Kälteanlagen: Auslegung einfach erklärt

Kältetechnische Anlagen in Komfort- und Industriebereichen haben die Aufgabe, überschüssige Wärme zuverlässig abzuführen. Sie halten genau vorgegebene Betriebsparameter ein, arbeiten sicher und so effizient wie möglich. Geht es um die Auslegung einer Kälteanlage, sind diese Punkte zu berücksichtigen. Sie wirken sich dabei nicht nur auf die Leistung, sondern auch die Dimensionierung der Anlage sowie sämtlicher Komponenten aus. Worauf es dabei ankommt und wie bei einer Kälteanlage die Auslegung funktioniert, erklärt unser Ratgeber in den folgenden Abschnitten.

Große Kälteanlage nach Plänen ausgelegt und geplant auf Dach von Industriegebäude

Anlagenbetreiber haben damit die Möglichkeit, Komponenten grob vor auszuwählen und die Betriebsweise der Technik zu verstehen. Fachplaner können ihr Wissen auffrischen und sich einen Überblick zum Thema Kälteanlagen-Auslegung verschaffen.

Die Themen im Überblick

Funktionsprinzip und wesentliche Komponenten einer Kälteanlage

Kälteanlagen kühlen Räume, Medien oder Produkte, indem sie überschüssige Wärme aufnehmen und an ein anderes System übertragen. Anders als in den Grundlagen der Thermodynamik erklärt, funktioniert das entgegengesetzt zum natürlichen Temperaturgefälle. Das heißt: Kälteanlagen nehmen thermische Energie aus Bereichen niederer Temperaturen auf und geben diese an wärmere ab. Dazu ist ein spezieller Kühl- oder Kälteprozess erforderlich.

Kühlprozess ermöglicht die Funktionsweise von Kälteanlagen

Bei dem Kühl- oder Kälteprozess handelt es sich um einen immer wieder ablaufenden Kreisprozess. Dabei nimmt ein Kältemittel thermische Energie an einem Verdampfer auf. Das Medium geht in den gasförmigen Aggregatzustand über und strömt zu einem Verdichter, der meist elektrische Energie nutzt, um das dampfförmige Kältemittel zu komprimieren. Da mit dem Druck auch die Temperatur steigt, ist das Medium im nächsten Schritt dazu in der Lage, Wärme an ein anderes System abzugeben. Üblicherweise geschieht das an einem von Außenluft durchströmten Verflüssiger. Das Kältemittel geht dabei allmählich in den flüssigen Aggregatzustand über und entspannt sich an einem Expansionsventil vollständig. Mit Ausgangstemperatur und -druck strömt es daraufhin zum Verdampfer, an dem der Vorgang erneut abläuft. Die folgende Grafik verdeutlicht die Funktion einer Kälteanlage am Beispiel eines Kaltwassersatzes.

Kaltwassersatz Prinzipschema und Funktionsweise zwecks Auslegung erklärt

Wesentliche Komponenten bei der Kaltwassersatz Auslegung

Um die Funktion realisieren zu können, kommt es bei der Auslegung einer Kälteanlage im Wesentlichen auf folgende Komponenten an:

  • Verdampfer
  • Verdichter
  • Verflüssiger
  • Expansionsventil

Darüber hinaus gibt es Rohrleitungen, Sicherheitseinrichtungen und Kältespeicher, die ebenfalls Bestandteil der Auslegung einer Kälteanlage sind.

Grundlagen und Ziele der Auslegung einer Kälteanlage

Eine kältetechnische Anlage soll nur so viel kühlen wie unbedingt nötig. Denn nur so lassen sich Systeme günstig und energiesparend betreiben. Um diese Maßgabe zu gewährleisten, ist vor der Auslegung einer Kälteanlage ein detailliertes Anforderungsprofil zu erstellen. Dieses beinhaltet sicherzustellende Temperatur- und Feuchtewerte. Es zeigt interne Lasten sowie deren Gleichzeitigkeit auf und berücksichtigt Ausnahmen, in denen Über- oder Untertemperaturen zulässig sind.

Die folgende Übersicht fasst die wichtigsten Parameter für die Auslegung einer Kälteanlage zusammen:

  • bauphysikalische Anlagen- und Gebäudeeigenschaften
  • Temperatur- und Feuchtebereiche (Normal- oder Tiefkälte)
  • innere thermische Lasten (Maschinen, Prozesse etc.)
  • innere Feuchtelasten (Menschen, Stoffströme etc.)
  • Gleichzeitigkeitsfaktoren der entsprechenden Lasten
  • zulässige Regelungenauigkeiten im laufenden Betrieb
  • mögliche Überschreitungen von Temperatur und Feuchte
  • individuelle klimatische Bedingungen am Einsatzort
  • Anforderungen an Aufstellung und Schallschutz

Ohne diese Informationen ist die individuelle Auslegung einer Kälteanlage nicht möglich. Aus diesem Grund sind die Parameter noch vor dem Beginn der Planung mit dem Auftraggeber abzustimmen und zu vereinbaren.

Kühllastberechnung nach VDI 2078 als Grundlage der Anlagenplanung

Stehen die Grunddaten fest, erfolgt eine Kühllastberechnung nach VDI 2078. Diese zeigt, welche Leistungswerte wann und wie häufig erforderlich sind, um die vereinbarten Temperatur- und Feuchteschwankungen einzuhalten. Um die Betriebskosten der Anlage auf ein Minimum zu reduzieren, sollte die Kältetechnik nicht häufiger als nötig laufen. Das setzt eine bedarfsgerechte Planung voraus, bei der Experten auch Überschreitungen von Temperatur- und Feuchtewerten einplanen, sofern diese vom Auftraggeber zugelassen sind.

Energieeffizienz, Sicherheit und zuverlässiger Betrieb: Planungsziele

Wie die zuverlässige Kühlung hat auch die Energieeffizienz eine hohe Priorität bei der Planung und Auslegung kältetechnischer Anlagen. Neben der Auswahl moderner und ausgereifter Produkte gemäß Ökodesign-Richtlinie lässt sich diese Maßgabe unter anderem mit einer Aufteilung der Last auf verschiedene Kälteanlagen realisieren. Ein Teil deckt mit effizientem Nennleistungsbetrieb die Grundlast ab, während ein zweiter Teil die Spitzenlastkühlung übernimmt. Die dafür nötige Spitzenlastanlage läuft überwiegend im Teillastbereich, weshalb vor allem dieser hier besonders effizient sein sollte. Ein Vorteil: Das Splitten der Leistung erhöht die Ausfallsicherheit, da bei einem Defekt nicht alle Anlagenteile zugleich ausfallen.

Ein weiteres Planungsziel betrifft die langfristige Sicherheit. Diese lässt sich mit sogenannten Low-GWP-Kältemitteln gemäß F-Gase-Verordnung und möglichst geringen Kältemittelmengen realisieren. Neben einem erhöhten Umweltschutz, einem sicheren Betrieb und dem langfristigen Einsatz der Technik sorgen diese Vorgaben häufig auch für geringere Wartungsanforderungen. Betreiber müssen Kältemittel in absehbarer Zeit nicht umrüsten und sparen auf lange Sicht viel Geld.

Die wichtigsten Grundsätze der Planung kältetechnischer Anlagen sind:

  • Erfüllung der individuellen Anlagenvorgaben
  • Energieeffizienz und Umweltschutz im Betrieb
  • Ausfallsicherheit im Kühlbetrieb der Technik
  • Zukunftssicherheit durch passende Kältemittel

Wichtig ist darüber hinaus auch eine hohe Wirtschaftlichkeit, wobei die Kosten der Anschaffung mit den Ausgaben im Betrieb in einem guten Verhältnis stehen sollten.

Die passende Kälteanlage für den individuellen Einsatz wählen

Stehen die Voraussetzungen und Grundlagen fest, geht es an die Auswahl einer Kälteanlage. Unterscheiden lassen sich dabei grundsätzlich folgende Systeme:

  • Kaltwassersätze kühlen Wasser, welches anschließend zu den Verbrauchern strömt, um dort Wärme aufzunehmen. Es gibt die thermische Energie am Kaltwassersatz ab, regeneriert sich und strömt erneut in die Anlage.
  • Direktverdampfer leiten Kältemittel zu den Verbrauchern in der Anlage. Das Medium verdampft direkt im zu kühlenden Bereich und strömt anschließend zur Kältezentrale zurück. Hier wird es verdichtet, verflüssigt und regeneriert, sodass der Kreislauf erneut beginnen kann

Kaltwassersätze kommen mit geringen Kältemittelmengen aus, sind einfacher zu installieren und sicherer im Betrieb.

Direktverdampfer sind hingegen kompakter und teilweise effizienter. Die Verteilung von Kältemittel begrenzt jedoch die Entfernung zwischen Kälteanlage und Verdampfer. Wann welches System zum Einsatz kommt, erklären wir im Beitrag „Direktverdampfer oder Kaltwassersatz: Was ist besser?“.

Kompressions- oder Sorptionsanlagen zur Kühlung einsetzen

Neben der Art der Wärmeaufnahme ist auch eine Entscheidung bezüglich der Kühlung selbst zu treffen. Verfügbar sind dabei Kompressionskältemaschinen, die dem oben beschriebenen Funktionsablauf folgen. Diese sind der Standard und für viele Bereiche geeignet. Infrage kommen darüber hinaus auch Absorptionskälteanlagen. Diese nutzen einen thermischen Verdichter und arbeiten mit Abwärme oder Wärme aus regenerativen Energien-Anlagen (Beispiel Solarthermie). Letztere sorgen für geringere Betriebskosten und CO2-Emissionen. Die Anlagen sind dafür teurer in der Anschaffung, größer und weniger gut für den Betrieb mit häufigen Lastwechseln geeignet.

Übrigens: In kleinen Anlagen und gut belüfteten Räumen kommen auch sogenannte Verdunstungskühler zum Einsatz. Diese kühlen Bereiche durch die Vernebelung von Wasser und arbeiten ohne konventionelle Kältetechnik.

Kälteanlage auslegen: Von der Planung zur Inbetriebnahme

Die Planung und Auslegung von Kälteanlagen erfordert zahlreiche Schritte. Die folgende Übersicht zeigt, welche das sind und wie diese zusammenhängen. Sie liefert damit einen roten Faden für die Arbeit von Planern, Projektleitern und Fachhandwerkern.

  • Schritt 1: Aufnahme der Grunddaten und erstellen eines Anforderungsprofils mit dem Auftraggeber/ Anlagenbetreiber
  • Schritt 2: Kühllastberechnung, um herauszufinden, wenn welcher Kältebedarf erforderlich ist
  • Schritt 3: Grobplanung und Festlegen des Anlagenkonzeptes (Kaltwassersatz oder Direktverdampfer? Kompressions- oder Absorptionsmaschine? )
  • Schritt 4: Konzeption und Auslegung der erforderlichen Komponenten bis hin zur Ausführungsplanung
  • Schritt 5: Ausschreibung und Vergabe des Auftrags
  • Schritt 6: Montageplanung, Umsetzung und Bauüberwachung inklusive Dokumentation
  • Schritt 7: Inbetriebnahme, Einregulierung und Übergabe
  • Schritt 8: Betrieb, Monitoring und regelmäßige Wartung

Im Folgenden gehen wir näher darauf ein, wie Planer Kälteanlagen auslegen und die einzelnen Komponenten dimensionieren.

Das Kühlaggregat richtig dimensionieren und auswählen

Kern einer jeden kältetechnischen Anlage ist die Kältemaschine, die Wärme aus dem zu kühlenden System auf ein anderes überträgt. Diese ist so auszuwählen, dass sie die eingangs erwähnten Anforderungen bestmöglich erfüllt. Die Auswahl und Konzipierung der entsprechenden Geräte hängt dabei von der Kühllast, den klimatischen Bedingungen und den Voraussetzungen am Aufstellort ab. Fachliche Unterstützung bekommen Planer dabei von Herstellern, die Kälteanlagen inklusive Wärmeübertragern und Verdichtern individuell auslegen oder passgenau aus ihrem Lieferprogramm auswählen.

Wichtig zu wissen: Da verschiedene Anlagen sehr unterschiedliche Anforderungen zu erfüllen haben und die Auswahl möglicher Kälteanlagen sehr groß ist, lassen sich an dieser Stelle keine pauschalen Anweisungen zur Auslegung der Kältetechnik geben. Möglich ist es jedoch, verschiedene Bereiche und Schwerpunkte der Planung aufzuzeigen, um ein Optimum an Effizienz und Zuverlässigkeit zu erreichen.

Auswahl an Kältemittel und Konzeption der Kältekreisläufe

Ein wichtiger Punkt bei der Auslegung einer Kälteanlage ist die Wahl geeigneter Kältemittel. Diese erfolgt nach ökologischen, ökonomischen und technischen Gesichtspunkten. Technisch ist sicherzustellen, dass das gewählte Kältemittel für die individuellen Druck- und Temperaturbereiche in der Anlage geeignet ist. Es sollte einen niedrigen GWP haben, um die Umwelt nicht zu belasten und auf lange Sicht hin nicht von den Auswirkungen der F-Gase-Verordnung betroffen sein. Ungeeignete Medien mit höherem GWP sind unter Umständen in Zukunft nicht mehr erlaubt oder durch die Massenregulation der F-Gase-Verordnung sehr teuer. Toxische oder leicht brennbare Kältemittel wie Ammoniak setzen hingegen einen besseren Anlagen- und Brandschutz voraus. In der Regel bieten Hersteller Kälteanlagen mit verschiedenen Kältemitteln an. Bei der individuellen Planung und Auslegung sind Verdampfer, Verdichter, Verflüssiger und Expansionsventile hingegen selbst auf die Kältemittel sowie die Druck- und Temperaturbedingungen anzupassen.

Einzelgeräte oder Kaskaden: Die Einsatzbedingungen entscheiden

Die Leistung lässt sich entweder mit einem einzelnen Gerät oder einer sogenannten Kaskade abdecken. Letztere setzt sich aus mehreren Kältemaschinen zusammen, die je nach Anforderung zu- und abgeschaltet werden. Während die Lösung mehr Platz voraussetzt, sorgt sie in der Praxis häufig für eine höhere Effizienz. Denn durch die passgenaue Kälteanlagen-Auslegung in einzelnen Leistungsstufen lassen sich die Betriebszeiten optimieren. Die einzelnen Kälteanlagen arbeiten längere Zeit im optimalen Leistungsbereich. Sie verbrauchen weniger und unterliegen zudem geringeren Verschleißerscheinungen, als es bei hohen Taktzahlen (häufiges An- und Abfahren) der Fall wäre.

Energieeinsparung durch freie Kühlung oder Wärmerückgewinnung

Eine hohe Energieeffizienz lässt sich häufig mit der freien Kühlung erreichen. Dabei strömt das Kühlwasser an der Kältemaschine vorbei zu den Verflüssigern im Freien. Sind die Temperaturen hier niedrig genug, lässt sich Wärme aus Anlagen oder Prozessen auch ohne Kältekreislauf abführen, was viel Energie spart.

Besteht im Kühlfall auch ein Wärmebedarf, etwa zur Gebäudebeheizung, für die Warmwasserbereitung oder die Produktion von Dampf? In all diesen Fällen lässt sich die Abwärme der Verflüssiger weiter nutzen. Die sogenannte Wärmerückgewinnung sorgt für geringere Energiekosten. Sie senkt den CO2-Ausstoß und schont die Umwelt.

Im Rahmen der ganzheitlichen Auslegung von Kälteanlagen ist immer zu prüfen, ob sich die freie Kühlung oder Wärmerückgewinnung technisch und wirtschaftlich sinnvoll integrieren und umsetzen lässt.

Betriebsstrategie der Kältemaschinen auslegen und umsetzen

Wenn Planer eine Kälteanlage auslegen, erfolgt das grundsätzlich für den größtmöglichen Leistungsbedarf. Da die meisten Anlagen diesen in der Praxis nur selten erreichen, kommt es auf eine optimierte Betriebsstrategie an. Wichtig ist es dabei, auch in Teillastbereichen einen zuverlässigen, störungsfreien und effizienten Betrieb sicherzustellen, was mit einer optimalen Betriebs- und Regelstrategie möglich ist. Abhängig von der Anlage und den individuellen Einsatzbedingungen sind dabei Temperatursollwerte sowie Ein-, Aus- und Umschaltpunkte festzulegen. Es ist zu definieren, wann die freie Kühlung arbeitet, wann die Wärmerückgewinnung in Betrieb geht und wann Abwärme thermische Verdichter unterstützt. Auch Strategien zu Be- und Entladung von Kältespeichern sind festzulegen, um die Laufzeit und Effizienz im Teillastbereich zu optimieren. Erfolgt die Stromerzeugung lokal mit einer großen Photovoltaikanlage, spielt auch die maximale Eigenstromversorgung eine große Rolle, wenn es um die Auslegung einer Kälteanlage geht.

Aufstellplätze und Maschinenräume der Kälteanlage auslegen

Ein Schwerpunkt bei der Auslegung von Kälteanlagen stellt die bauliche Integration der Technik dar. Hierbei spielt es eine entscheidende Rolle, ob die Anlagen im Freien oder im Gebäude unterzubringen sind. Im Freien kommt es vor allem auf den Schutz vor Leckagen an. Anlagen benötigen hier eine Füllstandsüberwachung, Auffangwannen für Flüssigkeiten und Abschaltsysteme, die im Falle einer Leckage automatisch reagieren.

In geschlossenen Räumen sind die Anforderungen höher. Hier kommt es auf einen entsprechenden Brandschutz an. Ausgetretene Kältemittel dürfen nicht in andere Räume gelangen und für Notfälle sind geeignete Fluchtmöglichkeiten zu schaffen. Darüber hinaus sind mechanische Lüftungsanlagen einzuplanen, welche die Abwärme der Anlage zuverlässig nach außen transportieren.

Weitere Anforderungen hängen von der Wahl des Kältemittels und der vorgesehenen Kältemittelfüllmenge ab.

Sicherheitsventil auslegen und planen: Darauf kommt es an

Sicherheitsventile öffnen automatisch, sofern der Anlagendruck einen vorher festgelegten Wert überschreitet. Sie lassen Medien ab, sorgen für Entspannung und beugen der Beschädigung von Rohren, Armaturen oder umliegenden Einrichtungen vor. Die Auslegung der Sicherheitsventile hängt grundsätzlich vom eingesetzten Medium sowie von den Druck- und Temperaturbedingungen der Kälteanlage ab. Sie erfolgt mit Diagrammen, die Hersteller für ihre Produkte zur Verfügung stellen. Folgende Punkte sind dabei zu beachten:

  • Einbau mit senkrechter Spindelstellung ist Voraussetzung für die Funktion
  • keine Absperrorgane zwischen Sicherheitsventil und zu sichernder Anlage
  • Ausblasleitungen mit Schauglas und Ölvorlage zur Kontrolle von Luftblasen
  • Ausblasleitungen sind mit minimalem Druckverlust auszulegen
  • Sicherheitsventile mit Anlüfterhebel sind nicht mehr zulässig
  • Öffnen der Ventile oder Verstellen der Federkraft ist untersagt

Grundsätzlich gilt bei der Auslegung von Sicherheitsventilen die Maßgabe, Bauteile so groß wie nötig und so klein wie möglich zu wählen. Auf diese Weise lässt sich die Sicherheit der Anlage gewährleisten und die Ausblasmengen sinken zum Schutz der Umwelt auf ein Minimum.

Luftgekühlter Kaltwassersatz auf Flachdach eines Industriegebäudes nach Plänen ausgelegt

Rohrleitungen einer Kälteanlage fachgerecht auslegen

Rohrleitungen kältetechnischer Anlagen führen flüssige oder gasförmige Medien mit sich. In Bezug auf die Auslegung spielt es dabei eine große Rolle, ob es um die Planung von Anlagen mit Direktverdampfern oder Kaltwassersätzen geht. Während erstere Kältemittel durch die Anlage zirkulieren lassen, führen letztere Wasser oder Sole (Wasser und Frostschutz) mit sich.

Direktverdampfer: Auslegung der Rohrleitung nach Herstellervorgabe

Bei kältetechnischen Anlagen mit Direktverdampfer hängt die Dimensionierung des Leitungsnetzes von den verwendeten Kältemitteln sowie der Leistung ab. Sie erfolgt in der Regel nach Herstellervorgaben, um eine sichere Funktion zu gewährleisten. Die Leitungen selbst bestehen üblicherweise aus Kupfer (DIN EN 12735) und unterliegen ab der Nennweite DN 32 der Druckgeräterichtlinie. Verbindungen sind weitestgehend unlösbar durch Hartlöten herzustellen, um die Gefahr einer Leckage auf ein Minimum zu reduzieren. Wichtig zu wissen ist außerdem, dass bei der Verteilung dampfförmiger Kältemittel die Mitführung von Öl möglich sein muss, was eine Strömungsgeschwindigkeit von etwa 4 bis 8 Meter pro Sekunde voraussetzt. Um Wärmeverluste, Wärmeeinträge und Tauwasser zu vermeiden, kommt es bei der Auslegung von Rohrleitungen außerdem auf eine geeignete Dämmung an. Diese besteht in der Regel aus Kautschuk und muss für die jeweiligen Temperaturen geeignet sein. Wichtig ist es in diesem Zusammenhang auch, auf die Rohrhalter und Durchführungen zu achten, die sowohl Ansprüche an den Wärme- wie auch an den Schallschutz erfüllen sollten.

Kaltwassersatz: Leitungs-Auslegung und hydraulischer Abgleich

Geht es um die Auslegung einer Kälteanlage mit Kaltwassersatz, zirkuliert Kühlwasser oder Sole durch die Leitungen. Deutlich geringere Spreizungen sorgen dabei für höhere Volumenströme und dadurch auch für größere Rohrdurchmesser. Die Dimensionierung erfolgt grundsätzlich so, dass der Druckverlust möglichst niedrig ist. Günstig sind dabei Strömungsgeschwindigkeiten von 0,5 bis 1,5 Metern pro Sekunde in Saugleitungen und 1,0 bis 3,5 Metern in Druckleitungen.

Kaltwassersatz Rohrleitungsdurchmesser berechnen – Beispielrechnung

Folgende Gleichung hilft dabei, die Leitungsdurchmesser abhängig vom Volumenstrom und von der Fließgeschwindigkeit auszuwählen.

Durchmesser = 1000 x Wurzel aus [(Volumenstrom x 4) / (Fließgeschwindigkeit x 3,14 x 3.600)]

  • Durchmesser in mm
  • Volumenstrom in m³/h
  • Fließgeschwindigkeit in m/s

Kaltwassersatz Volumenstrom berechnen – Beispielrechnung

Die Volumenströme hängen dabei von der Wärmeabgabe der Verbraucher, der Spreizung und dem Mindestdurchfluss der Kältemaschinen ab. Dabei gilt vereinfacht folgende Gleichung:

Volumenstrom = (Leistung x 0,859) / Spreizung

  • Volumenstrom in m³/h (vereinfacht mit Dichte von 1.000 kg/m³; Abweichungen bei Sole)
  • Leistung in kW
  • Spreizung in K (Differenz aus Kaltwasserrücklauf- und Kaltwasservorlauftemperatur)

Für die endgültige Auslegung der Rohrleitungen sind darüber hinaus auch Druckverluste und schalltechnische Anforderungen zu berücksichtigen.

Ein- oder Mehrkreissystem für das Kaltwassernetz wählen

Bei der Konzeption von Verteilnetzen ist grundsätzlich zwischen Ein- und Mehrkreissystemen zu unterscheiden. Bei Ersteren ist die Kältemaschine direkt mit den Verbrauchern verbunden. Der Aufbau ist einfach und für Anlagen mit kleiner Leistung geeignet.

Bei der Auslegung großer Kälteanlagen sind hingegen Mehrkreissysteme zu empfehlen, wobei Erzeuger- und Verbraucherkreisläufe durch eine hydraulische Weiche voneinander getrennt sind. Der Vorteil liegt darin, dass beide Kreise auf diese Weise unabhängig voneinander arbeiten und Kältemaschinen auch bei geringen Leistungsanforderungen immer ausreichend Kühlwasser bekommen. Auf der Verbraucherseite ist auf diese Weise eine einfachere Leistungsregelung möglich. Drehzahlgeregelte Pumpen fördern nie mehr Wasser als nötig, und die Energiekosten sinken.

Hydraulischer Abgleich für eine höhere Energieeffizienz

Wichtig ist in jedem Fall ein hydraulischer Abgleich des Gesamtsystems. Denn dabei stimmen Experten die Druckverluste so aufeinander ab, dass das Kühlwasser auf allen Fließwegen (Kältemaschine zu Verbraucher und zurück) die gleichen Widerstände überbrückt. Das sorgt für eine gleichmäßige Verteilung, eine niedrigere Pumpenleistung und damit auch höhere Einsparungen.

Eisspeicher als Kältespeicher in nach Kälteanlagen Auslegung geplanter Kältemaschine

Kältespeicher auslegen und in das Konzept integrieren

Puffer oder Kältespeicher gleichen Lastschwankungen auf der Verbraucherseite sowie Leistungsschwankungen auf der Erzeugerseite miteinander ab, um einen gleichmäßigen und effizienten Kühlbetrieb zu gewährleisten. Damit das funktioniert, handelt es sich bei den Bauteilen um große, mit Wasser befüllte Behälter. Ist die Kälteanlage in Betrieb, kühlt sie das Pufferwasser ab, um ein Kältereservoir anzulegen. Schaltet sich die Anlage ab, etwa weil die angeforderte Leistung unter ihrem Einschaltbereich liegt, ziehen Verbraucher Kaltwasser aus dem Speicher. Sie leiten warmes Wasser in diesen ein und lassen dadurch die Speichertemperatur steigen. Ist letztere hoch genug, geht die Kälteanlage wieder in Betrieb. Sie läuft dann in einem günstigen Leistungsbereich und arbeitet effizienter.

Ganz ohne Puffer oder Kältespeicher würden vor allem einstufige Kälteanlagen ständig takten. Sie würde nach dem Anfahren zu viel Wärme aus dem System abführen und sich immer wieder ein- und ausschalten.

Mindestleistung, Sperrzeit und Durchmischung beeinflussen die Auslegung

Wie groß Planer den Kältespeicher auslegen sollten, hängt erst einmal von der Mindestleistung und der Stillstandszeit der Kälteanlage ab. Da sich die Kälteanlage unterhalb der Leistungsgrenze abschaltet, muss der Puffer ausreichend Energie aufnehmen können, um die Stillstandszeit zwischen zwei Starts überbrücken zu können. Ein zusätzlicher Sicherheitsaufschlag gleicht dabei Regelungenauigkeiten aus, um eine zuverlässige Versorgung sicherstellen zu können.

Nimmt die Kälteanlage ihren Betrieb auf, leitet sie kaltes Wasser in den Kältespeicher ein. Das führt allerdings zum Vermischen des Wasservorrats und dazu, dass sich im Inneren des Puffers eine mittlere Temperatur bildet. Da die Durchmischung mit der Größe des Speichers abnimmt, lässt sie sich über einen zusätzlichen Korrekturfaktor bei der Auslegung berücksichtigen.

Dieser hängt vom gewünschten Komfort der Kälteanlage ab und ergibt sich wie folgt:

Korrekturfaktoren Kältespeicher

  • Einfache Anlagen (Hallen und Veranstaltungen): 1,3 bis 1,5
  • Komfortanlagen (Museen, Opern und Büros): 1,5 bis 1,8
  • Hohe Anforderungen (OP, Labore, Feinfertigung): 1,8 bis 2,0

Je höher der Korrekturfaktor ist, umso weniger wirkt sich die Durchmischung auf Kaltwasser- und Lufttemperaturen der angeschlossenen Anlagen aus.

Kältespeicher auslegen: Den benötigten Wasservorrat berechnen

Basierend auf den vorgestellten Anforderungen, erfolgt die Auslegung der Kältespeicher nach folgender Gleichung:

Speicherinhalt = (Anlagenleistung / Spreizung) x 0,1587 x Einschaltleistung x Stillstandszeit x Korrekturfaktor

  • Speicherinhalt in kg (entspricht überschlägig Liter, Abweichungen bei Sole)
  • Spreizung in K (Differenz aus Kaltwasserrücklauf- und Kaltwasservorlauftemperatur)
  • Einschaltleistung in Prozent (Bsp. 20 Prozent von Nennleistung)
  • Stillstandszeit in min (1,5 bis 3,0 Minuten, je nach Verdichter)
  • Korrekturfaktor ohne Einheit (1,3 bis 2,0, je nach Komfortanforderung)

Das Ergebnis beschreibt den erforderlichen Speichervorrat in Kilogramm. Handelt es sich um Kaltwasser, lässt sich dieser vereinfach direkt in Litern angeben. Kommt ein Gemisch aus Wasser und Glykol zum Einsatz, ist die entsprechende Dichte (vom Glykol-Anteil abhängig) zu berücksichtigen.

Wichtig: Individuelle Kälteanlagen-Auslegung durch Fachexperten

Die Auslegung von Kälteanlagen erfordert ein hohes Maß an Fachwissen und Erfahrung. Aus diesem Grund empfehlen wir, kleine und große Systeme nur von Fachexperten planen zu lassen.

Ansprechpartner finden Interessenten dazu bei Kälteanlagenbauern, Fachplanern für Kältetechnik und bei den Herstellern der Kälteanlagen. Geht es um Mietkälte-Lösungen, verfügen Anbieter in aller Regel über das nötige Know-how. Sie stellen die erforderlichen Komponenten bedarfsgerecht zusammen, kümmern sich um die Installation und überwachen bei Bedarf auch den Betrieb.

FAQ: Häufig gestellte Fragen und Antworten

Welche Voraussetzungen gibt es für die Auslegung einer Kälteanlage?

Grundlage der Planung und Auslegung ist ein klärendes Gespräch mit dem Auftraggeber. Dabei nehmen Planer alle relevanten Grunddaten auf. Dazu gehören Lasten, Nutzungszeiten, Gleichzeitigkeiten, Temperatur- und Feuchteanforderungen genau wie mögliche Ausnahmen. Wichtig ist darüber hinaus die Berechnung der Kühllast, die Aussagen über die Höhe und die Dauer entsprechender Lasten zulässt und damit die Grundlage der Auslegung darstellt.

Was ist bei der Kälteanlagen-Auslegung grundsätzlich zu beachten?

Im Rahmen der Planung geht es vor allem darum, die individuellen Temperatur- und Feuchteanforderungen zu erfüllen. Die Anlagen sollten dazu zuverlässig, sicher und möglichst energieeffizient laufen. Wichtig ist darüber hinaus, dass kältetechnische Anlagen zukunftssicher sind, was sich vor dem Hintergrund der F-Gase-Verordnung vor allem auf die Wahl von Kältemitteln auswirkt.

Wie läuft die fachgerechte Planung kältetechnischer Anlagen ab?

Der Prozess beginnt mit der Aufnahme der Grunddaten. Planer erstellen ein Anforderungsprofil und stimmen das mit dem Auftraggeber ab. Im nächsten Schritt geht es um die Berechnung der Kühllast, eine grobe Konzeption und die Entscheidung für eine grundlegende Technologie. Stehen die Basisdaten fest, folgt die Auslegung der Kältemaschine, der Rohrleitungen sowie (falls erforderlich) der Kältespeicher. Planer erstellen Ausschreibungsunterlagen, fordern Angebote an und unterstützen bei der Auftragsvergabe. Ist diese erledigt, folgen Montageplanung, Ausführung und Bauüberwachung. Fachhandwerker nehmen die Anlage in Betrieb. Sie regulieren sie ein, übergeben die Technik und kümmern sich auf Wunsch um Monitoring sowie Wartung.

Welche Aufgabe hat ein Kältespeicher und wie groß sollte er sein?

Kältespeicher schaffen ein Energiereservoir, um Takt- und Stillstandszeiten der Kälteanlage zu überbrücken. Sie versorgen die Anlage vorübergehend selbst mit Kaltwasser und sollten dieses vorhalten, bis die Kältemaschine ihren Betrieb wieder aufnimmt. Sicherheitszuschläge gleichen dabei Regelungenauigkeiten sowie Vermischungserscheinungen im Pufferspeicher aus.

Können Laien eine Kälteanlage selbst auslegen und einbauen?

Nein. Bei der Auslegung von Kälteanlagen sind zahlreiche Normen und Verordnungen zu beachten. Experten sorgen für Umwelt- sowie Brandschutz und kümmern sich darum, dass die Anlagen effizient sowie zuverlässig laufen. Infrage kommen beispielsweise Kälteanlagenbauer, Ingenieurbüros für Kältetechnik sowie Hersteller der Kälteanlagen.

Autor: Marc Bode

Marc Bode

Marc ist Geschäftsführer bei Deutsche Thermo. Er arbeitet seit 2009 in der Energiebranche und hat seine Ausbildung bei einem Anbieter für Flüssiggas gemacht. Seitdem war der Experte für Wärme- und Kältetechniken in vielen verschiedenen Funktionen tätig und hat 2020 Deutsche Thermo gestartet.