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Abwärmenutzung aus der Lebensmittelkühlung

Wie oben gezeigt wurde, erzeugt eine typische Verbundkälteanlage große Mengen Abwärme. Es bietet sich daher an, diese vermeintlich kostenlose Wärme zur Raumheizung und Warmwasserbereitung zu nutzen und auf diese Weise den Gesamt-Primärenergiebedarf des Marktes zu reduzieren. Diese Technologie soll im Folgenden am Beispiel der Heizungsunterstützung näher betrachtet werden.

Die Realisierung einer Abwärmenutzung kann bei geschickter Konstruktion sehr einfach und kostengünstig erfolgen. Neben einer geeigneten Steuerung wird im Wesentlichen ein zusätzlicher Wärmeübertrager benötigt, der Wärme aus den Heißgasen nach dem Verdichter an den Heizungskreislauf überträgt (Abbildung 7).

Abbildung 7:
Rohrbündelwärmeübertrager zur Abwärmeauskopplung aus dem Heißgas.


Planung der hier abgebildeten Anlage: Büro cube, Worms


Von Interesse ist bei der Beurteilung dieser Systeme der gesamte Primärenergieaufwand für Raumheizung und Verbundkälte. Dabei ist insbesondere zu berücksichtigen, dass die Abwärmenutzung für die Raumwärme unter Umständen höhere Kondensationstemperaturen erforderlich macht. Dadurch verschlechtert sich der COP der Kühlung. Die genutzte Abwärme ist also im Allgemeinen keineswegs kostenlos, sie kann sogar teurer als konventionelle Wärme werden. Diese Zusammenhänge sollen im Folgenden genauer dargestellt werden.

Randbedingungen der Berechnung

Wir nehmen für die nachfolgenden Berechnungen an, dass die nach Nutzung der Abwärme noch fehlende Heizleistung durch einen Gas-Brennwertkessel mit einem unterstellten Jahresnutzungsgrad von 100 % gedeckt wird.

Der Nutzkältebedarf wird vereinfachend als konstanter Wert PKühl angesetzt, da die Raumtemperatur nur in relativ engen Grenzen schwankt, insbesondere während der Heizperiode. Damit wird auch der Einfluss der Raumluftfeuchte vernachlässigt. In stichprobenartigen Messungen wurde zwar im Hochsommer ein etwa 30 % höherer Stromverbrauch für die Kühlung festgestellt als im Winter, dies spielt jedoch im Zusammenhang mit der hier betrachteten Abwärmenutzung für die Raumwärme keine Rolle. Die Differenz wird sicherlich auch durch die höheren sommerlichen Kondensationstemperaturen mitverursacht.

Wir gehen der Anschaulichkeit halber von einer außentemperaturabhängigen Vorlauftemperatur für die Heizung aus. Gewöhnlich ist diese Annahme in Passivhäusern aufgrund des hohen Einflusses interner und solarer Gewinne nicht gerechtfertigt, im besonderen Fall einer üblicherweise nahezu fensterlosen Verkaufsstätte erscheint sie jedoch akzeptabel. Zwischen der Heizgrenze und der Auslegungsaußentemperatur wächst die Vorlauftemperatur linear von der Raumtemperatur bis auf die Auslegungs-Vorlauftemperatur an.

Der Wärmeübertrager zwischen Heißgas und Heizung weist eine gewisse Grädigkeit auf, so dass die Kondensationstemperatur um einige Kelvin höher liegt als die Heizungsvorlauftemperatur.

Der COP für den Kühlbetrieb berechnet sich mit dem inneren exergetischen Gütegrad ζ, der Verdampfungstemperatur T0 und der Kondensationstemperatur Tc zu


\Large{COP_{kühl} = \zeta \dfrac{T_0}{T_c - T_0}}



Es wird angesetzt, dass die Verdichter-Abwärme vollständig ins Heißgas übergeht. Damit ist COPheiz = COPkühl + 1.

Die Wärmemenge, die die Kühlung liefern kann, wird fast immer nicht der benötigten Heizleistung entsprechen, sondern entweder größer oder kleiner sein. Die maximal verfügbare Abwärmeleistung bei gegebener Verflüssigungstemperatur kann wie folgt ermittelt werden: Bezeichnet fk das Verhältnis des (konstant angenommenen) Nutzkältebedarfs zur Heizlast bei Auslegungsbedingungen, so ist der Strombedarf des Kompressors


\Large{P_{el} = \dfrac{P_{kühl}}{COP_{kühl}}}



und die maximal verfügbare Abwärmemenge aus der Kühlung beträgt


\Large{P_{heiz} = COP_{heiz}P_{el} = \dfrac {1+COP_{kühl}}{COP_{kühl}}P_{kühl}}



Folglich beträgt der Anteil der maximalen Heizlast, der für Heizzwecke zur Verfügung steht,


\Large{\dfrac{1 + COP_{kühl}}{COP_{kühl}}\mathit{f}_k}



Ist die verfügbare Abwärmeleistung kleiner als die zum jeweiligen Zeitpunkt benötigte Heizleistung, so muss die restliche Heizleistung durch den Gaskessel bereitgestellt werden.

Ist die verfügbare Abwärmeleistung größer als die benötigte Heizleistung, so wird die Restwärme durch den Außenluft-Kondensator abgeführt. Dies erfolgt, so nehmen wir an, auf dem gleichen Druckniveau wie die eigentliche Abwärmenutzung, da sich zwischen WRG und Außenluft-Kondensator keine Drossel befindet. Damit werden Kondensationstemperatur und COP durch die Heizungs-Vorlauftemperatur bestimmt. Im Außenluft-Kondensator kommt es im Heizfall zu einer zusätzlichen Unterkühlung des Kältemittels und damit zu einer geringfügigen Verbesserung des COP. Dieser Effekt wird hier vernachlässigt. Auch wenn nicht die gesamte Abwärme genutzt wird, erfolgt somit die gesamte Kälteerzeugung mit dem verschlechterten COP des WRG-Betriebs. Durch periodisches Umschalten zwischen WRG-Wärmeübertrager und Außenluftwärmeübertrager besteht hier eventuell noch Optimierungspotenzial.

Die Kondensationstemperatur und der zugehörige Druck können in vielen Fällen einen bestimmten Mindestwert nicht unterschreiten, da andernfalls – insbesondere bei thermostatisch geregelten Expansionsventilen – der Kältemittelstrom durch das Expansionsventil zu gering wird. Beleuchtung der Kühlmöbel, Pumpenstrom, Abtauung, Ventilatoren etc. sind weitgehend unabhängig von der Abwärmenutzung; sie werden daher in diesem Zusammenhang nicht berücksichtigt. Für Gas wird ein Primärenergiefaktor von 1,1, für Strom von 2,6 angesetzt. Die Heizgrenze ist pauschal für alle Fälle bei 15°C angesetzt, die Auslegungsaußentemperatur beträgt - 14°C.

Ergebnisse

Mit den beschriebenen Ansätzen kann nun für jede Außentemperatur der gesamte Primärenergiebedarf für Lebensmittelkühlung und Raumwärmeversorgung ermittelt werden, sofern ein paar Kennwerte des Systems bekannt sind. Erwartungsgemäß erhält man je nach den Parametern von Gebäude und Kühlanlage sehr unterschiedliche Ergebnisse. Abbildung 8 illustriert, welche Fälle grundsätzlich eintreten können. Dargestellt sind die primärenergetisch bewerteten Leistungen für Raumheizung und Lebensmittelkühlung als Funktion der Außentemperatur. Die Leistungen sind dabei – der besseren Vergleichbarkeit zwischen den Varianten wegen – auf die Heizlast bei Auslegungsaußentemperatur normiert.

Abbildung 8:
Beispiel für den Primärenergiebedarf bei Abwärmenutzung


Bei Außentemperaturen über 15°C ist definitionsgemäß keine Heizung erforderlich. Hier hängt der Primärenergiebedarf nur über die Verflüssigungstemperatur von der Außentemperatur ab – im Beispiel wird keine untere Grenze für die Verflüssigungstemperatur angenommen, die Verflüssigungstemperatur kann also oberhalb der Heizgrenze mit der Außentemperatur sinken.

Unterhalb von 15°C Außentemperatur wird Heizwärme benötigt, zunächst in geringer Menge und auf einem Temperaturniveau, das nur wenig höher liegt als die Kondensationstemperatur ohne Abwärmenutzung. Die Abwärme kann nur zum Teil genutzt werden, ein Teil der aufgewandten Energie wird somit in diesem Bereich nur für die Lebensmittelkühlung benötigt.

Unterhalb einer bestimmten Grenze, im Beispiel bei -1°C, kehrt sich das Verhältnis von Raumwärme- und Gewerbekältebedarf um: Nun reicht die Abwärme nicht mehr aus, um die Heizleistung bereitzustellen. Es muss zusätzlich mit dem Gaskessel geheizt werden. Die von der Abwärmenutzung gelieferte Wärmeleistung wächst bei weiter sinkenden Außentemperaturen trotzdem an, weil der COP der Wärmepumpe wegen der höheren Vorlauftemperaturen schlechter wird. Bei dieser zusätzlichen Heizleistung handelt es sich im Prinzip um eine direktelektrische Heizung.

Aufschlussreich ist nun der Vergleich mit dem konventionellen System: Sobald die Abwärmenutzung einsetzt, wird aufgrund der höheren Verflüssigungstemperatur der Primärenergiebedarf des Systems mit Abwärmenutzung höher als derjenige des konventionellen Systems. Im Bereich um den Punkt, wo die komplette Abwärme genutzt werden kann, kehren sich die Verhältnisse um. Bei noch niedrigeren Außentemperaturen ist wieder das getrennte System im Vorteil, weil die Abwärmenutzung durch die höhere Vorlauftemperatur zunehmend ineffizienter wird.

Im Jahresverlauf ist für dieses Beispiel der Primärenergiebedarf beider Varianten nahezu identisch. Würde man in Perioden, wo die Abwärmenutzung sich als ungünstig erweist, stattdessen den Gaskessel betreiben, wäre eine minimale Primärenergieeinsparung von 3 % erreichbar. In der praktischen Umsetzung eine solche Regelung zu realisieren ist nicht trivial, da keine einfach zu erfassende Regelgröße zur Verfügung steht, anhand derer man bestimmen könnte, ob zu einem gegebenen Zeitpunkt die Abwärmenutzung sinnvoll ist.

Insgesamt wird deutlich, dass die Abwärmenutzung nicht unter allen Bedingungen zweckmäßig sein muss. Um Aussagen für die Praxis zu gewinnen, sollen nachfolgend zwei Fälle näher betrachtet werden.

Für einen typischen Discounter mit 1000 m² Fläche, einer Heizlast von 60 (W/m²) und einer Nutzkälteleistung der Verbundkälte von 22 kW (einschließlich Kühlzelle, die Tiefkühlung erfolgt über steckerfertige Geräte) ergeben sich die Verhältnisse aus Abbildung 9. Da die Kühlung immer eine Mindest-Verflüssigungstemperatur von 20°C benötigt, ein bereits recht niedrig angesetzter Wert, ist das System mit Abwärmenutzung durchgehend überlegen. Zwar ist die Heizung selbst kaum effizienter als mit Gas, die der Abwärme entsprechende Kühlleistung erhält man dafür aber ohne zusätzlichen Energieaufwand. Im Jahresverlauf ergibt sich eine Primärenergieeinsparung von 21 %.

Abbildung 9:
Für einen typischen Discounter mit hohem Heizwärmebedarf
und mäßig effizientem Kühlsystem ergibt sich durch die Abwärmenutzung
bei jeder Außentemperatur eine Energieeinsparung.


Beim zweiten untersuchten Fall handelt es sich um einen noch hypothetischen, sehr energieeffizienten Markt, in dem neben einem ausgezeichneten Wärmeschutz die oben beschriebenen Optimierungsmöglichkeiten für die Lebensmittelkühlung umgesetzt sind. Insgesamt ist das Verhältnis von Nutzkälte und Heizlast nahezu unverändert. Die größeren Wärmeübertrager, die höhere Verdampfungstemperatur und der wesentlich verbesserte innere Gütegrad des Kühlsystems führen aber dazu, dass die Abwärmenutzung gegenüber einer konventionellen Beheizung noch an Attraktivität gewinnt. Abbildung 10 zeigt, dass eine solche Wärmepumpe primärenergetisch weit besser abschneidet als die Gasheizung. Damit ist die Abwärmenutzung ganzjährig zweckmäßig. Die Primärenergieeinsparung gegenüber den ungekoppelten Systemen beträgt 51 %.

Abbildung 10:
Auch in der optimierten Variante mit sehr geringem Wärme- und Kältebedarf
erhält man für die Abwärmenutzung eine positive Bilanz.


Bereits diese vereinfachten Überlegungen zeigen, dass die Zweckmäßigkeit einer Abwärmenutzung stark von den Parametern des einzelnen Projekts abhängt. In der Mehrzahl der Fälle dürfte die Abwärmenutzung ein wirkungsvolles und auch wirtschaftlich interessantes Instrument zur Energieeinsparung darstellen. Dringend anzuraten ist jedoch eine sorgfältige Planung anhand der Kennlinien und Einsatzgrenzen der beteiligten Komponenten, will man nicht Gefahr laufen, ein komplexes System ohne tatsächlichen Nutzen zu installieren. Vorteilhaft für die Abwärmenutzung sind in jedem Fall niedrige Vorlauftemperaturen der Raumheizung, also etwa eine Fußbodenheizung, ferner ein effizienter Kompressor und ggf. ein Pufferspeicher, der bei nur teilweiser Ausnutzung der Abwärme zeitweise eine Kondensation bei Außenlufttemperatur erlaubt.

Siehe auch

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