Reale Wirtschaftlichkeit: Wie die Gesamtbetriebskosten eines Chillers berechnet werden

Einführung

Die Gesamtbetriebskosten einer Kältemaschine werden als die Summe der Kapitalkosten und der Betriebskosten über den gesamten Lebenszyklus der Anlage betrachtet. Industrielle Kältemaschinen zeichnen sich dadurch aus, dass die Betriebskosten gegenüber den Anschaffungskosten dominieren, was sie von den meisten technischen Anlagen unterscheidet. Über einen Zeitraum von 10-15 Jahren erreicht der Anteil der Kosten für Energie, Wartung, Öl, Verbrauchsmaterial, Austausch von Geräten und Effizienzminderung aufgrund natürlicher Degradation von Wärmetauschern 75-85% der Gesamtbetriebskosten, was durch praktische Beobachtungen von Serviceorganisationen, die Industriekälteanlagen begleiten, bestätigt wird.

Abb. 1 – Beispiel einer Schätzung der Gesamtbetriebskosten für eine 500 TR (1750 kW) Kältemaschine.

Das grundlegende Berechnungsmodell beinhaltet eine Aufteilung der Kosten in CAPEX und OPEX. Die CAPEX werden von der Konstruktion, dem Verdichtertyp, der Qualität der Wärmetauscher, dem Automatisierungsgrad und der Marke bestimmt. Die OPEX werden durch die Betriebslast, die klimatischen Bedingungen, den Zustand der Wärmetauscheroberflächen, die Genauigkeit der Überhitzungsregelung und die Stabilität der Stromversorgung bestimmt, während die Kondensations- und Siedeparameter Schlüsselfaktoren für den Energieverbrauch des Verdichters sind.

In industriellen Kältesystemen, in denen die Kältemaschine als Kühlquelle für Prozessleitungen dient, führt die Instabilität der Wärmelast zu einem Teilbetrieb. Es sind die Teilbetriebsarten, die das tatsächliche Betriebsprofil bestimmen, so dass die normativen IPLV/NPLV-Werte wichtiger werden als der COP auf dem Typenschild bei Nennbetrieb. Diese Merkmale bilden die Grundlage für TCO-Berechnungen und verändern den Ansatz für die Geräteauswahl.

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Kältemaschinenkonzepte und ihr Beitrag zum CAPEX

Die Kapitalkosten einer Kältemaschine werden durch die Art der Wärmetauscher, das Kühlsystem des Verflüssigers, den Grad der Redundanz und die Markenunterschiede zwischen den Herstellern bestimmt. Von grundlegender Bedeutung ist die Art des Verdichters. Scroll-Verdichter werden in Geräten mit geringer Leistung eingesetzt. Ihre Konstruktion ist einfach, und die Anforderungen an die Ölqualität und die Sauberkeit des Kältekreislaufs sind relativ gering. Die Investitionskosten für solche Maschinen sind minimal, aber sie sind durch die Verflüssigungstemperatur begrenzt und reagieren empfindlich auf plötzliche Druckabfälle.

Schraubenverdichter, wie sie von Trane, Johnson Controls (York) und Climaveneta angeboten werden, bieten eine vielseitigere Lösung für industrielle Lasten. Sie unterstützen eine breite Palette von einstellbaren Leistungen, haben eine hohe mechanische Stabilität und ermöglichen den Betrieb unter weniger günstigen Verflüssigungsbedingungen. Allerdings sind die Investitionskosten aufgrund der Komplexität des Ölsystems, der Kosten für die Rotoren, der Notwendigkeit der Wärmeübertragung im Ölkreislauf und der Anforderungen an die Ölqualität höher.

Zentrifugalverdichter mit Magnetlagern (z. B. Daikin, Climaveneta, Johnson Controls mit Turbocor) zeichnen sich durch einen geringen mechanischen Widerstand und hohe Wirkungsgrade bei Teillasten aus. Die Kosten für die Ausrüstung sind erheblich höher, aber die betrieblichen Vorteile werden über einen Zeitraum von 8-12 Jahren sichtbar. Die Hauptkostenfaktoren sind die Kosten für die magnetische Aufhängung, die Präzisionsfertigung der Gehäuse und der Bedarf an eingebauten Schutzsystemen gegen instabile Stromversorgung.

Auch die Wärmetauscher bestimmen die Kosten des Geräts. Mikrokanal-Kondensatoren aus Aluminium verringern die Masse und verbessern die Effizienz des Wärmeaustauschs, sind aber anfällig für Verschmutzung und Lochfraß. Rippenwärmetauscher aus Kupferrohren haben einen geringeren spezifischen Wirkungsgrad, sind aber resistenter gegen Verschmutzung und ermöglichen eine teilweise Reparatur. Rohrbündelwärmetauscher werden in Wassersystemen eingesetzt und bieten einen stabilen Betrieb bei hohen Drücken.

Betriebskosten: echte OPEX-Treiber

Die Betriebskosten setzen sich aus dem Energieverbrauch, der planmäßigen Wartung und den Reparaturen zusammen.

Der Energieverbrauch steigt proportional zum Grad der Verdichtung. So führt beispielsweise eine Senkung der Siedetemperatur um 1°C zu einem Anstieg des Energieverbrauchs um 0,5-1,5%, während eine Erhöhung des Verflüssigungsdrucks um 1°C zu einem Anstieg um 2-3% führt. Gleichzeitig können Änderungen der Siede- und Verflüssigungstemperaturen nicht nur durch veränderte Umweltbedingungen, sondern auch durch einen Ausfall der Kältemaschine selbst verursacht werden.

Teilbetriebsarten bestimmen die Form der Betriebskurve. Bei reduzierter Last behalten Schrauben- und Zentrifugalverdichter einen höheren Wirkungsgrad, während Scrollverdichter gezwungen sind, im Start-Stopp-Modus zu arbeiten, was die Anzahl der Zyklen erhöht und die Lebensdauer verringert.

Wärmetauscher sind einer der Hauptfaktoren für die Verringerung der Effizienz. Eine 10-15%ige Verschmutzung der Verflüssigeroberfläche führt zu einem Anstieg des Verflüssigungsdrucks um 2-3 bar. Mikrokanal-Wärmetauscher weisen ein noch dramatischeres Degradationsmuster auf, da die teilweise Verstopfung der Kanäle den Luftwiderstand erhöht. Kupferrohr-Wärmetauscher verschlechtern sich allmählich, wobei die Wartungsfreundlichkeit erhalten bleibt.

Zu den Wartungskosten gehören Öl (insbesondere bei Schraubenkompressoren), Filtertrockner, EC-Ventilatoren, Motorlager, Wärmetauscherabschnitte und Automatisierungsplatinen. Die Magnetlager der Zentrifugalkompressoren erfordern eine regelmäßige Kontrolle des Stabilisierungssystems, obwohl kein mechanischer Verschleiß auftritt.

Eine eigene Kategorie von Kosten entsteht durch Kältemittellecks. R410A zum Beispiel hat einen hohen Betriebsdruck und eine erhöhte Neigung zu Leckagen an den Verbindungsstellen, während R1234ze sanftere Betriebsparameter hat, aber höhere Kosten verursacht. Eine Leckage von 5-10 % des Kältemittels verändert die Leistungsmerkmale und verringert die Effizienz, was sich in den Betriebskosten niederschlägt.

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Beispiel einer CAPEX- und OPEX-Schätzung

Nehmen wir als Beispiel eine industrielle Kältemaschine mit einer Kühlleistung von 300 kW, die auf einem Schraubenverdichter und einem luftgekühlten Verflüssiger basiert. Die Schätzung erfolgt auf der Grundlage der Tarife, der Kosten für Wartungsarbeiten und der durchschnittlichen Energieeffizienz der Anlage.

Wir gehen von einer Lebensdauer von 10 Jahren aus, was für Geräte dieser Klasse der angemessene Mindesthorizont ist.

Erste technische Annahmen für die Berechnung

1. Kühlleistung: 300 kW
2. Kompressor: Schraubenkompressor,
3. Verflüssiger: luftgekühlter Kupferrohrkondensator
4. COP nominal: ~ 3,0 (real über die Saison gemittelt – 2,4-2,7 aufgrund von Teillasten und Betrieb bei Spitzentemperaturen) mit Betriebskondensationsbereich von 16-20 bar und Siedebereich von 3,5-5 bar für R410A
5. Jährliche Betriebszeit: 4.000 Stunden
6. Stromtarif: 0,20 USD/kWh
7. Bedingungen: industrieller Betrieb, Verschmutzung des Kondensators ohne aggressive Umgebung, jährliche Wartung
8. Berechnungszeitraum: 10 Jahre

CAPEX (Anschaffungskosten)

OPEX (Betriebskosten)

Stromverbrauch

1. Durchschnittlicher jährlicher Kältekoeffizient, wobei der Energieverbrauch von Pumpen und Ventilatoren berücksichtigt wird EER = 3,0

300 kW Kälteleistung ≈ 100 kW Stromverbrauch

2. Jährlicher Stromverbrauch:
   100 kW × 4.000 h = 400.000 kWh / Jahr
3. Elektrizitätskosten:
   400.000 × 0,20 = 80.000 USD / Jahr

Routinemäßige Wartung

Wir nehmen den Durchschnittswert: 1 800 USD / Jahr.

Unvorhergesehene Kosten (Reparaturen, Verschlechterung, Lecks)

• kleinere Reparaturen, EC-Ventilatoren, Sensoren, Elektrik: 500-1000 USD/Jahr im Durchschnitt
• teilausfall von Wärmetauscher, Kompressor oder Leckage: alle 5-7 Jahre Reparatur 2 000-5 000 USD

Wir gehen von einem Durchschnittswert von 1 500 USD/Jahr aus.

Amortisationsreserve (Fonds für die Erneuerung der Ausrüstung)

Für eine Kältemaschine dieser Klasse wird empfohlen, jährlich ~7 % CAPEX anzulegen:
108.000 × 0,07 ≈ 7.560 USD / Jahr

Dies ist der Betrag, der in der Reserve für Kapitalreparaturen und die Erneuerung der Ausrüstung angesammelt wird.

GESAMT – jährliche OPEX

Gesamt Betriebskosten für 10 Jahre

• CAPEX macht nur ~11 % der Gesamtbetriebskosten aus.
• Die OPEX machen etwa 89 % aus.
• Mehr als 90 % der Gesamtbetriebskosten werden durch Strom verursacht, nicht durch Reparaturen oder Wartung.
• Selbst wenn die Kältemaschine 20.000 USD weniger kostet, ändert sie die Gesamtbetriebskosten nicht mehr als 2-3 %, aber der erhöhte Energieverbrauch kann über 10 Jahre 100.000-150.000 USD einbringen.

Selbst ein geringer Rückgang des tatsächlichen EER-Wertes aufgrund von Konstruktionsmerkmalen oder Abweichungen während des Betriebs führt zu Verlusten, die den Preisunterschied zwischen preiswerteren und teureren Geräten übersteigen.

Auswirkung der Auswahl von Kühlerkomponenten auf die Effizienz

Nachdem wir nun das Ausmaß der Auswirkungen von CAPEX und OPEX auf die TCO über einen Zeitraum von 10 Jahren numerisch bewertet haben, können wir uns nun der Suche nach dem Gleichgewicht zwischen Kapital- und Betriebskosten zuwenden.

Die in einer Kältemaschine verwendeten Komponenten können einen erheblichen Einfluss auf ihre Effizienz haben. Die Wahl des Verflüssigers, des Verdampfers, des Kompressortyps und des Verflüssigerlüfters kann den EER-Wert des Geräts erheblich verändern und den jährlichen Energieverbrauch und die Kosten beeinflussen. Um das Ausmaß dieses Einflusses auf die Effizienz zu verstehen, betrachten wir das Beispiel eines luftgekühlten Schraubenkühlers mit einer Nennleistung von 350 TR (1230 kW) im 7/12°C-Modus und sehen, wie sich seine Effizienz durch die Verwendung der verschiedenen unten aufgeführten Komponenten verändert.

Abbildung 1 – YORK-Darstellung. Auswirkung der Komponenten der Kältemaschine auf ihren EER

Abb.2 – YORK-Präsentation. Einfluss der Komponenten der Kältemaschine auf den EER-Wert

Die Tabellen in der Präsentation zeigen, dass der resultierende jahreszeitliche Wirkungsgrad nicht so sehr durch den Verdichtertyp, sondern durch die Kombination von Wärmetauschern, Ventilatoreigenschaften und die Tiefe der Frequenzregelung bestimmt wird. Die angegebenen EER-Werte sind im AHRI-Btu/Wh-System angegeben.

Für eine Standardkonfiguration – Kupferrohr-Rippenverflüssiger (RTPF), Zweiwege- oder Dreiwege-Folienverdampfer, Ventilatoren ohne VSD – liegen die NPLV-Werte bei 12,7-14,6 Btu/Wh, was etwa 0,95-0,82 kW/Tonne oder in europäischen Einheiten COP 3,7-4,3 entspricht. Dieser Wirkungsgrad ist typisch für eine konventionelle VSD-Schraubenkältemaschine mit luftgekühltem Kondensator, die unter realen, gemäßigten Klimabedingungen betrieben wird.

Durch den Wechsel zu einem Mikrokanal-Kondensator, langsam laufenden VSD-Ventilatoren und einem optimierten VSD-Schraubenverdichter steigen die Werte auf NPLV 17,0-18,8 Btu/Wh, was 0,70-0,64 kW/Tonne oder in europäischen Einheiten COP 5,0-5,5 entspricht. Eine geeignete Systemkonfiguration führt also zu einem COP-Anstieg von etwa 30-40 % bei gleicher Nennleistung. Ein Vergleich der jährlichen Energiekosten (AEC) macht diesen Unterschied quantitativ deutlich.

Aus diesem Grund hat die Wahl des Verflüssigers, des Verdampfertyps, der Ventilatoreigenschaften und des Algorithmus zur Verdichtersteuerung einen entscheidenden Einfluss auf die tatsächliche jahreszeitliche Effizienz und nicht nur auf den EER-Wert auf dem Typenschild. Der Unterschied zwischen einem „konventionellen“ und einem „optimierten“ VSD-Schraubenkompressor ist der Unterschied zwischen COP = 4 und COP = 5,3, was auf der Skala von 10-15 Betriebsjahren Zehntausende von Dollar an OPEX-Einsparungen ausmacht.

Schlussfolgerung

Die Betriebskosten werden für 10-15 Jahre geschätzt, wobei Szenarien für die Verschlechterung der Ausrüstung, Änderungen der Außentemperatur, Verschmutzung des Wärmetauschers und die Wahrscheinlichkeit von Notfallreparaturen berücksichtigt werden. Professionelle Dienstleistungsunternehmen empfehlen, die Geräte mit den niedrigsten OPEX und nicht mit dem niedrigsten Anschaffungspreis auszuwählen. Unterm Strich ist die optimale Kältemaschine keine Kompromisslösung, sondern eine Auslegung für die tatsächlichen Betriebsbedingungen und bietet langfristig die niedrigsten Betriebskosten.

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Autor des Artikels:

Tatiana Kohan, Marketingexpertin

15.12.2025