Kälteanlagen im Teillastbetrieb – Verdichtertakten und Leistungsregelung

In einer Kälteanlage verursacht nicht zwangsläufig die höchste installierte Leistung den größten jährlichen Energieverbrauch. Schwierigkeiten treten oft dann auf, wenn ein Betrieb nur wenig Kälte benötigt, die Kältemaschine ihre Leistung aber nicht stufenlos genug reduzieren kann. Bevor über einen Austausch entschieden wird, sollten daher die Startfrequenz der Verdichter, die minimale Kälteleistung, die Volumenströme und die elektrische Leistungsaufnahme des Gesamtsystems geprüft werden.

Wann wird der Teillastbetrieb zum Problem?

Teillastbetrieb bedeutet, dass der aktuelle Kältebedarf des Prozesses unter der Nennleistung der Anlage liegt. Das ist an sich kein Fehler. Eine richtig ausgelegte und geregelte Kältemaschine kann auch deutlich unterhalb ihrer Nennleistung effizient arbeiten.

Problematisch wird es, wenn die erforderliche Last unter die minimale stabile Leistung fällt, mit der das Gerät unter den jeweiligen Bedingungen betrieben werden kann. Benötigen die Verbraucher beispielsweise 45 kW Kälte, während die kleinste verfügbare Leistung der eingeschalteten Einheit 90 kW beträgt, muss die Anlage den Verdichter zeitweise abschalten, Kälte im Wasserkreislauf zwischenspeichern oder eine andere Erzeugerkonfiguration nutzen. Aus dem Vergleich dieser beiden Leistungen allein lässt sich die Zahl der Starts noch nicht ableiten: Auch Wasservolumen, Regelhysterese und tatsächlicher Lastverlauf sind entscheidend.

Verdichtertakten bezeichnet wiederkehrende, kurze Ein- und Ausschaltzyklen eines Verdichters oder seiner Leistungsstufen. Eine dauerhaft zu hohe Schalthäufigkeit kann die Temperaturstabilität und die Betriebsbedingungen beeinträchtigen. Zulässige Lauf- und Stillstandszeiten sowie Startzahlen sind jedoch vom jeweiligen Modell abhängig – einen allgemeingültigen sicheren Grenzwert für alle Kältemaschinen gibt es nicht. Trane beschreibt unter anderem den Zusammenhang zwischen dem Takten bei CGAM-Geräten und dem Kreislaufvolumen, dem Volumenstrom sowie den Temperaturdifferenz-Einstellungen in seinen Hinweisen zum Verdichtertakten.

Über Energieverluste und die Effizienz des gesamten Kältesystems informieren wir ausführlicher in unserem Beitrag zur industriellen Kältetechnik. Hier geht es gezielt um das Verhalten bei geringer Last.

Wie lassen sich die Ursachen häufiger Starts erkennen?

Der Startzähler liefert einen wichtigen Hinweis, reicht für eine Diagnose aber nicht aus. Zwei Kältemaschinen können ähnlich oft starten, obwohl bei der einen ein zu geringer Kältebedarf und bei der anderen ein ungeeigneter Volumenstrom durch den Verdampfer oder ein instabiles Regelsignal die Ursache ist.

Zunächst muss zwischen einem Problem der Kälteerzeugung und einem Problem der Kälteverteilung unterschieden werden. Ein Verdichter kann takten, ohne überdimensioniert zu sein – etwa weil der Volumenstrom kurzzeitig aussetzt oder ein ungünstig positionierter Sensor die Regelung auslöst.

Mindestleistung, Wasservolumen und Hysterese

Bei der Beurteilung des Teillastbetriebs sind drei Größen gemeinsam zu betrachten: die aktuelle Kältelast, die minimal verfügbare Leistung des Verdichters bzw. der gesamten Kältemaschine und die Energiemenge, die im Wasserkreislauf sicher zwischengespeichert werden kann.

Die minimale Kälteleistung ist nicht bei jeder Maschine derselbe Prozentsatz

Eine Kältemaschine mit drehzahlgeregeltem Verdichter, eine Gruppe gestuft geschalteter Verdichter und ein ausschließlich ein- und ausschaltendes Gerät haben unterschiedliche Kennlinien. Der Modulationsbereich hängt zudem von Verdampfungs- und Verflüssigungstemperaturen sowie den Grenzen der Regelung ab. Ein Frequenzumrichter ermöglicht nicht automatisch einen stabilen Betrieb bei beliebig geringer Last.

Für die Analyse werden Leistungs- und Leistungsaufnahmekennfelder für die tatsächlichen Betriebstemperaturen benötigt, ebenso Angaben zur zulässigen Startzahl, Mindestlaufzeit und zum Mindestvolumenstrom. Ein Wirkungsgradkennwert aus einem einzigen Katalogbetriebspunkt ersetzt diese Informationen nicht.

Ein Pufferspeicher verlängert den Zyklus, beseitigt aber nicht alle Ursachen

Ist das Wasservolumen zu gering, fehlt thermische Trägheit: Die Temperatur erreicht schnell die Abschalt- und anschließend die Wiedereinschaltschwelle. Ein Pufferspeicher kann die Laufzyklen verlängern, sofern er das tatsächlich wirksame Kreislaufvolumen erhöht. Er behebt jedoch weder eine fehlerhafte Pumpenschaltung noch einen unzureichenden Volumenstrom oder eine falsche Sensorposition.

In der Dokumentation zu Pufferspeichern der Trane-CGAM-Baureihe erläutert der Hersteller, wie eine größere thermische Trägheit das Takten reduziert und die Wassertemperatur stabilisiert. Das ist ein Beispiel für eine bestimmte Gerätefamilie, keine allgemein gültige Bemessungsregel für jedes System.

Ähnliches gilt für die Hysterese: Eine größere Temperaturdifferenz zwischen Ein- und Ausschalten kann die Schalthäufigkeit verringern, zugleich aber die Prozessbedingungen verschlechtern. Änderungen müssen mit der Geräteanleitung, den zulässigen Wassertemperaturen und den Anforderungen der Verbraucher vereinbar sein. Werkseitige Taktsperren und Frostschutzfunktionen dürfen nicht deaktiviert werden.

Zuschaltstrategie für Kältemaschinen und Pumpenregelung

Bei mehreren Kälteerzeugern reicht es nicht, zusätzliche Maschinen zuzuschalten, sobald eine einzelne Temperaturschwelle überschritten wird. Die Regelung sollte die aktuelle Last, die Mindestleistung laufender Kältemaschinen, die Prozessstabilität, Laufzeitbeschränkungen und die elektrische Leistungsaufnahme der Nebenaggregate berücksichtigen.

Bei geringem Bedarf kann es günstiger sein, eine Kältemaschine stabil zu betreiben als zwei stark heruntergeregelte Geräte. Das gilt nicht ausnahmslos: Entscheidend sind die Kennlinien von Kältemaschinen, Pumpen und Ventilatoren. Durch das Zuschalten eines weiteren Aggregats kann sich der Verdichterwirkungsgrad verbessern, während gleichzeitig der Pumpenstrombedarf steigt. Verglichen werden sollte deshalb die gesamte elektrische Leistungsaufnahme der Anlage bei identischer Kältelast – nicht nur die einer einzelnen Kältemaschine.

Auch die Pumpenregelung hat Grenzen. Eine Drehzahlreduzierung kann Energie sparen, der Volumenstrom durch den Verdampfer darf jedoch nicht unter das vom Hersteller festgelegte Minimum fallen. Bei Anlagen mit variablem Volumenstrom müssen Ventile, Bypässe und die hydraulische Entkopplung der Kreisläufe überprüft werden. Das Analysetool für Kaltwassersysteme des US-Energieministeriums betrachtet die Leistung von Kältemaschinen und den Pumpenbetrieb getrennt, auch bei veränderlichen Volumenströmen.

Für die praktische Optimierung empfiehlt sich folgende Reihenfolge: zuerst die tatsächliche Last ermitteln, dann Zu- und Abschaltschwellen sowie Mindestvolumenströme prüfen und erst anschließend andere Betriebskonfigurationen vergleichen. Eine Neuprogrammierung der Regelung ohne Überprüfung der Hydraulik kann die Situation verschlechtern.

Welche Messgrößen sind in welchen Betriebszuständen zu erfassen?

Besonders aussagekräftig sind Daten aus mehreren wiederkehrenden Zuständen: geringem Bedarf, Normalbetrieb, Spitzenlast und den Übergängen dazwischen. Eine Messung an nur einem stabilen Betriebspunkt erklärt nicht, warum eine Kältemaschine alle paar Minuten neu startet.

Zur Beurteilung des Taktens sollten Betriebszustände und Temperaturen mit einer zeitlichen Auflösung erfasst werden, die einzelne Zyklen nachvollziehbar macht – häufig deutlich öfter als alle 15 Minuten. Das genaue Intervall richtet sich nach der Änderungsdynamik und den Möglichkeiten des Datenloggers. Ein auf 15 Minuten gemitteltes Profil kann für die Tagesenergiebilanz ausreichen, kurze Starts und Stillstände aber verdecken.

Vor der Berechnung sind die zeitliche Synchronisierung der Daten, die Kalibrierung der Sensoren und die Bilanzgrenzen der Strommessung zu prüfen. Enthält die Leistungsaufnahme der Kältemaschine bereits Anteile der Pumpen- oder Ventilatorleistung, dürfen diese nicht erneut addiert werden.

COP, EER und Teillastkennzahlen – was sollte wirklich verglichen werden?

Die momentane Kälteleistungszahl lässt sich als Verhältnis der bereitgestellten Kälteleistung zur aufgenommenen elektrischen Leistung angeben. Bei der Kältemaschine bezieht sich die Bilanz nur auf das Gerät. Für das Gesamtsystem müssen auch die betreffenden Pumpen, Ventilatoren und Nebenaggregate berücksichtigt werden.

Ist der Kaltwasservolumenstrom bekannt, kann die Kälteleistung des Kreislaufs näherungsweise wie folgt berechnet werden:

Q [kW] ≈ 1,163 × V [m³/h] × ΔT [K], wobei V der Wasservolumenstrom und ΔT die Temperaturdifferenz zwischen Rück- und Vorlauf ist. Der Faktor 1,163 ist ein Näherungswert für Wasser; bei Glykolgemischen sind die tatsächliche Dichte und spezifische Wärmekapazität bei der jeweiligen Temperatur zu verwenden.

Zum Vergleich von Geräten gibt es Kennzahlen für mehrere Lastpunkte, darunter IPLV und NPLV. Der AHRI-Standard 551/591-2026 (SI) legt Bewertungsbedingungen unter anderem bei 100 %, 75 %, 50 % und 25 % Last fest. Solche Werte ermöglichen einen Gerätevergleich nach einer definierten Methode, stellen aber keine Messung des jährlichen Energieverbrauchs eines konkreten Betriebs dar. Produktionsprofil, Prozesstemperaturen und Pumpenbetrieb können von den Bewertungsbedingungen abweichen.

Auch IPLV, NPLV, EER, SEER und SEPR sollten nicht ohne Prüfung ihrer Definitionen miteinander verglichen werden. Anwendungsbereich und Ermittlungsmethode hängen von der Gerätekategorie und der jeweiligen Norm ab. Im Betriebsaudit bleiben der innerhalb derselben Bilanzgrenzen gemessene Stromverbrauch und die tatsächlich abgeführte Wärmemenge entscheidend.

Beispiel: gleiche Kältelast, zwei unterschiedliche Effizienzwerte

Angenommen, bei reduziertem Kältebedarf fließen 12 m³/h durch den Kaltwasserkreislauf, und die Rücklauftemperatur liegt 4 K über der Vorlauftemperatur. Daraus ergibt sich eine näherungsweise Kälteleistung von 55,8 kW (1,163 × 12 × 4). Für eine beispielhafte Anlage mit wassergekühlter Kältemaschine nehmen wir folgende elektrische Leistungsaufnahme an. Pumpen und Kühlturmventilatoren werden gesondert erfasst und sind nicht in der Leistungsaufnahme der Kältemaschine enthalten:

Für die Kältemaschine allein ergibt sich 55,8 / 15 ≈ 3,72, für die gesamte Anlage dagegen 55,8 / 20 ≈ 2,79. Beide Werte beschreiben denselben Zeitpunkt, aber unterschiedliche Bilanzgrenzen. Deshalb kann eine Modernisierungsbewertung allein anhand des Katalog-COP oder der momentanen Verdichterleistung in die Irre führen.

Das Beispiel beruht auf angenommenen Werten und nicht auf Messungen einer konkreten Anlage. Bei realen Untersuchungen müssen zusätzlich Messunsicherheiten und zeitliche Laständerungen berücksichtigt werden. Aus dieser Bilanz allein lässt sich auch das Takten nicht beurteilen – dazu sind Verdichterstarts und Laufzeiten zu protokollieren. Aus einem einzelnen Betriebspunkt dürfen ohne stündliches Lastprofil oder eine andere begründete Referenzmethode keine Jahreseinsparungen hochgerechnet werden. Auch das US-Energieministerium betont die Beurteilung der Teillasteffizienz und die Auslegung von Pumpen auf typische statt ausschließlich maximale Betriebszustände; siehe Kapitel 5.3 im Best Practices Guide for Energy-Efficient Data Center Design.

In welcher Reihenfolge sollten Modernisierungsmaßnahmen erfolgen?

Der Kauf einer kleineren Kältemaschine muss nicht die erste Maßnahme sein. Manche Probleme lassen sich durch eine Anpassung der Regelungslogik verringern, andere beruhen auf tatsächlichen technologischen oder hydraulischen Grenzen.

Falls die Analyse zu einem Geräteaustausch führt, muss die Auswahl einer industriellen Kältemaschine hinsichtlich Leistung, Betriebsparametern und Reserve gesondert bewertet werden. Eine geringere Nennleistung allein garantiert keinen zuverlässigen Betrieb bei Produktionsspitzen.

Wie lassen sich Einsparungen nachweisen, ohne die Prozessbedingungen zu verschlechtern?

Ein Vorher-Nachher-Vergleich sollte einen möglichst ähnlichen Kältebedarf sowie vergleichbare Verflüssigungsbedingungen, Vorlauftemperaturen und Produktionsarten abbilden. Die Daten werden idealerweise in mehrere Lastbereiche aufgeteilt und mit den jeweiligen Betriebsstunden gewichtet. Eine veränderte Stromaufnahme nach der Modernisierung ist nicht automatisch deren Folge, wenn gleichzeitig Produktionsmenge oder erforderliche Temperaturen geändert wurden.

In der Praxis würde ich vier Ergebnisse parallel betrachten: den Energieverbrauch der Gesamtanlage, Anzahl und Dauer der Zyklen, Temperaturabweichungen an kritischen Punkten sowie Alarme und Kälteverfügbarkeit. Ein geringerer Stromverbrauch ist kein Erfolg, wenn die Prozessstabilität leidet oder die Anlage zu häufig an ihre Betriebsgrenzen gelangt.

Eine erste Diagnose erfordert nicht sofort sämtliche Messwerte. Am besten beginnt man mit Temperaturverläufen, Verdichterzuständen und verfügbaren Energieverbrauchsdaten. Reichen diese nicht aus, sollte zunächst der Umfang einer zusätzlichen Datenerfassung festgelegt und erst danach über Änderungen entschieden werden.

Welche Unterlagen werden für die Anlagenbewertung benötigt?

Starten die Kältemaschinen häufig oder steigt der Energieverbrauch bei geringer Kältelast, sollten die Betriebsbedingungen beschrieben und die verfügbaren Daten übermittelt werden: Art und Zahl der Geräte, Last- und Temperaturverläufe, Verdichterzustände, Volumenströme sowie elektrische Leistungsaufnahme. Es müssen nicht gleich alle Messwerte vorliegen.

Energy Trend kann bei der Festlegung des Diagnoseumfangs und der Bewertung verschiedener Maßnahmen im Rahmen eines Energieeffizienz-Audits unterstützen. Ziel ist es, messtechnisch begründete Maßnahmen zu identifizieren und ihre Auswirkungen auf den Energieverbrauch und die Prozessbedingungen zu bewerten – nicht von vornherein einen Geräteaustausch vorauszusetzen.

Technische Quellen

• AHRI-Standard 551/591-2026 (SI) – Leistungsbewertung von Kältemaschinen und Teillastpunkte.
• Trane, Compressor Short Cycling CGAM – Symptome, Durchfluss und Regelungseinstellungen.
• Trane, Buffer Tank CGAM – Bedeutung des Wasservolumens.
• U.S. Department of Energy, Chilled Water System Analysis Tool – User Manual.
• U.S. Department of Energy, Best Practices Guide for Energy-Efficient Data Center Design.