Frequenzumrichter: Lebensmittel, Medikamente & mehr kühlen in der industriellen Kältetechnik

Andy Pye betrachtet, wie Frequenzumrichter helfen, Dinge wie Lebensmittel und Medikamente in industriellen Kälteanwendungen kühl zu halten.

Seit rund 200 Jahren haben Kältetechnologien die Bereitstellung wesentlicher Güter und Dienstleistungen schrittweise unterstützt, wie:

• Lebensmittelkonservierung
• Medizinische Prozesse
• Fernwärme und -kälte

Die Branche war durch gut dokumentierte negative Umweltauswirkungen geprägt, resultierend aus schädlichen Kältemitteln, die die Ozonschicht abbauen und mit globaler Erwärmung in Verbindung stehen. Nach Unterzeichnung der Montreal- und Kyoto-Protokolle wurde erheblicher Fortschritt erzielt: Die Produktion von FCKW, HFKW und FKW wurde zwischen 1988 und 2005 um 90 % reduziert.

Angesichts einer erwarteten Weltbevölkerung von 9 Milliarden bis 2050 und steigender Lebenserwartung wird der Verbrauch aller Ressourcen im Zusammenhang mit Kälteprozessen jedoch massiv zunehmen.

Auswirkungen des Energieverbrauchs auf die Umwelt

Der Energieverbrauch stellt meist den größten Kostenblock jeder Kälteanlage dar. Bereits jetzt entfällt auf Kältegeräte 15 % des weltweiten Stromverbrauchs (in entwickelten Ländern oft über 20 %). Die meisten Länder erzeugen Strom noch aus fossilen Brennstoffen, was die enorme Auswirkung auf die globale Erwärmung durch Kältegeräte unterstreicht.

Dah besteht dringender Bedarf,:

• Den Leistungszahl (COP) von Kältegeräten zu verbessern (also den Stromverbrauch pro Einheit zu senken).
• Integrierte und hochkontrollierte Systeme des Energieverbrauchs in ganzen Gebäuden aufzubauen.
• Auf neue Kältemittel umzusteigen, die weder Ozonschicht noch CO2 belasten.
• Die globale Abdeckung hocheffizienter Kälte-Lösungen zu erhöhen, die Best Practices umfassen.

Viele Klima- und Kälteanlagen benötigen zuverlässige Prozesse, die effizienter, kompakter, umweltfreundlicher, einfach zu installieren und zu warten sind. Der Kühlbedarf variiert tagsüber und über das Jahr stark aufgrund von Umgebungsbedingungen, Belegung, Nutzung und Beleuchtung.

Es kann auch Bedarf an stabiler, präziser Temperatur- und Feuchteregelung in Bereichen wie Krankenhäusern, IT und Telekommunikation bestehen. In Anwendungen wie Schulen, Restaurants und Bürogebäuden ist es wichtig, dass das Kühlsystem sich an große tägliche Lastschwankungen anpassen kann.

In Prozesskühlanwendungen wie Fermentation, Wachstumstunneln und Industrieprozessen sind präzise Temperatureinstellungen erforderlich, um Produktionsqualität zu sichern.

Es gibt mehrere Wege, die Kühlleistung zu modulieren in Klima- oder Kälte- und Heizsystemen. Die häufigsten in der Klimatisierung sind: einfaches Ein-/Ausschalten, Heißgas-Bypass, Einsatz (oder nicht) von Flüssigkeitseinspritzung, Konfigurationen mehrerer Verdichter und Invertertechnologie.

Leistungsmodulation ist ein Weg, Kühlleistung an Kühlbedarf und Anwendungsanforderungen anzupassen. Der Verdichter ist speziell darauf ausgelegt, bei verschiedenen Motordrehzahlen zu laufen, um die Kühlleistung zu modulieren. Ein Inverter steuert die Verdichter-Motordrehzahl zur Modulation der Kühlleistung.

Drehzahlvariable Technologie kann in HVACR, Präzisionskühlung und Prozesskühlanwendungen sowie in Paket- oder Split-Klimageräten, Dachgeräten, Kältesätzen, Präzisionskühlung, VRF und Verflüssigungssätzen implementiert werden.

Der Einsatz leistungsstarker Umrichter mit permanenterregten Motoren maximiert die Energieeffizienz in industriellen Kälteprodukten. Typische Installationen zeigen Steigerungen des Leistungszahlen (COP) um ca. 15 %, was enorme Energieeinsparungen und niedrigere Lebenszykluskosten bringt, mit Amortisation oft unter 12 Monaten.

Verdichter und Umrichter müssen qualifiziert sein, zusammenzuarbeiten und für dedizierte Anwendungen. Der Umrichter moduliert die Verdichterdrehzahl und verhindert Betrieb außerhalb der Verdichter-Betriebsgrenzen. Die Inverter-Frequenzumrichter müssen Algorithmen nutzen, die speziell für Heizung, Lüftung und Klimatisierung (HVAC) oder Kälte entwickelt wurden – diese stellen sicher, dass das System innerhalb der Anwendungsrestriktionen läuft.

Variable Refrigerant Flow (VRF)-Geräte sind sehr beliebte Kühl- oder reversible Systeme für Heizung und Kühlung. Sie kombinieren Flexibilität für Gebäudeeigentümer und Nutzer mit Energieeffizienz, hohem Komfort und einfacher Installation, ohne Kompromisse bei der Zuverlässigkeit. VRF-Systeme nutzen Invertertechnologie umfassend.

Beispiele für Energieeinsparungen durch Frequenzumrichter

Die Installation eines großen freistehenden Frequenzumrichters aus der Unidrive-SP-Reihe hat die Temperaturregelung in den Kühlräumen des nordirischen Lebensmittelherstellers Henry Denny verbessert und ist auf dem besten Weg, eine massive Einsparung von ca. 23.400 £ bei der jährlichen Stromrechnung zu liefern – eine Reduktion von 50 % des Gesamtstromverbrauchs der Anlage!

Das Unternehmen fertigt eine breite Palette an Pasteten, Würstchen, Teigtaschen und Cottage Pies. Ein Komplex von 20 Kühlräumen lagert nicht nur die eigene Produktion, sondern fungiert als regionales Vertriebsdepot für Nordirland und hält viele Tausende Käse, Butter, Schinken und Speck anderer Unternehmen der Kerry Group.

Anderswo, in Calgary, Kanada, werden Energieeinsparungen von 35 % an einer Kälteanlage in einem Lebensmittelgeschäft erzielt. Hier bestand das neue Kühlsystem aus zwei neuen Verdichtern und Verflüssigungskühlern, und das Unternehmen musste die Betriebskosten minimieren. Ein variabler Commander-SK-AC-Umrichter pro Kühler steuert alle Lüfter gleichzeitig. Die Umrichter sind in ein kundenspezifisches Panel integriert.

Für den größten Teil des Jahres läuft der Verflüssiger bei einem Bruchteil seiner Volllast. Im alten System wurde die Verflüssigerkühlung durch Schütze gesteuert, die die festdrehenden Lüfter paarweise ein- und ausschalteten. Dies führte zu ständigem Takten der Lüfter und fehlte die feine Temperaturregelung, die erforderlich ist.

Da der Drucksollwert ständig überschritten wurde, führten übermäßige Ausdehnung und Kontraktion des Kältemittels zu mechanischer Ermüdung der Leitungen. Langfristig konnte dies zu Versagen von Rohren oder Verbindern führen.

Vier Motoren bei halber Drehzahl verbrauchen viel weniger Energie als zwei Motoren bei voller Leistung. Zudem verbrauchen sanfte Drehzahländerungen weniger Energie als wiederholte Anläufe. In diesem FU-gesteuerten System gibt es nicht nur signifikante Energieeinsparung, sondern Druck und Temperatur werden sehr präzise geregelt, was die Belastung des gesamten Systems verringert.

Anwendbare Gesetzgebung

Die relevanten Normen und Gesetze sind ISO 50001 (Energiemanagement-Norm) und die Seasonal Performance Part Load Efficiency Legislation (SEER).

ISO 50001:2011 spezifiziert Anforderungen für die Etablierung, Implementierung, Aufrechterhaltung und Verbesserung eines Energiemanagementsystems. Ziel ist es, Organisationen einen systematischen Ansatz zur kontinuierlichen Verbesserung der Energieleistung zu ermöglichen, einschließlich Energieeffizienz, Energienutzung und -verbrauch. ISO 50001:2011 gilt für alle Variablen, die die Energieleistung beeinflussen und von der Organisation überwacht und beeinflusst werden können. Sie spezifiziert Anforderungen für Messung, Dokumentation, Berichterstattung, Design und Beschaffungspraktiken für Geräte, Systeme, Prozesse und Personal, die zur Energieleistung beitragen.

In Europa wird die saisonale Effizienz von Kältegeräten, Kältesätzen und Klimaanlagen oft nach dem European Seasonal Energy Efficiency Ratio (ESEER) bewertet, definiert von der Eurovent Certification Company. Im Vereinigten Königreich wird ein Seasonal Energy Efficiency Ratio (SEER) für Kälte- und Klimaprodukte verwendet, ähnlich dem ESEER, aber mit anderen Lastprofil-Gewichtungsfaktoren, für Teilberechnungen der Building Regulations Part L innerhalb der Simplified Building Energy Model (SBEM) Software und zur Erstellung von Energieausweisen (EPC) für Neubauten in UK und EU; beides im Rahmen der europäischen Richtlinie über die Energieeffizienz von Gebäuden (EPBD).

Die SEER-Formel lautet:
SEER = a (EER@25% Last) + b (EER@50% Last) + c (EER@75% Last) + d (EER@100% Last)
wobei a, b, c, d die für die vorgesehene Anwendung relevanten Lastprofil-Gewichtungsfaktoren sind.

Ein ähnlicher Standard wie ESEER in den USA ist das Integrated Energy Efficiency Ratio (IEER).

Der ESEER wird berechnet, indem Volllast- und Teillast-Betriebs-Energieeffizienzverhältnisse (EER) für verschiedene saisonale Luft- oder Wassertemperaturen kombiniert werden, einschließlich entsprechender Gewichtungsfaktoren.