Energieeffizienz in der Industriekältetechnik

In der Industriekältetechnik liegt der Fokus schnell auf dem Verdichter, weil er meist der größte einzelne Energieverbraucher ist. Das greift jedoch zu kurz. Die Kältekosten entstehen im gesamten System: durch Verdichter, Verflüssiger, Verdampfer, Pumpen, Ventilatoren, Abtausystem, Hilfsanlagen und Regelung sowie durch Prozessbedingungen und Witterung.

Deshalb sollte die Energieeffizienz eines Kühlhauses oder einer Kälteanlage unter realen Betriebsbedingungen bewertet werden. Entscheidend ist nicht nur, wie viel Energie der Verdichter aufnimmt, sondern auch, bei welchen Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen er arbeitet, welche nutzbare Kälteleistung tatsächlich im Prozess ankommt und wie viel Energie die Hilfsaggregate verbrauchen. Einen solchen systemischen Ansatz empfiehlt auch das U.S. Department of Energy in seinen Unterlagen zur Industriekälte.

Kurz gesagt: Wo sollte die Bewertung einer Kälteanlage beginnen?

Ermitteln Sie zuerst die tatsächlichen Prozessanforderungen: Produkt-, Raum-, Kaltwasser- oder Glykoltemperatur sowie die zulässigen Abweichungen.
Messen Sie den Energieverbrauch des Gesamtsystems, nicht nur den der Verdichter.
Prüfen Sie Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen. Eine zu große Differenz erhöht die Verdichtungsarbeit.
Bewerten Sie das Verhalten der Anlage im Teillastbetrieb sowie die Zuschaltung mehrerer Verdichter, Pumpen und Ventilatoren.
Prüfen Sie vor dem Austausch zentraler Komponenten Wärmetauscher, Volumenströme, Sollwerte, Sensoren, Abtauung, Dichtheit und Regelung.
Betrachten Sie freie Kühlung (Free Cooling) und Wärmerückgewinnung als Lösungen, die mit der Kälteanlage zusammenwirken. Ihre Wirtschaftlichkeit muss in der Bilanz des Gesamtsystems bewertet werden.

Die Effizienz der Industriekälte muss für das Gesamtsystem berechnet werden

Im Datenblatt eines Verdichters findet sich häufig der COP, also das Verhältnis von Kälteleistung zu aufgenommener Leistung. Diese Kennzahl ist wichtig, beschreibt aber noch nicht die Effizienz der Kälteanlage im Betrieb. Auch die offizielle britische Energy Technology List definiert den COP als Kälteleistung geteilt durch die Leistungsaufnahme und bewertet Geräte bei klar festgelegten Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen. Diese Prüfbedingungen zeigen, warum ein Katalogwert nicht losgelöst von den Betriebstemperaturen betrachtet werden darf.

In einer realen Anlage arbeitet der Verdichter zusammen mit weiteren Verbrauchern. In die elektrische Bilanz gehören daher unter anderem:

Verdichtermotoren und deren Leistungsregelung,
Ventilatoren von Verflüssigern und Verdampfern,
Pumpen für Kaltwasser, Glykol und Kühlwasser,
Kühltürme oder Verdunstungsverflüssiger, sofern vorhanden,
Energie für die Abtauung, einschließlich elektrischer Heizungen,
Heizungen für Kondensatwannen, Türen oder andere Hilfsverbraucher, sofern sie zum betrachteten System gehören,
Regelung und Zusatzgeräte, wenn deren Verbrauch relevant ist.

Erst dann lässt sich eine Kennzahl für das Gesamtsystem bestimmen. Vereinfacht gilt:

System-COP = nutzbare Kälteleistung / gesamte elektrische Leistung der Kälteanlage.

Wird die Kälte über Wasser oder eine Glykollösung übertragen, lässt sich die nutzbare Kälteleistung aus Volumenstrom, Temperaturdifferenz und Stoffwerten des Mediums bestimmen. Bei Direktverdampfung ist die Messung schwieriger und kann Daten aus Reglern, Zählern, der Prozessbilanz oder Leistungsmodellen der Geräte erfordern.

Aus Sicht des Auditors ist die erste Fehlerquelle häufig eine zu eng gezogene Bilanzgrenze. Werden nur die Verdichter gemessen, kann die Anlage gut erscheinen, obwohl Pumpen, Ventilatoren oder eine ungünstig geregelte Abtauung übermäßig viel Energie verbrauchen.

Wo entstehen in der Industriekältetechnik besonders häufig Energieverluste?

1. Zu niedrige Verdampfungstemperatur

Der Verdichter muss den Kältemitteldruck von der Verdampfungs- auf die Verflüssigungsseite anheben. Je niedriger die Verdampfungstemperatur bei gleicher Verflüssigungstemperatur ist, desto größer ist die Temperatur- und Druckdifferenz, die das System überwinden muss.

Die Verdampfungstemperatur sollte deshalb so hoch wie möglich gehalten werden, ohne die technologischen Anforderungen zu verletzen. Das bedeutet nicht, einfach den Sollwert des Kühlraums anzuheben. Zu prüfen ist, welche Temperatur Produkt oder Prozess tatsächlich benötigen, welche Temperaturdifferenz am Verdampfer besteht und ob der Wärmetauscher ausreichend mit Luft oder Sekundärmedium durchströmt wird.

Eine unnötig niedrige Verdampfungstemperatur kann unter anderem verursacht werden durch:

einen zu niedrigen Sollwert für Kaltwasser, Glykol oder Raumtemperatur,
einen verschmutzten oder vereisten Verdampfer,
eingeschränkten Luftstrom durch den Luftkühler,
ungeeigneten Volumenstrom des Sekundärmediums,
zu große Sicherheitszuschläge in den Sollwerten,
die Zusammenfassung von Verbrauchern mit stark unterschiedlichen Temperaturanforderungen in einem gemeinsamen Kreis.

Gerade deshalb ist die Trennung von Kreisen mit unterschiedlichen Temperaturniveaus ein wichtiger Optimierungsansatz. Ein Verbraucher mit sehr niedriger Temperaturanforderung sollte diese Bedingungen nicht unnötig der gesamten Anlage vorgeben.

2. Zu hohe Verflüssigungstemperatur

Auf der Hochdruckseite gilt das Gegenteil: Je höher die Verflüssigungstemperatur, desto mehr Arbeit muss der Verdichter leisten. Ursache kann nicht nur ein heißer Tag sein, sondern auch der technische Zustand und die Regelung der Anlage.

Geprüft werden sollten:

Sauberkeit von Lamellen und Wärmeübertragungsflächen,
Luftstrom durch den Verflüssiger,
Betrieb und Zuschaltreihenfolge der Ventilatoren,
Temperatur und Volumenstrom des Kühlwassers bei wassergekühlten Systemen,
Zustand des Kühlturms oder Verdunstungsverflüssigers,
Kalkablagerungen oder andere Verschmutzungen auf der Wasserseite,
Rückströmung warmer Luft im Bereich des Verflüssigers,
der minimale Sollwert des Verflüssigungsdrucks und die Möglichkeit, ihn an die Außentemperatur anzupassen.

In vielen Anlagen lässt sich ein sogenannter gleitender Verflüssigungsdruck einsetzen: Der Verflüssigungsdruck wird abgesenkt, wenn Außenbedingungen und Geräteanforderungen dies zulassen. Eine Anpassung darf jedoch nicht ohne Prüfung der Mindestbetriebsbedingungen von Expansionsventilen, Ölsystem und Herstellervorgaben erfolgen. Das DOE nennt die Absenkung des Verflüssigungsdrucks und die Regelung mit gleitendem Sollwert als grundlegende Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz industrieller Kälteanlagen.

3. Ineffizienter Verdichterbetrieb bei Teillast

Ein Betrieb benötigt nur selten das ganze Jahr über die maximale Kälteleistung. Die Last verändert sich mit Produktion, Außentemperatur, Türöffnungen, Produkttemperatur und Betriebsplan. Eine Bewertung ausschließlich im Volllastpunkt kann daher zu falschen Schlussfolgerungen führen.

Zu prüfen ist, wie die Verdichter ihre Leistung regeln und welche elektrische Leistung sie bei 25, 50, 75 und 100% Last tatsächlich aufnehmen, sofern solche Daten verfügbar sind. In der Praxis sind Herstellerkennfelder, Reglerdaten oder Messungen zu verwenden. Es darf nicht angenommen werden, dass sich der Wirkungsgrad im Teillastbereich linear verändert.

Warnsignale können häufige Starts und Stopps, lange Entlastungsphasen, starke Schwankungen des Saugdrucks oder mehrere gleichzeitig mit geringer Last laufende Maschinen sein. Das DOE nennt für Kälte- und Prozesskühlsysteme sowohl eine geeignete Verdichterstaffelung als auch Drehzahlregelung als mögliche Optimierungsmaßnahmen; die passende Lösung hängt jedoch von der jeweiligen Anlage ab. In den Unterlagen zur Prozesskühlung wird betont, dass Verdichter, Pumpen, Ventilatoren und Regelung als ein Gesamtsystem arbeiten müssen.

4. Ungünstige Sequenz mehrerer parallel betriebener Geräte

In Kältemaschinenräumen mit mehreren Verdichtern reicht die Frage „Welcher Verdichter ist am effizientesten?“ nicht aus. Entscheidend ist, welche Gerätekombination bei dem jeweiligen Kältebedarf und den aktuellen Betriebsdrücken die geringste Leistungsaufnahme verursacht.

Das gleiche Problem betrifft Pumpen und Ventilatoren. Zwei parallel laufende Pumpen sind nicht immer besser als eine. Umgekehrt kann das Abschalten eines Hilfsaggregats allein zur Senkung seines Eigenverbrauchs die Wärmeübertragung verschlechtern und den Energieverbrauch der Verdichter erhöhen. Optimiert werden muss die Bilanz des Gesamtsystems.

Eine gute Regelung sollte deshalb Last, Drücke, Temperaturen und die Effizienz verschiedener Gerätekombinationen erfassen. Außerdem ist zu prüfen, ob die Automatik vorsorglich zu viele Aggregate in Betrieb hält.

5. Verschmutzte, vereiste oder ungünstig belastete Wärmetauscher

Verdampfer und Verflüssiger bestimmen die Temperaturen, zwischen denen der Verdichter arbeitet. Eine schlechtere Wärmeübertragung vergrößert die Temperaturdifferenz, die erforderlich ist, um dieselbe Energiemenge zu übertragen.

Am Verdampfer können Staub, Fett, Eis oder Reif problematisch sein. Am Verflüssiger sind es unter anderem Staub, verschmutzte Lamellen, wasserseitige Verkalkung oder zu geringer Durchfluss. Bei Reif nennt die technische Literatur von DOE/ORNL zwei ungünstige Effekte: steigenden Luftströmungswiderstand und zunehmenden Wärmewiderstand der Eisschicht. Die Folge sind eine eingeschränkte Wärmeübertragung und eine geringere Effizienz des Wärmetauschers.

Bevor über den Austausch eines Verdichters oder Kälteaggregats entschieden wird, sollten daher Temperaturen vor und nach dem Wärmetauscher, die Temperaturdifferenz zwischen Medium und Kältemittel, der Volumenstrom sowie der Druckverlust gemessen werden. Häufig zeigen gerade diese Daten, dass die Ursache außerhalb des Verdichters liegt.

6. Ventilatoren und Pumpen mit konstantem Förderstrom

Hilfsenergie kann in einer Kälteanlage unauffällig bleiben, weil sie auf viele Motoren verteilt ist. Halten Pumpen dauerhaft den maximalen Volumenstrom und drosseln Ventile den Überschuss, oder laufen Ventilatoren unabhängig von der Last immer mit voller Drehzahl, sollte eine andere Regelungsstrategie geprüft werden.

Für die Analyse werden mindestens benötigt:

Leistung und Drehzahl der Motoren,
Volumenstrom des Mediums,
verfügbarer Druck oder Differenzdruck,
Stellungen der Regelventile,
Sollwertsignale für Frequenzumrichter,
Vor- und Rücklauftemperatur.

Ein Frequenzumrichter garantiert jedoch nicht automatisch Einsparungen. Zu prüfen ist, ob eine Reduzierung des Volumenstroms die Wärmeübertragung verschlechtert, die Medienverteilung beeinträchtigt oder zu höherer Verdichterarbeit führt.

7. Ungeeignete Abtauung

Die Abtauung verursacht zwei gegenläufige energetische Effekte. Erfolgt sie zu häufig oder zu lange, wird unnötig Wärme in Raum und Wärmetauscher eingebracht. Erfolgt sie zu selten, behindert zunehmender Reif den Luftstrom und die Wärmeübertragung.

Deshalb sollte nicht nur der Startzeitpunkt der Abtauung erfasst werden, sondern auch:

Dauer des Zyklus,
Kriterium für die Beendigung des Zyklus,
Temperatur des Wärmetauschers,
Raumtemperatur vor und nach der Abtauung,
Leistungsaufnahme der Heizungen, sofern vorhanden,
Zeit bis zur Rückkehr in den Normalbetrieb,
Anzahl der Türöffnungen und Feuchtequellen, sofern sie die Reifbildung wesentlich beeinflussen.

Die beste Strategie hängt von Anlagenart, Produkt, Feuchtigkeit und Betriebsweise ab. Eine reine Änderung des Zeitplans ohne Messungen kann das Problem vom Energieverbrauch auf Lagerqualität oder Luftkühlerleistung verlagern.

8. Sollwerte und Regelung, die dem Prozess nicht folgen

Viele Verluste entstehen nicht durch einen Defekt. Die Anlage kann exakt nach der programmierten Logik arbeiten, obwohl diese für andere Produktionsbedingungen eingestellt wurde oder energetisch nie optimiert worden ist.

Typische Probleme sind:

konstante Sollwerte unabhängig von Last und Witterung,
zu kleine oder zu große Hysteresen,
Regler, die bei Temperatur oder Druck gegeneinander arbeiten,
manuelle Übersteuerungen, die nach Servicearbeiten bestehen bleiben,
Sensoren mit Messfehler oder Offset,
falsche Zuschaltreihenfolge von Verdichtern, Pumpen und Ventilatoren,
keine Absenkung des Verflüssigungsdrucks bei kühleren Bedingungen,
eine rund um die Uhr unnötig niedrig gehaltene Mediumtemperatur,

Hier sind Trenddaten aus dem Automatisierungssystem besonders hilfreich. Ein einzelner Momentanwert wirkt oft unauffällig. Erst Aufzeichnungen über mehrere Stunden oder Tage zeigen Schwingungen, häufige Schaltvorgänge oder den Betrieb von Geräten, obwohl der Prozess nicht die volle Leistung benötigt.

9. Außenbedingungen und variable Prozesslast

Der Energieverbrauch der Kälteanlage sollte nicht ausschließlich von Monat zu Monat verglichen werden. Höhere Außentemperaturen erhöhen bei luftgekühlten Systemen die Verflüssigungsbedingungen; bei Verdunstungsverflüssigern ist zusätzlich die Feuchtkugeltemperatur relevant. In Kühlhäusern spielen Temperatur und Feuchte der durch Türen eintretenden Luft eine Rolle, im Produktionsprozess außerdem Menge, Temperatur und zeitlicher Verlauf der Produktzufuhr.

Steigt die Produktion um 20%, bedeutet ein höherer Energieverbrauch der Kälteanlage allein noch keine schlechtere Effizienz. Umgekehrt bedeutet eine konstante Produktion keine konstante Kältelast, wenn sich Produkttemperatur oder Außenbedingungen verändert haben. Energiedaten sollten deshalb auf die Größen normiert werden, die den Kältebedarf tatsächlich beeinflussen.

Welche Daten sollten bei der Bewertung einer Kälteanlage erfasst werden?

Ein gutes Audit beginnt nicht mit dem Katalog eines neuen Kälteaggregats, sondern mit Daten. Der Messumfang hängt von der Anlage ab; die folgende Tabelle zeigt jedoch einen Datensatz, mit dem sich die Ursachen von Verlusten in der Regel nachvollziehen lassen.

Daten	Warum werden sie erfasst?	Was kann auf ein Problem hinweisen?
Energie und Leistung der Gesamtanlage sowie der Hauptverbraucher	Ermöglicht die Trennung von Verdichterverbrauch und Hilfsenergie	Hoher Anteil von Pumpen, Ventilatoren oder Abtauung; höhere Leistung ohne höhere Kälteleistung
Saugdruck und zugehörige Sättigungstemperatur	Zeigt die Verdampfungsbedingungen	Zu niedrige Verdampfungstemperatur im Verhältnis zu den Prozessanforderungen
Druck auf der Druck-/Verflüssigungsseite und Sättigungstemperatur	Zeigt die Bedingungen der Wärmeabgabe	Hohe Verflüssigungstemperatur trotz günstiger Außenbedingungen
Vor- und Rücklauftemperatur des Mediums	Ermöglicht die Bewertung von Last und Sollwerten	Sehr kleine oder instabile Temperaturdifferenz bei hohem Volumenstrom
Volumenstrom von Wasser, Glykol oder einem anderen Sekundärmedium	Ermöglicht die Berechnung der Kälteleistung	Zu hoher Volumenstrom, Drosselung oder fehlende Anpassung an den Bedarf
Status, Drehzahl und Last der Verdichter	Zeigt Teillastbetrieb und Sequenz	Mehrere Verdichter gleichzeitig bei geringer Last; häufige Starts
Leistung/Drehzahl von Pumpen und Ventilatoren, Ventilstellungen	Bewertet den Hilfsenergieverbrauch	Volle Drehzahl bei geringer Last, stark gedrosselte Ventile, offener Bypass
Abtauzyklen	Ermöglicht die Berechnung des Energieverbrauchs und des Einflusses auf die Raumtemperatur	Häufige, lange oder nicht entsprechend dem tatsächlichen Bedarf beendete Zyklen
Außentemperatur und Luftfeuchtigkeit	Ermöglicht die Bewertung der Verflüssigungsbedingungen und des Free-Cooling-Potenzials	Sollwerte reagieren nicht auf veränderte Witterungsbedingungen
Raum-, Produkt- oder Prozesstemperatur	Prüft, ob Einsparungen die Funktion der Anlage beeinträchtigen	Übermäßige Unterkühlung des Produkts bzw. Raums oder starke Temperaturschwankungen
Produktion, Masse und Temperatur des Produkts, Betriebsstunden, Türöffnungen	Ermöglicht die Normalisierung des Energieverbrauchs	Anstieg der kWh ohne entsprechende Laständerung
Alarme, Servicedaten und Angaben zum Kältemittel	Verknüpft Energieverbrauch und technischen Zustand	Wiederkehrende Alarme, Nachfüllen von Kältemittel, Abweichungen von Herstellervorgaben

Die zeitliche Auflösung der Daten sollte die Betriebszyklen der Geräte sichtbar machen. Bei schnell veränderlichen Anlagen können Stundenmittelwerte kurze Starts, Entlastungsphasen und Schwingungen verbergen. Ein einzelner Messtag kann wiederum andere Produktionsschichten oder Wetterlagen nicht erfassen. Umfang und Aufzeichnungsintervall sollten daher an die Dynamik der Anlage angepasst werden und nicht an eine allgemeine Standardregel.

Wie lässt sich Effizienz messen? Der COP ist erst der Anfang

COP des Gesamtsystems

Wenn die nutzbare Kälteleistung gemessen werden kann, sollte sie der Leistungsaufnahme aller Geräte gegenübergestellt werden, die an ihrer Bereitstellung beteiligt sind. So entsteht eine Kennzahl für das reale System und nicht nur für ein einzelnes Gerät.

Angenommen, eine Anlage erzeugt Kaltwasser mit einem Volumenstrom von 50 m³/h, und die Temperaturdifferenz zwischen Rücklauf und Vorlauf beträgt 4 K. Bei einer beispielhaft angenommenen Wasserdichte von 1000 kg/m³ und einer spezifischen Wärmekapazität von 4,18 kJ/(kg·K) ergibt sich eine Kälteleistung von ungefähr:

50 / 3600 × 1000 × 4,18 × 4 ≈ 232 kW Kälteleistung.

Wenn die gesamte Anlage in diesem Moment 80 kW elektrische Leistung aufnimmt, gilt:

System-COP ≈ 232 / 80 = 2,9.

Würden nur die von den Verdichtern aufgenommenen 65 kW berücksichtigt, ergäbe sich ein COP von etwa 3,6. Die Differenz ist kein Rechenfehler, sondern entsteht durch das Weglassen von 15 kW Hilfsaggregaten. In einem realen Glykolsystem müssen die tatsächliche Dichte und spezifische Wärmekapazität für die jeweilige Konzentration und Temperatur verwendet werden.

Kennzahlen, die bei der Ursachenanalyse helfen

Der COP allein erklärt nicht, warum eine Anlage schlechter arbeitet. In der Analyse sollte er mit weiteren Kennzahlen kombiniert werden:

Verdampfungs- und Verflüssigungstemperatur sowie deren Differenz,
Temperaturdifferenzen an Wärmetauschern,
elektrische Leistung je Einheit erzeugter Kälte,
kWh pro Tonne Produkt oder eine andere Produktionseinheit, sofern sie die Last sinnvoll beschreibt,
Betriebsstunden und Anzahl der Verdichterstarts,
Anteil der Betriebszeit auf den jeweiligen Laststufen,
Leistung von Pumpen und Ventilatoren im Verhältnis zum Gesamtsystem,
Energieverbrauch für die Abtauung,
Effizienz unter vergleichbaren Außen- und Produktionsbedingungen.

Zwei COP-Werte sollten nicht verglichen werden, ohne die Messbedingungen zu prüfen. Dieselbe Maschine kann bei anderen Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen eine völlig andere Effizienz aufweisen.

Welche Symptome können auf ineffizienten Betrieb hinweisen?

Nicht jedes der folgenden Symptome bedeutet automatisch einen Defekt, jedes ist jedoch ein guter Anlass, die Daten zu prüfen:

die Verflüssigungstemperatur bleibt auch an kühleren Tagen hoch,
die Verdampfungstemperatur liegt deutlich unter dem Wert, der sich aus der erforderlichen Prozesstemperatur ergibt,
die Verdichter wechseln häufig zwischen Last- und Entlastungsbetrieb oder schalten häufig ein,
mehrere Verdichter laufen bei geringer Last parallel,
Ventilatoren oder Pumpen laufen trotz schwankenden Bedarfs dauerhaft mit voller Drehzahl,
Ventile sind die meiste Zeit stark gedrosselt, während die Pumpen hohen Druck aufrechterhalten,
der Verdampfer vereist schnell oder die Abtauung startet häufiger, als es die tatsächliche Vereisung erfordert,
die Temperaturdifferenz am Wärmetauscher steigt bei gleicher Leistung,
der Energieverbrauch steigt trotz ähnlicher Produktion und vergleichbarer Außenbedingungen,
die Anlage passt Sollwerte nicht an Witterung oder Last an,
Bediener lassen die Regelung regelmäßig im Handbetrieb, weil die Automatik keine stabilen Bedingungen hält,
die Raum- oder Prozesstemperatur liegt dauerhaft unter dem technologisch tatsächlich erforderlichen Wert.

Aussagekräftiger als ein einzelnes Symptom ist der Zusammenhang mehrerer Beobachtungen. So sind beispielsweise eine steigende Verflüssigungstemperatur, Ventilatoren mit voller Drehzahl und eine zunehmende Temperaturdifferenz an einem verschmutzten Verflüssiger ein deutlich stärkerer Hinweis als allein eine höhere Verdichterleistung.

Was sollte vor dem Austausch eines Verdichters oder Kälteaggregats geprüft werden?

Der Austausch des Hauptaggregats kann sinnvoll sein, sollte aber das Ende der Diagnose und nicht ihr Anfang sein. Vor einer Investitionsentscheidung sollten zunächst betriebliche und geringinvestive Maßnahmen systematisch geprüft werden.

Temperaturanforderungen verifizieren. Ermitteln Sie, welche Temperatur Produkt oder Prozess tatsächlich benötigen und ob alle Verbraucher auf demselben Temperaturniveau arbeiten müssen.
Sauberkeit der Wärmetauscher prüfen. Reinigen Sie Verflüssiger und Verdampfer entsprechend den technischen Anforderungen und prüfen Sie, ob sich Temperaturen und Drücke nach der Reinigung verändern.
Korrekte Volumenströme wiederherstellen. Prüfen Sie Filter, Klappen, Ventile, Pumpen, Ventilatoren und die Durchgängigkeit der Wärmetauscher.
Sensoren und Regelung prüfen. Ein Messfehler bei Temperatur oder Druck kann dazu führen, dass das gesamte System unnötig energieintensiv arbeitet.
Abtauung prüfen. Vergleichen Sie den Zeitplan mit der tatsächlichen Vereisung, der Zyklusdauer und dem Einfluss auf die Raumtemperatur.
Verdichtersequenz analysieren. Prüfen Sie Effizienzkennfelder, Teillaststufen, Anzahl der Starts und die Zuschaltung weiterer Einheiten.
Verflüssigungsdruck und Medium-Sollwerte optimieren. Führen Sie variable Sollwerte nur dort ein, wo Geräte und Prozess dies zulassen.
Pumpen und Ventilatoren prüfen. Bewerten Sie Möglichkeiten zur Drehzahlregelung, zur Beseitigung von Drosselung oder Bypässen und zur Anpassung des Volumenstroms an den Bedarf.
In Kühlhäusern Dämmung, Türen und Luftinfiltration prüfen. Beschädigte Dichtungen und lange geöffnete Tore erhöhen sowohl die Wärmelast als auch den Feuchteeintrag.
Nach den Änderungen messen. Erst ein Vorher-Nachher-Vergleich bei ähnlicher Last zeigt, welcher Anteil des Problems betriebsbedingt war und welcher weiterhin auf die Geräte zurückzuführen ist.

Arbeitet der Verdichter nach diesen Maßnahmen weiterhin außerhalb seines effizienten Bereichs, ist seine Leistung schlecht auf den Bedarf abgestimmt, ist das Betriebsprofil ungünstig oder rechtfertigt der technische Zustand eine Modernisierung, können Austauschvarianten fundiert verglichen werden. Die Auswahl einer neuen Maschine sollte dann auf dem jährlichen Lastprofil und nicht nur auf dem maximalen Auslegungspunkt beruhen.

In der Praxis würde ich zuerst nach den Gründen suchen, warum die bestehende Anlage mit einer so großen Temperaturdifferenz und mit so vielen gleichzeitig laufenden Geräten arbeiten muss. Erst danach würde ich bewerten, ob die Verdichtereffizienz tatsächlich die zentrale Begrenzung ist.

Dichtheit der Anlage und Kältemittel

Kältemittelfüllung und Dichtheit sind technisch und betrieblich relevant. Verwendet die Anlage fluorierte Treibhausgase, müssen zusätzlich die Pflichten aus der Verordnung (EU) 2024/573 geprüft werden. Die Verordnung sieht unter anderem Dichtheitskontrollen für bestimmte Arten und Mengen von Kältemitteln sowie Dokumentationspflichten vor. Die konkrete Verpflichtung hängt vom Kältemittel, seiner Menge und der Geräteart ab; eine energetische Diagnose ersetzt daher nicht die Prüfung der Einhaltung von Wartungs- und Serviceanforderungen.

Freie Kühlung: Wann kann sie die mechanische Kälteerzeugung entlasten?

Freie Kühlung nutzt niedrige Außentemperaturen, um den Kältebedarf teilweise oder vollständig ohne Betrieb eines Kälteverdichters zu decken. In Prozessanlagen kann dies beispielsweise bedeuten, Wasser oder Glykol über einen Trockenkühler oder ein Economizer-System zu kühlen, wenn die Außentemperatur ausreichend niedrig ist.

Zur Bewertung des Potenzials müssen gegenübergestellt werden:

die erforderliche Temperatur des Kühlmediums,
die minimale Temperaturdifferenz, die am Wärmetauscher erforderlich ist,
der Jahresverlauf der Außentemperatur,
das Profil des Kältebedarfs,
die Leistung von Pumpen und Ventilatoren im Free-Cooling-Betrieb,
Kosten und hydraulische Randbedingungen des zusätzlichen Wärmetauschers.

Freie Kühlung bietet in Kreisen mit höherem Temperaturniveau in der Regel ein größeres Potenzial als in Anlagen für Tiefkühlung. Sie sollte daher nicht pauschal als Einsparung in ein Projekt eingerechnet werden; vielmehr ist die Zahl der Stunden zu bestimmen, in denen die Bedingungen die Verdichter tatsächlich entlasten. Auch das DOE nennt wasserseitige Economizer als eine Maßnahme für Prozesskühlsysteme.

Wärmerückgewinnung aus der Kälteanlage: ein Vorteil nur, wenn sich die Gesamtbilanz verbessert

Eine Kälteanlage entzieht dem Prozess Wärme und gibt sie auf der Verflüssigerseite zusammen mit der dem Verdichter zugeführten Energie wieder ab. Dadurch entsteht eine natürliche Abwärmequelle, die beispielsweise zur Erwärmung von Wasser oder für einen anderen Prozess genutzt werden kann.

Die Verflüssigungstemperatur sollte jedoch nicht künstlich angehoben werden, nur um ein wärmeres Medium zu erhalten, ohne den Einfluss auf den Energieverbrauch der Verdichter zu prüfen. Eine gute Wärmerückgewinnungsvariante sollte den Gesamtenergieverbrauch des Standorts senken und nicht lediglich Kosten vom Heizraum in die Kältezentrale verlagern.

Eine umfassendere Bewertung von Wärmequelle, Wärmesenke, zeitlichem Profil und Temperaturen beschreiben wir separat im Beitrag Wärmerückgewinnung in der Industrie.

Wie sollte ein Energieeffizienz-Audit einer Kälteanlage aufgebaut sein?

Eine belastbare Analyse besteht nicht aus einer einzigen Leistungsmessung. Sie sollte Dokumentation, historische Daten und Messungen in unterschiedlichen Betriebszuständen miteinander verbinden.

1. Systemgrenzen und Funktion festlegen

Zunächst ist darzustellen, welche Geräte Kälte erzeugen, welche sie transportieren, welche Verbraucher Wärme aufnehmen und welche Prozessanforderungen gelten. Gruppen mit unterschiedlichen Verdampfungstemperaturen sollten getrennt betrachtet werden, wenn sie tatsächlich auf verschiedenen Temperaturniveaus arbeiten.

2. Energie- und Kältebilanz

Dem Profil des elektrischen Energiebezugs werden verfügbare Daten zu Kälteleistung, Volumenströmen, Temperaturen und Produktionslast zugeordnet. Fehlen Unterzähler, sind häufig temporäre Messungen an Verdichtern, Pumpen und Ventilatoren erforderlich.

3. Betriebsbedingungen aufzeichnen

Parallel sollten Drücke, Temperaturen, Drehzahlen, Schaltzustände, Automationssignale und Außenbedingungen erfasst werden. So lässt sich ein Anstieg des Energieverbrauchs einer konkreten Ursache zuordnen.

4. Teillastbetrieb und Regelung analysieren

Untersucht wird das Verhalten der Anlage bei niedrigem, mittlerem und hohem Bedarf. Besonders wichtig sind Geräteschaltfolgen, Druckstabilität, gleitende Sollwerte, Frequenzumrichterbetrieb und häufige Schaltvorgänge.

5. Maßnahmen von betrieblich bis investiv auflisten

Zuerst sollten Sollwertkorrekturen, Service, Reinigung, Kalibrierung, Änderungen von Zeitplänen und Regelungslogik wirtschaftlich bewertet werden. Erst danach werden größere Modernisierungen verglichen: Wärmetauscher, neue Verdichter, Trennung von Kreisen, Automatisierung, freie Kühlung oder Wärmerückgewinnung.

6. Wirkung verifizieren

Für jede Verbesserung sollten ein Ausgangszustand und ein Verfahren zur Messung nach der Umsetzung festgelegt werden. Bei größeren Vorhaben sollte die Analyse der Kälteanlage in einen breiteren Umfang von Energieaudits und Messungen eingebunden werden, damit sie gemeinsam mit den übrigen wesentlichen Energieverbrauchern und Prozessen des Standorts bewertet werden kann.

Was bedeutet eine solche Analyse für den Betrieb?

Die wichtigste Schlussfolgerung ist einfach: Industriekälte sollte nicht ausschließlich anhand der Verdichtereffizienz bewertet werden. Ein hoher Energieverbrauch kann durch ein unnötig hohes Druckverhältnis, verschmutzte Wärmetauscher, schlechte Sequenzierung, überhöhte Volumenströme, Abtauung oder Sollwerte verursacht werden, die nicht zur aktuellen Produktion passen.

Eine gut durchgeführte Diagnose sollte drei Gruppen von Maßnahmen unterscheiden:

betriebliche und wartungsbezogene Änderungen, die ohne Austausch zentraler Geräte umgesetzt werden können,
Änderungen an Automatisierung und Regelung, die den Betrieb des Gesamtsystems bei wechselnder Last verbessern,
Investitionen, deren erwartete Wirkung durch Messungen und die Analyse des jährlichen Betriebsprofils begründet ist.

Plant ein Betrieb eine Modernisierung der Kälteanlage, sollte er mit Messungen und der Rekonstruktion des tatsächlichen Betriebsprofils beginnen. Ein solches Audit trennt betriebliche Probleme von geräteseitigen Begrenzungen und schafft erst dann eine belastbare Grundlage für den Vergleich von Investitionsvarianten.

FAQ – Energieeffizienz von Kältegeräten und Kälteanlagen

Wie lässt sich die Energieeffizienz von Kältegeräten bewerten?

Es reicht nicht, den COP des Verdichters aus dem Datenblatt abzulesen. Die erzeugte Kälteleistung muss der Energieaufnahme des Gesamtsystems gegenübergestellt werden; zusätzlich sind Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen, Teillastbetrieb, Pumpen und Ventilatoren, Abtauung sowie Außenbedingungen zu prüfen. Erst eine solche Messung zeigt die Effizienz der Anlage im realen Prozess.

Bringt der Austausch eines Kälteverdichters immer die größte Einsparung?

Nein. Arbeitet der Verdichter mit zu niedrigem Saugdruck, zu hohem Verflüssigungsdruck oder in einer ungünstigen Sequenz, kann auch eine neue Maschine weiterhin unter ungünstigen Bedingungen laufen. Zuerst sollten die Ursachen beseitigt werden, die die Last des Gesamtsystems erhöhen; erst danach ist ein Gerätevergleich sinnvoll.

Was ist wichtiger: Verdampfungs- oder Verflüssigungstemperatur?

Beides. Die Verdichterarbeit wird durch die Differenz der Bedingungen zwischen Nieder- und Hochdruckseite bestimmt. Deshalb wird gleichzeitig nach Möglichkeiten gesucht, die Verdampfungstemperatur anzuheben und die Verflüssigungstemperatur zu senken, sofern Prozess und technische Anforderungen der Geräte dies zulassen.

Wie lange sollte eine Kälteanlage gemessen werden?

Es gibt keinen für jeden Betrieb gleichermaßen richtigen Messzeitraum. Die Messungen sollten charakteristische Lastzustände abdecken: hohe und niedrige Produktion, Abtauzyklen, Wetteränderungen sowie unterschiedliche Gerätekombinationen. Bei schnell veränderlicher Last ist außerdem ein entsprechend kurzes Aufzeichnungsintervall erforderlich.

Ist freie Kühlung in der Industriekälte immer wirtschaftlich?

Nein. Das hängt von der erforderlichen Mediumtemperatur, dem lokalen Klima, der Zahl der Stunden mit ausreichend niedriger Außentemperatur, der Leistung von Pumpen und Ventilatoren sowie den Kosten für Wärmetauscher und Regelung ab. Das Potenzial muss für das konkrete Jahresprofil berechnet werden.

Warum verbraucht ein Kühlhaus trotz ähnlicher Produktion mehr Energie?

Ursachen können eine höhere Außentemperatur oder Luftfeuchtigkeit, wärmeres Produkt, häufigere Türöffnungen, schlechtere Wärmetauscherleistung, geänderte Sollwerte, mehr Abtauzyklen oder eine andere Verdichtersequenz sein. Ein monatlicher kWh-Wert allein reicht daher für eine Diagnose nicht aus.