist die Temperaturdifferenz zwischen dem abgekühlten Wasser
am Austritt aus dem Verdampfer und der Kältemitteltemperatur ein Maß für den
Wirkungsgrad des Verdampfers.
Einfluss der Kaltwassertemperatur
Die Reduzierung der Kaltwasseraustrittstemperatur erfordert auch die Reduzierung des Druckes und der Temperatur des Kältemittels. Analog dazu müssen bei
einer Erhöhung der Kaltwasseraustrittstemperatur auch Druck und Temperatur
des Kältemittels erhöht werden. Ändert sich die Kaltwasseraustrittstemperatur,
muss sich auch die Verdichterleistungsaufnahme ändern. Die Anhebung der
Leistungsaufnahme bei einer Änderung der Kaltwasseraustrittstemperatur beträgt
1,8 Prozent bis 4,0 Prozent pro Grad Celsius (je nach Maschinenkonfiguration). Es
ist jedoch stets der Energieverbrauch des gesamten Systems zu berücksichtigen,
nicht nur der Kühlmaschine. Wichtig ist in diesem Zusammenhang auch die
Tatsache, dass eine Reduzierung der Kaltwasseraustrittstemperatur zwar zu einer
erhöhten Leistungsaufnahme an der Wasserkühlmaschine führt, die
Leistungsaufnahme an der Pumpe jedoch begünstigt wird, da weniger Wasser
durch das System gepumpt werden muss. Wechselwirkungen innerhalb des
Systems werden im nächsten Abschnitt, Kaltwassersystem - Optionen,
detaillierter behandelt.
Einfluss des Kaltwasserstroms
Da der Verdampfer ein Wärmetauscher ist, wird seine Wirkweise von der Durchflussrate des Wassers beeinflusst. Eine überhöhte Durchflussrate und damit eine
hohe Fließgeschwindigkeit des Wassers führt zu Materialabtragungen,
Vibrationen oder Geräuschentwicklung. Eine zu niedrige Durchflussrate verringert
den Wirkungsgrad des Wärmetauschers und somit die Leistung der
Wasserkühlmaschine. Einige Systemplaner befürchten, dass eine niedrige
Durchflussraten zur Verschmutzung des Systems führt. Im Allgemeinen sind diese
Bedenken unbegründet, da der Kaltwasserkreis ein geschlossenes System ist,
wodurch die Wahrscheinlichkeit der Verschmutzung durch Fremdmaterial
verringert wird (vgl. hierzu Webb and Li3). Die Kaltwasserdurchflussmenge der
Wasserkühlmaschine muss zwischen einem bestimmten Mindest- und
Höchstwert liegen. Diese Werte sind beim Hersteller zu erfragen.
SYS-APM001-DE
3
Grundlagen der
Kaltwasseranlagen
Die Regelung von Wasserkühlmaschinen erlaubt während des Betriebs in vielen
Fällen nur eine geringe Abweichung der Durchflussrate (Variation der Wassermenge) vom Auslegungswert.2 Neuere und weiterentwickelte Maschinenregelungen lassen die Abweichung der Durchflussrate in begrenztem Maße zu.
Während bei einigen Wasserkühlmaschinen eine Änderung der Durchflussrate
um 30 Prozent oder mehr pro Minute möglich ist, erlauben andere
Maschinentypen nur eine Änderung von maximal 2 Prozent pro Minute. Daher
müssen die Möglichkeiten zur Anpassung der Wasserkühlmaschinenregelung
den Systemanforderungen entsprechen. Vor dem Ändern der Durchflussmenge
im Verdampfer ist der Hersteller zu kontaktieren, um die zulässige Durchflussrate
zu bestimmen. Nähere Angaben zur Änderung der Durchflussrate finden Sie im
Abschnitt Systeme mit primärseitig variablem Volumenstrom.
Wassergekühlter Verflüssiger
Bei der Kühlung eines Gebäudes oder auch bei der Prozesskühlung ist die durch
die Kältemaschine entzogene Wärme letztendlich irgendwo abzuführen. Die abzuführende Wärme ist die Summe der Kühlleistung und der Verdichterarbeitsleistung unter Berücksichtigung des Motorwirkungsgrades. In einer Kältemaschine
hermetischer Bauart, bei der Motor und Verdichter in einem Gehäuse untergebracht sind, wird die gesamte Energie über den Verflüssiger abgeführt. Bei einer
Kältemaschine offener Bauart, bei der Motor und Verdichter getrennt angeordnet
und mit einer Welle verbunden sind, wird die Motorwärme direkt an die Umgebungsluft abgegeben. Die Wärme aus Verdampferleistung und Verdichterarbeitsleistung wird über den Verflüssiger abgegeben. Die Motorwärme muss von der
Klimaanlage abgeführt werden.
Einfluss der Kühlwassertemperatur
Steigt bei einer Wasserkühlmaschine die Kühlwasseraustrittstemperatur an, müssen auch Druck und Temperatur des Kältemittels ansteigen. Umgekehrt werden
bei sinkender Kühlwasseraustrittstemperatur auch Druck und Temperatur des
Kältemittels sinken. Ändern sich Druck und Temperatur des Kältemittels, wird sich
die Verdichterleistung wie auch die elektrische Leistungsaufnahme ändern. Die
Änderung der Kühlwasseraustrittstemperatur kann den Stromverbrauch um
1,8 Prozent bis 4,0 Prozent pro Grad Celsius erhöhen bzw. verringern. Es ist jedoch stets der Energieverbrauch des gesamten Systems zu betrachten, nicht nur
der Wasserkühlmaschine. Es ist zu beachten, dass eine Erhöhung der Kühlwasseraustrittstemperatur sich negativ auf die Wasserkühlmaschine auswirkt, während
Pumpen und Kühlturm aufgrund reduzierter Durchflussraten und höherer Temperaturdifferenz zur Umgebungsluft davon profitieren. Die Wechselwirkungen innerhalb des Systems werden detailliert in Abschnitt Variationen im Kühlwassersystem behandelt.
Einfluss des Kühlwasserstroms
Da der Verflüssiger ein Wärmetauscher ist, hat die Durchflussrate des Wassers
Einfluss auf dessen Wirkungsweise. Ein erhöhter Durchfluss und somit eine
erhöhte Fließgeschwindigkeit des Wassers führt zu Materialabtragungen, Vibrationen oder Geräuschentwicklung, während ein unzureichender Durchfluss den
Wirkungsgrad des Wärmetauschers beeinträchtigt und somit die Leistung der
Wasserkühlmaschine reduziert. Aus diesem Grund muss der Durchfluss des
Kühlwassers in der Wasserkühlmaschine stets innerhalb bestimmter Grenzwerte
liegen – mit Ausnahme des zeitlich begrenzten Anfahrzustandes. Über die
Grenzwerte gibt der Hersteller Auskunft. Einige Wasserkühlmaschinen können
auch bei Unterschreitung der ausgewählten Durchflussraten weiterbetrieben
werden.
4
SYS-APM001-DE
Grundlagen der
Kaltwasseranlagen
Ist die Fließgeschwindigkeit des Wassers durch die Verflüssigerrohre über einen
längeren Zeitraum zu niedrig und das Wasser extrem hart, kann es langfristig zu
einer erhöhten Verschmutzung der Rohre kommen. Webb and Li3 haben eine
Reihe von “internally-enhanced” Verflüssigerrohren bei niedriger Fließgeschwindigkeit des Wassers (1,07 m/s) und großer Wasserhärte getestet. Obwohl bei
einigen dieser Rohre Verschmutzung auftrat, zogen sie aus langfristiger Sicht
folgende Schlussfolgerungen:
Da in unserer Testreihe sehr hartes Wasser verwendet wurde und die Fließgeschwindigkeit des Wassers gering war, sind wir der Ansicht, dass die aufgetretene Verschmutzung für übliche Anlagen nicht typisch ist. Bei sachgemäßer
Wartung der Anlage und regelmäßiger Kontrolle der Wasserqualität eignen sich
wahrscheinlich alle der getesteten Rohre für Langzeitanwendungen.
Wichtig ist dabei zu beachten, dass eine Wasserkühlmaschine, die für eine niedrige Durchflussrate ausgelegt wurde (wie im nächsten Abschnitt erläutert), nicht
notwendigerweise eine niedrige Fließgeschwindigkeit in ihren Rohren aufweist.
Ist die Verschmutzung der Rohre ein größeres Problem, ist die Verwendung
glatter Verflüssigerrohre aufgrund der einfacheren Reinigung den “internallyenhanced” Rohren vorzuziehen.
Luftgekühlter Verflüssiger
Bei luftgekühlten Wasserkühlmaschinen wird die Abwärme nicht über ein Kühlwassersystem abgeführt, sondern mittels eines Lamellenrohr-Wärmetauschers
direkt an die Umgebungsluft abgeben. Bei kompakten luftgekühlten Wasserkühlmaschinen versuchen die Hersteller, durch die Anzahl und Regelung der Verflüssigerventilatoren bei der vorgegebenen Auslegungstemperatur eine optimale
Maschinenleistung zu erreichen.
Kühllast
In der Klimatechnik wird in der Regel die Gebäudekühllast über Lüftungsgeräte
abgeführt, die mit Rohrlamellen-Wärmetauschern für die Wärmeübertragung der
zu kühlenden Raumluft auf zirkulierendes Kaltwasser ausgestattet sind. Die Luft
wird beim Durchströmen des Wärmetauschers abgekühlt und entfeuchtet. Der
psychometrische Prozess (gleichzeitige Kühlung und Entfeuchtung) wird wesentlich durch die Wahl des Wärmetauschers bestimmt: Bautiefe, Lamellenabstand
und Durchströmgeschwindigkeit. Die Auswahl des richtigen Wärmetauschers hat
somit eine große Bedeutung für eine optimale Anlagenbestimmung.
SYS-APM001-DE
5
Grundlagen der
Kaltwasseranlagen
In der Prozesskühlung wird in vielen Fällen die Abwärme direkt aus dem Prozess
abgeführt, wie zum Beispiel im Kühlkreislauf einer Spritzgussmaschine. Für die
Regelung der Wärmeübertragung gibt es verschiedene Möglichkeiten:
• 3-Wege-Ventile
• 2-Wege-Ventile
• Pumpen mit variablem Durchfluss
• Ungeregelte Wärmetauscher
Leistungsregelung mittels 3-Wege-Ventil
Hierbei wird der dem Wärmetauscher zugeführte Wassermassenstrom abhängig
von der geforderten Leistung geregelt. Ein Parallelstrom, der den Wärmetauscher
umgeht, stellt sicher, dass der Wassermassenstrom im System konstant ist. Dies
hat natürlich zur Folge, dass im Teillastbetrieb sich die Temperaturspreizung
(Kaltwassereintritt zu -austritt) reduziert. In diesem Zusammenhang weisen wir
auf das “Minimum T-Syndrom” hin. Nähere Erläuterungen hierzu in Abschnitt
Fehler in Kaltwassersystemen. 3-Wege-Ventile kommen in den
unterschiedlichsten Anlagensystemen zur Anwendung.
Abbildung 2 – Leistungsregelung mittels Ventilen
3-Wege-Ventil
2-Wege-Ventil
Gekühlte Luft
Gekühlte Luft
Leistungsregelung mittels 2-Wege-Ventil
Im Prinzip hat ein 2-Wege-Ventil am Wärmetauscher die gleichen wasserstromregulierenden Funktionen wie das 3-Wege-Ventil. Für den Wärmetauscher gibt es
somit keinen Unterschied. Allerdings besteht für das Kaltwassersystem ein wesentlicher Unterschied. Im Fall des 2-Wege-Ventils wird die Wassermenge
variabel. Es erfolgt kein Bypass des Wassers. Folglich ist eine Anlage mit 2-WegeVentilen eine mit variablem Wassermassenstrom. Die
Kaltwasseraustrittstemperatur aus dem Wärmetauscher wird nicht durch BypassWasser wieder abgesenkt. Bei Teillastbetrieb ist daher die
Wasserrücklauftemperatur im System höher als bei einer Anlage mit 3-WegeVentil.
6
SYS-APM001-DE
Grundlagen der
Kaltwasseranlagen
Leistungsregelung mittels Pumpen mit variablem Durchfluss
Bei Verwendung einer Pumpe pro Wärmetauscher/Verbraucher lässt sich die
Durchflussmenge über eine Drehzahlanpassung der Pumpe regeln. Bei diesen
Systemen entfallen die Ventile an den Wärmetauschern. Dies reduziert die Anlagenkosten, da sowohl die Kosten für die Ventile als auch die entsprechenden
Installationskosten wegfallen.
Ungeregelte Wärmetauscher
Abbildung 3 zeigt eine Regelmöglichkeit durch Verwendung eines ungeregelten
oder “wilden” Wärmetauschers. Hierbei wird die Menge der zu kühlenden Luft,
die den Wärmetauscher durchströmt, über Frontal- und Bypassklappen geregelt.
Somit wird nicht die gesamte zu kühlende Luftmenge dem Wärmetauscher zugeführt. Vorteile dieses Systems sind der Wegfall von Regelventilen und eine
verbesserte Entfeuchtung bei Teillast. Ein Nachteil ist, dass der
Wassermassenstrom konstant bleibt und somit keine Reduzierung der
Pumpenleistung möglich ist. Allerdings arbeitet dieses System bei sehr geringer
Wasserdruckdifferenz wirtschaftlich.
Abbildung 3 – Ungeregelter Wärmetauscher
Bypass-Klappe
RLT-Anlage
Gekühlte Mischluft
Frontalklappe
Kaltwasserverteilungssystem
Das Kaltwasser zirkuliert in einem Rohrleitungssystem, dessen Rohrleitungen in
der Regel aus Stahl, Kupfer oder Kunststoff bestehen. Sie verbinden die Wasserkühlmaschine mit den Verbrauchern (Kühlstellen). Die Auslegung erfolgt unter
Berücksichtigung der variablen Parameter: Druckverlust, Wassergeschwindigkeit,
Kosten des Systems. Die Umwälzung des Wassers als auch die notwendige
Druckerhöhung wird durch eine Kaltwasserpumpe erbracht.
SYS-APM001-DE
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Grundlagen der
Kaltwasseranlagen
Kaltwasserpumpe
Die Kaltwasserpumpe hat die Aufgabe, das Kaltwasser im Systemkreislauf umzuwälzen. Die Pumpe muss dazu die Reibungsdruckverluste überwinden, die durch
die Leitungen, Wärmetauscher und Wasserkühlmaschinen entstehen, sowie die
Druckdifferenz an offenen Regelventilen im System. Da die Pumpe mit statischem
Systemdruck arbeitet, muss sie den statischen Druck nicht überwinden. Beispiel:
Bei einem Hochhaus mit vierzig Stockwerken, muss die Pumpe den durch die
Höhe der Stockwerke bedingten statischen Druck nicht überwinden.
Üblicherweise ist die Pumpe der Wasserkühlmaschine vorgeschaltet. Unter
folgenden Bedingung kann die Pumpe auch an einer anderen Stelle installiert
werden:
• Wenn der saugseitige Druck höher ist als der atmosphärische Druck und die
Pumpe gemäß ihrer Pumpenkennlinie korrekt arbeiten kann.
• Wenn die Pumpe bei kritischen Systembauteilen (in der Regel die Wasserkühlmaschine) einen dynamischen Druck aufweist, der eine korrekte Durchströmung
des Bauteils sicherstellt.
• Wenn die Pumpe den Gesamtdruck (statischer plus dynamischer Druck) an
Systemkomponenten wie dem Verdampfer, den Ventilen usw. in der Wasserkühlmaschine bereitstellt.
Dabei ist zu beachten, dass die Pumpenwärme ins Umwälzwasser gelangt und
von der Wasserkühlmaschine als zusätzliche Wärmemenge abgeführt werden
muss. Die Pumpenwärme bewirkt in der Regel jedoch nur einen geringen
Temperaturanstieg im Wasserkreislauf.
Mehrfachpumpen sind aus Redundanzgründen oft zweckmäßig. Die Kaltwasserpumpen können, je nach Regelvariante an den Verbrauchsstellen/Wärmetauschern und der Systemkonfiguration, für konstante oder für variable Durchflussmengen ausgelegt sein.
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SYS-APM001-DE
Grundlagen der
Kaltwasseranlagen
Verteilerleitungen
Das Rohrleitungssystem ist einfach konzipiert: Abbildung 4 zeigt eine vereinfachte
Darstellung des Verteilungssystems aus parallel angeordneten Wärmetauschern,
wobei der Durchfluss im jeweiligen Wärmetauscher über ein Thermostat geregelt
wird. Die Ventile können als 3-Wege-Ventile oder als 2-Wege-Ventile ausgeführt
sein. Wie bereits erwähnt, benötigen 3-Wege-Ventile einen konstanten Wasserstrom, während 2-Wege-Ventile den Wasserstrom im System variieren. Bei variierendem Durchfluss kann die Pumpe entweder gemäß ihrer Kennlinie dem Durchfluss und Druckabfall angepasst werden, oder die Anpassung an den jeweiligen
Systemzustand erfolgt mittels drehzahlgeregelter Pumpe. Näheres zu Verteilungssystemoptionen siehe Abschnitt Systemkonfigurationen.
Abbildung 4 —Vereinfachte Darstellung eines Verteilungssystems
Ausdehnungsbehälter
Pumpe
Wasserkühlmaschine
Verteilerleitungen
Verbrauchsstellen/Kühlstellen
Das Verteilungssystem kann weitere Bauteile wie einen Ausdehnungsbehälter,
Steuer-, Ausgleichs- und Rückschlagventile sowie einen Luftabscheider umfassen,
um nur einige zu nennen. Die Dichte und folglich auch das Volumen des Wassers
in einem “geschlossenen” Kaltwasserverteilungssystem ändern sich mit den
einwirkenden Temperaturänderungen. Der Ausdehnungsbehälter gleicht diese
Volumenänderungen aufgrund der Expansion und Kontraktion des Wassers aus.
Zusätzliches Referenzmaterial zu den
Bauteilen eines Kaltwasserverteilungssystems finden Sie in: 2000 ASHRAE HVAC
Systems and Equipment Handbook, Kapitel
12, Hydronic Heating and Cooling System
Design1.
SYS-APM001-DE
9
Grundlagen der
Kaltwasseranlagen
Kühlwassersystem
Wie bei Kaltwasserverteilungssystemen sind die Rohre im Kühlwasserleitungssystem in der Regel aus Stahl, Kupfer oder Kunststoff ausgeführt. Die Dimensionierung des Systems erfolgt unter Berücksichtigung der Parameter für den Betriebsdruck, den Druckverlust, der Wassergeschwindigkeit und den Konstruktionskosten. Der Druckabfall in den Leitungen und dem Verflüssiger der Kühlanlage
plus der statischen Höhe bis zum Kühlturm wird durch die Verwendung einer
Kühlwasserpumpe aufgebracht.
Kühlturm
Für die Wärmeabfuhr wird das Wasser durch einen Kühlturm geleitet. Hier verdampft bereits ein Teil und kühlt so das restliche Wasser. Die jeweilige Kühlturmleistung bezüglich der Wärmeübertragung hängt von der Wasserdurchflussrate,
der Wassertemperatur und der Umgebungs-Feuchtkugeltemperatur ab. Die Temperaturdifferenz zwischen Wasserein- und austritt am Kühlturm ist der zulässige
Bereich. Die Temperaturdifferenz zwischen der Wasseraustrittstemperatur und der
Eintritts-Feuchtkugeltemperatur ist die Annäherungstemperatur.
Verhalten im Teillastbetrieb
Mit abnehmender Gebäudelast bzw. abnehmender Gesamtwärmeabfuhr (Kühlleistung) nehmen auch der zulässige Bereich und die Annäherungstemperatur ab.
Wird das Gebäude bei Teillast gefahren, kann daher der Kühlturm kühleres
Wasser bei gleicher Feuchtkugeltemperatur bereitstellen.
Einfluss der Umgebungstemperatur
Fällt die Umgebungs-Feuchtkugeltemperatur, nimmt die Annäherungstemperatur
bei konstanter Kühllast zu. Bei der Konzipierung der Regelstrategie für Kühlturmsyteme ist dies zu berücksichtigen. Nähere Beschreibungen dieser Zustände enthält der Abschnitt Energiegleichgewicht zwischen Kühlmaschine und Kühlturm
gegeben. Für weitere Informationen siehe 2000 ASHRAE HVAC Systems and
Equipment Handbook, Kapitel 36, “Cooling Towers.” (Kühltürme).1
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SYS-APM001-DE
Grundlagen der
Kaltwasseranlagen
Regelungen
Die Kaltwasservorlauftemperatur wird im Normalfall über die Wasserkühlmaschine geregelt. Die Kaltwasservorlauftemperatur (bzw. Abweichung und zeitlicher
Vorlauf) wird als Regelgröße benutzt, um die Leistungssteuerung der Wasserkühlmaschine zu ermöglichen und somit die Leistung der Wasserkühlmaschine der
Kühllast des Systems anzupassen. Die Kaltwasserregelstrategie kommt sowohl
bei Systemen mit variablem als auch konstantem Wasserdurchfluss zum Einsatz.
Wie bereits erwähnt, erfolgt die Regelung der Wassermenge über den
Verbraucher mittels 3-Wege- bzw. 2-Wege-Ventile oder über separate Pumpen für
jeden Wärmetauscher.
Als Regelsystem kommen verschiedene Möglichkeiten in Betracht: Von träge ansprechenden pneumatischen Regelungen über elektromechanische Regelungen
bis hin zu Digitalregelungssystemen, die für eine optimierte Leistung
entsprechenden Algorithmen folgt.
Wasserkühlmaschinenregelung
Zeitgemäße Regelungen verfügen über mehr Funktionen als das reine Ein- und
Ausschalten der Wasserkühlmaschine. Als Mindestvoraussetzung müssen diese
Regelungen folgende Bereiche überwachen:
• Sicherheits-Datenpunkte wie Lagertemperaturen und elektrische Werte, die
einen Ausfall des Motors bewirken können, wenn sie sich außerhalb des
zulässigen Bereichs befinden.
• Datenpunkte, die zu Systemstörungen führen können, wenn keine Maßnahmen
zur Fehlerbehebung ergriffen werden. Bei einer zu niedrigen Kaltwasser- oder
Kältemitteltemperatur kann es zum Beispiel zu einem Einfrieren in den oder um
die Verdampferrohre kommen.
• Allgemeine Punkte, deren Aufzeichnung für eine korrekte
Wasserkühlmaschinenleistung täglich überwacht werden müssen.
In Tabelle 1 sind die von ASHRAE empfohlenen Überwachungspunkte aufgelistet.
Tabelle 1 – Empfohlene Überwachungspunkte für Wasserkühlmaschinen nach ASHRAE
Richtlinie 3-1996
Kaltwasser
Verdampfer
Öl
SYS-APM001-DE
Durchflussrate
Differenzdruck über Verdampfer
Kaltwasservorlauftemperatur
Kaltwasserrücklauftemperatur
Austrittstemperatur
Annäherungstemperatur
Kältemitteldruck
Kältemitteltemperatur
Stand
Druck
Temperatur
Zusätzliche Erfordernisse
Kühlwasser
Verflüssiger
Kältemittel
Durchflussrate
Differenzdruck über Verflüssiger
Kühlwassereintrittstemperatur
Kühlwasseraustrittstemperatur
Austrittstemperatur
Annäherungstemperatur
Kältemitteldruck
Kältemitteltemperatur
Stand
Verdichterauslasstemperatur
Zusätzliche Erfordernisse
Vibrationslevel
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Grundlagen der
Kaltwasseranlagen
Zusätzlich zur Datenüberwachung muss die Regelung der Wasserkühlmaschine
das Betreiberpersonal auf mögliche Störungen aufmerksam machen. Bei Störungen im Sicherheitsbereich oder wenn Datenpunkte außerhalb des normalen Betriebsbereichs vorliegen benötigt das Betreiberpersonal Fehlermeldungen, um
angemessen reagieren zu können.
Während dies also eine Grundvoraussetzung ist, sind einige Maschinenregelungen werkseitig mit Programmen ausgestattet, die selbständig auf die auftretenden
Fehlermeldungen reagieren. Nähert sich zum Beispiel die Kaltwassertemperatur
dem Gefrierpunkt, wird eine Diagnosemeldung angezeigt. Gleichzeitig passt die
Wasserkühlmaschine ihren Betrieb durch Verringerung der Verdichterleistung an,
wodurch die Kaltwassertemperatur in den Sicherheitsbereich angehoben wird.
Schließlich müssen Maschinenregelungen in der Lage sein, mit einer Regelung
auf Systemebene zu kommunizieren. Viele Aspekte der Systemregelung unterliegen nicht der direkten Kontrolle der Maschinenregelung, etwa die Kühlwassertemperatur und die Durchflussmenge durch den Verdampfer und den
Verflüssiger. Zur Minimierung der Systemenergiekosten muss die
Systemregelung Wasserkühlmaschine, Pumpe, Kühlturm und Endgeräte-Regler
koordinieren können. Dies funktioniert nur dann, wenn der Datenaustausch
zwischen allen Systemkomponenten und den System-Regelvorrichtungen
gewährleistet ist.
Pumpensteuerung
Bei Systemen mit konstantem Durchfluss sind die Pumpen entweder ein- oder
ausgeschaltet. Im eingeschalteten Zustand sorgen sie für einen relativ konstanten
Durchfluss. Effektiv ergeben sich aber durch unterschiedlichen Systemdruckabfall
Schwankungen der Durchflussrate. Bei einem System mit variabler
Wassermenge erfolgt die Pumpensteuerung in der Regel so, dass an einem
bestimmten Punkt im System ein Druck aufrecht erhalten wird. So lässt sich zum
Beispiel über einen Antrieb mit variabler Drehzahl die Pumpendrehzahl anheben,
wenn der erfasste Druck zu niedrig ist, bzw. die Drehzahl bei zu hohem Druck
absenken. Der Druckpunkt wird so gewählt, dass ein zu hoher Systemdruck
minimiert wird, gleichzeitig aber ein adäquater Durchfluss bei allen kritischen
Leistungsbereichen gewährleistet ist. Die optimalen Strategien für
Pumpenregelungen sind in Abschnitt Rückstellung “kritischer” Ventile
beschrieben.
Verweise
12
1
2000 ASHRAE HVAC Systems and Equipment Handbook, Kapitel 12, Hydronic
Heating and Cooling System Design, und Kapitel 36, Cooling Towers, American
Society of Heating, Refrigeration and Air-Conditioning Engineers, Inc.
2
Schwedler, M., PE and Bradley, B.; “An Idea for Chilled-Water Plants Whose Time
Has Come...Variable-Primary-Flow Systems,”Engineers Newsletter, Vol. 28, No.
3, The Trane Company, 1999.
3
Webb, R.L. and Li, W.; “Fouling in Enhanced Tubes Using Cooling Tower Water,
Part I: Long-Term Fouling Data,” International Journal of Heat and Mass Transfer,
2000.
SYS-APM001-DE
Kaltwassersystem
Optionen
Weitere Informationen siehe ARI Standard
550/590-1998, Standard for Water Chilling
Packages Using the Vapor Compression
Cycle and the ARI Standard 560-1992 und
ARI Standard 560-1992, Standard for
Absorption Water Chiller and Water
Heating Package. Beide Veröffentlichungen
wurden vom Air-Conditioning and
Refrigeration Institute (www.ari.org)
herausgegeben.
Für Kaltwassersysteme gibt es zahlreiche Auslegungskonzepte, deren Ergebnis
aber grundsätzlich von der jeweiligen Durchflussrate, Temperatur, Systemkonfiguration und Regelung abhängt. Im folgenden Abschnitt wird der Einfluss der
Durchflussrate und der Temperatur auf die Systemauslegung behandelt.
Dabei ist stets zu beachten, dass Temperaturen und Durchflussraten Variablen
sind. Durch eine bedarfsgerechte Auslegung der Kaltwasseranlage wird das
benötigte Kaltwasser kostengünstig bereitgestellt.
Die Auslegung von Kaltwassersytemen erfolgt oft unter Zugrundelegung der
Durchflussraten und Temperaturen, wie sie in Standardprüfverfahren vom AirConditioning and Refrigeration Institute (ARI), ARI 550/590-9981 für VerdichterWasserkühlmaschinen und ARI 560-19922 für Absorptions-Wasserkühlmaschinen
entwickelt wurden. Diese Bezugsgrößen liefern Anforderungen für die Auslegung
und Prüfung von Wasserkühlmaschinen bei unterschiedlichen Auslegungsbedingungen. Sie sind allerdings nicht als Vorgaben für korrekte oder optimale Durchflussraten bzw. Temperaturdifferenzen für bestimmte Systeme gedacht. Da sich
die Wirkungsgrade von Maschinenkomponenten und Kundenanforderungen
ständig ändern, sind diese Standard-Auslegungsbedingungen selten die optimale
Lösung für ein zu realisierendes System. Die Auslegung der Variablen unterliegt
großen Spielräumen und muss für jede Anwendung individuell entschieden
werden.
Kaltwasser- und Kühlwassertemperatur
Die Wahl der Kaltwasseraustrittstemperatur und der Kühlwassereintrittstemperatur kann unabhängig von der jeweiligen Durchflussrate betrachtet werden. Für
eine effiziente und flexible Kaltwasseranlage müssen die Kalt- und Kühlwassertemperatur sowie die Durchflussraten allerdings immer zusammen ausgewählt
werden.
Standard-Auslegungstemperaturen
Aktuelle Temperaturwerte bei Standard-Auslegungsbedingungen nach
ARI 550/5901 und ARI 5602:
• Wasseraustrittstemperatur am Verdampfer: 6,7 °C
• Wassergekühlter Verflüssiger, Wassereintrittstemperatur: 29,4 °C
• Luftgekühlter Verflüssiger, Lufteintritts-Trockenkugeltemperatur: 35,0 °C
Waren diese Temperaturwerte über Jahre hinweg Fixpunkte bei der Systemauslegung, verwenden Systemplaner heute unterschiedliche Werte.
ARI 550/590 spiegelt diesen Trend wider, indem für die Kaltwasser- und Kühlwassertemperatur vom Standard abweichende Punkte verwendet werden können
und die Wasserkühlmaschine gemäß Standard geprüft wird.
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Kaltwassersystem
Optionen
Einige Wasserkühlmaschinen, die mit
ausgeklügelten Verdampferkonzeptionen
und Steuermethoden ausgestattet sind,
können Kaltwasser mit 1,1 °C (ohne
Frostschutzmittel) produzieren.
Kaltwassertemperaturen
Gegenwärtig sind Wasserkühlmaschinen für Komfortanwendungen so ausgelegt,
dass sich die Kaltwasserzulauftemperatur in einem Bereich von 6,7 °C bis 3,3 °C
und in einigen Fällen bei 1,1 °C bewegt. Gründe für die Absenkung der Kaltwassertemperatur:
• Das Systemkonzept passt sich flexibler an größere Temperaturdifferenzen
(niedrigere Durchflussraten) an als bei Standardauslegung (vgl. Unterabschnitt
Durchflussraten auswählen).
• Eine niedrigere Wassertemperatur ermöglicht niedrigere Lufttemperaturen und
geringere Volumenströme. Dies senkt die luftseitigen Installations- und die Betriebskosten.
• Kälteres Wasser im gleichen Wärmetauscher kann die Entfeuchtung verbessern.
• Kälteres Wasser kann zur Leistungssteigerung eines bestehenden Kaltwasserverteilungssystems verwendet werden. In einigen Fällen kann dies beträchtliche
Ausgaben einsparen, wenn die Leistung großer Klimazentralen, die ihre Kapazitätsgrenze erreicht haben, gesteigert werden muss.
Einige Systemplaner zögern, bei der Anlagenauslegung eine niedrigere Kaltwassertemperatur in Erwägung zu ziehen, da sie folgende Auswirkungen
befürchten:
• Geringerer Wirkungsgrad der Wasserkühlmaschine. Wie bereits erwähnt, muss
die Wasserkühlmaschine für eine niedrigere Kaltwassertemperatur mehr Leistung erbringen. Während also einerseits der Energieverbrauch der Wasserkühlmaschine steigt, wird gleichzeitig die Leistungsaufnahme der Pumpen durch die
Senkung der Kaltwasserdurchflussrate verringert. Im Resultat führen diese
beiden Faktoren häufig zu einem niedrigeren Energieverbrauch eines Systems.
• Eine niedrigere Kaltwassertemperatur kann eine verstärkte Isolierung der Rohr-
leitungen zur Vermeidung von Kondensation (“Schwitzwasser”) erfordern.
Daher müssen die Rohrleitungen entsprechend der Kaltwassertemperatur
isoliert sein. Eine niedrigere Wassertemperatur erfordert allerdings nicht immer
mehr Isolierung.
Kühlwassertemperatur
Moderne Wasserkühlmaschinen können mit gleitender Kühlwassereintrittstemperaturen betrieben werden, die von der Auslegungstemperatur bis zur
zulässigen Mindesttemperatur reichen. Bei älteren Bauarten ist der zulässige
Bereich für die Kühlwassertemperatur allerdings häufig sehr begrenzt. Die
jeweiligen Werte sind beim Hersteller zu erfragen. Die optimale Regelung der
Kühlwassertemperatur wird in Abschnitt Variationen im Kühlwassersystem
behandelt.
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SYS-APM001-DE
Kaltwassersystem
Optionen
Durchflussrate von Kalt- und Kühlwasser
Mit der Wahl der Durchflussrate von Kalt- und Kühlwasser steht den Systemplanern eine wichtiges Werkzeug bei der Systemauslegung zur Verfügung. Kelly
und Chan5 sowie Schwedler und Nordeen6 fanden heraus, dass reduzierte Durchflussraten die Installations- und/oder Betriebskosten der Kaltwasseranlage senken
können.
Standardauslegung von Durchflussraten
Die aktuellen Durchflussraten bei Standardauslegung betragen nach ARI 550/590:
• Tonne/gpm [0,043 kW/L/s] für Verdampfer
• Tonne/gpm [0,054 kW/L/s] für Verflüssiger
Die Verdampferdurchflussrate entspricht einer Temperaturdifferenz von 5,6 °C. Je
nach Verdichterleistung liegt die entsprechende Verflüssigertemperaturdifferenz
bei 5,1 °C bis 5,6 °C.
Absorptions-Wasserkühlmaschinen werden anhand von ARI Standard 560-1992,
Standard for Absorption Water Chiller and Water Heating Package 2 ausgelegt. Die
Kaltwasserdurchflussraten sind mit den in ARI 550/590 verwendeten identisch. Die
Kühlwasserdurchflussraten ändern sich allerdings je nach Auslegung der Absorptions-Wasserkühlmaschine. Tabelle 2 zeigt die Standardauslegungsbedingungen
für verschiedene Absorptions-Wasserkühlmaschinen.
Tabelle 2 — Standard-Auslegungsbedingungen für Absorptions-Wasserkühlmaschinen
Absorptions-Wasserkühlmaschine
Einstufige Bauart
Zweistufige Bauart
Dampf oder Heißwasser
Direkt befeuert
SYS-APM001-DE
Kühlwasserdurchflussrate
Tonne/gpm
kW/L/s
3,60
0,065
4,00
0,072
4,50
0,081
15
Kaltwassersystem
Optionen
Auswahl der Durchflussraten
Systemplaner können die Standard-Auslegungsbedingungen verwenden, um die
vom Hersteller angegebenen Leistungen bei identischen Bedingungen zu vergleichen. Allerdings ermöglichen diese Standards die Verwendung beliebiger
Durchflussraten und zulässiger Vergleiche unter diesen Bedingungen. Nimmt die
Durchflussrate bei einer bestimmten Kühllast ab, erhöht sich die Temperaturdifferenz. Tabelle 3 zeigt ein Kaltwassersystem mit einer Kälteleistung von 1580 kW,
sowohl als Grundausführung als auch mit niedriger Durchflussrate.
Tabelle 3 – Standard-Auslegungsbedingungen für Kaltwassersysteme
Kaltwassersystem
Kaltwasserdurchflussrate, L/s [gpm]
Kaltwassertemperatur °C [°F]
Grundausführung
68,1 [1.080]
Eintritt
12,2 [54,0]
Austritt
6,7 [44,0]
Kühlwasserdurchflussrate, L/s [gpm]
85,2 [1.350]
Kühlwassertemperatur °C [°F]
Eintritt
29,4 [85,0]
Austritt
34,6 [94,3]
Leistungsaufnahme der Wasserkühlmaschine, kW
256,0
Niedrige Durchflussrate
42,6 [675]
13,9 [57,0]
5,0 [41,0]
56,8 [900]
29,4 [85,0]
37,3 [99,1]
292,0
Bei diesem Beispiel ist zu beachten, dass die Kaltwasseraustrittstemperatur abnimmt, während sich die Kühlwasseraustrittstemperatur erhöht. Das bedeutet,
dass der Verdichter bei dieser Ausführung mehr Leistung erbringen muss und
mehr Energie verbraucht. Wie wirkt sich dies auf den Energieverbrauch des
Systems aus? Anhand folgender Annahmen wird der Energieverbrauch des
Systems berechnet:
• Druckverlust durch die Kaltwasserleitungen: 239 kPa
• Druckverlust durch die Kühlwasserleitungen: 89,7 kPa
• Auslegungs-Feuchtkugeltemperatur: 25,6 °C
• Wirkungsgrad der Antriebsmotoren für Pumpen und Kühlturm: 93 %
• Pumpen-Wirkungsgrad: 75 %
• Identische Rohrleitungen für Kalt- und Kühlwasserkreisläufe (entweder eine
Frage der Auslegung, oder ein Anzeichen für veränderte Durchflussraten in
einem bestehenden System)
Der Druckverlust über die Wasserkühlmaschine ändert sich: Bei gleicher Leitungsgröße nahezu im Quadrat der Durchflussrate. Während dies für gerade Leitungen
zutrifft, gilt das exakte Verhältnis für den Druckverlust nicht bei Regelventilen oder
Abzweigungen, die variable Kühllasten bedienen.
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SYS-APM001-DE
Kaltwassersystem
Optionen
Es ist sicherzustellen, dass der tatsächliche Druckabfall im gesamten System
berechnet wird. Hazen-Williams und Darcy-Weisbach berechnen diese Änderung
mit den Exponenten 1,85 bzw. 1,90. Bei den hier genannten Beispielen wird der
konservativere Wert 1,85 verwendet.
DP2/DP1 = (Durchflussrate2)/(Durchflussrate1)1,85
Tabelle 4 – Kaltwasserpumpe, niedrige Durchflussrate
Durchflussrate, L/s [gpm]
Systemdruckverlust, kPa
Druckverlust Verdampfer, kPa
Pumpenleistung, KW [PS]
Leistungsaufnahme Pumpe, kW
Grundausführung
68,1 [1.080]
239
88,8
29,8 [39,9]
32,0
Niedrige Durchflussrate
42,6 [675]
100
37,7
7,80 [10,5]
8,4
Bei niedrigeren Durchflussraten und Wassereintrittstemperaturen kann ein
anderer Kühlturm gewählt werden.
Tabelle 5 – Kühlturm, niedrige Durchflussrate
Durchflussrate, L/s [gpm]
Statischer Druck, kPa
Leistung Kühlturmventilator, kW [PS]
Leistungsaufnahme Kühlturmventilator, kW
Grundausf.
85,2 [1.350]
57,1
22,4 [30,0]
24,1
Niedrige Durchflussrate
56,8 [900]
37,7
14,9 [20,0]
16,0
Tabelle 6 – Kühlwasserpumpe, niedrige Durchflussrate
Durchflussrate, L/s [gpm]
Systemdruckverlust, kPa
Verflüssigerbündeldruckabsenkung, kPa
Anhebung stat. Druck/Kühlturm, kPa
Pumpenleistung, kW [PS]
Leistungsaufnahme Pumpe, kW
SYS-APM001-DE
Grundausf.
85,2 [1.350]
89,7
59,5
57,1
23,4 [31,4]
25,2
Niedrige Durchflussrate
56,8 [900]
42,5
28,7
37,7
8,2 [11,0]
8,8
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Kaltwassersystem - Optionen
Daraus ergibt sich folgende Gesamt-Leistungsaufnahme des Systems:
Tabelle 7 – Gesamt-Leistungsaufnahme des Systems
Leistungsaufn. der Komponenten (kW)
Wasserkühlmaschine
Kaltwasserpumpe
Kühlwasserpumpe
Kühlturm
Gesamt-Leistungsaufnahme des Kaltwassersystems
Grundausf.
256,0
32,0
25,2
24,1
337,3
Niedrige Durchflussrate
292,0
8,4
8,8
16,0
325,2
Es zeigt sich, dass die Durchflussraten die Gesamt-Leistungsaufnahme des
Systems bei Volllast beeinflussen können. Obwohl die Wasserkühlmaschine bei
Systemen mit niedrigeren Durchflussraten mehr Leistung benötigt, überwiegen
im Endergebnis die Einsparungen bei Pumpen und Kühlturm. Was geschieht bei
Teillast? Abbildung 5 zeigt die Leistung bei Teillast auf der Grundlage folgender
Annahmen:
• Die Kaltwasserpumpe verfügt über einen Antrieb mit variabler Frequenz/
Drehzahl
• Die Leistung der Kühlwasserpumpe bleibt konstant
• Durch die Kühlturmregelung liegt die erzielte Wassertemperatur unter der
Auslegungstemperatur
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SYS-APM001-DE
Kaltwassersystem
Optionen
Abbildung 5 – Leistung des Kaltwassersystems bei Teillast
Grundausführung
Niedrige Durchflussrate
25 % Kühllast
50 % Kühllast
75 % Kühllast
Volllast
Während der Nutzen geringerer Durchflussraten für die Wasserkühlmaschine von
ihrer Ausführung abhängt (Wasserkühlmaschine mit Turbo-, Schrauben- oder
Scrollverdichter, Absorptions-Wasserkühlmaschine), können alle Kaltwassersysteme von der geeigneten Auswahl einer reduzierter Durchflussrate profitieren.
Verhalten des Wärmetauschers bei abnehmender Wassereintrittstemperatur
Wenn ein Wärmetauscher die gleiche fühlbare und latente Kühlleistung erbringen
soll, während kälteres Wasser zugeführt wird, reduziert die Regelung die Menge
des durchströmenden Wassers. Da die Wassermenge abnimmt, gleichzeitig aber
die übertragene Wärmemenge konstant bleibt, nimmt die Wasseraustrittstemperatur zu. Daher kann durch die Produktion von kälterem Wasser ein System mit
geringer Durchflussrate bei einem bestehenden Gebäude verwendet werden. Bei
einer Nachrüstung ist es vorteilhaft, mit Hilfe des Auswahlprogramms des
Herstellers einen Wärmetauscher für die neue Kaltwassertemperatur
auszuwählen, um eine ausreichende Leistung sicherzustellen.
Sind keine Leistungsangaben vom Hersteller erhältlich, verwenden einige Systemplaner folgende Näherung: Pro 0,6 °C-1,1 °C Temperaturabnahme des
Wassers im Wärmetauschereintritt erwärmt sich das Wasser um 0,6 °C und gibt
dabei etwa die gleiche sensible Leistung und Gesamtleistung ab.
Beispiel: Die Kaltwassereintrittstemperatur eines Wärmetauschers beträgt 6,7 °C,
die Austrittstemperatur 12,2 °C. Wird die Wassereintrittstemperatur auf 5,0 °C
reduziert, liegt die Wasseraustrittstemperatur des Wärmetauschers bei etwa
13,3 °C-13,9 °C. Tabelle 8 zeigt dies im Detail.
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Kaltwassersystem
Optionen
Tabelle 8 – Einfluss der herabgesetzten Wassertemperatur
Wassertemperatur
Wärmetauscher
Ursprüngl. Temperatur
°C
Eintritt
6,7
1°
Austritt
12,2
Kaltwasserreduzierung pro 1°
Zunahme der
Wasserrücklauftemperatur
°C
5,0
1,5°
5,0
13,9
13,3
Ein mögliches Problem bei niedriger Wasserzulauftemperatur ist eine ungenaue
Durchflussregelung des Ventils im Teillastbereich. Systeme mit niedrigem Durchfluss müssen mit einem ausreichend dimensionierten Ventil mit großem Regelbereich ausgestattet sein. In manchen bestehenden System müssen Ventile ausgetauscht werden, die für die neuen Durchflussraten nicht geeignet sind, während
die Wärmetauscher weiterverwendet werden können.
Optionen für Kühltürme in Systemen mit geringem
Durchfluss
Kleinerer Kühlturm
Kühltürme können in ihrer Funktionsweise mit Wärmetauschern verglichen werden — obwohl hierbei häufig Missverständnisse auftreten. In einem Kühlturm
wird die Wärme des eintretenden Wassers an die Umgebungsluft abgegeben.
Daher kann für ein System mit geringerer Durchflussrate (im Zuge einer Neuinstallation oder beim Austauschen eines Kühlturms) ein kleinerer Kühlturm mit
höherem Wirkungsgrad gewählt werden. Wie ist das möglich?
Da die Menge der abgegebener Wärme bei Standard-Auslegungsbedingungen in
etwa mit der Wärmeabfuhr von Systemen mit geringem Durchfluss übereinstimmt, kann der für die Wärmeabgabe benötigte Bereich geschätzt werden:
Q. = U A1 DT1, wobei A = der Fläche, U = Koeffizient für Wärmeübertragung und
DT = Temperaturdifferenz
= U A2 DT2 oder A1 DT1= A2 DT2
Legt man Standard-Auslegungsbedingungen zugrunde, beträgt die Temperaturdifferenz zwischen der Kühlturmeintrittstemperatur und der Umgebungs-Feuchtkugeltemperatur für DT1:
DT1 = 34,6 – 25,6 = 9,0 °C;
Bei einer typischen Auslegung mit geringem Durchfluss beträgt DT2:
DT2 = 37,3 – 25,6 = 11,7 °C;
Daraus folgt:
A1 × 16,2 = A2 × 21,1 oder A2 = 0,77 A1
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Kaltwassersystem
Optionen
Die Wärmeübertragungsleistung in einem Kühlturm lässt sich entweder über die
Oberflächengröße oder den Luftstrom bzw. über eine Kombination beider Möglichkeiten ändern. Dem Auswahlprogramm des Kühlturmherstellers können die
genaue Größe und die Leistungsaufnahme entnommen werden. In dem Beispiel
auf Seite 16-18 wurde sowohl die Kühlturmgröße als auch der Luftstrom kleiner
gewählt (und damit die erforderliche Leistungsaufnahme des Ventilators).
Gleicher Kühlturm, geringere Annäherungstemperatur
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den gleichen Kühlturm mit einer geringeren Durchflussrate zu betreiben. In einem neuen System ist dies eine Möglichkeit,
in bestehenden Systemen oft eine Notwendigkeit. Bei gleicher Kühllast kann der
Kühlturm eines Systems mit geringerem Durchfluss kälteres Wasser zurückleiten.
Das bedeutet, dass die Annäherung des Kühlturms an die Feuchtkugel-Umgebungstemperatur abnimmt. Im vorhergehenden Beispiel mit einer Leistung von
1580 kW läge beim gleichen Kühlturm die Eintrittstemperatur des Kühlwassers
bei 28,6 °C, anstatt 29,4 °C bei einem kleineren Kühlturm. Es ist zu beachten, dass
die Eintrittstemperatur für den Kühlturm bei etwa 36,4 °C liegen würde. Aus
diesem Grund wird der Einfluss einer reduzierten Durchflussrate auf den
Energieverbrauch der Wasserkühlmaschine teilweise durch die niedrigere
Eintrittstemperatur des Verflüssigerwassers aufgehoben.
Gleicher Kühlturm, leistungsfähigere Wasserkühlmaschine
Eine Möglichkeit zur Nachrüstung, von der viele Gebäudeeigentümer profitieren,
ist der Einbau einer neuen, leistungsfähigferen Wasserkühlmaschine unter Weiterverwendung des bestehenden Kühlturms, der Kühlwasserpumpe und den Kühlwasserleitungen. In vielen Fällen lässt sich so die Leistung des Kaltwassersystems
in einem begrenzten finanziellen Rahmen erweitern. Tabelle 9 zeigt die Auslegungsbedingungen beim Ersetzen einer alten Wasserkühlmaschine mit einer Leistung von 1.580 kW durch eine neue Maschine mit einer Leistung von 2.370 kW.
Dies entspricht einer Leistungssteigerung um 50 Prozent. Ausführlichere Erläuterungen zu diesem Beispiel finden Sie im nächsten Abschnitt, Systemkonfigurationen. Die Auswahl der neuen Wasserkühlmaschine muss anhand dieser neuen
Bedingungen erfolgen.
Tabelle 9 — Nachträgliche Leistungssteigerung
Kälteleistung, kW
Kühlturm
FK-Umgebungstemperatur, °C
SYS-APM001-DE
Durchflussrate, l/s
Eintrittstemperatur, °C [°F]
Austrittstemperatur, °C [°F]
Alte Maschine
1.580
85,2
34,6 [94,3]
29,4 [85]
25,6
Neue Maschine
2.370
85,2
39,4 [103]
31,1 [88]
25,6
21
Kaltwassersystem
Optionen
Bei der Dimensionierung neuer Systeme
sind verschiedene Faktoren zu beachten:
Bei einem geringeren Rohrleitungsquerschnitt können kleinere und billigere Ventile
verwendet werden, Sonderausführungen
entfallen. Allerdings führt die Reduzierung
des Rohrquerschnitts zu erhöhtem
Druckabfall. Zwischen Anschaffungs- und
Betriebskosten muss ein Gleichgewicht
bestehen. Dies kann die
Nachrüstungskosten beträchtlich
verringern, da die vorhandenen
Rohrleitungen weiterverwendet werden
können.
Kostenfaktoren
Durch eine Absenkung der Durchflussrate von Kalt- oder Kühlwasser sind bei den
Installationskosten folgende Einsparungen möglich:
• Kleinere Pumpen, Ventile, Siebe, Verbindungen, elektrische Anschlüsse
• In neuen System reduzierte Rohrgrößen
• In bestehenden Systemen mehr Leistung durch die bestehenden Kaltwasserrohre
• Reduzierte Kühlturmgröße, Aufstellfläche und Leistungsaufnahme des Ventilators
Alternativ kann ein kleiner dimensionierter Kühlturm bei niedriger Durchflussrate
gewählt werden. Eine reduzierte Aufstellfläche kann für den Gebäudeeigentümer
mehrere Vorteile haben:
• Geringerer Platzbedarf auf Grundstück (oft wichtiger als man denkt)
• Reduzierte Anforderungen an die Gebäudestatik, da sich die Menge an
Kühlturmwasser reduziert
• Reduzierte Erdarbeit- und Materialkosten im Fall eines großen Gebäudeturms
mit einem betonierten Auffangbecken
• Verbessertes optisches Erscheinungsbild durch geringere Kühlturmhöhe
Zusätzlich zur Einsparung bei den Installationskosten sind auch niedrigere Betriebskosten für die gesamte Anlage möglich. Aufgrund einer kleineren Pumpe
und/oder eines kleineren Kühlturms lassen sich die Betriebskosten für beide Komponenten wesentlich senken, ohne dass sich dies nachteilig auf die
Betriebskosten für die Wasserkühlmaschine auswirkt. Analyseprogramme wie
DOE 2.1, TRACE™ oder System Analyzer™ kann zur Bestimmung der
Jahresbetriebskosten eingesetzt werden. Nordeen und Schwedler6 haben gezeigt,
dass die Betriebskosten für Kaltwassersysteme bei Verwendung von AbsorptionsWasserkühlmaschinen ganz wesentlichen Nutzen aus einer reduzierten
Kühlwasserdurchflussrate ziehen. Abbildung 6 zeigt Betriebskosten, die mit der
Analysesoftware System Analyzer™ errechnet wurden.
22
SYS-APM001-DE
Kaltwassersystem
Optionen
Abbildung 6 — Jährliche Systembetriebskosten
4,5
Tonne/gpm
3,60
Tonne/gpm
3,09
Tonne/gpm
Kelly und Chan5 vergleichen die Betriebskosten von Kaltwassersystemen vor Ort.
Sie stellen zusammenfassend fest:
Es gibt Situation, aus denen sich nur Vorteile ergeben. In den meisten Fällen
bringen größere Temperaturunterschiede (DT) und die damit verbundenen
niedrigeren Durchflussraten nicht nur eine Ersparnis bei den Installationskosten,
sondern in der Regel auch eine Energieersparnis über das Jahr gesehen. Dies gilt
insbesondere dann, wenn ein Teil der Erstkosteneinsparungen in effizientere
Wasserkühlmaschinen investiert wird. Bei Wasserkühlmaschinen mit gleichen
Anschaffungskosten liegen die jährlichen Betriebskosten bei niedrigeren
Durchflussraten etwa bei denen von Systemen mit “Standarddurchflussraten”,
jedoch immer noch bei niedrigeren Erstkosten.
SYS-APM001-DE
23
Kaltwassersystem
Optionen
Fehleinschätzungen bei Systemen mit geringerer
Durchflussrate
Dies sind einige der Fehleinschätzungen bezüglich Systemen mit geringem
Durchfluss:
1. Eine niedrige Durchflussrate eignet sich nur für lange Rohrleitungssysteme.
2. Eine niedrige Durchflussrate ist nur für bestimmte Wasserkühlmaschinen
geeignet.
3. Eine niedrige Durchflussrate kann nur bei neuen Kaltwassersystemen
angewandt werden.
Im Folgenden soll jede dieser drei Fehleinschätzungen erläutert werden:
Fehleinschätzung Nr. 1 — Eine niedrige Durchflussrate eignet sich nur für lange
Rohrleitungssysteme
Eine Methode, diese Behauptung zu untersuchen, besteht darin, das vorhergehende Beispiel anzuwenden, sich jedoch auf die Kühlwasserseite zu konzentrieren. Wir beginnen mit dem Beispiel der Seiten 16-18. Unter Verwendung der
gleichen Wasserkühlmaschine, jedoch mit kleinerem Kühlturm und ohne Druckverlust durch Kühlwasserrohrleitungen kann die Auswirkung reduzierter Durchflussraten untersucht werden.
Tabelle 10 — Auswirkungen bei reduziertem Durchfluss
Kühlwasserpumpe
Durchflussrate, l/s
Systemdruckabsenkung, kPa
Druckverlust Verflüssigerrohrbündel, kPa
Anhebung des statischen Drucks/Kühlturm, kPa
Pumpenleistung, kW
Leistungsaufnahme Ventilator, kW
24
Grundausf.
85,2
0
59,5
57,1
13,2
14,2
Niedrige Durchflussrate
56,8
0
28,7
37,7
5,0
5,4
SYS-APM001-DE
Kaltwassersystem
Optionen
Abbildung 7 – Vergleich des Systemenergieverbrauchs (ohne Rohrleitung)
System-Leistungsaufnahme (kWh)
3,0 Tonne/gpm
2,0 Tonne/gpm
System-Kühllast
Die Leistungsaufnahme von Wasserkühlmaschine, Kühlwasserpumpe und Kühlturmventilator wird in Abbildung 7 dargestellt. Zu beachten ist, dass die GesamtLeistungsaufnahme der Kaltwasseranlage nur bei Volllast zunimmt. Wie bereits
erwähnt, erfolgt dies ohne jeglichen Druckabfall in den Kühlwasserrohren, Ventilen oder Anschlüssen. Interessant ist dabei die Tatsache, dass die Rentabilitätsgrenze bei Volllast bei etwa 23,9 kPa liegt. Ferner ist zu beachten, dass die
Gesamt-Leistungsaufnahme des Systems mit geringem Durchfluss bei allen
Teillastbedingungen unter dem des Basissystems liegt. Es ist daher einleuchtend,
dass reduzierte Durchflussraten selbst bei kurzen Rohrleitungen den
Energieverbrauch der Anlage verringern.
Fehleinschätzung 2 — Eine niedrige Durchflussrate eignet sich nur für bestimmte
Wasserkühlmaschinen
Demirchian et al.3, Eley4 sowie Schwedler und Nordeen6 haben unabhängig voneinander gezeigt, dass sich der Energieverbrauch des Systems durch reduzierte
Durchflussraten herabsetzen lässt. Bemerkenswert ist dabei, dass es sich bei den
untersuchten Systemen um Wasserkühlmaschinen dreier verschiedener
Hersteller handelte, die Energieeinsparungen jedoch nur zwischen 2,0 bis 6,5
Prozent abweichten. In allen Fällen ließ sich, unabhängig vom Hersteller, der
Systemenergieverbrauch senken. Darüber hinaus wiesen Demirchian et al.2 sowie
Schwedler und Nordeen6 eine Reduzierung der Anschaffungskosten nach.
SYS-APM001-DE
25
Kaltwassersystem
Optionen
Fehleinschätzung 3 — Eine niedrige Durchflussrate kann nur bei neuen
Kaltwassersystemen angewandt werden
Wie bereits in den Unterabschnitten Verhalten des Wärmetauschers bei
abnehmender Wassereintrittstemperatur sowie Optionen für Kühltürme in
Systemen mit geringem Durchflussbeschrieben, gibt es für die Verwendung
bestehender Infrastrukturen (Pumpen, Rohre, Wärmetauscher und Kühltürme)
verschiedene Möglichkeiten, um die verfügbare Kälteleistung zu erweitern
und/oder die Energiekosten des Systems durch die Verwendung niedrigerer
Durchflussraten zu senken.
Nach eingehender Untersuchung ist deutlich geworden, dass es möglich ist,
selbst bei kurzen Leitungenswegen bei Systemen mit geringem Durchfluss
Einsparungen unabhängig vom jeweiligen Hersteller zu erzielen, und dass
Systeme mit geringem Durchfluss auch für die Nachrüstung geeignet sind.
Systemplaner sollten dabei auch die Vorzüge für den Gebäudeeigentümer im
Auge behalten, denn reduzierte Durchflussraten haben oft einen beträchtlichen
Wertzuwachs zur Folge.
Verweise
26
1
ARI Standard 550/590-1998, Standard for Water Chilling Packages Using the
Vapor Compression Cycle, Air-Conditioning and Refrigeration Institute.
2
ARI Standard 560-1992, Standard for Absorption Water Chiller and Water
Heating Package, Air-Conditioning and Refrigeration Institute.
3
Demirchian, G.H., PE und Maragareci, M.A., P.: “The benefits of higher
condenser-water DT at Logan International Airport central chilled-water plant.”
IDEA 88th Annual Conference Proceedings, 1997, S. 291-300.
4
Eley, C.: “Energy analysis–replacement of chillers for buildings 43, 47, and
48.”Eley Associates, CA, April 1997.
5
Kelly, D.W. und Chan, T.: “Optimizing chilled-water plants,” Heating/Piping/Air
Conditioning, Januar 1999, S. 145-7.
6
Schwedler, M., PE, und Nordeen, A.: “Low flow works for absorbers too!”
Contracting Business, November 1998, S. 108-112.
SYS-APM001-DE
Systemkonfigurationen
Kaltwassersysteme mit mehreren Wasserkühlmaschinen sind häufiger
anzutreffen als Einzelmaschinen. Die Gründe liegen auf der Hand: So wie die
meisten zivilen Flugzeuge mit mehreren Motoren ausgestattet sind, lohnen sich
auch Kaltwassersysteme mit mehreren Wasserkühlmaschinen – ein Mittelweg
zwischen Zuverlässigkeit und Kosten. Am häufigsten sind Anlagen mit zwei
Wasserkühlmaschinen anzutreffen. Da sich die Systemlast über ein breites
Spektrum ändern kann, reicht bei Mehrfachsystemen oft der Betrieb einer
Maschine. In diesen Zeiträumen lässt sich bei einer korrekten Systemkonzipierung
die für den Betrieb einer zweiten Wasserkühlmaschine und deren Zusatzgeräte
erforderliche Energie einsparen.
Wasserkühlmaschinen in Parallelschaltung
Abbildung 8 zeigt ein System mit zwei parallel geschaltete Wasserkühlmaschinen
mit einer Kaltwasserpumpe.
Abbildung 8 – Parallel geschaltete Wasserkühlmaschinen mit einer gemeinsam genutzten
Pumpe
12,2 °C [54 °F]
12,2 °C [54 °F]
Wasserkühlmaschine
2 (ausgeschaltet)
9,4 °C [49 °F]
Konstanter
Durchfluss
6,6 °C [44 °F]
Wasserkühlmaschine 1 (eingeschaltet)
Bei konstanter Durchflussrate fließt das Wasser in beiden Wasserkühlmaschinen
kontinuierlich, ganz gleich, ob eine Maschine in Betrieb ist oder nicht. Wenn nur
eine Maschine in Betrieb ist, wirkt sich dies natürlich auf die
Kaltwasservorlauftemperatur aus. Die in Abbildung 8 dargestellten Temperaturen
zeigen den Anstieg der Kaltwasservorlauftemperatur, wenn eine Maschine bei
Teillast abgeschaltet wird. Dies kann eine unzureichende Entfeuchtung oder
Kälteleistung zur Folge haben.
Alternativ kann die laufende Wasserkühlmaschine rückgesetzt werden, um unter
diesen Bedingungen eine niedrigere Vorlauftemperatur zu erreichen. Auf diese
Weise kann die Wasservorlauftemperatur des gemischten Systems auf einem akzeptableren Wert gehalten werden. Dies erschwert die Regelung und kann möglicherweise zu einem erhöhten Energieverbrauch der Wasserkühlmaschine aufgrund des Bedarfs nach kälterem Wasser führen. Der Wassertemperatur ist nach
unten ein Grenzwert gesetzt, der von der Niederdruck-Sicherheitsabschaltung,
den unteren Grenzwerten für die Verdampfer-Kältemitteltemperatur oder den
unteren Grenzwerten für die Austrittstemperatur des Kaltwassers bestimmt wird.
SYS-APM001-DE
27
Systemkonfigurationen
Abbildung 9 – Parallel geschaltete Wasserkühlmaschinen mit separaten Pumpen
Aus
Ein
Wasserkühlmaschine
2 (ausgeschaltet)
Wasserkühlmaschine
2 (ausgeschaltet)
Wasserkühlmaschine
1 (eingeschaltet)
Teildurchfluss
(“Verhungerte”
Wärmetauscher)
Werden separate Pumpen für die Wasserkühlmaschinen verwendet (Abbildung
9), kann ein Maschinen-Pumpen-Paar zusammengeschaltet werden. Dies löst die
oben beschriebenen Probleme der Durchflussmischung, bringt aber ein neues
Problem mit sich. Wenn nur eine Pumpe läuft, nimmt die Gesamtwassermenge je
nach Kurvenverhältnis von Pumpe und System beträchtlich ab. Alle Verbraucher
im System erhalten weniger Wasser, ungeachtet ihres tatsächlichen Bedarfs. Folglich kann es zum “Verhungern” einiger Verbraucher kommen, wenn die Kühllast
nach wie vor hoch ist, z. B. bei Verbrauchern in Räumen mit konstanter Kühllast
oder solchen, die am weitesten von der Pumpe entfernt sind.
28
SYS-APM001-DE
Systemkonfigurationen
Wasserkühlmaschinen in Serienschaltung
Bei in Serie geschalteten Wasserkühlmaschinen wie in Abbildung 10 ist das
Mischproblem und das der Unterversorgung der Wärmetauscher (wenn eine der
Pumpen nicht läuft) gelöst. Eine Serienschaltung stellt eine Reihe neuer
Herausforderungen bezüglich der Einstellwerte für Temperatur und der
Durchflussregelung dar.
Abbildung 10 — Wasserkühlmaschinen in Serienschaltung
9,4 °C [49 °F]
12,2 °C
[54 °F]
Wasserkühlmaschine 2
Sollwert = 6,6 °C [44 °F]
6,6 °C [44 °F]
Wasserkühlmaschine 1
Sollwert = 6,6 °C [44 °F]
Kühllast
Wärmetauscher
Die Durchflussrate durch jede Kühlmaschine entspricht der Durchflussrate durch
das gesamte System, d. h. das Zweifache der einzelnen Durchflussraten von
parallel geschalteten Wasserkühlmaschinen (zwei Maschinen). Dies bedeutet,
dass der Verdampfer der Wasserkühlmaschine sich an die doppelte
Wassermenge anpassen muss. Da sonst alles gleich bleibt, führt dies zu einem
geringeren Wasserdurchfluss und einem verringerten Wirkungsgrad der
Wasserkühlmaschine. Dieser Verlust wird aber mehr als ausgeglichen durch die
höhere Leistung der vorgeschalteten Wasserkühlmaschine, die bei wärmeren
Temperaturen betrieben wird. Bei in Serie geschalteten Wasserkühlmaschinen
müssen die Druckverluste addiert werden. Dies kann zu einem beträchtlichen
Anstieg des Druckverlusts im gesamten System führen. Auf der anderen Seite
können in Serie geschaltete Wasserkühlmaschinen sehr gut in Systemen mit
geringerem Durchfluss arbeiten, in denen die Temperaturdifferenz größer ist als
9 °C, was zu weniger Druckverlust führt. Systeme mit geringerem Durchfluss
werden detailliert zu Beginn von Seite 16 behandelt.
SYS-APM001-DE
29
Systemkonfigurationen
Die Temperaturregelung kann auf verschiedene Arten erfolgen. Abbildung 10
zeigt eine Strategie, bei der der Regler an jeder Wasserkühlmaschine auf den
Sollwert der Systemauslegung eingestellt ist. Jede Wasserkühlmaschine kann
dazu verwendet werden, der Systemanforderung auf bis zu 50 Prozent der
Systemlast zu entsprechen. Bei Systemlasten über 50 Prozent wird vorrangig über
die vorgeschaltete Wasserkühlmaschine versucht, die AuslegungsWasseraustrittstemperatur zu erreichen. Die verbleibende Kühllast wird von der
nachgeschalteten Wasserkühlmaschine abgedeckt.
Bei abgestuften Sollwerten der Wasserkühlmaschinen (vorgeschaltete Maschine
9,4 °C; nachgeschaltete Maschine 6,7 °C), wird die nachgeschaltete Kühlmaschine
zuerst belastet. Die vorgeschaltete Maschine erbringt den Teil der Systemlast, der
die Kapazität der nachgeschalteten Maschine übersteigt. Dieser Steuermechanismus bietet mehrere Vorzüge: Erstens läuft die vorgeschaltete Maschine stets bei
erhöhter Temperatur, was einen höheren Wirkungsgrad zur Folge hat. Wird ferner
eine Absorptions-Wasserkühlmaschine vorgeschaltet, so erhöht sich ihre
Leistung. Eine Absorptions-Wasserkühlmaschine mit einer Kälteleistung von
1.760 kW bei einer Kaltwasseraustrittstemperatur von 6,7 °C, kann bei 10 °C
Kaltwasseraustrittstemperatur eine Leistung von 2.110 kW liefern. Der Leistungsund Wirkungsgradunterschied zwischen Kältemaschinen mit Turbo-, Schrauben-,
Hubkolben- oder Scrollverdichter ist wesentlich geringer. Bei sinnvollem Einsatz
einer Serienschaltung können diese Vorzüge zu reduzierten Installationskosten
und einer erhöhten Brennstoffflexibilität für den Gebäudeeigentümer führen.
Will man die Kühllast gleichmäßig auf zwei Wasserkühlmaschinen verteilen, so
kann ein Managementsystem verwendet werden, um den Sollwert der vorgeschalteten Maschine abhängig von den Änderungen der Systemlast zurückzusetzen.
30
SYS-APM001-DE
Systemkonfigurationen
Systeme mit Primär-Sekundär-Kreislauf (entkoppelte
Systeme)
Die Hauptursache für alle Schwierigkeiten bei der Steuerung von parallel geschalteten Kühlmaschinen ist das festgelegte Verhältnis zwischen Wasserkühlmaschine
und Systemdurchflussraten. Wenn es jedoch möglich ist, die Rohrleitungen für
die Kaltwasserproduktion (Wasserkühlmaschine) von den Kaltwasserverteilungsrohren (Verbraucher) zu entkoppeln, kann auch die Steuerung separat erfolgen.
Das zuvor genannte festgelegte Verhältnis besteht dann nicht mehr.
Systemgrundlagen
Hydraulische Entkopplung
Abbildung 11 zeigt das entkoppelte System im Grundschema. Diese Strategie
wird auch Primär-Sekundär-Kreislauf genannt. Bei der Produktion und Verteilung
des Kaltwassers werden separate Pumpen für separate Wasserkreisläufe
verwendet. Während dasselbe Wasser zweimal (von verschiedenen Pumpen)
gefördert wird, verdoppelt sich die Leistungsaufnahme der Pumpen nicht. Dies
liegt daran, dass die Pumpen des Primärkreises nur den Druckverlust auf der
Produktionsseite überwinden müssen, während die Pumpen des Sekundärkreises
nur den Druckverlust im Verteilungssystem überwinden müssen.
Abbildung 11 – Entkoppeltes System
Wasserkühlmaschine 3
Wasserkühlmaschine 2
Wasserkühlmaschine 1
Produktion
Verteilung
Bypassleitung
Zulauf
SYS-APM001-DE
31
Systemkonfigurationen
Die frei durchgängige Bypassleitung entkoppelt die produktions- und verteilungsseitigen Pumpen, so dass diese nicht in Serie geschaltet (gekoppelt) sind.
Obwohl die beiden Pumpenkreisläufe unabhängig voneinander arbeiten, haben
sie doch drei Dinge gemeinsam:
• die Bypassrohrleitung,
• statischer Druck, ohne Durchfluss (aus der Gebäudewassersäule) und
• Wasser.
Änderungen der Durchflussraten oder Drücke aufgrund von Änderungen des
dynamischen Drucks oder der Anzahl der laufenden Wasserkühlmaschinen haben
keinen Einfluss auf die Bypassleitung.
Das Ausmaß der Entkopplung hängt allein von der Durchflusseinschränkung
(bzw. dem Fehlen derselben) in der Bypassleitung ab. Eine komplette Entkopplung erfolgt nur dann, wenn die Bypassleitung keinerlei Druckverlust bei einer
beliebigen Durchflussrate aufweist. Da dies nicht möglich ist, kommt es stets zu
einer unbedeutenden Kopplung der Pumpen. Es kommt allein darauf an, die
Bypassleitung von unnötigen Durchflussbegrenzungen wie Rückschlagventilen
freizuhalten. Näheres siehe Rückschlagventil in der Bypassleitung.
Produktionskreislauf
Eine einzelne Pumpe im Kaltwasser-Produktionskreis (Wasserkühlmaschine) fördert nur Wasser aus dem T-Stück an der Bypass-Rücklaufseite (Punk A in Abbildung 12), durch die Wasserkühlmaschine und in das T-Stück an der Versorgungsseite der Bypassleitung (Punkt B in Abbildung 12). Dies bedeutet eine relativ
geringe Druckdifferenz und erfordert nur geringe Pumpenleistung. Zusätzlich dazu
läuft jede einzelne Pumpe nur dann, wenn die entsprechende Wasserkühlmaschine in Betrieb ist.
Die Produktionskreise sind sowohl untereinander als auch vom Verteilungskreis
unabhängig. Sie können aus Pumpen-Wasserkühlmaschinen-Paaren bestehen,
die wie unabhängige Wasserkühlmaschinen funktionieren. Es sind auch Kombinationen aus mehreren Pumpen mit Stufenschaltung und automatischen Zweistellungs-Regelventilen möglich, die ebenso wie das Pumpen-Wasserkühlmaschinen-Paar funktionieren. Abbildung 12 zeigt letztere Anordnung. Die Temperaturregelung erfolgt ebenfalls unabhängig. Der mit der Kühlmaschine mitgelieferte
konventionelle Kaltwassertemperaturregler übt diese Funktion aus.
32
SYS-APM001-DE
Systemkonfigurationen
Abbildung 12 – Kaltwasser-Produktionskreis
Automatische
Absperrventile
Wasserkühlmaschine 3
ProduktionskreisPumpen
Wasserkühlmaschine 2
Wasserkühlmaschine 1
A
Rücklauf
Bypassleitung
Produktion
B
Verteilung
Vorlauf
Alter, Ausführung, Größe oder Hersteller der Wasserkühlmaschinen haben keinen
Einfluss. Der Systembetrieb ist allerdings am einfachsten, wenn alle Wasserkühlmaschinen so ausgelegt sind, dass sie mit der gleichen Kaltwasseraustrittstemperatur und gleichem Temperaturanstieg (Temperaturdifferenz) der Maschine
laufen.
Interessant ist dabei die Tatsache, dass alle Wasserkühlmaschinen in Betrieb bis
zum gleichen Prozentsatz ausgelastet sind, wenn sie in einem entkoppelten System Kaltwasser mit der gleichen Temperatur produzieren. Unter Umständen will
man zu einem bestimmten Zeitpunkt eine bestimmte Auslastung einer Wasserkühlmaschine haben. Näheres hierzu siehe Variationen im Kaltwassersystem.
SYS-APM001-DE
33
Systemkonfigurationen
Verteilung
Die Pumpen des Verteilerkreises födern Wasser aus dem T-Stück auf der Zulaufseite (Punkt B in Abbildung 12), drücken es durch die gesamten Verteilerrohre zu
den Kälteverbrauchern und fördern es zurück zum T-Stück auf der Rücklaufseite
(Punkt A in Abbildung 12). Diese Pumpe kann (und muss) für variablen Volumenstrom ausgelegt sein.
Abbildung 13 – Kaltwasser-Verteilungskreis
Vorlauf
Rücklauf
Pumpenkurve
Bypassleitung
Kühllast
Druck
Durchfluss
Verteilung
Das Verteilungssystem ist einfach konzipiert: Abbildung 13 zeigt eine vereinfachte
Darstellung des Verteilungssystems mit mehreren Wärmetauschern, deren Durchfluss jeweils über ein Regelventil reguliert wird. In diesem Fall dürfen keine 3Wege-Ventile für die Durchflussregelung verwendet werden, da ein konstanter
Durchfluss nicht erwünscht ist. Stattdessen kommen 2-Wege-Regelventile zum
Einsatz. Wenn die Kühllast den Systemdurchfluss ändert, wäre bei einer Pumpe
mit konstanter Drehzahl das Verhältnis zwischen Durchflussrate und Druck verschoben. Das bedeutet, dass die Pumpe als Reaktion auf die Änderung der gewünschten Durchflussrate einen neuen Gleichgewichtspunkt entlang ihrer Betriebskurve findet. Eine beispielhafte Pumpenkurve ist in Abbildung 13 dargestellt.
Alternativ können mehrere Pumpen oder Pumpen mit variabler Drehzahl verwendet werden, um, vergleichbar einer Ventilatorsteuerung bei einem System mit
variablen Luftvolumenstrom, den dynamischen Pumpendruck zu begrenzen. Bei
korrekter Ausgelegung kann sich die Leistungsaufnahme der Pumpe bei Teillast
der theoretischen kubischen Relation zur Durchflussrate annähern und auf diese
Weise den Energieverbrauch wesentlich senken. Die meisten modernen entkoppelten Systeme sind mit einer Verteilerpumpe mit variabler Drehzahl ausgestattet.
Grundlagen des Verteilungssystems
Das Verteilungssystem nutzt die Fähigkeit zur Anpassung an verschiedene Lasten
sowie die Tatsache, dass der Systemdurchfluss variabel ist und (in einem korrekt
funktionierenden System) die Tatsache, dass die Wasserrücklauftemperaturen
nahe der vorgegebenen Temperatur gehalten wird. Diese letzte Annahme wird
ausführlicher in Abschnitt ”Minimum DT-Syndrom” diskutiert.
34
SYS-APM001-DE
Systemkonfigurationen
Unterschiedliche Kühllasten
Nicht alle Kühllasten erreichen ihren Spitzenwert zum gleichen Zeitpunkt. Daher
wird von der Wassermenge, die zu einem beliebigen Zeitpunkt fließt, die
“Summe der Spitzenlasten” abgezogen, die in einem Verteilerkreis mit
konstantem Durchfluss erforderlich wäre. Dies bietet die Möglichkeit, die Leistung
der Wasserkühlmaschine und der Pumpe sowie die Dimensionierung der
Rohrleitungen erheblich niedriger auszulegen.
Variabler Durchfluss
Es wird nur das tatsächlich von den Verbrauchern benötigte Wasser gepumpt. Die
meiste Zeit über bedeutet dies eine wesentlich niedrigere Durchflussrate und eine
noch wesentlichere Reduzierung des Energieverbrauchs der Pumpen.
Erhöhte Wasserrücklauftemperaturen
Da unbenutztes Kaltwasser die Wärmetauscher nicht umfließt, bewirkt dies eine
Kühlung des Umlaufwassers. Theoretisch wäre damit die
Wasserrücklauftemperatur stets mindestens so hoch wie bei Volllast. Praktisch
gesehen ist dies nicht immer möglich, wird aber in einem korrekt
funktionierenden System annähernd erreicht. Tatsächlich liegt bei den meisten
Teillastbedingungen die Wasserrücklauftemperatur von korrekt funktionierenden
Wärmetauschern über der Auslegungstemperatur. In Systemen, die GegenstromWärmetauscher verwenden, geschieht dies, da das Wasser beim Austritt aus dem
Wärmetauscher versucht, seine Temperatur dem eintretenden Luftstrom
anzunähern.
Eine hohe Wasserrücklauftemperatur bietet Vorteile bei der Systemplanung. So ist
beispielsweise eine Vorrangschaltung der Wasserkühlmaschinen möglich. Eine
höhere Temperatur des zurückfließende Wassers ist bei allen Systemen
vorteilhaft, insbesondere jedoch bei der Wärmerückgewinnung und freien
Kühlung. Näheres hierzu siehe Abschnitt Variationen im Kaltwassersystem.
SYS-APM001-DE
35
Pumpenanordnung
Gemeinsam
Verteilungssysteme sind in einer Vielzahl von Anordnungen möglich. Es kann z. B.
eine einzige große Pumpenstation, wie in Abbildung 12 dargestellt, verwendet
werden. Diese Station kann aus Einzel- oder Doppelpumpen mit Folgeschaltung
bestehen.
Campus
Alternativ kann jedes der sekundären Verteilungssysteme parallele verrohrt werden. Abbildung 14 zeigt separate Verteilungssysteme für jede der drei Kühlstellen.
Diese Anordnung bietet sich für eine mögliche Anlagenerweiterung an, da einfach
Pumpen des sekundären Verteilerkreises zur bestehenden Anlage hinzukommen
können.
Abbildung 14 – Pumpenanordnung “Campus”
Verteilerpumpen
des
Sekundärkreislaufs
Tertiär-Kreislauf
Ein tertiärer Kreislauf stellt eine Erweiterung des Primär-Sekundär-Kreislaufs dar,
wenn die Verteilerpumpen des Sekundärkreises ihre Leistungsgrenze erreichen.
Ferner können die Kühlstellen vom Sekundär-Kreislauf entkoppelt werden, was
häufig bei Systemen mit hoher Kälteleistung der Fall ist. Abbildung 15 zeigt eine
Methode für einen tertiären Kreislauf zu den Verbrauchern. Eine Verbraucher bzw.
eine Kühlstelle kann ein ganzes Gebäude oder ein einzelner Wärmetauscher sein.
Wenn bei einer oder mehreren Kühlstellen extreme Drücke überwunden werden
müssen, ist die Variabilität der Verteilerpumpe stark eingeschränkt. Ein tertiärer
Kreislauf ermöglicht die Verlagerung übermäßiger Pumpenanforderungen auf
einen dritten Pumpenkreislauf. Auf diese Weise wird die Verteilerpumpe vor
Druckschwankungen geschützt.
Von besonderer Bedeutung bei der Kühllastregelung ist, dass nur das zur Kühlung
benötigte Wasser aus dem Verteilerkreis entnommen wird. Das Wasser darf erst
dann in die Rücklaufleitung fließen, wenn es eine bestimmte Temperatur erreicht
hat. Die Pumpen eines tertiären Kreislaufs können mit konstantem oder variablem
Volumenstrom ausgelegt sein, damit die Kälteverbraucher optimal mit Kaltwasser
versorgt werden.
36
SYS-APM001-DE
Pumpenanordnung
Abbildung 15 – Pumpenanordnung in Tertiär-Kreislauf
Rückschlagventil
Wasserkühlmaschine 2
Wasserkühlmaschine 1
Druckgeber
Verbraucher
Regelventil
Verbraucher
Antrieb mit variabler Drehzahl
Abbildung 16 – Entkoppelte Systemversorgung über T-Stück
Rücklau
Vorlauf
f
Produktionsseite
Überschüssiges
Kaltwasser
Bypass
Unzureichende
Versorgung
Verteilungsseite
Entkoppeltes System - Funktionsprinzip
Am T-Verbindungsstück (Anschluss der Zulauf- und Bypassleitungen) wird das
Verhältnis zwischen Zulauf und Bedarf ausgeglichen. Der Zulauf umfasst die
Gesamtdurchflussrate von allen in Betrieb befindlichen Pumpen-KühlmaschinenPaaren (vgl. Abb. 16). Der Bedarf ist die im Verteilungssystem erforderliche Durchflussrate entsprechend der Kühllast. Besteht ein Ungleichgewicht zwischen Zulauf
und Bedarf, fließt Wasser in die Bypassleitung bzw. wird daraus entnommen. Die
Durchflussmenge kann direkt erfasst oder von der Wassertemperatur in der Bypassleitung abgeleitet werden.
Bei unzureichendem Kaltwasserzulauf fließt warmes Wasser von den Verbrauchern über die Bypass-Seite des T-Stücks in das Verteilungssystem. Das Gemisch
aus Kaltwasser (Wasserkühlmaschine) und warmem Wasser (Rücklauf) fließt anschließend in den Verteilerkreis. Dieser Vorgang beeinflusst die Regelung der Kaltwassertemperatur. Wird der Volumenstrom von der Bypass- in die Zulaufleitung
(über T-Stück; siehe Abb. 16) erfasst, kann eine weitere Wasserkühlmaschine mit
Pumpe zugeschaltet werden. Das vom zugeschalteten Gerätepaar gelieferte zusätzliche Kaltwasser gleicht Zulaufmenge und Bedarf (am T-Stück) aus, so dass
kein warmes Wasser aus dem Rücklauf mit Kaltwasser gemischt wird. Solange an
der Versorgungsseite des T-Stücks kein warmes Wasser mit Kaltwasser gemischt
wird, ist keine zusätzliche Maschinenkapazität erforderlich. Wird warmes Wasser
mit Kaltwasser gemischt, muss je nach zulässiger Menge eine weitere Wasserkühlmaschine zugeschaltet werden.
SYS-APM001-DE
37
Pumpenanordnung
In der Regel übersteigt der Kaltwasserzulauf den Bedarf, so dass überschüssiges Kaltwasser zur
Rücklaufseite des T-Stücks fließt. Zu frühes Abschalten einer Pumpe auf der Produktionsseite
führt zu einer unzureichenden Durchflussmenge in der Bypassleitung, so dass die Pumpe
wieder eingeschaltet wird. Die erforderliche überschüssige Menge hängt von der Kapazität der
Wasserkühlmaschine ab, die ausgeschaltet werden soll. Das überschüssige Kaltwasser muss
ein bestimmtes Volumen überschreiten, bevor eine Wasserkühlmaschine einschließlich Pumpe
abgeschaltet werden kann. Nähere Erläuterungen hierzu in Schaltfolge der Wasserkühlmaschinen. Sind alle Wasserkühlmaschinen gleich dimensioniert, kann das Signal für überschüssiges
Kaltwasser konstant sein.
Das Zu- und Abschalten und damit die Anzahl der Wasserkühlmaschinen, die jeweils in Betrieb
sind, wird einfach durch Feststellen der Durchflussrichtung in der Bypassleitung geregelt. Somit
handelt es sich um ein durchflussabhängiges System, im Gegensatz zu einem temperaturabhängigen System.
Durchflussabhängige Regelung
Um ein System mit Primär-Sekundär-Kreislauf korrekt betreiben zu können, müssen Durchflussrichtung und Durchflussrate in der Bypassleitung angezeigt werden. Dies kann auf direktem
oder indirektem Weg erfolgen. Fließt das Wasser in der Bypassdurchfluss vom Zulauf in Richtung Rücklauf, handelt es sich um einen Überschuss. Fließt das Wasser in umgekehrter Richtung, spricht man von einem Defizit.
Durchflusserfassung
Die direkte Durchflusserfassung in der Bypassleitung kann über mehrere Wege erfolgen. Eine
ganze Reihe von Messtechniken wurde bisher erfolgreich eingesetzt. Dazu gehören Pitot- und
Venturi-Rohr, Messblende, Differenzdruckmessung, Turbinen-, Laufrad- und Wirbeldurchflussmesser, induktive und Ultraschall-Durchflussaufnehmer. Hinsichtlich Messgenauigkeit, Installationsaufwand und Wartungsfreundlichkeit gibt es wesentliche Unterschiede. Für exakte Messergebnisse müssen Durchflussmesser, je nach Ausführung in unterschiedlichen Abständen,
regelmäßig kalibriert werden. Werden sensorische Durchflussmesser verwendet, müssen der
korrekte Messbereich und die Kalibieranforderungen unbedingt eingehalten werden. Exakte
Messergebnisse hängen vom Zustand und der ordnungsgemäßen Verwendung der
Messinstrumente ab. Ferner ist zu beachten, dass viele Durchflussmessgeräte für exakte
Ergebnisse gerade verlaufende Rohre mit unterschiedlichem Durchmesser erfordern.
Temperaturerfassung
Der Mischwasser-Volumenstrom am Austritt der Zulauf- und Rücklauf-T-Stücke (Abbildung 17)
kann indirekt zur Bestimmung der Relation zwischen Kaltwasserzulauf und -bedarf verwendet
werden. Für die Bestimmung der exakten Menge des Kaltwasserüberschusses oder -mangels
in der Bypassleitung können Standardgleichungen zur Temperaturmischung verwendet
werden.
Ein programmierbarer Regler erfasst dabei fünf Temperaturwerte — an den Punkten A, B, C, D
und E. (Einige Regelungen verwenden nur zwei Sensoren an den Punkten B und D in Verbindung mit “vorprogrammierten” algebraischen Mischgleichungen.) Der Bearbeitungssoftware
liegen die herkömmlichen Gleichungen zur Berechnung der Mischwassertemperatur zugrunde.
Über sie lassen sich die erforderlichen Maßnahmen zur korrekten Regelung des Kaltwassersystems bestimmen.
Abbildung 17 — Temperaturerfassung
D (Erforderlich)
(Optional)
A
(Optional)
B
C
(Optional)
E (Erforderlich)
Hauptrücklauf
38
Hauptzulauf
SYS-APM001-DE
Pumpenanordnung
Es ist zu beachten, dass Sensor D exakte Ergebnisse liefern muss, besonders bei
einer Anlage mit mehreren Wasserkühlmaschinen, da geringfügige
Temperaturänderungen die Schaltfolge der Wasserkühlmaschinen beeinflussen
können. Jede dieser Methoden zur Temperaturmessung bietet Kostenvorteile und
höhere Flexibilität, wenn ein Gebäude- oder Anlagenmanagementsystem bereits
existiert oder in der Planung ist.
Schaltfolge der Wasserkühlmaschinen
Je nach Durchflussrate- und richtung in der Bypassleitung können
Wasserkühlmaschinen zu-oder abgeschaltet werden.
Zuschalten einer Wasserkühlmaschine
Bei ungenügendem Durchfluss in der Bypassleitung wird dem System Wasser
zugeführt, dessen Temperatur über der Auslegungstemperatur liegt. (Vgl. Abschnitt ”Minimum DT-Syndrom”.) Zu diesem Zeitpunkt kann eine Wasserkühlmaschine und eine Pumpe zugeschaltet werden. Häufig wird der unzureichende
Durchfluss eine bestimmte Zeit beobachtet (z. B. 15 Minuten) um sicherzugehen,
dass es sich nicht um einen vorübergehenden Zustand handelt. Auf diese Weise
kann zu häufiges Ein- und Ausschalten einer Wasserkühlmaschine vermieden
werden.
Abschalten einer Wasserkühlmaschine
Sobald genug überschüssiges Wasser durch die Bypassleitung fließt, kann eine
Wasserkühlmaschine abgeschaltet werden. Welche Menge ist dafür ausreichend?
Die Menge muss so groß sein, dass die Wasserkühlmaschine nicht innerhalb
eines kurzen Zeitraums wieder eingeschaltet wird. Vielfach wird hierzu die überschüssige Menge mit der Durchflussrate der Wasserkühlmaschine verglichen, die
abgeschaltet werden soll. Liegt das Verhältnis zwischen 110 und 115 Prozent, wird
die Maschine abgeschaltet. Beispiel:
Wasserkühlmaschine 1 produziert 60,6 l/s Kaltwasser mit einer Temperatur von
4,4 °C, während Wasserkühlmaschine 2 90,8 l/s produziert. Die aktuelle Überschussmenge in der Bypassleitung beträgt 69,4 l/s.
• Die überschüssige Menge der Bypassleitung beträgt durch
Wasserkühlmaschine 1 aktuell 115 Prozent. Wird Maschine 1 abgeschaltet,
ergibt sich ein Restüberschuss von 8,8 l/s.
• Dabei ist zu beachten, dass der aktuelle Überschuss der Bypassleitung durch
Wasserkühlmaschine 2 bei 76 Prozent liegt. Wird Maschine 2 abgeschaltet,
ergibt dies eine fehlende Durchflussmenge von 21,5 l/s, d. h. diese
Wasserkühlmaschine muss nach kurzer Zeit wieder eingeschaltet werden.
Die Lösung für eine effiziente Ausnutzung der Maschinen besteht in diesem Fall
darin, Maschine 1 abzuschalten und Maschine 2 laufen zu lassen.
SYS-APM001-DE
39
Systeme mit primärseitig
variablem Volumenstrom
Eine weitere Methode zum Angleichen der Durchflussmengen im Produktionsund Verteilungskreis besteht darin, sie auszugleichen. Systeme mit primärseitig
variablem Volumenstrom erfordern Wasserkühlmaschinen, die bei variierendem
Verdampferdurchfluss korrekt arbeiten.
Vom Konzept her ähnelt das System mit primärseitig variablem Volumenstrom
dem vertrauten Konzept mit konstantem Primär- und variablem Sekundär-Volumenstrom, das eher unter der Bezeichnung entkoppeltes System bekannt ist.1
Beide benötigen beispielsweise eine Bypassleitung. Die Bypassleitung für ein
System mit primärseitig variablem Volumenstrom stellt die
Mindestdurchflussrate durch die Wasserkühlmaschinen sicher. Jeder
Wasserkühlmaschine in der Anordnung ist eine Pumpe zugeordnet.. Der Betrieb
der einzelnen Pumpen ist auf die jeweilige Wasserkühlmaschine abgestimmt.
Abbildung 18 — System mit primärseitig variablem Volumenstrom
Rückschlagventile
Wasserkühlmaschine 2
Wasserkühlmaschinenpumpen
mit variablem Volumenstrom
Optionaler
“Bypass”.
Ggf. sind
mehrere 3Wege-Ventile
erforderlich
Systemwärmetauscher
2-Wege-Regelventile
Wasserkühlmaschine 1
Regelventil
für Mindestdurchfluss in
Wasserkühlmaschine
In einem System mit primärseitig variablem Volumenstrom ändert sich die Durchflussrate des Wassers im gesamten System — durch den Verdampfer jeder eingeschalteten Wasserkühlmaschine sowie auch durch die Wärmetauscher.
Für die Einrichtung eines Systems mit primärseitig variablem Volumenstrom sind
2-Wege-Regelventile an den Wärmetauschern, Absperrrventile an den
Wasserkühlmaschinen und eine Bypassleitung mit einem Regelventil erforderlich.
Aber:
• Durch die Wasserkühlmaschinen-Pumpen mit variablem Volumenstrom entfällt
eine separate Verteilungspumpe.
• Die Bypassleitung kann sowohl vor als auch nach den Wärmetauschern angeordnet werden.
• Ein Regelventil in der Bypassleitung stellt sicher, dass die Durchflussmenge der
laufenden Wasserkühlmaschine(n) nie unter die Mindestgrenze fällt.
40
SYS-APM001-DE
Systeme mit primärseitig
variablem Volumenstrom
Klärung eines allgemein verbreiteten
Missverständnisses
Richtig oder falsch: “Kältemaschinen
arbeiten in einem System mit variablem
anstelle von konstantem Primär-Volumenstrom aufgrund des höheren LMTD-Wertes
(mittlere logarithmische Temperaturdifferenz) effizienter.”
Es trifft zu, dass die Rücklauftemperatur in
einem korrekt arbeitenden System mit
primärseitig variablem Volumenstrom bei
veränderter Durchflussmenge konstant
bleibt. Es trifft ebenfalls zu, dass der LMTDWert erhöht werden kann, indem der Kaltwasser-Volumenstrom produktionsseitig
(primärseitig) von konstant auf variabel
umgestellt wird. Aber es gilt noch andere
Faktoren zu berücksichtigen.
In einem System mit primärseitig konstantem Volumenstrom:
• Verdampfer-Eintrittstemperatur und
LMTD-Wert verringern sich mit abnehmender Kühllast.
• Der Wärmeübergangskoeffizient bleibt,
wie der Primär-Volumenstrom, trotz
Lastminderungen konstant.
In einem System mit primärseitig
variablem Volumenstrom:
• Der Wärmeübergangskoeffizient im
Verdampfer der Wasserkühlmaschine
nimmt mit abnehmender Durchflussrate
ab.
• Eine verringerte Durchflussrate reduziert
den Wärmeübertragungs-Wirkungsgrad
des Verdampfers der Wasserkühlmaschine.
Im Endeffekt bleibt der Stromverbrauch
einer bestimmten Wasserkühlmaschine
gleich, unabhängig davon, ob die Verdampferdurchflussrate (dieser Wasserkühlmaschine) variabel oder konstant ist.
Vorteile von Systemen mit primärseitig variablem
Volumenstrom
Der Einsatz von Systemen mit primärseitig variablem Volumenstrom bringt
Gebäudebesitzern mehrere Kostenvorteile, die direkt auf die Pumpen zurückzuführen sind. Die offenkundigsten Kosteneinsparungen ergeben sich aus dem
Wegfall der Verteilerpumpe des Sekundärkreislaufs, wodurch keine Ausgaben für
die entsprechenden Rohranschlüsse (Material- und Arbeitskosten),
Elektroarbeiten und den Antriebsmotor mit Frequenzumrichter anfallen. Obgleich
die Pumpenanzahl verringert ist, nimmt die Dimensionierung der Pumpen und
Antriebsmotoren mit Frequenzumrichtern zu, da die Pumpen so ausgelegt sein
müssen, dass sie die Druckabsenkung der gesamten Anlage überwinden können.
Dadurch werden einige der Einsparungen bei den Installationskosten wieder
aufgehoben.
Immobilienbesitzer nennen häufig die durch die fehlende Pumpe eingesparten
Energiekosten als Grund für den Einbau eines Systems mit primärseitig variablem
Volumenstrom. Mit Hilfe eines Software-Analysetools wie System Analyzer™,
TRACE™ oder DOE 2.1 können Sie ermitteln, ob die zu erwartenden Energieeinsparungen den Einsatz eines Systems mit primärseitig variablem Volumenstrom
in einer bestimmten Situation rechtfertigen.
Unter Umständen ist es einfacher, statt eines Systems mit Primär-SekundärKreislauf ein System mit primärseitig variablem Volumenstrom bei einer
bestehenden Kaltwasseranlage einzusetzen. Im Gegensatz zu Systemen mit
Primär-Sekundär-Kreislauf kann die Bypassleitung an fast allen Stellen im
Kaltwasserregelkreis installiert werden und eine zusätzliche Pumpe ist nicht
erforderlich.
Wichtige Faktoren
Die Folgeschaltungen von Wasserkühlmaschinen erfordern ein genaues Verständnis der Systemdynamik, da sich die Durchflussraten durch jede Wasserkühlmaschine, die in Betrieb ist, ändern. Die erforderliche Steuerstrategie zur Vermeidung
des vorzeitigen Einschaltens bzw. Neustarts der Wasserkühlmaschine wird kompliziert, sobald die mehrere Maschinen in Betrieb sind oder die Leistung der verschiedenen Maschinen ansteigt. Der Systemplaner muss bereits früh in der Entwicklung eine genaue Steuerungsschaltfolge festlegen und diese dem Hersteller
der Steuer- und Regeleinrichtungen deutlich vermitteln. Vorteihaft ist es, wenn
zwischen Eigentümer, Betreiber, Konstrukteur und Hersteller der Kälteanlage
(einschließlich der Steuerungen) eine partnerschaftliche Zusammenarbeit besteht.
Die Regelung der Durchfluss-Schwankungen ist von großer Bedeutung. Daher
sind die zulässigen Schwankungen der Durchflussrate mit dem Hersteller der
Wasserkühlmaschine abzustimmen und das System so auszulegen, dass die
zulässigen Werte nie überschritten werden. Die Betreiber müssen die Funktionen
des Systems mit primärseitig variablem Volumenstrom grundsätzlich verstehen,
was eine entsprechende Schulung erfordert. Der Erfolg der Systemkonzipierung
steht in direktem Zusammenhang zu der Fähigkeit der Betreiber, die Ziele der
Entwicklung umzusetzen.
Eine wichtiger Gesichtspunkt bei der Untersuchung von Systemen mit variablem
Primär-Volumenstrom ist die Tatsache, dass diese Systeme für eine korrekte
Planung und Konzipierung mehr Zeit als andere Systeme benötigen. Wer diese
Zeit und Planung nicht investieren will oder kann, wird mit anderen Systemen
wahrscheinlich bessere Ergebnisse erzielen.
SYS-APM001-DE
41
Systeme mit primärseitig
variablem Volumenstrom
Hinweis zur Anwendung
Während sich in diesem System die Durchflussrate des Verdampfers ändern kann,
können Wasserkühlmaschinen mit weiterentwickelten Steuer- und Regeleinrichtungen mit einer zeitweiligen Entlastung reagieren. Dies führt zu einer, in der Regel
kurzzeitigen, höheren Kaltwasseraustrittstemperatur. Bei Anwendungen, die eine
strikte Kaltwassertemperaturregelung
benötigen, sind Empfehlungen des Herstellers zu beachten, die die Nutzung der
variablen Verdampferdurchflussrate
betreffen.
Zum Zeitpunkt der Abfassung dieses Handbuchs bieten die neuesten Steuerungen
eine exakte Temperaturregelung, wenn die
Schwankung der Durchflussrate auf unter
10 Prozent der Auslegungs-Durchflussrate
pro Minute begrenzt ist. Bei einigen hochmodernen Steuerungen ist eine Erweiterung dieses Grenzwerts auf 30 Prozent der
Auslegungs-Durchflussrate pro Minute für
die meisten Komfortanwendungen zulässig, da die Verdampferwasseraustrittstemperatur nicht mehr als einige Minuten,
wenn überhaupt, vom Sollwert abweicht.
Auch hier sind die grundsätzlichen Grenzwerte mit dem Hersteller abzustimmen.
Grenzwerte
Die Verdampferdurchflussraten ändern sich mit veränderten Systemanforderungen. Allerdings sind der absoluten Durchflussrate und der zulässigen Änderung
Grenzen gesetzt. Eine Überschreitung dieser Grenzwerte kann zu einer instabilen
Steuerung der Wasserkühlmaschine oder schwerwiegenden Störungen führen.
Absolute Grenzwerte für die Durchflussrate
Die Durchflussrate des Verdampfers muss zwischen oberem und unterem Grenzwert gehalten werden. Aktuell liegt der festgeschriebene Bereich für die Wassergeschwindigkeit vieler Wasserkühlmaschinen bei 0,9-3,4 m/s, obwohl einige Herstelle mittlerweile zulässige Bereiche von 0,46-0,61 m/s anbieten. Bitten Sie daher
den Hersteller um die aktuellen Durchflussratengrenzwerte (l/s) für Ihr Gerät. Der
obere Grenzwert ist im Allgemeinen festgelegt, um Leitungserosion zu vermeiden, während der untere Grenzwert für eine stabile Steuerung sorgt.
Änderungsrate
Reagiert die Steuerung einer Kühlmaschine nicht korrekt, kann die Maschine bei
raschen Änderungen der Durchflussrate durch die Sicherheitseinrichtungen abgeschaltet werden. Um sicherzustellen, dass die Wasserkühlmaschine in Betrieb
bleibt, müssen Änderungen der Verdampferdurchflussrate innerhalb der vom
Hersteller angegebenen Grenzwerten liegen. Dies kann die Verwendung von verzögernd wirkenden Regelventilen an jeder Wasserkühlmaschine erfordern, um
während eines Schaltvorgangs (der Folgeschaltung) die Durchflussänderungen zu
reduzieren, insbesondere bei parallel geschalteten Pumpen.
Bypass-Durchflussregelung
Wie bei einem System mit Primär-Sekundär-Kreislauf reagieren Systeme mit
primärseitig variablem Volumenstrom bei Laständerungen mit einer Anpassung
der Durchflussrate. Wenn sich die Systemanforderung der Mindestdurchflussrate
für eine einzelne Wasserkühlmaschine annähert, muss das Wasser über eine
Bypassleitung geführt werden, um die Durchflussrate durch den Verdampfer über
dem Minimum zu halten.
Methoden
• Bypassleitung mit Ventil
Wie zuvor erläutert, kann der Volumenstrom der Bypassleitung zentral oder
durch 3-Wege-Ventile geregelt werden. Wird eine Bypassleitung mit Ventil
verwendet, muss dieses langsam öffnen, wenn sich die Durchflussrate einer
eingeschalteten Wasserkühlmaschine dem Minimum nähert. Steigt die
Durchflussrate über die Mindestrate der Wasserkühlmaschine um einen
festgelegten Grenzwert, schließt das Ventil.
• 3-Wege-Ventil
Eine Alternative besteht in der Bereitstellung von 3-Wege-Ventilen in entfernten
Teilen des Systems. Die Pumpe muss so gesteuert werden, dass diese Ventile
die Gesamtdurchflussrate stets über der Mindestdurchflussrate der Wasserkühlmaschine halten. Zur Sicherstellung dieser Durchflussrate kann die Pumpe
so gesteuert werden, dass ein Druckunterschied an diesem Ventil bestehen
bleibt. Auf diese Weise ist ein nahezu konstanter Durchfluss an diesem Punkt im
System gewährleistet.
42
SYS-APM001-DE
Systeme mit primärseitig
variablem Volumenstrom
Messung des Verdampferdurchflusses
Die Messung des Verdampferdurchflusses ist für die Regelung von Systemen mit
primärseitig variablem Volumenstrom entscheidend. Eine gängige Methode ist
die direkte Messung mit Strömungswächtern. (Dabei ist zu beachten, dass einige
Strömungswächter kalibriert werden müssen, was häufig unterbleibt.) Alternativ
kann der Wasserdruckverlust über den Verdampfer gemessen und die Verdampferdurchflussrate auf der Grundlage der Herstellerdaten bestimmt werden.
Lage der Bypassleitungen
Eine Bypassleitung ist sowohl für einen primärseitig konstanten als auch einen
primärseitg variablen Volumenstrom erforderlich. In einem System mit PrimärSekundär-Kreislauf ermöglicht die Entkopplung die Umleitung von überschüssigem Wasser des Primärkreislaufs. Im System mit primärseitig variablem
Volumenstrom ermöglicht die Bypassleitung die Systemsteuerung zur
Aufrechterhaltung der Durchflussraten entsprechend der Mindestanforderungen
der Wasserkühlmaschine.
Für die Bypassleitung in Systemen mit primärseitig variablem Volumenstrom gibt
es drei gemeinsame Installationspunkte:
• Die für das System mit primärseitig variablem Volumenstrom erforderliche
kleinere Bypassleitung ist an der gleichen Stelle zu installieren, an der die
Bypassleitung eines entkoppelten Systems liegt. Ein Pumpenantrieb mit
variabler Drehzahl nah an den Wasserkühlmaschinen reduziert die Durchflussrate und ermöglicht wesentliche Energie- und Kosteneinsparungen. Ein Nachteil
ist, dass das Ventil gegen höhere Drücke arbeiten muss, was zu erhöhtem
Verschleiß und eingeschränkter Regelung führt.
• Verwenden Sie daher an einigen Wärmetauschern des Systems 3-Wege-Ventile.
Während diese Methode den Mindestdurchfluss sichert, reduziert sie die Einsparungen bei den Pumpenbetriebskosten aufgrund der erhöhten
Systemdurchflussrate und einer abnehmenden Wasserrücklauftemperatur.
• Positionieren Sie eine Bypassleitung sowie ein Ventil nahe am Ende des Rohrverlaufs. Dadurch wird der Betriebsdruck am Bypassregelventil reduziert und
die Steuerung stabilisiert. Einige der Betriebskosteneinsparungen müssen für
die Aufrechterhaltung des Pumpenbetriebsdrucks auf höherem Niveau
aufgegeben werden, wenn die Bypassleitung in größerer Distanz zu den
Wasserkühlmaschinen sitzt. Die Leitung muss so dimensioniert sein, dass die
Mindestdurchflussrate gewährleistet ist.
Schaltfolge der Wasserkühlmaschinen
Systeme mit primärseitig variablem Volumenstrom erfordern eine komplexere
Folgeschaltung als Systeme mit Primär-Sekundär-Kreislauf. Maßgeblich für ein
gut funktionierendes System mit primärseitig variablem Volumenstrom - oder für
dessen Misserfolg - sind die Zeit und Überlegungen, die in die Folgeschaltung der
Wasserkühlmaschinen investiert werden. Um die Funktion des Systems sicherzustellen, muss der Prozess genau durchdacht, die Folgeschaltung mit den Systemprogrammierern abgesprochen und der Betreiber ordnungsgemäß eingewiesen
werden.
SYS-APM001-DE
43
Systeme mit primärseitig
variablem Volumenstrom
Zuschaltung einer Wasserkühlmaschine in einem System
mit primärseitig variablem Volumenstrom
Wenn die bereits eingeschaltete Wasserkühlmaschinen die Durchflussrate nicht
mehr erhöhen können, entweder aufgrund der Pumpenleistung oder der maximal
zulässigen Verdampferdurchflussrate, oder wenn die Wasserkühlmaschinen den
Kaltwassersollwert nicht mehr erreichen, kann eine Wasserkühlmaschine zugeschaltet werden. In einem korrekt betriebenen System wird die Zulaufwassertemperatur überwacht. Überschreitet die Temperatur den Auslegungs-Sollwert
um eine bestimmten Wert (z. B. 0,8 °C) für eine festgesetzte Zeitdauer
(beispielsweise 15 Minuten), wird eine weitere Wasserkühlmaschine zugeschaltet.
Die Zuschaltung von Wasserkühlmaschinen kann zu beträchtlichen
Schwankungen der Durchflussraten führen. Dies gilt insbesondere für ein System
mit zwei Wasserkühlmaschinen. Folgendes Beispiel hilft, die Problemstellung des
Systems besser zu erläutern:
Tabelle 11 — Beispiele für Schwankungen der Durchflussmenge
Wasserkühlmaschine 1
Wasserkühlmaschine 2
Auslegungs-Durchflussrate
l/s
60,6
90,8
Mindestdurchflussrate Maximale Durchflussrate
l/s
l/s
36,3
133,1
42,6
156,1
Zu einem bestimmten Zeitpunkt ist die Wasserkühlmaschine 1 eingeschaltet,
wobei 69,4 l/s Wasser durch den Verdampfer fließen. Die geforderte Kaltwassertemperatur kann nicht mehr aufrecht erhalten werden. Was geschieht, wenn das
Ventil von Wasserkühlmaschine 2 geöffnet wird, aber keine andere Maßnahme
erfolgt? Unter der Annahme, dass die Druckverluste gleich sind, fließen 34,7 l/s
durch jede Wasserkühlmaschine. Das bedeutet, dass die Durchflussrate für
Maschine 1 sofort um 50 Prozent abfällt (wahrscheinlich ist die Steuerung nicht
mehr in der Lage, darauf angemessen zu reagieren) und wir sind damit unter der
Mindestdurchflussrate für jede Wasserkühlmaschine. Dies kann tatsächlich zu
einem Problem führen, da die Steuerung versucht, die Wasserkühlmaschine
durch Abschalten zu schützen. Dies führt dazu, dass eine Kombination von
Pumpendrehzahl, Bypassventilregelung und verzögert reagierende Ventile an den
Wasserkühlmaschinen zwei Aufgaben übernehmen müssen:
• Die Schwankungen der Durchflussrate innerhalb der Herstellergrenzwerte
halten.
• Die Durchflussrate jeder Wasserkühlmaschine über dem Minimum halten.
Als Grundsatz gilt, dass die Steuerung von Systemen mit primärseitig variablem
Volumenstrom bei der Systemplanung miteinbezogen werden MÜSSEN.
44
SYS-APM001-DE
Systeme mit primärseitig
variablem Volumenstrom
Abschalten einer Wasserkühlmaschine in einem System mit
primärseitig variablem Volumenstrom
Auch das Abschalten einer Kühlmaschine in einem solchen System ist nicht
einfach. Nehmen wir beispielsweise an, dass beide Wasserkühlmaschinen nahezu
an ihrer Mindestdurchflussrate arbeiten. Maschine 1 liefert 41,0 l/s und Maschine
2 47,9 l/s, so dass das System insgesamt bei 88,9 l/s liegt.
Vorgehensweise 1
Maschine 1 abschalten: Es ist offensichtlich, dass es möglich sein sollte, Maschine 1 abzuschalten und die Systemlast damit zu erfüllen, solange die Durchflussrate nicht zu schnell zunimmt. Allerdings liegt die Systemdurchflussrate nahe der
Auslegungsdurchflussrate für Maschine 2, d. h. wenn sich die Systemdurchflussrate erhöht, ist ein Neustart von Maschine 1 erforderlich.
Vorgehensweise 2
Maschine 2 abschalten: Liegt die Kühlwassertemperatur von Maschine 1 unter
dem Auslegungswert, hat ihre Leistung zugenommen. Kann Maschine 2 jetzt
abgeschaltet werden? Sicherlich liegt die Durchflussrate von Maschine 1
innerhalb der zulässigen Grenzwerte. Aber es ist nicht sicher, ob sie die
erforderliche Leistung erbringen kann oder nicht. In diesem Fall liegt das Problem
darin, sicherzustellen, dass nach dem Abschalten einer Wasserkühlmaschine eine
ausreichende Kaltwassermenge vorliegt.
Offensichtlich ist die Steuerung ein extrem wichtiger Aspekt eines Systems mit
primärseitig variablem Volumenstrom. Bei vielen Kaltwassersystemen von zwei
bis fünf Wasserkühlmaschinen wählen Systemplaner für die Minimierung komplexer Steuervorgänge eher ein System mit Primär-Sekundär-Kreislauf.
“Überpumpen” einer Wasserkühlmaschine in einem System
mit primärseitig variablem Volumenstrom
Bei einigen Anwendungen dieser Systeme werden parallel geschaltete Pumpen
verwendet, mit denen eine Kühlmaschine “überpumpt” werden kann. ”Überpumpen” bedeutet hier, mehr Wasser durch eine Kühlmaschine zu pumpen, als bei
der ursprünglichen Auslegung vorgesehen. Im vorhergehenden Beispiel wäre
Maschine 1 jederzeit “überpumpt”, wenn die Wasserdurchflussrate 60,6 l/s übersteigt. Allerdings muss die Durchflussrate immer noch unter dem maximal zulässigen Wert liegen. Erinnern wir uns, dass der Druckverlust über den Verdampfer
etwa im Quadrat der Durchflussrate zunimmt. Für das “Überpumpen” einer Wasserkühlmaschine kann es zwei Gründe geben.
Erlaubt man ein Absinken der Kühlwassertemperatur, kann die Wasserkühlmaschine bei Bedarf auch mehr Kaltwasser bereitstellen. Der einzige Weg, diese
höhere Leistung tatsächlich zu erreichen, ist die Anhebung der Durchflussrate
oder der Temperaturdifferenz. Die Wasserrücklauftemperatur ist eingestellt, daher
bleibt jetzt nur noch zu entscheiden, ob die Wasseraustrittstemperatur abnehmen
oder die Durchflussrate zunehmen soll. Eine Erhöhung der Wassertemperatur erschwert den Systembetrieb, während sich in einem System mit primärseitig
variablem Volumenstrom eine Zunahme der Wasserdurchflussrate relativ einfach
realisieren lässt. Durch eine Erhöhung der Verdampferdurchflussrate kann die
Wasserkühlmaschine mehr Kühlung bereitstellen.
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45
Systeme mit primärseitig
variablem Volumenstrom
Einige Betreiber überpumpen eine Kühlmaschine als “Erste-Hilfe-Maßnahme” für
Systeme, bei denen das ”Minimum DT-Syndrom” auftritt (siehe hierzu Seite 61).
In einem Beispiel für das “Minimum DT-Syndrom” wird eine verringerte (z. B. 9,4
°C) Wasserrücklauftemperatur erfasst, die unter der AuslegungsWasserrücklauftemperatur (z. B. 13,3 °C) liegt. Auch hier besteht die einzige
Möglichkeit zur Belastung der Wasserkühlmaschine in der Herabsetzung der
Kaltwassertemperatur oder der Durchflussratenerhöhung. Wenn die
Pumpenleistung und -drehzahl es zulässt, kann die Durchflussrate und Kapazität
der Wasserkühlmaschine erhöht werden. Der zulässige Betriebsbereich der
Pumpe darf dabei nicht überschritten werden.
Entscheidende Anforderungen an Systeme mit primärseitig variablem
Volumenstrom
Obwohl diese Systeme eindeutige Vorteile haben1, dürfen sie nicht für alle
Anlagen verwendet werden. Für den erfolgreichen Betrieb eines System mit
primärseitig variablem Volumenstrom ist ein klares Verständnis und die Beachtung folgender Vorbedingungen wesentlich.
• Die Steuerung der Wasserkühlmaschine muss die Temperatur bei variierender
Durchflussrate adäquat regulieren.
• Die Steuerungen auf Systemebene müssen sowohl Temperatur als auch
Durchflussrate je nach Änderung der Systemanforderung angemessen
regulieren.
• Für Konzipierung und Programmierung der Steuerungsschaltfolge des Systems
ist ausreichend Zeit einzuplanen.
• Der Systembetreiber muss den beabsichtigten Betriebsablauf kennen.
• Das System muss über Einrichtungen zur Gewährleistung der Anforderungen
für die Mindestdurchflussraten aller Wasserkühlmaschinen verfügen. In der
Regel ist dies eine der oben erläuterten Bypassmethoden.
Ein System mit primärseitig variablem Volumenstrom erschwert alle Aspekte der
Systemplanung sowie des Systembetriebs. Folglich müssen viele Maßnahmen
ergriffen werden, damit der erfolgreiche Betrieb eines solchen Systems sichergestellt wird.
Verweise
1
46
Schwedler, M., PE and Bradley, B.; “An Idea for Chilled-Water Plants Whose Time
Has Come...Variable-Primary-Flow Systems,”Engineers Newsletter, Vol. 28, No.
3, The Trane Company, 1999.
SYS-APM001-DE
Optionen für die
Kaltwasserregelung
Erhöhen und Reduzieren der Kaltwassertemperatur
In zahlreichen Kaltwasseranlagen wird eine Rückstellung der Kaltwassertemperatur eingesetzt, d. h. die Einstellungen der Wasserkühlmaschine werden geändert, um den Stromverbrauch zu reduzieren. Wie bereits in Abschnitt 1, Grundlagen der Kaltwasseranlage, erläutert wurde, verringert sich bei Erhöhung der Kaltwassertemperatur der Stromverbrauch der Wasserkühlmaschine. In einem Pumpensystem mit konstantem Volumen kann auf diese Weise der Stromverbrauch
des Systems gesenkt werden, wenn die Feuchtigkeit weiterhin reguliert wird. Die
Feuchtigkeitsregelung kann verloren gehen, wenn bei Erhöhung der Kaltwassertemperatur die Luftaustrittstemperatur am Wärmetauscher bis zu einem Punkt
ansteigt, an dem keine angemessene Entfeuchtung mehr stattfindet.
In Pumpsystemen mit variablem Volumen steigt der Stromverbrauch der Pumpe
bei Zunahme der Kaltwassertemperatur häufig erheblich an, wodurch sich im
Allgemeinen auch der Stromverbrauch des Gesamtsystems erhöht. Vor einer
Erhöhung der Kaltwassertemperatur muss der gesteigerte Stromverbrauch der
Pumpe berechnet werden und diesen mit den Energieeinsparungen an der
Wasserkühlmaschine verglichen werden. Berücksichtigen Sie, dass der ASHRAE/
IESNA Standard 90.1–19991 die Kaltwasser-Rückstellung für Systeme mit
konstantem Volumen — von Ausnahmen abgesehen — vorschreibt, Systeme mit
variablem Volumen aus den genannten Gründen von dieser Voraussetzung
jedoch ausnimmt.
Eine häufig übersehene Methode, den Stromverbrauch des Systems zu senken,
besteht in der Reduzierung der Kaltwassertemperatur, wodurch der Stromverbrauch der Pumpe abnimmt, während der Stromverbrauch der Wasserkühlmaschine steigt. Diese Strategie eignet sich bei angemessener Leistung der
Wasserkühlmaschine und Temperaturanhebung. Darüber hinaus kann die Reduzierung der Kaltwassertemperatur zu einer verbesserten Entfeuchtung im Gebäude beitragen. Wenn die Temperatur am Verflüssiger unter dem vorgegebenen
Wert liegt, steigt bei Reduzierung der Kaltwassertemperatur zudem die Leistung
der Wasserkühlmaschine. Weitere Wasserkühlmaschinen und Zusatzgeräte
können somit später gestartet werden. Diese Option wird in Zusammenhang mit
dem “Minimum DT-Syndrom” detailliert erläutert.
Beachten Sie, dass jede Änderung der Kaltwassereinstellungen eine Änderung
der Algorithmen für die Wasserkühlmaschinenschaltfolge voraussetzen, um die
Einhaltung der Systemleistung zu gewährleisten. Diese zusätzliche Schwierigkeit
lohnt sich häufig nicht.
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47
Optionen für die
Kaltwasserregelung
Rückstellung “kritischer” Ventile
Häufig werden Pumpen so geregelt, dass an einem entfernten Wärmetauscher
eine konstante Druckdifferenz aufrechterhalten wird. Wird der Wärmetauscher
nicht für die Zone mit dem größten Kühlbedarf (die kritische Zone) eingesetzt,
leistet die Pumpe mehr Druck als erforderlich und verbraucht somit mehr Strom
als nötig. Systeme mit integrierten luft- und produktionsseitigen Steuersystemen
sowie DDC-Regelung für Ventile bieten zusätzliche Einsparmöglichkeiten bei den
Betriebskosten der Pumpe. Wird ein System überwacht und für jeden Zeitpunkt
das kritische Ventil ermittelt, kann der Betriebsdruck der Pumpe so eingestellt
werden, dass das Regelventil für die kritische Zone annähernd geöffnet ist. Die
integrierte Steuerung versetzt System-Steuergeräte in die Lage, die kritische Zone
zu ermitteln und die Einstellungen der Pumpe dynamisch zu ändern, wodurch die
Betriebskosten der Pumpe gesenkt werden.
Die Steuergeräte kennen die Stellung der einzelnen Ventile, über die der notwendige Wasserdurchfluss im Wärmetauscher geregelt wird. Das Gebäudeautomationssystem überwacht kontinuierlich die Ventilsteuergeräte und ermittelt,
welches Ventil am weitesten geöffnet ist. Das Steuergerät ändert die
Pumpeneinstellungen, so dass zumindest das Ventil, das den höchsten
Einlassdruck erfordert, fast vollständig geöffnet ist. Die Pumpe erzeugt daraufhin
nur so viel Druck, dass der erforderliche Wasserdurchfluss durch dieses
“kritische” Ventil erreicht wird, wodurch Energieeinsparungen an der Pumpe
erreicht werden.
Verweise
1. BSR/ASHRAE/IESNA 90.1–1999, “Energy standard for buildings except low-rise
residential buildings”, Illuminating Engineering Society of North America and
American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, Inc.,
1999.
48
SYS-APM001-DE
Auslegungsrichtlinien
Konfiguration der Kaltwasserpumpe
Pumpen können sich am Ein- oder Auslass der Wasserkühlmaschine befinden,
sofern am Einlass der Pumpe ein angemessener, positiver Saugdruck herrscht.
Bei extremen Wassersäulenhöhen (z. B. in Hochhäusern) ist die Pumpe häufig
am Auslass der Wasserkühlmaschine positioniert, so dass der Verdampfer dem
statischen Druck anstelle des statischen plus dynamischen Drucks (durch die
Pumpe) unterliegt. Die Notwendigkeit von Hochdruckwasserkammern an der
Wasserkühlmaschine besteht nicht.
Ein weiterer Vorteil der Platzierung der Pumpe vor der Wasserkühlmaschine
besteht darin, dass die Wasserkühlmaschine die vom Pumpenmotor an das
Wasser abgegebenen Wärme direkt ableiten kann. Es ist nicht erforderlich,
kälteres Wassers zu produzieren, um die Wärme der Pumpe zu kompensieren.
Eine Pumpe pro Wasserkühlmaschine
In Systemen mit Primär-Sekundär-Volumenstrom bzw. mit primärseitig variablem
Volumenstrom vereinfacht der Einsatz einer Pumpe pro Wasserkühlmaschine den
Wasserkreislauf. Die Pumpe stellt den für die spezifische Wasserkühlmaschine
erforderlichen Durchfluss und Druck sicher. Das Zuschalten weiterer Pumpen hat
auf den Wasserkreislauf nur minimalen Einfluss. Ein Nachteil eines solchen Systems ist die mangelnde Leistungsveserve, da Pumpe und Wasserkühlmaschine
zugeordnet sind. Dies kann jedoch durch eine Reservepumpe und den zugehörigen Leitungen und Ventilen ausgeglichen werden, so dass die Reservepumpe im
Notfall für eine beliebige Wasserkühlmaschine eingesetzt werden kann.
Mehrere Pumpen an einem Verteiler
Um das Problem der Redundanz zu lösen, bevorzugen einige Systemplaner die
Verwendung von n+1 Verteilerpumpen. Dabei steht n für die Anzahl der Wasserkühlmaschinen. In einer solchen Anordnung kann jede Pumpe mit einer beliebigen Wasserkühlmaschine verwendet werden. Das Kreislaufsystem wird dadurch
jedoch komplexer. Sind nicht alle Leitungsrohre und Druckverlust am Verdampfer
gleich, fließen unterschiedliche Wassermengen zu den Wasserkühlmaschinen.
Wie bereits bei Systemen mit primärseitig variablem Volumenstrom erläutert,
stellen mehrere Pumpen bei einer Folgeschaltung der Wasserkühlmaschinen
hohe Ansprüche an die Regelung und Steuerung.
Beide Pumpenkonfigurationen haben Vorteile: Bei nur einer Pumpe pro Wasserkühlmaschine wird der Wasseranschluss vereinfacht, während mehrere Pumpen
an einer Rohrleitungsverzweigung redundante Pumpenleistung bieten.
SYS-APM001-DE
49
Auslegungsrichtlinien
Dimensionierung von Bypassleitungen
Bypassleitungen werden sowohl in Systemen mit Primär-Sekundär-Volumenstrom als auch in Systemen mit primärseitig variablem Volumenstrom benötigt.
In entkoppelten Systemen sollte die Größe der Bypassleitung 110 bis 115 Prozent
der vorgegebenen Durchflussmenge für die leistungsfähigste
Wasserkühlmaschine entsprechen. In einem System mit primärseitig variablem
Volumenstrom sollte die Größe der Bypassleitung an der
Mindestdurchflussmenge der leistungsfähigsten Wasserkühlmaschine bemessen
werden.
Während minimaler Druckverlust angestrebt wird, können durch die relativ kurze
Bypassleitung erhebliche Wassergeschwindigkeiten ohne nennenswerten Druckverlust erreicht werden. Die Länge der Bypassleitung muss ausreichen, um ein
willkürliches Mischen von Kaltwasser (Zulauf) mit wärmerem Wasser (Rücklauf)
zu verhindern. Die empfohlene Mindestlänge beträgt das fünf- bis zehnfache des
Leitungsdurchmessers.
Wassermenge im Kreislauf
Zur Ermittlung der für die korrekte Regelung eines Kaltwassersystems notwendigen Wassermenge müssen zwei Fragen beantwortet werden.
• Wie schnell kann die betreffende Wasserkühlmaschine auf veränderte
Bedingungen reagieren?
• Wie schnell kann das System auf veränderte Bedingungen reagieren?
Die für den einwandfreien Betrieb des Kreislaufes erforderliche Wassermenge
hängt von den Antworten auf diese beiden Fragen ab. Beachten Sie, dass beide
Antworten eine Zeitspanne angeben.
Erforderliches Volumen = Durchflussrate × Kreislaufzeit
Dabei gilt:
• Erforderliches Volumen = Wasser im Wärmetauscher, in den Leitungen, im
Verdampfer, im Speicherbehälter usw. in Liter.
• Durchflussrate = Durchflussrate des Systems in l/s.
• Kreislaufzeit = die Zeit, die das Wasser zum Austreten aus der Wasserkühlmaschine, Durchlaufen des Systems und für den Rücklauf zur Wasserkühlmaschine bei stabilem Systembetrieb benötigt (in Sekunden).
50
SYS-APM001-DE
Auslegungsrichtlinien
Verhalten der Wasserkühlmaschine auf veränderte Bedingungen
Befolgen Sie die Anweisungen des Herstellers der verwendeten Wasserkühlmaschine. Sie legen die Mindestwassermenge im Kreislauf fest. Es handelt sich
dabei jedoch um die Mindestmenge für die Wasserkühlmaschine, nicht für das
System (siehe nächster Abschnitt). Zahlreiche moderne Wasserkühlmaschinen
verfügen über Steuerungen, die schnell auf veränderte Bedingungen reagieren.
Manche Wasserkühlmaschinen reagieren in nur einer Minute auf eine Änderung
der Wasserrücklauftemperatur, während andere fünf oder mehr Minuten benötigen. Die Reaktionszeit variiert je nach Ausführung und Auslegung der Wasserkühlmaschine.
Verhalten des Systems bei veränderten Bedingungen
Selbst wenn die Wasserkühlmaschine auf veränderte Betriebsbedingungen
schnell reagieren kann, ist zu beachten, dass sich die Mindestzeit zum
Durchlaufen des Kreislaufs aus dem Zusammenwirken zwischen
Wasserkühlmaschine, Systempumpen und Regelventilen ergibt. Ändern sich die
Systembedingungen zu schnell, können diese Komponenten u. U. mit
Verzögerung reagieren. Überprüfen Sie daher dieses Zusammenwirken, um eine
stabile Systemsteuerung zu gewährleisten.
Beispiel:
Der korrekte Betrieb einer bestimmten Wasserkühlmaschine setzt voraus, dass
sich im Kreislauf mindestens zwei Minuten lang Wasser befindet. Nach Analyse
des Zusammenspiels der Systemkomponenten wird jedoch festgestellt, dass eine
Kreislaufzeit von fünf Minuten am besten geeignet ist. Die Systemdurchflussrate
beträgt 60,6 l/s.
Erforderliches Volumen (E.V.) = 60,6 l/s × 5 Minuten = 18.180 Liter
[E.V. = 960 gpm × 5 Minuten = 4.800 Gallonen]
Wenn sich in Verdampfer, Rohrleitungen und Wärmetauschern weniger als das
erforderliche Volumen befindet, muss ein Behälter zur Erhöhung des Kreislaufvolumens installiert werden. Um eine optimale Stabilität zu erzielen, sollte sich
der Behälter im Wasserrücklauf befinden und so ausgelegt sein, dass das zurückfließende Wasser mit dem Wasser im Behälter gemischt wird.
Anlagenerweiterung
In Systemen mit Primär-Sekundär-Volumenstrom bzw. mit primärseitig variablem
Volumenstrom kann die Anlage problemlos erweitert werden, indem eine weitere
Wasserkühlmaschine mit Pumpe hinzugefügt wird. Die Hauptfragen sind, ob die
Verteilungsleitungen für das Kaltwasser den Durchfluss leisten können und wie
die neue Wasserkühlmaschine installiert wird, ohne den Betrieb der anderen
Wasserkühlmaschinen zu beeinträchtigen. Wenn das vorhandene Leitungsnetz
und die Pumpenleistung für die neue (höhere) Durchflussrate ausreicht, ist das
System funktionsfähig. Um den Kaltwasserfluss auch während der Installation
einer neuen Wasserkühlmaschine aufrechtzuerhalten, verfügen manche Anlagen
bereits über Flansche bzw. Stutzen für den Anschluss der neuen Wasserkühlmaschine. Diese kann daher während des Systembetriebs installiert werden.
Anschließend werden die Ventile an den Verbindungsstellen geöffnet.
SYS-APM001-DE
51
Auslegungsrichtlinien
Bei der Verwendung von entkoppelten Systemen für große “Campus”-Anlagen
befinden sich hinzugefügte Kälteverbraucher oft in großerer Entfernung (1,5 Kilometer oder mehr) von der ursprünglichen Kühllast. Dennoch bevorzugen viele
Planer, die neue Kühllast an das vorhandene System anzuschließen. Das in Abbildung 19 dargestellte zweiseitig entkoppelte System erfüllt diese Anforderung.
Eine zweite Anlage zur Kaltwasserproduktion wird an einem geeigneten Platz im
neuen Teil des Geländes installiert. Das Verteilungssystem wird spiegelbildlich zu
den Originalleitungen ausgelegt. Anschließend erfolgt der beidseitige Anschluss.
Auf diese Weise können beide Produktionskreise den jetzt gemeinsam verwendeten Verteilungskreis speisen. Der Punkt ohne Durchfluss wechselt, wenn beide
Produktionsseiten belastet werden. Wenn bei jahreszeitlich bedingter geringer
Kühllast ein kompletter Produktionskreis abgeschaltet werden soll, ist dies problemlos möglich, sofern der laufende Anlagenteil über ausreichend Produktionsund Verteilungskapazität verfügt. Bei ganzjährig betriebenen Anlagen kann diese
Methode die Betriebskosten während vieler Wochen im Jahr erheblich senken.
Zudem können so die neueren, effizienteren Maschinen bevorzugt belastet
werden.
52
SYS-APM001-DE
Auslegungsrichtlinien
Abbildung 19 – Zweiseitig entkoppeltes System
Rückschlagventile
Wasserkühlmaschine 2
Bestehende Anlage
Wasserkühlmaschine 1
Vorhandene Bypassleitung
Produktion
Verteilung
Kühllasten
Neue Bypassleitung
Neue Kälteanlage
Wasserkühlmaschine 3
SYS-APM001-DE
53
Variationen im
Kaltwassersystem
Eine Reihe von Variationen im Kaltwassersystem kann und sollte verwendet werden, wenn sie angemessen sind. Jede Konfiguration bietet bestimmte Vorteile
bezüglich der Problembehebung oder der Wertsteigerung des Systems.
Wärmerückgewinnung
ASHRAE/IESNA Standard 90.1–19991 setzt bei bestimmten Anwendungen eine
Wärmerückgewinnung voraus. Bedenken hinsichtlich der Raumluftqualität haben
die Verwendung von Systemen gefördert, die die Zuluft zum Zwecke der
Entfeuchtung herunterkühlen und anschließend wieder erwärmen, um die
Anforderungen an die Raumluft zu erfüllen. ASHRAE/IESNA Standard 90.1–1999
begrenzt zudem die in diesen Anwendungen verwendete Energie zur
Wiedererwärmung. Aufgrund dieser Vorschriften und der Energiekosten haben
Kälteanlagen mit Wärmerückgewinnung einen neuen Aufschwung erlebt. Das
Beispiel in Abbildung 22 stellt ein kosteneffizientes Modell zur
Wärmerückgewinnung dar. Dieses Modell wird vor allem für Brauchwasser in
Hotels und für bestimmte Prozessanwendungen eingesetzt.
Vorrangschaltung
Die Vorrangschaltung ist für Systeme mit Wärmerückgewinnung geeignet, da die
Wasserkühlmaschine mit Wärmerückgewinnung so besser ausgelastet wird und
mehr Wärme erzeugt, die für den gewünschten Prozess gewonnen werden kann.
Zudem eignet sich die Vorrangschaltung für folgende Anwendungen: Hochleistungswasserkühlmaschinen, die möglichst immer voll belastet sein sollten, oder
Wasserkühlmaschinen, die andere Energiequellen als Strom verwenden, z. B.
Absorptions-Wasserkühlmaschinen, die Abwärme aus einem Heizkraftwerk
nutzen, oder Wasserkühlmaschinen, die mit einem Generator gekoppelt sind. In
letzterem Fall kann das System bei hohen Stromkosten bevorzugt die Wasserkühlmaschine mit der alternativen Energiequelle belasten.
54
SYS-APM001-DE
Variationen im
Kaltwassersystem
Parallelanordnung
Wird eine Wasserkühlmaschine in einem entkoppelten System auf der Verbraucherseite von der Bypassleitung, platziert, wird sie beim Einschalten vorrangig
belastet. Wie in Abbildung 20 zu sehen ist, verfügt Wasserkühlmaschine 1 immer
über die höchste Wassertemperatur des Systems und wird vorrangig belastet. Die
Wasserkühlmaschinen auf der Produktionsseite der Bypassleitung (Wasserkühlmaschine 2 und 3) werden, wie bereits erläutert, zu gleichen Teilen belastet.
Abbildung 20 – Parallelschaltung mit Vorrangschaltung
Wasserkühlmaschine 3
Gleiche
Belastung
Wasserkühlmaschine 2
Produktion
Vorrangige
Belastung
Bypassleitung
Verteilung
Wasserkühlmaschine 1
Ein Nachteil dieser Anordnung besteht darin, dass die Wasserkühlmaschinen auf
der Produktionsseite der Bypassleitung häufig im Teillast betrieben werden. Ältere
Wasserkühlmaschinen oder moderne Modelle mit hohem Schaltpunkt sind hierzu
u. U. nicht geeignet.
SYS-APM001-DE
55
Variationen im
Kaltwassersystem
Abbildung 21 – Vorrangschaltung bei
zusätzlicher, verbraucherseitiger
Wasserkühlmaschine
Entkoppeltes System mit zusätzlicher Maschine im
Bypassbetrieb
Abbildung 21 zeigt eine einfache Modifikation des üblichen entkoppelten Systems. Die im Bypassbetrieb geschaltete zusätzliche Wasserkühlmaschine kühlt
das Wasser mit der höchsten Eintrittstemperatur, so dass diese Maschine
während des Betriebs der Kälteanlage immer voll belastet werden kann.
Produktion
Wasserkühlmaschine 3
Wasserkühlmaschine 2
Verteilung
Bypassleitung
Wasserkühlmaschine 1
Das Besondere an dieser Anordnung ist, dass sie nicht nur eine vorrangige Belastung ermöglicht, sondern auch den Betrieb des betreffenden Geräts auf der Erzeugerseite (Wasserkühlmaschine, Wärmetauscher usw.) nicht jeder beliebigen Temperaturänderung folgen muss. Bei dieser Konfiguration wird das zurückfließende
Wasser des Systems für die nachgeschalteten Wasserkühlmaschinen vorgekühlt,
so dass deren Kälteleistung und Energieverbrauch verringert wird. Dadurch
werden die Gesamtbetriebskosten der Kaltwasseranlage gesenkt.
Die Geräte in der Rücklaufleitung des Verbraucherkreises tragen nicht zur
Aufrechterhaltung der Durchflussrate bei. Sie reduzieren lediglich die Temperatur
des in den Produktionskreis zurückfließenden Wassers. Dies steht zwar im
Gegensatz zu dem Prinzip, die höchstmögliche Wasserrücklauftemperatur zu
erzielen, ist jedoch häufig die beste Möglichkeit, eine freie Kühlung oder spezielle
Wärmerückgewinnung zu erhalten oder die Investitionskosten für die
Eisspeicherung zu senken.
Entkoppelte Systeme mit einer zusätzlichen Maschine im Bypassbetrieb arbeiten
im Allgemeinen am wirtschaftlichsten, wenn die verbraucherseitige Wasserkühlmaschine kleiner als diejenigen auf der Produktionsseite der Bypassleitung ist. Da
sich die Pumpenanforderungen und der Energieverbrauch durch Modifikationen
der Systemanordnung ändern, sollten die wirtschaftlichen Auswirkungen mit
einem Computerprogramm analysiert werden.
Im Folgenden werden drei verschiedene Systemkonfigurationen vorgestellt, die
von einer zusätzlichen Wasserkühlmaschine im Bypassbetrieb profitieren können.
Die verbraucherseitige Maschine erhält das
zurückfließende Wasser mit der höchsten
Temperatur.
56
SYS-APM001-DE
Variationen im
Kaltwassersystem
Abbildung 22 – Plattenwärmetauscher
Plattenwärmetauscher
Produktion
Wasserkühlmaschine 2
Wasserkühlmaschine 1
Plattenwärmetauscher
Verteilung
Bypassleitung
Bei freier Kühlung kann ein Wärmetauscher8 das Wasser bestenfalls zu wenigen
Betriebszeiten auf angenommene 8,9 °C abkühlen. Anstatt diese Kühlkapazität zu
ignorieren, sollte der Wärmetauscher im größtmöglichen Umfang für den Rücklaufstrom eingesetzt werden. Stromabwärts angeordnete Wasserkühlmaschinen
können die Kaltwassertemperatur zusätzlich reduzieren, so dass die freie und
mechanische Kühlung gleichzeitig eingesetzt werden. Die Betriebszeit des
Wärmetauschers wird durch diese Konfiguration erhöht. Da diese Kapazität beim
wärmsten Wasser im System zum Tragen kommt, wird der größtmögliche Nutzen
erzielt.
Wärmerückgewinnung
Eine ähnliche Situation tritt ein, wenn eine Wasserkühlmaschine mit Wärmerückgewinnung auf der Verbraucherseite5 platziert wird (siehe Abb. 22). Diese
Wasserkühlmaschine kann mit einem speziellen Verflüssiger für die
Wärmerückgewinnung ausgestattet sein oder es kann sich um eine StandardWasserkühlmaschine mit einem einzelnen Verflüssiger handeln, die als
Wärmepumpe dient. Die Wasserkühlmaschine ist u. U. nicht in der Lage, das
Wasser auf die für das System notwendige Temperatur abzukühlen. Dies ist bei
dieser Konfiguration jedoch unerheblich. Betrachten Sie die Maschine nicht als
Wasserkühlmaschine, sondern als Heizung. Die Hauptfunktion ist das Heizen, die
Kühlung ist nur ein Nebeneffekt. Das zurückfließende Kaltwasser stellt für die
Wasserkühlmaschine mit Wärmerückgewinnung eine unbegrenzte Wärmequelle
dar. Die Wasserkühlmaschine kühlt das Kaltwasser lediglich so weit ab, dass der
Heizbedarf gedeckt werden kann. Sie umgehen somit bei der Regelung das
Problem, wie überschüssige Wärme am Verflüssiger abgebaut wird, wenn die
Kühl- und Heizlast einer Wasserkühlmaschine keinen perfekten Wärmeausgleich
ergeben.
Optionale Brennstoffe
Eine Absorptions-Wasserkühlmaschine kann als zusätzliche Maschine im Bypassbetrieb eingesetzt werden. Die Wasserkühlmaschine kann belastet werden, wenn
dies aufgrund der Tarife des Versorgungsunternehmens vorteilhaft ist. Zudem
wird sichergestellt, dass das zurückfließende Wasser mit der höchsten
Temperatur zunächst zur Absorptions-Wasserkühlmaschine gelangt, die somit
effizienter arbeitet und mehr Kühlleistung erbringt.
Systemsteuerung
Die Flexibilität von Systemen mit einer zusätzlichen Maschine im Verbraucherkreis
ist höher, da die Maschine zum Vorkühlen des zurückfließenden Wassers verwendet wird, nicht aber zur Produktion von Kaltwasser mit Systemtemperatur. Sie
können somit durch ein anderes Signal belastet werden. Wird das Wasser des
Rücklaufs vorgekühlt, bietet die Verwendung eines Plattenwärmetauschers einen
eindeutigen Vorteil. Eine Wasserkühlmaschine mit Wärmerückgewinnung kann so
belastet werden, dass nur die benötigte Menge an Warmwasser erzeugt und die
Wasseraustrittstemperatur am Verflüssiger als Signal verwendet wird. Wird die
vorrangige Belastung bei einer Absorptions-Wasserkühlmaschine eingesetzt,
kann diese nur durch eine Reduzierung der Wasseraustrittstemperatur belastet
werden.
SYS-APM001-DE
57
Variationen im
Kaltwassersystem
Wasserkühlmaschinen mit unterschiedlicher Leistung
Viele Systemplaner scheinen standardmäßig Wasserkühlmaschinen mit gleicher
Leistung in einer Kaltwasseranlage zu verwenden. 2,3 Die Anpassung der Wasserkühlmaschinenleistung an die Systemlast bietet jedoch einige Vorteile. Beim Start
einer Wasserkühlmaschine wird auch die Zusatzausrüstung eingeschaltet, wodurch der Energieverbrauch im System steigt. Im Allgemeinen gilt, je kleiner die
Wasserkühlmaschine, um so kleiner die Zusatzausrüstung. Ein anderer Vorteil ist
die effiziente Belastung der Wasserkühlmaschinen. Häufig kann dies über Wasserkühlmaschinen mit unterschiedlicher Leistung realisiert werden. Vergleichen Sie
die eine Aufteilung der Kälteleistung von 60/40 (eine Wasserkühlmaschine mit 60prozentiger, die zweite mit 40-prozentiger Systemleistung) und die Aufteilung der
Kälteleistung von 1/3 zu 2/3 (eine Wasserkühlmaschine mit 1/3, die andere mit 2/3
der Systemleistung). Der Vorteil ist, dass die Systemlast besser auf die Gesamtleistung der Wasserkühlmaschinen können abgestimmt werden kann, so dass die
Effizienz des Gesamtsystems zunimmt.
Die Serienschaltung im Gegenstromverfahren kann mit allen Wasserkühlmaschinentypen realisiert werden. In
Abbildung 23 sind Doppel-Wasserkühlmaschinen dargestellt. Eine einzelne große
Wasserkühlmaschine kann als Doppelmaschine gebaut werden. Kalt- und Kühlwasserkreislauf sind in beiden Hälften der Duplexmaschine identisch. Die höhere Leistung ergibt sich aus der Trennung von Verdichtern und Kältemittelkreisläufen. Die
beiden Hälften bieten somit redundante
Leistung und steigern die Systemzuverlässigkeit.
58
Serienschaltung im Gegenstromverfahren
Eine andere energiesparende Systemkonfiguration beinhaltet die zuvor erläuterte
Reihenschaltung, erweitert jedoch auf Kaltwasser und Kühlwasser. In Abbildung 23 ist eine solche Konfiguration zu sehen.
Beachten Sie, dass in diesem Fall die nachgeschaltete Maschine Kaltwasser mit
einer Temperatur von 4,4 °C und die vorgeschaltete Maschine Kaltwasser mit 10
°C produziert. Die Kühlwassereintrittstemperatur der nachgeschalteten Maschine
beträgt 29,4 °C, die der vorgeschalteten Maschine 35 °C. Die Pumpanforderung
liegt daher auf der Kaltwasserseite bei nur 1,2 gpm/Tonne und auf der Kühlwasserseite bei nur 1,5 gpm/Tonne, d. h. die Leistungsaufnahme und damit die Energiekosten der Pumpen werden erheblich gesenkt.
Die erforderliche Temperaturanhebung der beiden Wasserkühlmaschinen wird
durch diese Konfiguration ausgeglichen (siehe Abb. 23a). Kaltwasser und Kühlwasser fließen in entgegengesetzte Richtung, daher die Bezeichnung Gegenstromverfahren.
SYS-APM001-DE
Variationen im
Kaltwassersystem
Abbildung 23 – Serienschaltung im Gegenstromverfahren
Nachgeschaltete Wasserkühlmaschine
Vorgeschaltete Wasserkühlmaschine
40,6 °C [105 °F]
35 °C [95 °F]
29,4 °C [85 °F]
10 °C [50 °F]
15,5 °C [60 °F]
4,4 °C [40 °F]
Abbildung 23a – Konzept der gleichmäßigen Temperaturanhebung
40,6 °C
[105 °F]
Wasserkühlmaschine mit
einem einzigen
Verdichter
36,1 °C [65 °F]
40,6 °C
[105 °F]
35 °C
[95 °F]
Nachgeschaltete
Wasserkühlmaschine
Vorgeschaltete
Wasserkühlmaschine
30,6 °C [55 °F]
Serienschaltung
im Gegenstromverfahren
30,6 °C [55 °F]
4,4 °C
[40 °F]
SYS-APM001-DE
4,4 °C
[40 °F]
10 °C
[50 °F]
59
Variationen im
Kaltwassersystem
Anwendungen außerhalb des Durchfluss- und
Temperaturbereiches der Wasserkühlmaschine
Es kann vorkommen, dass Systemplaner für die Kühlung Wasserkühlmaschinen
einsetzen möchten, die zwar über ausreichend Leistung verfügen, deren Durchflussrate oder Kaltwassertemperatur aber nicht innerhalb des geforderten Bereichs liegt. Dies ist häufig bei Produktionsprozessen der Fall. Im Folgenden werden zwei Beispiele für Systemauslegungen vorgestellt, die die gewünschten Bedingungen erfüllen können.
Abweichende Durchflussrate
Bei einem Kunststoff-Spritzgussprozess werden 5,1 l/s Wasser mit einer Temperatur von 10 °C zur Kühlung benötigt. Die Rücklauftemperatur beträgt 15,6 °C. Die
gewählte Wasserkühlmaschine kann Kaltwasser mit dieser Temperatur bereitstellen, hat aber eine Mindest-Durchflussrate von 7,6 l/s. Das folgende System in Abbildung 24 kann diesen Prozess mit Kaltwasser versorgen. Durch die
Entkopplung der Wasserkühlmaschine von der Prozesslast ist eine abweichende
Wasserdurchflussrate möglich, so dass der Durchfluss in der
Wasserkühlmaschine innerhalb des zulässigen Bereichs liegt. Bei einem System
mit einer Wasserkühlmaschine wird mit einer Pumpe und einem 3-Wege-Ventil
das gleiche Ergebnis erzielt.
Abbildung 24 – Abweichende Durchflussrate der Kälteanlage
10 °C
5,1 l/s
10 °C
7,6 l/s
Pumpe mit konstantem
Volumen
Bypassleitung
Wasserkühlmaschine
Prozesslast
10 °C
2,3 l/s
13,7 °C
7,6 l/s
15,6 °C
5,1 l/s
Pumpe mit konstantem
Volumen 7,6 l/s
60
SYS-APM001-DE
Variationen im
Kaltwassersystem
Abweichende Wassertemperatur
Bei einem Laborprozess werden 7,6 l/s Wasser mit einer Temperatur von 29,4 °C
zur Kühlung benötigt. Die Rücklauftemperatur beträgt 35 °C. Die erforderliche
Genauigkeit übersteigt die Regelgenauigkeit des Kühlturms. Die verwendete Wasserkühlmaschine bietet zwar eine ausreichende Leistung, aber die maximale Kaltwasser-Austrittstemperatur beträgt 15,6 °C.
Mittels zweier Bypassleitungen kann das Mischventil die korrekte Temperatur für
die Prozesslast bereitstellen, während Durchflussrate und Kaltwassertemperatur
der Wasserkühlmaschine im zulässigen Bereich liegen. Im Beispiel in Abbildung
25 ist die Durchflussmenge der Wasserkühlmaschine und des Prozesses gleich,
was allerdings nicht erforderlich ist. Ist die Durchflussrate der
Wasserkühlmaschine höher, wird mehr Wasser durch die Bypassleitung geführt
und mit warmem Wasser des Rücklaufs gemischt.
Abbildung 25 – Abweichende Kaltwassertemperatur der Kälteanlage
29,4 °C
7,6 l/s
15,6 °C
7,6 l/s
15,6 °C
7,6 l/s
15,6 °C
5,4 l/s
Mischventil
Pumpe mit
konstantem
Volumen
35 °C
5,4 l/s
Wasserkühlmaschine
21,1 °C
7,6 l/s
Pumpe mit
konstantem
Volumen
7,6 l/s
Prozesslast
Bypassleitungen
35 °C
2,2 l/s
35 °C
7,6 l/s
Abbildung 26 zeigt ein Beispiel für eine Prozessanwendung, die eine präzisere
Temperaturregelung erfordert, als die Regelung der Wasserkühlmaschine zulässt.
Wird beispielsweise Wasserkühlmaschine 2 eingeschaltet, wird erst nach einer
bestimmten Zeit der Sollwert der Kaltwassertemperatur erreicht. Das zugeordnete
Regelventil bleibt geschlossen und das Wasser wird durch die Bypassleitung
geleitet, bis Wasserkühlmaschine 2 den Sollwert erreicht hat, so dass die Temperatur des Kaltwassers innerhalb des Toleranzbereichs bleibt. Wenn Wasserkühlmaschine 2 den Temperatursollwert erreicht, wird das Regelventil geöffnet.
Diese Anordnung erfordert eine andere Schaltfolgestrategie für die Wasserkühlmaschinen als das standardmäßige entkoppelte System. Das Wasser darf nicht
von der Rücklaufseite zur Vorlaufseite umgeleitet werden, da andernfalls die
Temperatur des für die Prozesskühlung bestimmten Kaltwassers außerhalb des
Toleranzbereichs liegt. Stellen Sie die Systemsteuerung so ein, dass Wasserkühlmaschine 2 eingeschaltet wird, bevor die Durchflussrate zu gering ist.
SYS-APM001-DE
61
Variationen im
Kaltwassersystem
Abbildung 26 – Präzise Temperaturregelung bei mehreren Wasserkühlmaschinen
Regelventile
Pumpe mit
variabler
Drehzahl
Prozesslast
Wasserkühlmaschine 2
Wasserkühlmaschine 1
Bypass
Verweise
1. BSR/ASHRAE/IESNA 90.1–1999, “Energy standard for buildings except low-rise
residential buildings”, Illuminating Engineering Society of North America and
American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers,
Inc., 1999.
2. Eppelheimer, D., P.E. und Bradley, B.; “Chilled-Water Plants and…Asymmetry as
a Basis of Design”, Engineers Newsletter, Volume 28, No. 4, The Trane
Company, Oktober 1999.
3. Landman, W. und Bradley, B.; “Off-Design Chiller Performance”, Engineers
Newsletter, Volume 25, No. 5, The Trane Company, Dezember 1996.
4. Trane Applications Engineering Group, “A New Era of Free Cooling”, Engineers
Newsletter, Volume 20, No. 3, The Trane Company, 1991.
5. Trane Applications Engineering Group, “Two Good Old Ideas Combine to Form
One New Great Idea”, Engineers Newsletter, Volume 20, No. 1, The Trane
Company, 1991.
62
SYS-APM001-DE
Problemfragen zum
Kaltwassersystem
“Minimum DT-Syndrom”
Während der letzten Jahre war das “Minimum DT-Syndrom” ein viel diskutiertes
Thema.1,3 Es äußert sich durch eine zu niedrige Wasserrücklauftemperatur in
großen Systemen, so dass die Wasserkühlmaschinen nicht vollständig belastet
werden können. Viele Systemoperatoren setzten daher zusätzliche
Wasserkühlmaschinen ein, um die Durchflussanforderungen zu erfüllen. Manche
Systemplaner setzen sich für die Integration eines Rückschlagventils in der
Bypassleitung ein, so dass die primären und sekundären Kaltwasserpumpen in
Reihe geschaltet werden und der Durchfluss über den Verdampfer der
Wasserkühlmaschine geregelt werden kann. Andere Systemplaner installieren
größere Primärpumpen als erforderlich, um Wasserkühlmaschinen bei Teillast zu
“überpumpen”. Diese Lösungen sind jedoch nur eine “Erste Hilfe” und beheben
nicht die Ursache des Problems.
Coad2 verweist darauf, dass ein fehlerfreies Wassersystem wie geplant arbeitet
und erläutert die Mängel bei der Verwendung von Rückschlagventil und dem
”Überpumpen”. Taylor5 empfiehlt, einige Hilfsverfahren zu implementieren, um
das Problem zu beheben. Dazu gehören:
• 3-Wege-Ventile vermeiden.
• Feststellen, ob das Problem nicht von der luftseitigen Regelung verursacht wird.
• Auf eine korrekte Wartung des Systems achten, einschließlich eines regelmäßigen Wechsels der Luftfilter, der Reinigung von Wärmetauschern, Kalibrierung
der Regel- und Steuereinrichtungen und korrekte Sollwerte.
Versuchen Sie, vor Einsatz von “Erste-Hilfe-Maßnahmen” zur Behebung der
Symptome des “Minimum DT-Syndroms” den ordnungsgemäßen Betrieb des
Systems zu gewährleisten, indem Sie ein oder alle von Taylor5 vorgeschlagenen
Verfahren verwenden. Neben diesen Verfahren wird in Systemen mit 2-WegeRegelventilen durch Verringerung der Kaltwassertemperatur die Wasserrücklauftemperatur erhöht.
Rückschlagventil in der Bypassleitung
Manche Systemplaner empfehlen die Installation eines Rückschlagventils in der
Bypassleitung eines Systems mit Primär-Sekundär-Kreislauf, um eine ausreichende Durchflussrate in der Bypassleitung sicherzustellen. Grundlage dieser Empfehlung ist, dass das Rückschlagventil die Pumpen des Primär- und Sekundärkreislaufs im Falle eines Systemfehlers (geringe Temperaturdifferenz) in Reihe schaltet
und mehr Wasser durch die Wasserkühlmaschine pumpt. Auf diese Weise wird
der Durchfluss im Primär- und Sekundärkreislauf ausgeglichen. Dieser Ansatz ist
jedoch nicht allgemein anerkannt. Coad2 vertritt folgende Meinung:
Wenn das System mit variablem Volumenstrom ausgelegt wurde und aufgrund
niedriger Wasserrücklauftemperaturen Probleme auftreten, ist die Lösung nicht
in der Anlage, sondern vielmehr in der Kühllast zu suchen.
SYS-APM001-DE
63
Problemfragen zum
Kaltwassersystem
Abbildung 27 – Fehlerbehebung
Start von Wasserkühlmaschine 3
Als eine Lösung wurde die Installation eines Rückschlagventils in Anlagen mit
oder ohne entkoppeltem Wasserkreislauf vorgeschlagen. Das Rückschlagventil
kann jedoch lediglich verhindern, dass Wasser an den Wasserkühlmaschinen
vorbeigeleitet wird. Das Ergebnis ist eine größere Durchflussmenge der Wasserkühlmaschine. Mit der Installation des Rückschlagventils muss daher ein Algorithmus einhergehen, der bei Überschreiten der Auslegungs-Durchflussrate entweder die Drehzahl der Systempumpe(n) verringert oder zusätzliche Wasserkühlmaschinen einschaltet. Die Lösung mit Rückschlagventil birgt somit eigene
Probleme, und zahlreichen Systemplanern behagt es nicht, Pumpen in Serie zu
schalten, ohne die gesamten Auswirkungen zu kennen.
Daher wird hier die Verwendung von Rückschlagventilen in der Bypassleitung
nicht empfohlen.
Wasserkühlmaschine 2 nicht verfügbar
Fehlerbehebung
Wasserkühlmaschine 1 in Betrieb
Bypassleitung
Rücklauf
Kaltwasserzulauf
Bei den zahlreichen Ansätzen, die möglichen Kunden zur Verfügung stehen,
scheint der Hauptgedanke unterzugehen. Kaltwasseranlagen werden gekauft, um
zuverlässig Kaltwasser zu produzieren, das z. B. für die Komfortklimatisierung
oder die Prozesskühlung benötigt wird. Beim Betrieb einer solchen Anlage sind
daher Einrichtungen erforderlich, die Fehler an der Kalt- oder Kühlwasserpumpe,
der Verflüssigerpumpe, dem Kühlturm oder der Wasserkühlmaschine beseitigen.
Die Fehlerbehebung sollte ein fester Bestandteil des Steuer- und Regelsystems
der Kaltwasseranlage sein. Betrachten Sie Abbildung 27. Wenn die Folgeschaltung versucht, Wasserkühlmaschine 2 und die zugehörige Pumpe zu starten, die
Pumpe jedoch eine elektrische Störung aufweist, sperrt die Steuerung automatisch Wasserkühlmaschine 2 und die entsprechende Pumpe. Anschließend muss
die Steuerung Wasserkühlmaschine 3 und die zugehörige Pumpe starten. Gleichzeitig zeigt die Steuerung dem Betreiber eine Alarmmeldung an.
Alternative Energiequellen
Es zwei grundlegender Ansätze:
• Für eine alternative, interne Energiequelle sorgen, die bei einem Stromausfall
oder unverhältnismäßig hoher Stromkosten (tageszeitabhängige Tarife) die
Versorgung des Systems sicherstellt.
• Eine zusätzliche Möglichkeit zur Kaltwasserproduktion schaffen, z. B. durch
Verwendung von Erdgas, anderen fossilen Brennstoffen oder kostengünstigem
Strom als alternative Energiequelle.
64
SYS-APM001-DE
Problemfragen zum
Kaltwassersystem
Stromerzeugung
Entwurf, Konstruktion und Betrieb von Stromaggregaten mit ausreichender Leistung sind bekannt. Die Leistung des Stromaggregats kann für den Betrieb der gesamten Kälteanlage oder für eine Notsituation ausgelegt werden. Die Stromerzeugung kann außerbetrieblich erfolgen, um eine eine Erhöhung des innerbetrieblichen Anlagevermögens zu vermeiden.
Eine Möglichkeit der Stromerzeugung besteht in der Verwendung eines mit der
Wasserkühlmaschine direkt oder indirekt gekoppelten Motors. In beiden Fällen
wird Kaltwasser unter Verwendung eines alternativen Brennstoffs produziert, z. B.
Erdgas oder Heizöl. Bei indirekter Kopplung kann die Wasserkühlmaschine mit
einem alternativen Brennstoff oder Netzstrom betrieben werden. Bei einem direkt
gekoppelten Motor kann ausschließlich der alternative Brennstoffe verwendet
werden.
Alternative Brennstoffe
Manche Systemplaner bevorzugen Wasserkühlmaschinen, die fossile Brennstoffe
nutzen. Ein Beispiel sind Absorptions-Wasserkühlmaschinen, die mit Erdgas, Wasserdampf oder Heißwasser betrieben werden. Anlagen mit diesen Wasserkühlmaschinen, die an anderer Stelle detailliert erläutert werden4, bieten dem Eigentümer Vorteile bei dauerhaft unterschiedlichen Brennstofftarifen.
Wärmespeicherung
Eine andere, erfolgreich eingesetzte alternative Energiequelle ist die Wärmespeicherung. Wasserkühlmaschinen produzieren zu Zeiten geringer Stromkosten Eis
oder Kaltwasser. Die anfallende Energie wird in Behältern gespeichert und zu
Zeiten hoher Stromkosten freigegeben, um die Kühllast zu erbringen. Die Wärmespeicherung wird an anderer Stelle detailliert erläutert.6,7,8,9
Der Einsatz dieser Technologien bedeutet eine Wertsteigerung für den
Gebäudebesitzer durch überlegte Nutzung alternativer Brennstoffe.
SYS-APM001-DE
65
Problemfragen zum
Kaltwassersystem
Alternativplan
Neben der Fehlerbehebung sollten Anlagenplaner gemeinsam mit dem Gebäudebesitzer einen Alternativplan für die Kaltwasserproduktion erstellen, der bei Notabschaltungen oder längeren Ausfällen greift. Für die Prozesskühlung ist dies
häufig unabdingbar. Ein solcher Plan könnte beispielsweise die Zusammenarbeit
mit Zulieferern umfassen, um kurze Vorlaufzeiten bei Geräteleasing zu gewährleisten. Wird das Geräteleasing mit einer Integration von Anschluss-Stutzen bzw.
Flanschen in das Kaltwassersystem kombiniert, können die Geräte schneller
angeschlossen und der Alternativplan schneller umgesetzt werden, so dass die
Produktion von Kaltwasser in kürzester Zeit erneut anläuft.
Alternativplan für den Kühlbetrieb
Zahlreiche Unternehmen verfügen heutzutage über Alternativpläne für wichtige
Bereiche ihres Geschäfts. Einige wurden für Naturkatastrophen aufgestellt,
während andere einen Stromausfall in entscheidenden Bereichen beheben. Nur
wenige Unternehmen haben sich jedoch Gedanken über einen Ausfall der Kühlung gemacht. Welche Auswirkungen hätte ein Ausfall oder extremer Abfall der
Kühlung durch Wetterbedingungen oder andere Faktoren auf das Geschäft?
Welche finanziellen Risiken gehen mit dem Ausfall der Kühlung einher?
Alternativpläne für die Kühlung haben eine Minimierung der Verluste durch den
vollständigen oder teilweisen Ausfall der Kühlung zum Ziel. Der Gebäudebesitzer
kann durch die Existenz eines Notfallplans und die Vorbereitung von
Ersatzgeräten schneller reagieren. Zahlreiche Unternehmen nehmen diese
Vorbereitung erst nach der Konstruktionsphase vor, obwohl diese Phase eine
einfache und kostengünstige Gelegenheit bietet, die Anlage vorzubereiten.
Zudem ist dies der geeignete Zeitpunkt, Wasser- und Stromanschlüsse zu
installieren. Die Kosten können so niedrig gehalten werden, und es besteht kein
Bedarf, vorhandene Geräte auszuschalten, um die erforderlichen Vorbereitungen
im Gebäude zu treffen.
Alternativpläne für die Kühlung sind dazu gedacht, sich auf einen Ausfall der Kühlung während des alltäglichen Betriebs vorzubereiten. In einer kritischen Situation
kann so überlegter und ohne Überstürzung gehandelt werden. Die folgenden
Themen sind allgemein gehalten. Sie geben einen Überblick über den Planungsprozess. Die Alternativplanung selbst ist äußerst detailliert und situationsabhängig.
Erforderliche Mindestkapazität: Zunächst muss die erforderliche Mindestkapazität
festgestellt werden. Verfügt die Anlage über mehrere Wasserkühlmaschinen, ist
eine geringere Leistung in Notsituationen akzeptabel. Beispiel: Die Kälteleistung
einer Anlage beträgt 6.330 kW, es ist jedoch nur eine Mindestleistung von
4.220 kW erforderlich. Daher muss ein Aktionsplan für den Fall aufgestellt werden,
dass Wasserkühlmaschine 1, Wasserkühlmaschine 2 und 3, usw. ausfällt.
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SYS-APM001-DE
Problemfragen zum
Kaltwassersystem
Typ und Größe der Wasserkühlmaschine
Typ und Größe der für eine Einrichtung benötigten Alternativkühlung werden von
mehreren Faktoren bestimmt. Die Wahl der Wasserkühlmaschine bestimmt im
Gegenzug, wie die Anlage vorbereitet wird. Die folgenden Parameter haben u. a.
Einfluss auf die Wahl der Wasserkühlmaschine:
• Leistungsaufnahme
• Installationsfreundlichkeit (luftgekühlte Wasserkühlmaschinen sind leichter zu
installieren)
• Standort oder verfügbarer Platz
• Komfort- oder Prozesskühlung
Standort der Anlage
Der Standort kann bei der Alternativplanung eine wichtige Rolle spielen. Bei der
Wahl eines Standorts für Ersatzgeräte müssen folgende Faktoren berücksichtigt
werden:
• Lage der Wasser- und Stromanschlüsse
• Geräuschempfindliche Bereiche der Einrichtung
• Leichter Zugang für die Servicemitarbeiter
• Kein Zugang für unbefugte Personen
Wasser- und Stromanschlüsse
• Dimensionierung des Wasseranschlusses
• Lage externer Anschlüsse
• Ausreichende Energieversorgung
• Leistung des Generators (bei Bedarf)
Zusatzausrüstung
• Pumpenleistung
• Ersatzleitungen und -Schlauchverbindungen
• Stromkabel
Dieser Abschnitt gibt einen kurzen Überblick über Faktoren, die bei der Erstellung
eines Alternativplans für die Kühlung zu berücksichtigen sind. Bedenken Sie
jedoch, dass je nach Anwendung andere Faktoren ebenfalls eine Rolle spielen
können.
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67
Problemfragen zum
Kaltwassersystem
Verweise
1. Avery, G., PE; “Controlling Chillers in Variable-Flow System”, ASHRAE Journal,
Februar 1998, S. 42-45.
2. Coad, W.J., PE; “A Fundamental Perspective on Chilled-Water Systems”,
Heating/Piping/Air Conditioning, August 1998, S. 59-66.
3. Kirsner, W.; “The Demise of the Primary-Secondary Pumping Paradigm for
Chilled-Water Plant Design”, Heating/Piping/Air Conditioning, November 1996.
4. Schwedler, M., PE and Brunsvold, D., Absorption Chiller System Design, SYSAM-13, The Trane Company, Mai 1999.
5. Taylor, S. T.; “Degrading Delta-T in New and Existing Chilled Water Plants”,
Cool $ense National Forum on Integrated Chiller Retrofits, Lawrence Berkeley
National Laboratory and Pacific Gas & Electric, September 1997.
6. Trane Applications Engineering Group, “Thermal Storage – Understanding Its
Economics”, Ice Storage Systems, Engineered Systems Clinics. ISS-CLC-1, The
Trane Company, 1991.
7. Trane Applications Engineering Group, “Thermal Storage – Understanding the
Choices”, Ice Storage Systems, Engineered Systems Clinics. ISS-CLC-2, The
Trane Company, 1991.
8. Trane Applications Engineering Group, “Thermal Storage – Understanding
System Design”, Ice Storage Systems, Engineered Systems Clinics. ISS-CLC- 3,
The Trane Company, 1991.
9. Trane Applications Engineering Group, “Thermal Storage – Understanding
Control Strategies”, Ice Storage Systems, Engineered Systems Clinics. ISS-CLC2, The Trane Company, 1991.
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SYS-APM001-DE
Variationen im
Kühlwassersystem
In wassergekühlten Wasserkühlmaschinen müssen Änderungen im Kühlwassersystem beachtet werden. Die Temperaturen und Durchflussraten des Kühlwassers
werden in Abschnitt “Grundlagen der Kaltwasseranlagen” erläutert. Da die Steuerung von luftgekühlten Verflüssigern Teil der Wasserkühlmaschinenkonstruktion
sind, wird hier auf dieses Thema nicht eingegangen.
Um eine optimale Wärmeübertragungsleistung zu erzielen, müssen die Wärmeübertragungsflächen des Verflüssigers frei von Kesselstein und Schlamm sein.
Selbst eine geringe Kesselsteinansammlung kann die Wärmeübertragung und
damit den Wirkungsgrad der Wasserkühlmaschine erheblich mindern.
Einzelheiten zur Aufbereitung von Kühlturmwasser werden in diesem Handbuch
nicht erläutert. Nehmen Sie die Dienste eines qualifizierten Spezialisten für die
Wasseraufbereitung in Anspruch, um den erforderlichen Umfang der
Wasseraufbereitung zur Beseitigung von Schadstoffen im Kühlturmwasser zu
ermitteln.
Konfiguration der Verflüssiger-Durchflussrate
Abbildung 28 – Leitungsanschluss der
Kühlwasserpumpen
Kühltürme
Kühlwasserpumpen
Die wichtigste Voraussetzung ist ausreichender Druck am Pumpeneintritt. Die
Pumpe muss daher häufig unterhalb des Auffangbeckens des Kühlturms positioniert werden.
Ein Kühlturm pro Wasserkühlmaschine
Bei einigen Anwendungen ist jeder Wasserkühlmaschine ein Kühlturm zugeordnet. Dies ist vor allem dann der Fall, wenn die Wasserkühlmaschinen und zugehörigen Kühltürme zu unterschiedlichen Zeitpunkten angeschafft wurden, z. B. im
Zuge einer Anlagenerweiterung.
Verteilerpumpen
Eine häufig verwendete Pumpenanordnung verfügt über ein Kühlturmauffangbecken mit mehreren Pumpen, eine Kühlwasserleitung sowie separate, kleiner
dimensionierte Leitungen für jede Wasserkühlmaschine (siehe Abbildung 28). Sie
bietet eine Reihe von Vorteilen:
• Redundante Pumpenleistung.
• Wenn die Zellen des Kühlturms isoliert werden können, ist ein Betrieb jeder
Kühlturmzelle mit einer beliebigen Wasserkühlmaschine möglich.
• Die Wasseranschlüsse bereiten im Allgemeinen weniger Probleme als auf der
Kaltwasserseite.
• Kühltürme können von Wasserkühlmaschinen entfernt positioniert werden und
mittels einer einzigen Zulauf- und Rücklaufleitung angeschlossen werden.
Kühllast
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Variationen im
Kühlwassersystem
Kühlwasserregelung für vorübergehende Bedingungen
Der Betrieb jeder Wasserkühlmaschine erfordert eine Druckdifferenz zwischen
Verdampfer und Verflüssiger. Die Wasserkühlmaschine muss diese Druckdifferenz
innerhalb der vom Hersteller spezifizierten Zeit erzeugen. Andernfalls wird sie
durch die Steuerung abgeschaltet. Unter bestimmten Anlaufbedingungen kann es
problematisch sein, diese Druckdifferenz innerhalb der angegebenen Zeit
aufzubauen.
Dies kann beispielsweise in einem Bürogebäude der Fall sein, das während eines
kalten, klaren Herbstwochenendes nicht besetzt war. Die Wassertemperatur im
Auffangbecken des Kühlturms beträgt 4,4 °C. Am Montag ist es jedoch sonnig
und warm, so dass die Wasserkühlmaschine eingeschaltet werden muss. Da die
Wasserkühlmaschine jedoch nur geringfügig belastet ist und das Auffangbecken
des Kühlturms sehr groß ist, kann die Druckdifferenz nicht vor Abschalten der
Wasserkühlmaschine erreicht werden. Kann hingegen die Durchflussmenge am
Verflüssiger für eine bestimmte Wasserkühlmaschine reduziert werden, ist ein
solches Szenario weniger wahrscheinlich. Durch die geringere Durchflussmenge
steigt die Kühlwasseraustrittstemperatur, die Kältemitteltemperatur des
Verflüssigers sowie der Druck des Kältemittels.
Die Durchflussmenge kann wie folgt reduziert werden:
• Kühlturm-Bypassleitung
• Wasserkühlmaschinen-Bypassleitung
• Ein bis zwei Drosselventile in der Kühlwasserleitung und Pumpenbetrieb gemäß
der zugehörigen Kurve
• Kühlwasserpumpe mit variabler Drehzahl
Nachdem die Mindestdruckdifferenz erreicht wurde, kann der Durchfluss erhöht
werden, solange diese Mindestdruckdifferenz nicht unterschritten wird. Manche
Systemplaner und Betreiber sind besorgt, dass unter solchen Anlaufbedingungen
die Kühlwasserrohre verschmutzen könnten. Da die Anlage jedoch nur selten und
für kurze Zeit bei reduzierter Durchflussmenge betrieben wird, ist diese Befürchtung unbegründet. Die Vor- und Nachteile dieser Möglichkeiten werden in verschiedenen Veröffentlichungen dargelegt.1,5
70
SYS-APM001-DE
Variationen im
Kühlwassersystem
Regelungsmethoden für den Kühlturmventilator
In Kühltürmen wird die Wassertemperatur im Auffangbecken erzeugt. Bei Änderung der Wärmeabfuhrlast oder der Umbegungsluft-Feuchtkugeltemperatur
müssen die Kühlturmventilatoren mehr oder weniger Luft bewegen, um die
gewünschte Wassertemperatur zu erreichen.
Betrieb eines einzelnen Ventilators
Das Ein- und Ausschalten eines einzelnen Ventilators stellt eine Methode dar, die
Wassertemperatur grob zu regeln. Da sich der Luftstrom in Abhängigkeit der
Ventilatordrehzahl ändert, ändert sich auch die Wärmeabfuhr.
Temperaturschwankungen zwischen 4 °C und 6 °C sind nicht selten. Manche
Wasserkühlmaschinen, vor allem ältere Modelle mit pneumatischer Steuerung,
erbringen bei derartigen Temperaturschwankungen eine geringere Leistung.
Zudem muss darauf geachtet werden, dass der Ventilator nicht zu häufig ein- und
ausgeschaltet wird, da dies zu Schäden am Motor, Antrieb oder Ventilatorblock
führen kann.
2-stufige Ventilatoren
Häufig werden Kühlturmventilatoren mit zwei Drehzahlstufen installiert, um
Temperaturschwankungen zu verringern. Die niedrigere Drehzahl beträgt im
Allgemeinen zwischen 50 und 70 Prozent der vollen Drehzahl. Da sich die Wärmeabfuhr ungefähr proportional zur Ventilatordrehzahl ändert, liegen die
Temperaturschwankungen bei nur 50 bis 75 Prozent des Betriebs eines einzelnen
Ventilators. Auch in diesem Fall sollte der Ventialtor nicht zu häufig ein- und
ausgeschaltet werden, da sonst das Getriebe einem erheblichen Verschleiß
unterliegt und ausfallen kann. Ein wichtiger Vorteil 2-stufiger Ventilatoren besteht
darin, dass der Stromverbrauch des Ventilators bei niedriger Drehzahl wesentlich
geringer ist. Der Stromverbrauch des Ventilators entspricht (ungefähr) der
Kubikwurzel der Drehzahl. Bei halber Drehzahl liegt der Stromverbrauch daher bei
ca. 15 Prozent des Verbrauchs bei voller Drehzahl.
“Pony“–Motor
Eine weitere Option, die Kühlturmhersteller anbieten, ist die Bereitstellung von
zwei separaten Motoren für den Antrieb des Ventilators. Der kleinere der beiden
Motoren wird als “Pony“-Motor bezeichnet. Er wird bei zwei Dritteln der vollen
Drehzahl betrieben und verbraucht etwa 30 Prozent des Stroms, der bei voller
Drehzahl erforderlich ist. Entscheidend ist, dass bei der Steuerung des Kühlturms
der Wechsel zwischen verschiedenen Drehzahlen minimiert wird.
Antriebe mit variabler Drehzahl
Die Verwendung von Antrieben mit variabler Drehzahl für Kühlturmventilatoren
bietet zwei wichtige Vorteile. Zum einen kann die Temperatur des
Kühlturmwasser sehr exakt reguliert werden. Zum anderen können erhebliche
Energieeinsparungen erzielt werden, da der Stromverbrauch des Ventilators der
Kubikwurzel aus der Geschwindigkeit entspricht. Zudem kann bei Antrieben mit
variabler Drehzahl die Ventilatordrehzahl geändert werden, ohne dass an Getriebe
oder Motor Verschleißerscheinungen auftreten. Sie können darüber hinaus
akustische Vorteile bringen, da die Geräuschentwicklung bei niedriger Drehzahl
wesentlich geringer ist.
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Variationen im
Kühlwassersystem
Plattenwärmetauscher
Wie bereits in Abschnitt “Variationen im Kaltwassersystem” erläutert wurde, können Plattenwärmetauscher zusammen mit einem Kühlturm eingesetzt werden,
um bei geringen Feuchtkugeltemperaturen Kühlung zu leisten. In diesen Fällen
wählen Systemplaner häufig einen überdimensionierten Kühlturm, so dass dieser
für längere Zeiten mit dem Wärmetauscher verwendet werden kann.
Brunnen-, Fluss- oder Seewasser
Es kann vorkommen, dass Brunnen-, Fluss- oder Seewasser durch den Verflüssiger gepumpt wird. In dieser Situation sollten die Kosten für das Pumpen des
Wassers jedoch mit den Vorteilen für die Wasserkühlmaschine durch den
erhöhten Durchfluss am Verflüssiger verglichen werden. Der in der lokalen
Gesetzgebung verankerte Umweltschutz ist ein weiterer zu berücksichtigender
Faktor. In manchen Regionen ist ein Ablassen von genutztem Brunnenwasser
verboten. Andere lokale Behörden begrenzen die maximale Temperatur von
Wasser, das in ein Gewässer geleitet wird. Die Durchflussmenge muss sorgfältig
gewählt werden, um sowohl wirtschaftliche als auch umweltpolitische
Anforderungen zu erfüllen.
Regelung der Kühlwassertemperatur
Energiegleichgewicht zwischen Wasserkühlmaschine und Kühlturm
Die Regelung der Kühlwassertemperatur wurde von verschiedenen Personen
untersucht. In den vergangenen Jahren haben Braun und Didderich2, Hydeman,
Gillespie und Kammerud3 sowie Schwedler4 unabhängig voneinander
festgestellt, dass das Gleichgewicht zwischen dem Stromverbrauch der
Wasserkühlmaschine und des Kühlturms große Bedeutung hat. Hydeman, et al.
haben belegt, dass die optimale Kühlwassertemperatur für eine spezifische
Kaltwasseranlage sowohl von der Wasserkühlmaschinenlast als auch von der
Umgebungstemperatur abhängt (siehe Abbildung 29). Alle Studien haben
gezeigt, dass bei vielen Betriebspunkten die niedrigste Temperatur, die der
Kühlturm produzieren kann, nicht optimal ist. Systemplaner und -betreiber
müssen die Nutzung von Steuerungen auf Systemebene analysieren, um die
Temperatur im Auffangbecken so einzustellen, dass die
Gesamtleistungsaufnahme von Wasserkühlmaschine und Kühlturm reduziert
wird. Diese optimale Steuerung von Wasserkühlmaschine und Kühlturm kann
mittels eines Managementsystems für Kälteanlagen automatisiert werden.
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SYS-APM001-DE
Variationen im
Kühlwassersystem
Abbildung 29 – Optimierung der Leistungsaufnahme von Wasserkühlmaschine und
Kühlturm
1.200
Leistungsaufnahme (kW)
1.000
5.803 kW 18,3 °C Feuchtkugel
800
600
4.080 kW 15 °C Feuchtkugeltemperatur
400
2.567 kW 12,2 °C Feuchtkugeltemperatur
200
0
60 62
64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 84 86 88
Leistungsaufnahme der Anlage im Verhältnis zum
Sollwert der Kühlwassertemperatur
Oberhalb dieser KühlwasNiedrigste Temperatur des
Kühlwasser-Sollwert (°F)
sertemperatur entspricht
Kühlwassers, die der Kühldie Kälteleistung der Wasturm bei dieser Kühllast
serkühlmaschinen nicht
und Feuchtkugeltemperatur
mehr der Kühllast.
produzieren kann
Abbildung 29 wurde mit Genehmigung von Hydeman, et al. verwendet.
Optionen für die Kühlwasserpumpe
Gleichgewicht zwischen Wasserkühlmaschine und Pumpe
In bestimmten Situationen kann ein Systemplaner die Durchflussmenge des Kühlwassers zusätzlich oder anstelle der Drehzahl des Kühlturmventilators ändern.
Dies ist in Systemen mit hoher Pumpenleistung von Vorteil. Bei Verwendung
eines Antriebs mit variabler Drehzahl kann die Durchflussrate reduziert werden,
um den Stromverbrauch der Pumpe wesentlich zu senken – etwa im Verhältnis
zur Kubikwurzel der Drehzahl. Eine Änderung der Geschwindigkeit von Pumpe
und Ventilator ist komplex und erfordert eine angemessene Auslegungs- und
Installationszeit.
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Variationen im
Kühlwassersystem
Einschränkungen des variablen Volumenstroms
Der Durchfluss am Verflüssiger muss oberhalb der für den Verflüssiger zulässigen
Mindestdurchflussmenge liegen. Der Operator muss die
Annäherungstemperatur des Verflüssigers (die Differenz zwischen der
Kühlmitteltemperatur im Verflüssiger und der Austrittstemperatur des
Kühlwassers) protokollieren, um eine Verschmutzung der Rohre zu verhindern.
Die Annäherungstemperatur kann mittels eines Managementsystems für
Kälteanlagen überwacht werden.
Abbildung 30 – Entkoppeltes
Kühlwassersystem
Kühlturmventilator
(Wechselrichterbetrieb)
Kühlturm
Wasserauffangbecken
Umlaufpumpe
für das
Kühlturmwasser
Die Konstruktion von Kühlturm und/oder Kühlturmdüsen kann die zulässige
Durchflussmenge am Verflüssiger beeinflussen. Fällt der Durchfluss unter das
vom Hersteller angegebene Minimum, wird das Wasser nicht mehr gleichmäßig
im Kühlturm verteilt. Die Effektivität der Wärmeübertragung am Kühlturm nimmt
daher ab. In Extremfällen kann es sogar zu einem Gefrieren des Wassers im Kühlturm kommen. Wenn Sie einen variablen Durchfluss in Betracht ziehen, sollten
Sie sich mit dem Hersteller des Kühlturms in Verbindung setzen, um die Mindestdurchflussmenge zu erfragen und Düsen oder Kühlturmkonfigurationen zu wählen, die variable Durchflussmengen unterstützen.
Entkoppeltes Kühlwassersystem
Um mögliche Probleme aufgrund variabler Durchflussmengen an einem Kühlturm zu umgehen, entkoppeln manche Systemplaner das Kühlwassersystem
(siehe Abbildung 30). Diese Anordnung ermöglicht eine Energieoptimierung,
indem die Pumpenleistung reduziert wird, ohne das System übermäßig zu komplizieren. Da Kühltürme bei einem vollen Wasserdurchfluss über das Übertragungsmedium die beste Leistung erzielen, sorgt eine separate Umlaufpumpe für
einen konstanten Durchfluss im Kühlturm. Diese Pumpe verbraucht nur wenig
Strom, da nur eine äußerst geringe Druckerhöhung notwendig ist.
Dedizierte Kühlwasserpumpen mit variablem Durchfluss (CDWP-1 und CDWP-2)
ermöglichen eine Herabsetzung der Pumpenleistung, wenn die Temperatur des
Kühlwassers eine unproduktive Reduzierung des Kältemitteldrucks im
Verflüssiger verursacht. Die Anzahl dezidierter Pumpe lässt die Anordnung
zunächst kompliziert erscheinen, berücksichtigen Sie jedoch den Wegfall von
Reglern und Ventilen.
CDWP-2
(Wechselrich
-terbetrieb) Wasserkühlmaschine 2
CDWP-1
(Umkehrer)
Wasserkühlmaschine 1
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SYS-APM001-DE
Variationen im
Kühlwassersystem
Nachrüstungsmöglichkeiten
Bei Einsatz der zuvor in Abschnitt “Kaltwassersystem – Optionen” vorgestellten
Konzepte für geringe Durchflussmengen stehen zahlreiche Nachrüstungsmöglichkeiten offen. Gebäudebesitzer können beispielsweise die Kapazität eines vorhandenen Systems in Folge einer Gebäudeerweiterung erhöhen. In vielen Gebäuden befindet sich das Kühlwassersystem (Leitungen, Pumpe und Kühlturm) in gutem Zustand, es erweist sich jedoch als unterdimensioniert. Durch eine Änderung
der traditionellen Konstruktion kann häufig die vorhandene Infrastruktur beibehalten und trotzdem zusätzliche Kapazität gewonnen werden.
Berücksichtigen Sie, dass ein Kühlturm nicht auf eine bestimmte Leistung beschränkt ist. Kühltürme sind Wärmetauscher, die Wärme zwischen der
Wassereintrittstemperatur und der Umgebungs-Feuchtkugeltemperatur
übertragen. Durch eine Änderung der Durchflussrate oder der Temperatur kann
die Kühlturmkapazität beeinflusst werden – häufig positiv. Das folgende Szenario
stellt dies beispielhaft dar.
Beispiel Ein Krankenhaus verwendet derzeit eine Wasserkühlmaschine mit einer
Kälteleistung von 1.580 kW, die ersetzt werden muss. Die Kühlwasser-Durchflussrate beträgt 85,2 l/s. Die folgenden Voraussetzungen müssen bei der Wahl eines
Kühlturms erfüllt werden:
• Wassereintrittstemperatur: 35 °C [95 °F]
• Wasseraustrittstemperatur: 29,4 °C [85 °F]
• Umgebungsluft-Feuchtkugeltemperatur: 25,6 °C [78 °F]
Vor Kurzem wurde der Kühlturmeinbau ausgetauscht. Kühlturm, Kühlwasserleitungen und Pumpe sind in gutem Zustand. Das Krankenhaus plant eine Erweiterung um 50 Prozent mehr Kühllast auf 2.370 kW. Muss das Kühlwassersystem
ersetzt werden? Die Antwort lautet “Nein”, solange die Wasserkühlmaschine
korrekt ausgewählt wird.
Wie ist dies möglich? Wenn der Druckabfall des Kühlwassers an der neuen Wasserkühlmaschine gleich oder kleiner als der Druckabfall an der vorhandenen
Wasserkühlmaschine ist, kann die gleiche Wassermenge gepumpt werden. Bei
gleicher Durchflussmenge kann eine Wasserkühlmaschine mit einer Leistung von
2.370 kW mit einem Temperaturanstieg des Kühlwassers von ca. 8,3 °C gewählt
werden. Unter Verwendung der Auswahlsoftware des Kühlturmherstellers kann
der gleiche Kühlturm bei erhöhter Temperaturdifferenz verwendet werden. Wie in
Abbildung 31 zu sehen ist, lauten die neuen Sollwerte wie folgt:
• Wassereintrittstemperatur: 39,4 °C [103 °F]
• Wasseraustrittstemperatur: 31,1 °C [88 °F]
• Umgebungsluft-Feuchtkugeltemperatur: 25,6 °C [78 °F]
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Variationen im
Kühlwassersystem
Es zeigt sich, dass mit dem gleichen Kühlturm und der gleichen Durchflussrate
mehr Wärme abgegeben werden kann (ca. 50 Prozent mehr).
Der Systemplaner kann häufig zur Senkung der Gesamtprojektkosten beitragen,
indem die vorhandene Infrastruktur beibehalten und nur eine Wasserkühlmaschine mit größerer Temperaturdifferenz ausgewählt wird.
Abbildung 31 – Auswahl eines Kühlturms mit anderen Wasserkühlmaschinenleistungen
Kühlturm
Wassertemperatur ( °F)
90
15 °F [8,3 °C] D
85
10 °F [5,6 °C] D
80
75
70
8,3 °C Unterschied
5,6 °C Unterschied
Sollwert
65
55
60
65
70
75
80
Feuchtkugeltemperatur ( °F)
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SYS-APM001-DE
Variationen im
Kühlwassersystem
Verweise
1. “Condenser-Water Temperature Control for CenTraVac™ Centrifugal Chiller
Systems”, CTV-EB-84, The Trane Company, Mai 1997.
2. Braun, J.E. and Diderrich, G.T.; “Near-Optimal Control of Cooling Towers for
Chilled-Water Systems.” ASHRAE Transactions, 96(2):806-13.1990.
3. Hydeman, M., Gillespie, K., and Kammerud, R.; “CoolTools Project: A Toolkit to
Improve Evaluation and Operation of Chilled-Water Plants.” Cool $ense
National Forum on Integrated Chiller Retrofits, Lawrence Berkeley National
Laboratory and Pacific Gas & Electric, September 1997.
4. Schwedler, M., PE, and Bradley, B.; “Tower Water Temperature – Control It
How???” Engineers Newsletter, Volume 24, No. 1, The Trane Company, 1995.
5. “Water-Cooled Series R Chiller – Models RTHB & RTHC Condenser Water
Control”, RLC-EB-4, The Trane Company, August 1999.
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Schlussfolgerung
Da die meisten Kaltwassersysteme mehr als eine Wasserkühlmaschine enthalten,
müssen Sie die Konzepte für eine Verwendung mehrerer Wasserkühlmaschinen
und deren Anwendung kennen. Die betreffenden Prinzipien sind nicht übermäßig
komplex. Der Systemaufbau besteht lediglich darin, einige Grundregeln der
angewandten Physik zu beachten.
Für Konstruktion und Betrieb von Kaltwassersystemen steht eine Vielzahl von
Auswahlmöglichkeiten zur Verfügung. Hierzu zählen Durchflussrate, Temperatur,
Systemkonfiguration und Steuerungsoptionen. Nach Beurteilung des Bedarf und
der Anforderungen des Gebäudebesitzers und des Betreibers der Kälteanlage
können Systemplaner Lösungen mit einer beachtlichen Wertsteigerung auswählen.
Bei der Anwendung der Prinzipien in diesem Handbuch müssen die folgenden
Regeln beachtet werden:
• Regel 1 Bemühen Sie sich um Einfachheit. Einfach bedeutet nicht, möglichst
wenige Komponenten zu verwenden. Einfachheit ermöglicht normalerweise
allgemeine Verständlichkeit.
• Regel 2 Wenn der Systemplaner die Funktionsweise eines Systems erläutern
kann, besteht die berechtigte Annahme, dass das System ordnungsgemäß
arbeiten wird. Kann er die Funktionsweise eines Systems nicht erklären, ist ein
effizienter Betrieb des Systems unwahrscheinlich.
• Regel 3 Wenn der Systembetreiber die Erklärung des Systemplaners versteht,
wird das System vermutlich ordnungsgemäß arbeiten. Andernfalls ist ein
effizienter Betrieb des Systems unwahrscheinlich.
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Glossar
ASHRAE American Society of Heating, Refrigeration, and Air Conditioning
Engineers (Amerikanische Vereinigung der Heiz-, Kühl- und KlimatechnikIngenieure).
COP Coefficient of Performance (Leistungskoeffizient oder Leistungszahl);
Kühlwirkung geteilt durch Wärmeaufnahme (ohne Einheit); Kehrwert des
Wirkungsgrades.
Direkte digitale Regelung (DDC - direct digital control) Programmierung von
Gebäuderegelsystemen zur Steuerung variabler Ausgänge, z. B. Ventile oder
Stellglieder. In der Klimaindustrie steht DDC für eine direkte digitale Regelung
durch einen Mikroprozessor-Controller ohne Zwischengeräte.
Gebäude-Automatisierungssystem Eine Kombination aus Reglern und anderen
Softwareprodukten, die mit verschiedenen mechanischen Systemen kommunizieren und diese steuern, um das Gebäudemanagement zu ermöglichen. Hierzu
zählen neben Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlage auch Beleuchtungssysteme,
Zugangskontrolle sowie verschiedene weitere Geräte innerhalb eines Gebäudes.
Auch als Gebäudemanagementsystem (BMS) bezeichnet.
Geflutete Rohrbündelverdampfer Verdampfer, Wasserdurchfluss durch Rohre in
einen Verdampfer und außerhalb der Rohre Kältemittel.
Kühllast, Kälteverbraucher Geräte, Kühlstellen.
Kaltwasser Kaltwasser bzw. am Verdampfer austretendes Wasser, das von der
Wasserkühlmaschine produziert wird (indem es durch das Rohrbündel des Verdampfers fließt) und das zu den Wärmetauschern der RLT-Anlage im gesamten
Gebäude gepumpt wird. Innerhalb des Verdampfers umströmt das Kältemittel
das Rohrbündel, das die Wärme aus dem Kaltwasserrücklauf absorbiert.
Kühlwasser Wird auch als Kühlturmwasser, als austretendes Kühlwasser, austretendes Kühlwasser, eintretendes Absorberwasser oder Verflüssigerabsorberwasser bezeichnet. Wird aus einer Quelle (Kühlturm, Fluss, Brunnen, usw.), an die
Wärme abgegeben wird, gewonnen, durch die Rohre im Absorber und Verflüssiger und zurück zur Quelle geleitet.
Bei elektrisch betriebenen Wasserkühlmaschinen nimmt das Kühlwasser nur
Wärme vom Verflüssiger auf. Bei Absorptions-Wasserkühlmaschinen muss das
Kühlwasser zudem Wärme vom Absorber aufnehmen. Das Wasser fließt im
Allgemeinen von der Quelle mit einer Temperatur von 29,4 °C zunächst zum
Absorber und anschließend zum Verflüssiger (Reihenschaltung). Die zugehörigen
Temperaturen sind die Wassertemperatur beim Eintritt in den Absorber (oder
beim Austritt aus dem Kühlturm) und die Wassertemperatur beim Austritt aus
dem Verflüssiger (oder beim Eintritt in den Kühlturm).
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79
Glossar
Kühlturmwasser Siehe Kühlwasser.
Kühlwasser, Austritt Siehe Kühlwasser.
Mechanischer Verdichtungszyklus Elektrisch betriebene Wasserkühlmaschinen
verwenden Elektromotoren, die zur Produktion von Kaltwasser für das Kühlsystem einen Verdichter antreiben. Dies geschieht über ein mechanisches Verfahren, in das Kältemittel als Betriebsmittel eingesetzt wird. Innerhalb der Behälter
herrschen Temperatur- und Druckunterschiede. Wärme wird dort bei geringen
Temperaturen absorbiert und mit höherer Temperatur abgegeben.
Psychrometische Datenermittlung Messung von Temperatur, Druck und
Luftfeuchtigkeit mittels eines psychrometrischen Diagramms.
Psychrometrisches Diagramm Diagramm, das die Beziehung zwischen
Temperatur, Druck und Luftfeuchtigkeit darstellt.
Pumpen (System)
Kaltwasserpumpe Befördert das Kaltwasser durch den Verdampferabschnitt der
Wasserkühlmaschine und anschließend durch die Rohrleitungen des Gebäudes.
Kühlwasserpumpe Befördert das Kühlwasser von der Quelle/Kühlturm durch
die Wasserkühlmaschine, den Verflüssiger und zurück zur Quelle/Kühlturm.
Rohrbündel Bezeichnung für einen Wärmetauschertyp, der aus einem
Rohrbündel innerhalb eines Gehäuses besteht und häufig in Verflüssigern und
Verdampfern eingesetzt wird. Bestehend aus Mantel, Rohre die im Rohrboden
eingelassen sind.
Temperatur, Umgebungs- Lufttemperatur in der Umgebung des betreffenden
Objekts.
Temperatur, Feuchtkugel Maßeinheit für die Luftfeuchtigkeit. Dies ist die
Verdunstungstemperatur einer Luftprobe, die mittels eines Thermometers
gemessen wird, dessen Schaft mit einem feuchten Docht bedeckt ist.
Turmwasser Siehe Kühlwasser.
3-Wege-Ventil Ein Durchfluss-Regelventil mit drei Anschlüssen für die Flüssigkeit.
Es reguliert die konstante Durchflussmenge durch oder um die Kälteverbraucher.
2-Wege-Ventil Ein Durchfluss-Regelventil mit zwei Anschlüssen für die Flüssigkeit.
Verflüssiger Bauteil der Wasserkühlmaschine, in dem Kältemitteldampf in
Flüssigkeit umgewandelt wird, so dass bei Eintritt des Kältemittels in den
Verdampfer Temperatur und Druck reduziert sind.
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SYS-APM001-DE
Glossar
Ventil, Drossel- Kleines Ventil, das vor allem in Manometerleitungen eingesetzt
wird, um die Leitung zwischen den Ablesungen zu sperren und während der
Ablesung zu drosseln, so dass Schwankungen verhindert werden.
Verdampfer Bereich der Wasserkühlmaschine, in dem das Kaltwasser des
Systems kontinuierlich gekühlt wird, indem das Kältemittel innerhalb eines
Vakuums durch Wärmeabsorption aus dem Kaltwasserrücklauf in Dampf
umgewandelt wird.
Verschmutzung Ablagerung von Fremdmaterial auf der Wasserseite der Rohre in
Kältemittel-Verflüssigern oder Wasserkühlmaschinen, die die Wärmeübertragung
beeinflussen.
Wärmetauscher Ein Verdampfer oder Verflüssiger, der aus Rohren mit oder ohne
erweiterter Oberfläche (Lamellen) besteht.
Wärmeübertragung Übertragung von Wärme von einem Körper bzw. einer
Substanz an eine andere. Die drei Wärmeübertragungsmethoden lauten Leitung,
Konvektion und Strahlung.
Wasserkühlmaschine Maschinentechnik zur Beförderung von Kaltwasser zu den
verschiedenen Kühlregistern einer Installation.
Wärmetauscher Gerät zur Übertragung von Wärme zwischen zwei physisch
getrennten Flüssigkeiten / Medien.
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Bibliographie
2000 ASHRAE HVAC Systems and Equipment Handbook, Chapter 12, Hydronic
Heating and Cooling System Design. American Society of Heating, Refrigeration,
and Air Conditioning Engineers (Amerikanische Vereinigung der Heiz-, Kühl- und
Klimatechnik-Ingenieure).
2000 ASHRAE HVAC Systems and Equipment Handbook, Chapter 36, Cooling
Towers. American Society of Heating, Refrigeration, and Air Conditioning
Engineers (Amerikanische Vereinigung der Heiz-, Kühl- und KlimatechnikIngenieure).
ARI Standard 550/590 1998, Standard for Water Chilling Packages Using the Vapor
Compression Cycle, Air-Conditioning & Refrigeration Institute.
ARI Standard 560–1992, Standard for Absorption Water Chiller and Water Heating
Package, Air-Conditioning & Refrigeration Institute.
Avery, G., PE; “Controlling Chillers in Variable Flow System”, ASHRAE Journal,
Februar 1998. S. 42–45.
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Index
2-Wege-Ventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
3-Wege-Ventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6
A
Alternativplan für den Kühlbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .66
Änderungswert . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
Anlagenerweiterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
Anordnung, parallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
Anschlüsse, Strom und Wasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
Antriebe mit variabler Drehzahl . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Auslegungsrichtlinien . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
Ausrüstung, Zusatz- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .67
B
Belastung, Vorrangschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
Brennstoff, alternativ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
Brennstoff, optional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
Bypassdurchflussregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
Bypassleitung mit Rückschlagventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
D
Darcy-Weisbach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
Defizit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
Dimensionierung von Bypassleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
Durchfluss, variabel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
Durchflusserfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
Durchflussgrenze, absolute . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
Durchflussrate, abweichend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
Durchflussraten, auswählen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .16
Durchflussraten, Kostenfaktoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .22
Durchflussraten, Standardauslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
Durchflussraten, unterschiedliche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
SYS-APM001-DE
85
Index
E
Einschränkungen des variablen Volumenstroms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
Einschränkungen, variabler Durchfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
Energiegleichgewicht zwischen Wasserkühlmaschine und Kühlturm . . . . . . . . . .72
Entkoppeln, hydraulisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
Entkoppeltes System - Funktionsprinzip . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .37
Erweiterung, Anlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
F
Fehlerbehebung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .64
G
Geringe Durchflussrate, Fehleinschätzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24-26
Gleichgewicht zwischen Wasserkühlmaschine und Pumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
Grenzwerte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .42
H
Hazen-Williams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .17
K
Kaltwasser- und Kühlwasserdurchfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
Kaltwasser- und Kühlwassertemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
Kaltwasseranlage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
Kaltwasserstrom, Einfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
Kaltwasserpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .8
Kaltwasser-Rückstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .47
Kaltwassersystem, Problemfragen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
Kaltwassertemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
Kaltwassertemperatur, Einfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
Kaltwasserverteilungssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
Konfiguration der Kaltwasserpumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
Konfiguration der Verflüssiger-Durchflussrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
Kühllast . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
Kühllast, Auswirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
86
SYS-APM001-DE
Index
Kühllast, Unterschied . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
Kühlturm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Kühlturm, geringer Annäherungstemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
Kühlturm, leistungsfähigere Wasserkühlmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
Kühlturmoptionen bei geringem Durchfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .20
Kühlturm pro Wasserkühlmaschine, ein Kühlturm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .69
Kühlwasserstrom, Einfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
Kühlwasserregelung für vorübergehende Bedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .70
Kühlwassersystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
Kühlwassersystem, entkoppelt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .74
Kühlwassertemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .14
Kühlwassertemperatur, Einfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
L
Lage der Bypassleitungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .43
Leitungen, Verteiler- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9
M
"Minimum DT-Syndrom" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
Motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
N
Nachrüstungsmöglichkeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .75
Nachträgliche Leistungssteigerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21
P
Parallelanordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .55
Plattenwärmetauscher . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57, 72
Pumpe mit variablem Durchfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6,7
Pumpe pro Wasserkühlmaschine, eine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49
Pumpe, Verteilungs- . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
Pumpen an einem Verteiler . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .49, 69
Pumpenanordnung, "Gemeinsam" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
Pumpenanordnung, "Campus" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
Pumpenanordnung, tertiär . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .36
Pumpenoptionen, Kühlwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
SYS-APM001-DE
87
Index
R
Reaktion der Wasserkühlmaschine auf veränderte Bedingungen . . . . . . . . . . . . .61
Regelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
Regelung, durchflussabhängig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
Regelung der Kühlwassertemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
Regelungsmethoden für den Kühlturmventilator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Regelung, Wasserkühlmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11
Rückschlagventil in der Bypassleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .63
Rückstellung “kritischer” Ventile . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
S
Serienschaltung im Gegenstromverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
Software-Analysetool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41
Steuerung, Pumpe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12
Steuerung, System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
System mit primärseitigem variablen Volumenstrom (VPF-System) . . . . . . . . . .40
System, geringe Durchflussrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .24
System, primärseitig variabler Volumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .40
Systeme mit primärseitig variablem Volumenstrom, "Überpumpen" einer
Wasserkühlmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
Systeme mit primärseitig variablem Volumenstrom, Abschalten einer
Wasserkühlmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
Systeme mit primärseitig variablem Volumenstrom, Zuschalten einer
Wasserkühlmaschine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
Systeme mit primärseitig variablem Volumenstrom, entscheidende
Anforderungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .46
Systeme mit primärseitig variablem Volumenstrom, Vorteile . . . . . . . . . . . . . . . .41
Systeme mit primärseitig variablem Volumenstrom, wichtige Faktoren . . . . . . .41
Systeme, Primär-Sekundär-Kreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .31
Systemsteuerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .57
Systemzulauf und Bedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
88
SYS-APM001-DE
Index
T
Temperatur, abweichend . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61
Temperatur, Standardauslegung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .13
Temperatur, Verhalten des Wärmetauschers bei abnehmender
Wassereintrittstemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .19
Temperatur, wärmeres Rücklaufwasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .35
Temperaturerfassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
Temperaturregelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
U
Überschüssiger Durchfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
Umgebungstemperatur, Einfluss . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .10
V
Ventilator, 2-stufig . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Ventilator, Betrieb einzelner Ventilatoren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .71
Verdampfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .3
Verflüssiger, luftgekühlt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .5
Verflüssiger, wassergekühlt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4
Verhalten des Systems bei veränderten Bedingungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .51
Verteilungsgrundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .34
W
Wärmerückgewinnung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .54
Wärmetauscher, ohne Regelventil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .6,7
Wasser, Brunnen-, Fluss- oder Seewasser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .72
Wasserkühlmaschine, Abschalten im System mit primärseitig variablem
Volumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
Wasserkühlmaschine, Abschalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
Wasserkühlmaschine, Zuschalten zu System mit primärseitig variablem
Volumenstrom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
Wasserkühlmaschine, Zuschalten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39
Wasserkühlmaschine, luftgekühlt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
Wassermenge im Kreislauf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .50
SYS-APM001-DE
89
Index
Wasserkühlmaschine, unterschiedliche Leistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .58
Wasserkühlmaschine, wassergekühlt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .2
Wasserkühlmaschinen, in Serienschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Wasserkühlmaschinen, parallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .27
Wasserkühlmaschinenbereich, Anwendungen außerhalb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .60
Wasserkühlmaschinenproduktion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .32
Wasserkühlmaschinenschaltfolge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .39, 43
Z
Zusätzliche Maschine im Bypassbetrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .56
90
SYS-APM001-DE
SYS-APM001-DE
91
The Trane Company
An American Standard Company
www.trane.com
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Bestellnummer für Dokumentation
SYS-APM001-DE
Akten-Nr.
PL-000-SYS-APM001-DE-0201
Ersetzt
COM-AM-21 0587
Lagerort
La Crosse
Im Interesse einer kontinuierlichen Produkt- und Produktdatenverbesserung behält sich die Trane
Company das Recht vor, Konstruktionen und Spezifikationen ohne vorherige Ankündigung zu ändern.
Die in dieser Veröffentlichung genannten Geräte dürfen nur von qualifizierten Technikern installiert und
gewartet werden.
Société Trane – Société Anonyme au capital de 61 005 000 Euros – Siège Social: 1 rue des Amériques – 88190
Golbey – France – Siret 306 050 188-00011 – RSC Epinal B 306 050 188
Numéro d’identification taxe intracommunautaire: FR 83 3060501888

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