GFZ kühlt und heizt mit CO2-Kaltwassersatz

Das Helmholtz-Zentrum in Potsdam plante die Erweiterung seiner Kälte-, Klima- und Heizzentrale mit Umsetzung zum Jahresende 2019. Dafür lieferte die compact Kältetechnik GmbH in Zusammenarbeit mit der Kälte- & Klimatechnik Hartung aus Dresden einen 300 kW-Kaltwassersatz inklusive Wärmerückgewinnung mit dem natürlichem Kältemittel CO2 (R744). Der Kaltwassersatz ist in eine komplexe Gebäudeleittechnik eingebunden und soll vorrangig 300 kW Kaltwasser in den Übergangsjahreszeiten bei Vor-/ Rücklauftemperaturen von 14/7 °C bereitstellen. Dieses wird zur Kühlung von Laboren, Büros und dem Serverraum genutzt.

Im Vorfeld der Maßnahme stellte das GeoForschungsZentrum (GFZ) ein gesamtheitliches Energiekonzept der vorhandenen Kälte- und Wärmeversorgung auf und beauftragte dann für die Planung der Kältetechnik die ProVentplan GmbH aus Lüneburg. Unter Berücksichtigung zukünftiger Beschränkungen durch die F-Gase-Verordnung wurde die Entscheidung für eine langfristige und individuell gefertigte Lösung mit natürlichem Kältemittel getroffen.
Als Antrieb kommen vier Hubkolbenkompressoren zum Einsatz; die derzeit größten von Bitzer erhältlichen 6-Zylinder-Kompressoren mit starkem Motor (6FTE-50K), die für dieses Einsatzgebiet geeignet sind. Der erste Verdichter kann mittels Frequenzumrichter (FU) stufenlos von 25 bis 70 Hz betrieben werden. Somit wird eine lückenlose Leistungsanpassung gewährleistet. Anfallende Abwärme kann auf einem Temperaturniveau von 40/55 °C in einem Plattenwärmeübertrager vom Heizkreislauf (Anhebung der Rücklauftemperatur des Heizungssystems) entnommen werden und dient in diesem Fall einer Vorerwärmung des Heizwassers. Höhere Heizvorlauftemperaturen sind bei hoher gegebener Verdichtungsendtemperatur ohne weiteres zu erreichen.

Die verbleibende Kondensations- bzw. Gaskühlerleistung wird von zwei Platten-Gaskühlern und dem daran angeschlossenem Glykolkreislauf bei maximalen Vor-/Rücklauftemperaturen im Sommer von 36/42 °C abgegeben. Falls keine Wärmerückgewinnung betrieben wird, müssen beide Gaskühler die gesamte Rückkühlleistung abfahren können. Ein zusätzlicher innerer Wärmeübertrager erfüllt dabei mehrere Funktionen: Er überhitzt das Sauggas zur Vermeidung von Flüssigkeitsschlägen und bewirkt damit gleichzeitig eine erhöhte Sauggastemperatur für eine erhöhte Verdichtungsendtemperatur, die für die Wärmerückgewinnung genutzt werden kann. Auf der anderen Seite kühlt er den Gaskühleraustritt im transkritischen Betrieb weiter ab bzw. sorgt subkritisch für eine größere Unterkühlung und somit für einen niedrigeren Flashgas-Anteil. Je geringer der schädliche Flashgasmassenstrom ist, desto effizienter kann die Kältemaschine betrieben werden.

Da es maßgeblich war, die Maschine sehr platzsparend und dennoch servicefreundlich auszuführen, kam als trockenexpandierender Verdampfer ebenfalls ein Plattenwärmeübertrager zum Einsatz. Vor- und Rücklauftemperaturen des Wassers konnten mit 14/7 °C etwas höher als üblich gewählt werden. Die große Dynamik des Kältemittels CO2 verlangt für die verlässliche Betriebssicherheit des Kaltwassersatzes nach einem Kompromiss aus ausreichend großer Überhitzung, möglichst hoher Verdampfungstemperatur und niedriger mittlerer logarithmischer Temperaturdifferenz. Die daraus resultierende relativ große Spreizung von 7 K hat zwar einige Effizienzeinbußen zur Folge, ermöglicht aber eine kleinere Plattenauslegung bei stabiler Überhitzungsregelung. Mitteldruckabscheider samt Hoch- und Mitteldruckventil sowie Filtertrockner und Stillstandskühlung wurden auf einem separaten Gestell in den Maschinenraum eingebracht. Vor Ort wurde die kältetechnische Verrohrung mit Edelstahlrohr komplettiert. Rückseitig am Verbundgestell wurde der Schaltschrank installiert. Die in der Fertigung in Dresden vorbereitete und fertig konfektionierte Verkabelung konnte schnell aufgelegt werden und vereinfachte so die Installation. Kaltwasser-, Glykol- und Heizwasser-Übergabepunkte sind jeweils mit Vorschweißflanschen ausgeführt, wodurch die Schnittstellen zu anderen Gewerken klar definiert sind.

Die Steuerung erfolgt durch eine SPS von Siemens, welche die Anbindung zur Gebäudeleittechnik und eine benutzerfreundliche Bedienung mittels 7‘‘-Display sehr gut gewährleistet. Außerdem können komplexere und individuellere Regelungsmechanismen als durch einfachere Standardregler realisiert werden. Aufgrund der hohen Verdampfungstemperatur des CO2 und damit einhergehenden hohen Ölwurfraten müssen einige Besonderheiten beim Ölmanagement beachtet werden. Ebenfalls sind aufgrund des stark variierenden Flashgasanteils gesonderte Vorkehrungen für eine stabile Saugdruckregelung zu treffen. Große Schwankungen des Saugdrucks oder Störungen der Kaltwasserpumpe könnten zu einer instabilen Verdampfungstemperatur führen und schlussendlich durch Einfrieren des Kaltwassers schwerwiegende Schäden verursachen.

Unter Effizienzgesichtspunkten betrachtet werden die Vor- und Nachteile des Kältemittels CO2 deutlich:
– Sehr hohe Verdichtungsendtemperatur bei hohen Gaskühleraustrittstemperaturen
– Sehr gute Wärmerückgewinnungsmöglichkeiten auf hohen Temperaturniveaus und hohen Temperaturspreizungen
– Sehr gute Effizienz im subkritischen Betrieb bei niedrigen Verflüssigungstemperaturen
– Effizienzeinbußen im transkritischen Betrieb (bei hohen Gaskühleraustrittstemperaturen)

Das Betriebsregime ist optimal auf die Verwendung des natürlichen Kältemittels CO2 und dessen Eigenschaften im Betrieb einer Kältemaschine abgestimmt. Die Hauptbetriebszeit liegt in der Übergangszeit und im milden Winter. Damit lässt sich ein guter COP zur Kaltwassererzeugung realisieren und bei gleichzeitiger Abwärmenutzung der Gesamtwirkungsgrad weiter steigern. Besteht eine WRG-Anforderung (Übergangszeit und Winter), wird die Kältemaschine transkritisch betrieben, indem sie künstlich angestaut wird, um möglichst viel Wärme nutzen zu können. Sofern dies die Außentemperaturen zulassen, wird eine Gaskühleraustrittstemperatur von 20 °C gekühlt angestrebt.

Bei niedrigen Außentemperaturen erfolgt zudem eine Umschaltung auf freie Kühlung. Durch die installierte Rückkühltechnik entfällt die bei CO2-Anlagen sehr effiziente subkritische Betriebsweise weitestgehend. Dabei wären COP-Werte von 6 für die Kaltwassererzeugung ohne weiteres möglich. Die niedrigen Verdichtungsendtemperaturen in diesem Moment ermöglichen dabei nur sehr geringe WRG-Leistung und kommen daher für diesen Fall nicht in Betracht.

Bei hohen Außentemperaturen im Sommer dient die CO2-Kältemaschine aufgrund des niedrigen COPs nur zum Ausgleich von Spitzenlasten oder als Redundanz für Bestandsmaschinen. Ein zusätzlicher Wärmebedarf besteht zu dieser Zeit nicht.

Zusammenfassung:
Die Anwendungsszenarien für CO2-Kaltwassersätze werden immer größer und die Beliebtheit und Anzahl der Anlagen im Markt steigen damit stetig an. Gründe dafür sind die hervorragenden Eigenschaften als natürliches A1-Kältemittel, der geringe Platzbedarf und die sehr gute Effizienz unter bestimmten Voraussetzungen. Der Einbau einer Wärmerückgewinnung ist bei dieser Anlagentechnik empfehlenswert. Für die speziellen Regelungsalgorithmen muss eine Steuerung mittels SPS realisiert werden, da noch keine Standardregler dafür erhältlich sind.

Dieser Artikel wurde im Großkälteheft 2020 der Kälte Klima Aktuell (KKA) veröffentlicht: www.kka-online.info/artikel/kka_CO2-Kaltwassersatz_mit_Waermerueckgewinnung