04107 Grundlagen effizienter Kälteversorgung
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Im industriellen Sektor wie auch zur Raumklimatisierung sind Kälteversorgungen heutzutage unverzichtbar und weit verbreitet. Dieser Artikel stellt eine grundlegende Übersicht zusammen, welche Begriffe und Kennzahlen man kennen sollte, wie man die Effizienz der Kälteversorgung ermittelt und bewertet sowie welche Ansatzpunkte für Verbesserungen allgemein infrage kommen. von: |
1 Einleitung
Kälte ganzheitlich denken
Dieser Übersichtsartikel soll eine systematische Gesamtübersicht über das Thema Energieeffizienz von Kälteerzeugung und -anwendung in Produktion und Gebäuden bereitstellen. Aufgabe ist die Klärung von Begrifflichkeiten, die Darstellung einer systemischen, also ganzheitlichen Denkweise im Zusammenhang mit Kälte und Kühlung sowie die Darstellung von Gesamtzusammenhängen und Wechselbeziehungen zwischen den beteiligten Komponenten und Teilsystemen.
Dieser Übersichtsartikel soll eine systematische Gesamtübersicht über das Thema Energieeffizienz von Kälteerzeugung und -anwendung in Produktion und Gebäuden bereitstellen. Aufgabe ist die Klärung von Begrifflichkeiten, die Darstellung einer systemischen, also ganzheitlichen Denkweise im Zusammenhang mit Kälte und Kühlung sowie die Darstellung von Gesamtzusammenhängen und Wechselbeziehungen zwischen den beteiligten Komponenten und Teilsystemen.
Auf die Energieeffizienz einzelner Komponenten der Kälteerzeugung, der Verteilung sowie der Anwendung wird in anderen Beiträgen im Werk eingegangen, auf die von hier aus nur verwiesen wird.
2.1 Begriffe Kälte, Wärme- und Kälteübertragung
Kälte ist fehlende Wärme
Physikalisch ist Kälte die Abwesenheit von Wärmeenergie in einem Medium relativ zu einer dabei mit zu betrachtenden Umgebung. Streng genommen kann man daher eigentlich nicht Kälte bereitstellen, sondern nur (störende) Wärme abführen. Im Folgenden wird jedoch die am Nutzen und an der Technologie orientierte Sprechweise von der Erzeugung, Bereitstellung und Anwendung von Kälte beibehalten.
Physikalisch ist Kälte die Abwesenheit von Wärmeenergie in einem Medium relativ zu einer dabei mit zu betrachtenden Umgebung. Streng genommen kann man daher eigentlich nicht Kälte bereitstellen, sondern nur (störende) Wärme abführen. Im Folgenden wird jedoch die am Nutzen und an der Technologie orientierte Sprechweise von der Erzeugung, Bereitstellung und Anwendung von Kälte beibehalten.
Wärme = Atomar-/Molekularbewegung
Wärmeenergie ist die (räumlich nicht orientierte, sondern statistisch zufällig verteilte) Bewegungsenergie einzelner Atome und Moleküle in einem Feststoff, einer Flüssigkeit oder einem Gas, angegeben in Joule (ausgesprochen „Dschuhl”, J) oder Kilojoule, bzw. vor allem bei größeren Beträgen in Kilowattstunden (kWh), Megawattstunden (MWh) usw. Dabei gilt: 1 kWh = 3.600 kWs (Kilowattsekunden) = 3.600 kJ.
Wärmeenergie ist die (räumlich nicht orientierte, sondern statistisch zufällig verteilte) Bewegungsenergie einzelner Atome und Moleküle in einem Feststoff, einer Flüssigkeit oder einem Gas, angegeben in Joule (ausgesprochen „Dschuhl”, J) oder Kilojoule, bzw. vor allem bei größeren Beträgen in Kilowattstunden (kWh), Megawattstunden (MWh) usw. Dabei gilt: 1 kWh = 3.600 kWs (Kilowattsekunden) = 3.600 kJ.
Begriff Temperatur
Die Wärmeenergie drückt sich aus und wird gemessen über die Temperatur des jeweiligen Stoffes, meistens angegeben in Grad Celsius (°C). Temperaturdifferenzen werden dabei oft in Kelvin (K) angegeben, auch die absolute Temperatur (gemessen vom absoluten Nullpunkt bei -273,15 °C aus) wird in Kelvin angegeben. Dabei ist die Differenz von einem Grad auf der Celsiusskala gleich einem Kelvin. Bei verschiedenen Stoffen bzw. Gegenständen bewirkt eine zu- oder abgeführte Wärmeenergiemenge aber nicht unbedingt die gleiche Temperaturerhöhung, der verbindende Faktor ist die Wärmekapazität des jeweiligen Stoffes oder Gegenstands, meistens angegeben mit Bezug auf die Masse oder das Volumen des Stoffes, gemessen entsprechend z. B. in Kilojoule pro Kilogramm des Stoffes und pro Kelvin Temperaturdifferenz (kJ/kgK). Wasser hat beispielsweise bei üblichen Raumtemperaturen eine Wärmekapazität von rund 4,2 kJ/kgK.
Die Wärmeenergie drückt sich aus und wird gemessen über die Temperatur des jeweiligen Stoffes, meistens angegeben in Grad Celsius (°C). Temperaturdifferenzen werden dabei oft in Kelvin (K) angegeben, auch die absolute Temperatur (gemessen vom absoluten Nullpunkt bei -273,15 °C aus) wird in Kelvin angegeben. Dabei ist die Differenz von einem Grad auf der Celsiusskala gleich einem Kelvin. Bei verschiedenen Stoffen bzw. Gegenständen bewirkt eine zu- oder abgeführte Wärmeenergiemenge aber nicht unbedingt die gleiche Temperaturerhöhung, der verbindende Faktor ist die Wärmekapazität des jeweiligen Stoffes oder Gegenstands, meistens angegeben mit Bezug auf die Masse oder das Volumen des Stoffes, gemessen entsprechend z. B. in Kilojoule pro Kilogramm des Stoffes und pro Kelvin Temperaturdifferenz (kJ/kgK). Wasser hat beispielsweise bei üblichen Raumtemperaturen eine Wärmekapazität von rund 4,2 kJ/kgK.
Wege des Wärmetransports
Ist nun in einem Stoff Wärmeenergie vorhanden bzw. wird sie dort freigesetzt und kann dort bei weiterer Erwärmung zu Nachteilen oder Schäden führen, so muss sie von dort abgeführt, der Stoff bzw. das entsprechende Bauteil muss gekühlt werden. Dies kann auf unterschiedliche Weise geschehen. Physikalisch können Wärme und Kälte auf drei verschiedene Weisen weitergegeben werden (s. auch Abb. 1):
Ist nun in einem Stoff Wärmeenergie vorhanden bzw. wird sie dort freigesetzt und kann dort bei weiterer Erwärmung zu Nachteilen oder Schäden führen, so muss sie von dort abgeführt, der Stoff bzw. das entsprechende Bauteil muss gekühlt werden. Dies kann auf unterschiedliche Weise geschehen. Physikalisch können Wärme und Kälte auf drei verschiedene Weisen weitergegeben werden (s. auch Abb. 1):
| • | Durch Wärmeleitung, d. h. durch die direkte Weitergabe der Bewegungsenergie der Teilchen an benachbarte Teilchen, wie z. B. von einem warmen Heizkörper in unsere Hand, wenn wir diese an den Heizkörper halten. |
| • | Durch Wärmestrahlung, d. h. durch die Weitergabe der Energie in Form einer elektromagnetischen Strahlung, deren Frequenzen unterhalb des sichtbaren Lichts liegen. So erreicht uns z. B. auf der Erde neben dem sichtbaren Licht auch die Wärmestrahlung der Sonne. Auch empfinden wir fehlende Wärmestrahlung als „Kältestrahlung”, wenn wir uns in einem an und für sich beheizten Raum bei winterlicher Kälte vor einer schlecht gedämmten Wand aufhalten. |
| • | Durch Konvektion, d. h. durch die Bewegung eines Stoffes bzw. eines Mediums von einem Ort zu einem anderen, bei dem der Stoff oder das Medium die enthaltene Wärmeenergie mitnimmt. Das passiert z. B. in unseren Heizungs- und Kälte-Rohrleitungsnetzen. |
Stärke der Wärmeübertragung
Im konkreten Anwendungsfall finden diese Wege parallel nebeneinander und/oder nacheinander statt. Dabei ist der Wärmeübergang bzw. auch die Übertragung von Kälte umso größer,
Im konkreten Anwendungsfall finden diese Wege parallel nebeneinander und/oder nacheinander statt. Dabei ist der Wärmeübergang bzw. auch die Übertragung von Kälte umso größer,
| • | je größer der Temperaturunterschied von einem Medium zum anderen ist, |
| • | je größer die austauschende Fläche bzw. bei der Konvektion die strömende Medienmenge ist. |
Natürlich spielen im Detail auch die eigene Wärmeleitfähigkeit der Medien sowie die des Wärmeübertragermaterials, die Geschwindigkeit und Turbulenz der Strömung usw. eine Rolle, jedoch ist deren Einfluss in der Praxis wesentlich kleiner als die vorgenannten zwei Punkte. An welchem der beiden Parameter man sinnvollerweise stellen sollte, um die Effizienz eines Kälte bereitstellenden Systems zu steigern, ist allerdings von den Umständen abhängig, siehe weiter unten.
Immer von warm nach kalt
Die Energieübertragung findet dabei immer nur von warm nach kalt statt. Um Wärmeenergie von kalt nach warm zu bringen, ist ein zusätzlicher Prozess nötig, der weitere Energiezufuhr benötigt (s. auch Abschn. 2.4 Kälteerzeugung).
Die Energieübertragung findet dabei immer nur von warm nach kalt statt. Um Wärmeenergie von kalt nach warm zu bringen, ist ein zusätzlicher Prozess nötig, der weitere Energiezufuhr benötigt (s. auch Abschn. 2.4 Kälteerzeugung).
2.2.1 Ermittlung des Kältebedarfs
Abwärme entsteht aus aufgenommener Energie
Die Analyse eines Kälte bereitstellenden Systems sollte grundsätzlich bei der Ermittlung des vorhandenen Kälte- bzw. Kühlungsbedarfs beginnen. Dieser entsteht durch den Anfall von Abwärme, bei der Raumklimatisierung auch durch die witterungsbedingte Wärmezufuhr von außen (Eintritt von warmer Luft sowie Sonneneinstrahlung).
Die Analyse eines Kälte bereitstellenden Systems sollte grundsätzlich bei der Ermittlung des vorhandenen Kälte- bzw. Kühlungsbedarfs beginnen. Dieser entsteht durch den Anfall von Abwärme, bei der Raumklimatisierung auch durch die witterungsbedingte Wärmezufuhr von außen (Eintritt von warmer Luft sowie Sonneneinstrahlung).
Alle Energieströme mit ihrer Richtung erfassen
Bei vielen industriellen Arbeitsprozessen ist die anfallende Abwärme nicht von vornherein bekannt, da sie von den einzelnen Arbeitsschritten und den gerade in Fertigung befindlichen Werkstücken abhängig ist (z. B. bei der mechanischen Bearbeitung von Werkstücken aus Metall oder anderen Materialien). Nach dem Energieerhaltungssatz kann aber nur genau das als Abwärme frei werden, was an Energie einem System zugeführt wird, daher wird eine Maschine über einen gewissen Zeitraum auch nur das an Abwärme freisetzen, was sie an Antriebsenergie benötigt, zuzüglich ggf. noch Erwärmungs- oder Abkühlungsprozesse der bearbeiteten Werkstücke oder Stoffe.
Bei vielen industriellen Arbeitsprozessen ist die anfallende Abwärme nicht von vornherein bekannt, da sie von den einzelnen Arbeitsschritten und den gerade in Fertigung befindlichen Werkstücken abhängig ist (z. B. bei der mechanischen Bearbeitung von Werkstücken aus Metall oder anderen Materialien). Nach dem Energieerhaltungssatz kann aber nur genau das als Abwärme frei werden, was an Energie einem System zugeführt wird, daher wird eine Maschine über einen gewissen Zeitraum auch nur das an Abwärme freisetzen, was sie an Antriebsenergie benötigt, zuzüglich ggf. noch Erwärmungs- oder Abkühlungsprozesse der bearbeiteten Werkstücke oder Stoffe.
Daten sammeln
Es ist daher hilfreich für die Analyse von Kälte- und Kühlungsprozessen, sich die elektrischen Energie- bzw. Leistungsaufnahmen der Maschinen und Anlagen bei den verschiedenen Arbeitsprozessen zusammenzustellen sowie – wenn Werkstücke oder Stoffmengen gegenüber der Raumtemperatur erhitzt oder gekühlt zu- oder abgeführt werden – die Temperaturen und Stoffmengen der zugeführten und abgeführten Materialien und Werkstücke. Zu Letzteren benötigt man dann noch die Wärmekapazität, um aus den Temperaturdifferenzen, Stoffmengen und Wärmekapazitäten die Wärmeströme auszurechnen.
Es ist daher hilfreich für die Analyse von Kälte- und Kühlungsprozessen, sich die elektrischen Energie- bzw. Leistungsaufnahmen der Maschinen und Anlagen bei den verschiedenen Arbeitsprozessen zusammenzustellen sowie – wenn Werkstücke oder Stoffmengen gegenüber der Raumtemperatur erhitzt oder gekühlt zu- oder abgeführt werden – die Temperaturen und Stoffmengen der zugeführten und abgeführten Materialien und Werkstücke. Zu Letzteren benötigt man dann noch die Wärmekapazität, um aus den Temperaturdifferenzen, Stoffmengen und Wärmekapazitäten die Wärmeströme auszurechnen.
Wärmemenge ermitteln
Bei Schmelz-, Verdampfungs-, Kondensations- oder Erstarrungsprozessen müssen auch die spezifischen Energiemengen des jeweiligen Phasenübergangs (bei chemischen Reaktionen die der Reaktionen) mit berücksichtigt werden. Summiert man diese Werte auf, erhält man die freigesetzte und damit abzuführende Wärmemenge.
Bei Schmelz-, Verdampfungs-, Kondensations- oder Erstarrungsprozessen müssen auch die spezifischen Energiemengen des jeweiligen Phasenübergangs (bei chemischen Reaktionen die der Reaktionen) mit berücksichtigt werden. Summiert man diese Werte auf, erhält man die freigesetzte und damit abzuführende Wärmemenge.
Temperaturniveau und zeitlichen Verlauf mit erfassen
Für eine Effizienzverbesserung, eine Um- oder Neuplanung der Kühlung von Arbeitsschritten müssen aus diesen Leistungsaufnahmen die verschiedenen Abwärmeströme (ggf. einschließlich Sonneneinstrahlung bzw. Zustrom warmer Außenluft im Sommer) identifiziert und ihre Temperatur und Leistung ermittelt werden, um die entsprechenden Medienströme (Kühlwasser, Zu-/Abluft) entsprechend auslegen zu können. Dabei ist auch zu berücksichtigen, ob die Wärmeleistungen konstant oder schwankend (in Leistung oder Temperatur) anfallen.
Für eine Effizienzverbesserung, eine Um- oder Neuplanung der Kühlung von Arbeitsschritten müssen aus diesen Leistungsaufnahmen die verschiedenen Abwärmeströme (ggf. einschließlich Sonneneinstrahlung bzw. Zustrom warmer Außenluft im Sommer) identifiziert und ihre Temperatur und Leistung ermittelt werden, um die entsprechenden Medienströme (Kühlwasser, Zu-/Abluft) entsprechend auslegen zu können. Dabei ist auch zu berücksichtigen, ob die Wärmeleistungen konstant oder schwankend (in Leistung oder Temperatur) anfallen.
Für die Raumklimatisierung sind auch Aspekte der Luftfeuchtigkeit und entsprechend der Trocknung oder Befeuchtung der zugeführten Luft zu beachten, weitere Hinweise zur Bedarfsermittlung für Raumklimaanlagen unten unter Best-Practice-Beispiele sowie im Artikel zu Energetischen Inspektionen an Klimaanlagen (s. Kap. 08305).