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Kühlmöbel

Die wichtigsten Kriterien bei der Beschaffung eines Verkaufskühlmöbels hängen unmittelbar mit seiner Bestimmung zusammen: attraktive Warenpräsentation, gute Zugänglichkeit der angebotenen Waren für den Kunden, zuverlässige Einhaltung der Solltemperaturen. Erwünscht sind auch möglichst komfortable Bedingungen im Aufenthaltsbereich vor dem Möbel. Dort sind bis zu 9 K niedrigere Temperaturen als im Rest des Marktes gemessen worden, eine Situation, die sich auf die Aufenthaltsdauer der Kunden dort und die Wahrscheinlichkeit von Spontankäufen sicherlich negativ auswirken wird.

Daneben ist eine hohe Betriebssicherheit gefordert, denn ein Ausfall eines Kühlmöbels hat nicht nur den Verlust der darin enthaltenen Ware zur Folge, sondern führt auch zu verärgerten Kunden, die möglicherweise künftig anderswo einkaufen. Schließlich sind gewöhnlich möglichst geringe Investitionskosten, eher noch als möglichst geringe Lebenszykluskosten, von Interesse, zumal in vielen Fällen Käufer und Betreiber eines Kühlmöbels nicht identisch sind.

Die gängigen Verkaufskühlmöbel im Bereich der Normalkühlung (über 0°C) sehen ähnlich aus, wie in Abbildung 1 dargestellt. Das hervorstechendste Merkmal des dargestellten Geräts ist die offene Displayfläche. Sie erlaubt den unmittelbaren Zugriff auf die Waren, führt aber auch zu starker thermischer Kopplung von Kühlmöbel und Raum. Um die so entstehenden Verluste zu minimieren, wird ein Kühlluftstrom durch das Möbel geführt, der an der Oberkante der Öffnung austritt und an der Unterkante wieder abgesaugt wird. Der so entstehende Kaltluftschleier reduziert – bei guter Konstruktion sehr effektiv – den konvektiven Wärmeeintrag. Weitere Verbesserungen lassen sich durch die heute meist installierten Nachtrollos erreichen, die den Luftaustausch mit der Umgebung außerhalb der Ladenöffnungszeiten fast vollständig unterbinden. Die Luftumwälzung mittels Ventilator sorgt gleichzeitig für einen guten Wärmeübergang zwischen Kälteerzeugung und Waren und erlaubt hohe Kühlleistungen bei kleinen Verdampferflächen.

Abbildung 1:
Schnitt durch ein offenes Kühlmöbel


Grafik: ASHRAE


Derartige offene Kühlregale werden für Listenpreise ab etwa 1500 € pro laufenden Meter (lfm) angeboten. Solche einfachen Geräte können leicht 10.000 kWh Strom pro lfm und Jahr verbrauchen, so dass der Anschaffungspreis bei 15 Ct/kWh innerhalb eines Jahres erneut in Form von Strom umgesetzt wird. Bessere Geräte kommen mit 2000 bis 3000 kWh pro lfm und Jahr aus.

Tiefkühlmöbel funktionieren grundsätzlich ähnlich. Aufgrund der größeren Temperaturdifferenzen besitzen sie jedoch in der Regel entweder Türen, oder es handelt sich um Truhen, mit der Öffnung nach oben und entsprechend reduzierten konvektiven Wärmeeinträgen.

Sowohl Normal- als auch Tiefkühlmöbel können als steckerfertige Geräte mit eigener Kälteerzeugung und Wärmeabfuhr, vom Prinzip ähnlich wie ein Haushaltskühlschrank, oder als Komponenten einer Verbundkälteanlage mit zentraler Kälteerzeugung und dezentralen Verdampfern ausgeführt werden. In Deutschland ist zumindest bei der Normalkühlung der Anschluss an die Verbundkälte üblich, allein schon, um die enormen Abwärmelasten von bis zu 50 W pro Quadratmeter Verkaufsfläche aus dem Gebäudeinneren abzuführen. Verbundkälteanlagen bieten auch den Vorteil, dass die Lärm erzeugenden Kompressoren nicht im Verkaufsraum aufgestellt sein müssen. Dieses Argument ist aber für moderne Kälteerzeuger kaum noch relevant.

Aus physikalischer Sicht besteht der Grund dafür, dass überhaupt Energie für die Kühlung aufgewendet werden muss, in den verschiedenen Arten von Wärmeeinträgen ins Kühlmöbel. Diese können wie folgt klassifiziert werden:

  • Konvektion, d.h. Luftaustausch mit der Umgebung
  • Wärmestrahlung, insbesondere infraroter Strahlungsaustausch durch die Entnahmeöffnungen des Geräts, aber auch Kunstlicht oder Solarstrahlung
  • Wärmeleitung durch die geschlossenen Teile der Hülle
  • Wärmeeintrag durch den Verdampfer-Ventilator
  • Wärmeeintrag durch die Beleuchtung
  • Wärmeeintrag durch die Abtauung
  • Wärmeeintrag durch die Rahmenheizung. Um Kondensatbildung an den kalten Oberflächen, insbesondere am Rand der Öffnungen und an den Rahmen von Türen bzw. Abdeckungen zu vermeiden, werden diese Bereiche häufig elektrisch beheizt.

Wie sich die einzelnen Anteile an den Verlusten größenordnungsmäßig auf die genannten Pfade aufteilen, kann einer älteren Untersuchung aus den Niederlanden entnommen werden (Abbildung 2). Man sieht, dass zumindest zum damaligen Zeitpunkt die wesentlichen Verlustanteile die Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung darstellten.

Abbildung 2:
Verlustanteile verschiedener Arten von Kühlmöbeln nach [van der Sluis 1991]


Bedienung und Wartung

In einer Untersuchung von Ecofys ([Harnisch 2003]) wird der Stromverbrauch pro Meter Kühlmöbel in 226 technisch identischen Penny-Märkten im Jahr 2001 ausgewertet. Die täglichen Verbräuche liegen teils unter 4, teils über 12 kWh pro lfm und Tag. Dieses Ergebnis deutet darauf hin, dass es bei bestehenden Installationen einen großen Einfluss der Nutzung gibt, auch wenn die Installationsqualität und Einregulierung der untersuchten Anlagen sich ebenfalls unterscheiden können.

Einige Hinweise für Einsparmöglichkeiten im Betrieb sollen an dieser Stelle gegeben werden:

  • Überfüllung vermeiden. Waren sollten nur bis zu den vorhandenen Markierungen aufgefüllt werden, um die Funktion des Luftschleiers nicht zu stören.
  • Ansaugöffnungen frei halten. Überall dort, wo eine Ansaugöffnung des Luftschleiers, z. B. durch Schilder, heruntergefallene Waren oder Überfüllung, verschlossen ist, fällt der Kaltluftschleier größtenteils über die Gerätekante nach außen, und die Umwälzung saugt stattdessen warme Raumluft an.
  • Temperaturen nicht niedriger als nötig einstellen. Niedrigere Temperaturen erhöhen die Wärmeverluste sämtlicher Pfade.
  • Bedarfsgerechte Abtauung. Die Abtauung erfolgt in der Regel durch ein elektrisches Heizregister im Luftstrom vor dem Verdampfer. Die eingebrachte Wärme zum Abtauen wird also direktelektrisch erzeugt. Sie wird nur zum Teil wirklich für die Abtauung genutzt, der Rest geht am (vereisten Anteil am) Verdampfer vorbei. Die Abtauheizung wird auch nicht unbedingt zum optimalen Zeitpunkt abgeschaltet. Insgesamt ist das Abtauen ein sehr ineffizienter Prozess, der nur so oft wie nötig stattfinden sollte.
  • Vorhandene Nachtrollos verwenden.
  • Beleuchtung nachts abschalten. Die Beleuchtung der Regale befindet sich oft im Innern des Möbels, ihre Abwärme wird dort freigesetzt und muss zusätzlich durch die Kühlung abgeführt werden.
  • Verdampfer regelmäßig reinigen. Andernfalls wird der Wärmeübergang schlechter, die Kühlleistung sinkt und die kleinen Verluste des Kühlsystems wie etwa Reibungsverluste, Kälteverluste der Leitungen oder Sauggas-Druckverluste im Kältemittelkreislauf werden anteilig größer.
  • Ware kühl halten. Ware, die vor dem Einräumen ins Kühlregal längere Zeit Wärme aus dem beheizten Aufenthaltsbereich aufnimmt, muss anschließend wieder aktiv heruntergekühlt werden.
  • Im Kühlhaus Türen schließen, Licht ausschalten. Akustische Signale und Bewe-gungsmelder können unter Umständen gute Dienste leisten.


Installation

Verbesserungen der Kühlmöbel selbst sind in den letzten Jahren an verschiedenen Stellen zu erkennen. Nachfolgend sind Maßnahmen zusammengestellt, die heute bereits weitgehend umgesetzt werden oder leicht bei der Einrichtung eines Marktes umgesetzt werden können.

  • Türen und Abdeckungen. In manchen Ländern sind Abdeckungen von Verkaufskühlmöbeln bereits gesetzlich vorgeschrieben. In Deutschland ist das nicht der Fall, dennoch waren im Jahre 2007 bereits ca. 85 % aller Tiefkühltruhen mit Abdeckungen ausgestattet [UBA 2008]. Auch bei den Fleisch- und Mopro-Regalen (Mopro = Molkereiprodukte) werden immer häufiger Türen eingesetzt. Neben der Reduzierung von konvektiven und radiativen Verlusten verringert sich dadurch auch der Energiebedarf für die Abtauung. Die Abdeckung verbessert darüber hinaus die Temperaturgewährleistung für das Kühlgut. Die erzielten Energieeinsparungen können über 50 % betragen. In extrem frequentierten Märkten, in denen die Türen praktisch ständig offen stehen, fallen sie naturgemäß kleiner aus; auch dort sind aber zumindest während der Nachtstunden Verbesserungen gegenüber einfachen Nachtrollos zu erwarten. Befürchtungen, dass aufgrund der schlechteren Zugänglichkeit und Sichtbarkeit der Waren der Umsatz leiden könnte, bewahrheiten sich in aller Regel nicht ([UBA 2008], [Handelsrundschau 2008], [BSU], [Schmid 2008], [Bischoff 2007]). Im Gegenteil scheinen die Kunden den besseren Schutz der gekühlten Waren eher positiv zu bewerten. Als Nebeneffekt der Glastüren steigt die Temperatur in den Gängen, was durch höhere Aufenthaltsdauern ebenfalls zu erhöhtem Umsatz führen kann.
  • Spezielles Dreifach-Wärmeschutzglas für Türen von Verkaufsmöbeln ist mittlerweile marktgängig. Diese Gläser besitzen auf der Kaltseite eine zusätzliche Beschichtung, die das sonst beim Schließen der Tür nach längerer Öffnungsdauer auftretende, kurzzeitige Beschlagen weitgehend verhindert. Sie sind mit thermisch getrenntem Randverbund erhältlich und erreichen bereits mit Argon-Füllung U-Werte von 0,9 W/(m²K). Solche Gläser benötigen eigentlich keine Rahmen- oder Glasheizungen mehr, obwohl sie häufig noch über einen oben und unten in der äußeren Scheibe eingebauten Heizstreifen verfügen. Durch Verzicht auf die Heizung kommt es zu weiteren, indirekten Energieeinsparungen wegen des verminderten Wärmeeintrags ins Kühlmöbel.
  • Dicht schließende Türen mit magnetisch angepressten Dichtungen ähnlich wie bei Haushaltskühlschränken werden ebenfalls heute bereits eingesetzt.
  • Tiefkühltruhen mit Abdeckung (wenn auch aus Einfachglas), die ohne Stromverbräuche für Lüfter und Kantenheizung auskommen, werden bei Discountern bereits als steckerfertige Geräte in größerem Maßstab eingesetzt. Bei diesen Geräten wird – mit Ausnahme der Kopfgeräte am Ende einer Zeile – die Beleuchtung außerhalb des Kühlraums platziert.


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Abbildung 3:
Tiefkühltruhen bei Discountern


  • Ein großer Hersteller bietet seit kurzem Verkaufsmöbel für die Normalkühlung an, die mit Verdampfertemperaturen von 0°C statt der üblichen ca. - 8°C auskommen. Das bietet nicht nur ein bedeutendes Potenzial zur Verbesserung des COP der Kälteerzeugung (vgl. Abschnitt ‎Kälteerzeugung), sondern eliminiert auch die Notwendigkeit der Abtauung mit ihrem direkten und indirekten Energieverbrauch. Insgesamt werden durch diese Technologie Einsparungen von 20 % erwartet.
  • Die Strahlungswärmeeinträge ins Kühlmöbel lassen sich durch infrarotreflektierende, beispielsweise mit einer metallischen Beschichtung versehene, Schirme, Baldachine o.ä. verringern. Besonders wirksam ist diese Maßnahme bei offenen Truhen, über denen große IR-reflektierende Schirme angeordnet werden können, die gleichzeitig als Werbeträger fungieren können.
  • Strahlungswärmelasten lassen sich auch dadurch minimieren, dass (insbesondere offene) Kühlregale einander gegenüber aufgestellt werden. Zu bedenken ist aber, dass offene Kühlregale ohnehin nur in den seltensten Fällen die beste Lösung darstellen und bei vorhandenen Türen kaum ein Vorteil zu erwarten ist. Diese Anordnung kann außerdem, ebenso wie eine Aufstellung in Gruppen, zu spürbar niedrigeren Lufttemperaturen in den Gängen führen, was im Sinne der Energieeinsparung wünschenswert ist, im Sinne des Komforts für die Kunden jedoch nicht.
  • Die Geräte sollten nicht in der Nähe von starken Wärmequellen aufgestellt sein, beispielsweise neben der Bäckerei.
  • Die Geräte sollten so aufgestellt sein, dass sie zu keiner Zeit direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind.
  • Die Geräte sollten so aufgestellt sein, dass sie keiner Zugluft ausgesetzt sind, d.h. insbesondere nicht im Zuluftstrahl eines Luftauslasses bzw. Deckenkonvektors und nicht im Eingangsbereich.
  • Auf eine aktive Kühlung von Obst- und Gemüseauslagen kann in aller Regel verzichtet werden. Der Energieaufwand dürfte in keinem Verhältnis zur Einsparung durch die längere Haltbarkeit stehen.
  • Vorteilhaft ist eine möglichst geringe Luftfeuchte im Verkaufsraum. Dadurch entsteht weniger unnötiges Kondensat in den Kühlmöbeln, und es muss ggf. weniger abgetaut werden. Erreichen lässt sich das durch eine luftdichte Gebäudehülle und die Vermeidung unnötiger Feuchteeinträge in die Raumluft.


Perspektiven

Etliche Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz können nur durch die Hersteller umgesetzt werden. Käufer bzw. Nutzer der Geräte haben hierauf nur indirekten Einfluss. In Bezug auf die eigentlichen Kühlmöbel wären insbesondere folgende Verbesserungsmöglichkeiten zu nennen:

  • Verbesserungen des Wärmeschutzes der opaken Bauteile. Angesichts der Tatsache, dass in Außenbauteilen von Passivhäusern regelmäßig U-Werte von unter 0,15 W/(m²K) bei Gradtagsstunden von gerade einmal 84 kKh realisiert werden, erscheint für die ca. 400 kKh eines Tiefkühlmöbels nur Vakuumdämmung und eine sorgfältige Minimierung von Wärmebrücken als angemessenes Konzept.
  • Der Lüftermotor kann als hocheffizienter Gleichstrommotor ausgeführt werden, der gegenüber konventionellen Kleinmotoren 80 % Strom einsparen kann.
  • Die Ventilatorschaufeln können strömungstechnisch optimiert werden, das Gleiche gilt für den Luftkanal, in dem die Luft um den Kühlraum herumgeführt wird.
  • Der eigentliche Lüftermotor kann außerhalb des gekühlten Raums angeordnet werden, so dass seine Verlustleistung nicht durch die Kälteerzeugung abgeführt werden muss.
  • Der Lüftermotor kann abhängig von der geforderten Kühlleistung drehzahlgeregelt werden.
  • Im Tauwasserablauf sollte ein Siphon installiert sein, um überflüssigen Luftaustausch auf diesem Wege zu verhindern.
  • Die Abtauung der Verdampfer ist im Normalkühlungsbereich, wie oben erwähnt, technisch nicht erforderlich, im Tiefkühlbereich sollte sie möglichst genau nach dem Bedarf geregelt werden.
  • Abtauklappen unterbinden während des Abtauvorgangs den Luftaustausch mit dem Kühlraum und verhindern somit unerwünschte Wärmeeinträge in den letzteren.
  • Die Abtauung kann mit Heißgas (verdichtetes Kältemittel nach dem Kompressor) statt durch eine direktelektrische Beheizung erfolgen. Dabei wird entweder der Kältemittelkreislauf umgekehrt, oder Verflüssiger und Expansionsventil werden überbrückt, so dass das Heißgas aus dem Kompressor unmittelbar wieder in den Verdampfer gelangt. Da die Beheizung des Verdampfers bei der Heißgasabtauung von innen erfolgt, kann auf diese Weise sehr rasch und zielgerichtet abgetaut werden.
  • Weitere Vorteile bietet eine Kaltgasabtauung. Dabei wird bei Bedarf im Sammler nach dem Verflüssiger Gas aus dem Kältemittel abgeschieden und durch den Verdampfer geführt. Dieses Gas ist noch immer warm genug, um den Verdampfer wieder abzutauen. Für dieses Prinzip werden mehrere Verdampfer benötigt, von denen nur jeweils einer zur Zeit abgetaut wird. Vorteilhaft sind die relativ niedrigen Abtau-Temperaturen, die zum einen geringere Temperaturwechselbeanspruchungen, zum anderen eine reduzierte Gefahr des Abplatzens größerer Reifbrocken zur Folge haben. Sinnvoll einsetzbar ist die Kaltgasabtauung vor allem in Verbundanlagen.
  • Effizientere Beleuchtung mit minimiertem Wärmeeintrag. Wie bereits erwähnt, kann die Beleuchtung durchaus außerhalb des Gerätes platziert werden. Vorteilhaft erscheint auch eine Beleuchtung mit LEDs, deren Effizienz – im Gegensatz zu Leuchtstofflampen – bei niedrigeren Temperaturen steigt. In jedem Falle ist das Vorschaltgerät von Leuchtstofflampen außerhalb des Kühlraums anzuordnen.
  • Rahmen- und Glasheizungen sollten, wenn sie sich nicht vollständig vermeiden lassen, nach dem Taupunkt der Raumluft geregelt werden.
  • Großflächige Verdampfer erlauben höhere Verdampfertemperaturen und können dadurch den Jahresnutzungsgrad der Kälteerzeugung verbessern (vgl. Abschnitt ‎Kälteerzeugung).
  • Überflutete Verdampfer, an deren Austritt das Kältemittel noch nicht vollständig verdampft ist, erlauben eine Nutzung der gesamten Verdampferfläche und einen Verzicht auf Überhitzung des Kältemittels. Dadurch kann die Verdampfungstemperatur nochmals spürbar gesteigert und die Effizienz der Kälteerzeugung verbessert werden. Um Flüssigkeitsschläge am Verdichter zu vermeiden (wenn flüssiges Kältemittel in den Verdichter gelangt, kann er dadurch leicht beschädigt werden), ist ein Kältemittelabscheider erforderlich. Das dort abfallende flüssige Kältemittel muss mit einer zusätzlichen Kältemittelpumpe zum Eintritt in den Verdampfer zurückgeführt werden.
  • Kürzere Luftschleier reduzieren die Durchmischung von Geräte- und Raumluft.
  • Vorteilhaft sind auch doppelte Luftschleier, bei denen ein Teil der umgewälzten Luft im Innern des Kühlmöbels nicht über den Verdampfer und durch den Kühlraum, sondern hinten um das Kühlmöbel herum geführt wird. Dieser wärmere Luftstrom wird als zweiter Luftschleier vor der Öffnung des Geräts geführt. Im Endeffekt ergibt sich eine Temperaturschichtung im Luftschleier, die dessen Effizienz weiter verbessert.
  • Je kleiner die Türen der Kühlmöbel sind, umso geringer sind die Wärmeeinträge bei Entnahme oder Auffüllen von Waren. Diese Strategie stößt natürlich bei einer gewissen Türgröße an praktische Grenzen.
  • Die Regelung der Kühlleistung sollte nach der Warentemperatur, nicht nach der Umlufttemperatur erfolgen. Besonders wichtig ist das bei offenen Kühlmöbeln mit Nachtrollos. Werden diese Geräte mit konstanter Umlufttemperatur betrieben, sinkt die Kühlraumtemperatur während der Nacht deutlich ab, was einerseits zu Reifbildung führen kann, andererseits die Wirksamkeit der Nachtabdeckung bedeutend reduziert.


Siehe auch

Vorhergehender Abschnitt

Nachfolgende Abschnitte

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