Überblick über Optionen für Kaltwassersätze

Einführung

Moderne Kältemaschinen können mit einer breiten Palette von Optionen ausgestattet werden, die ihren Betriebsbereich erweitern und die Energieeffizienz verbessern. Die Wahl der richtigen Optionen in der Auswahlphase kann einen stabilen Betrieb des Kältesystems unter verschiedenen Bedingungen gewährleisten, die Betriebskosten senken und die Zuverlässigkeit der Geräte erhöhen.

Die Optionen für Kältemaschinen lassen sich grob in mehrere Gruppen unterteilen:

• startsysteme für Verdichter;
• mittel zur Gewährleistung der Betriebsfähigkeit bei niedrigen Außentemperaturen;
• funktionserweiterungen (Freecooling, Wärmepumpenbetrieb, Wärmerückgewinnung);
• konstruktionsoptionen (eingebautes oder abgesetztes Hydromodul, Economiser);
• zusätzliche Elemente (Frostschutz, Inverterventilatoren, Überwachungssysteme, Schallschutzlösungen).

Jede der aufgeführten Optionen hat einen direkten Einfluss auf die Leistung des Geräts.

Wenn Sie Hilfe bei der Auswahl einer Kältemaschine für Ihre Anlage benötigen, wenden Sie sich an die EVROPROM-Ingenieure – wir werden die optimale Lösung unter Berücksichtigung Ihrer Wünsche und betrieblichen Besonderheiten finden.

Startsysteme für Verdichter

Das Startsystem des Verdichters bestimmt die Höhe des Anlaufstroms, die dynamische Belastung der mechanischen Komponenten und den Grad der Beeinträchtigung des elektrischen Netzes. Die folgenden Optionen werden in industriellen Kälteanlagen eingesetzt:

Stern/Dreieck-Anlaufsystem

Wenn die Motorwicklungen im Stern geschaltet sind, wird die Spannung an jeder Phase um den Faktor √3 reduziert, wodurch der Anlaufstrom auf 30-40 % des Nennstroms sinkt. Nach der Motorbeschleunigung wird der Motor auf eine Dreieckschaltung umgeschaltet, um das volle Drehmoment zu erreichen. Die Stern-Dreieck-Schaltung ist typisch für Kompressoren kleiner und mittlerer Leistung, bei denen kurzzeitige Einschaltströme zulässig sind.

Vorteile: einfache Ausführung, geringe Kosten, hohe Zuverlässigkeit der Schaltung.

Nachteile: starker Strom- und Drehmomentanstieg beim Umschalten, was zu dynamischen Belastungen des Verdichters und der Antriebselemente führt.

Softstarter (Sanftanlasser)

Der Softstarter begrenzt den Anlaufstrom durch allmähliche Erhöhung der Spannung an den Motorwicklungen. Der Einschaltstrom beträgt 150-250 % des Nennstroms und ist damit deutlich niedriger als beim Direktstart. Der Softstart wird für Kompressoren mit mittlerer und hoher Leistung empfohlen, wenn die Spitzenstrombelastung des Netzes reduziert werden muss.

Vorteile: geringere Netzbelastung und weniger mechanische Stöße für den Verdichter, längere Lebensdauer des Motors.

Nachteile: fehlende Drehzahlregelung im Betriebsmodus, Beschränkung der Funktionalität auf den Startvorgang.

Frequenzumrichter (VFD)

Der Frequenzumrichter gewährleistet das Anfahren des Verdichters mit minimalem Anlaufstrom (in der Regel nicht mehr als 110-120 % des Nennstroms) und ermöglicht die Regelung der Motordrehzahl im Betriebsmodus. Dadurch kann die Leistung der Kältemaschine an schwankende Wärmelasten angepasst werden und trägt zu einem höheren jahreszeitlichen Energieeffizienzgrad (SEER) bei. VFDs sind am effektivsten in Systemen mit variablen Lasten und hohen Anforderungen an die Energieeffizienz.

Vorteile: Minimierung von Einschaltströmen, Fähigkeit zur Leistungsregelung, verbesserte Energieeffizienz bei Teillasten.

Nachteile: höhere Kosten, Notwendigkeit der Installation von Filtern zur Kompensation höherer Oberschwingungen, zusätzliche Anforderungen an die Kühlung der Leistungselektronik.

Abb. 1 – Variation des Anlaufstroms bei verschiedenen Motorstartsystemen

Winterstart der Kältemaschine

Der Betrieb von Kaltwassersätzen bei niedrigen Außentemperaturen ist mit einer Reihe von technischen Herausforderungen verbunden, wobei die wichtigste die Aufrechterhaltung des erforderlichen Verflüssigungsdrucks ist. Bei Lufttemperaturen unter 10 °C besteht die Gefahr eines übermäßigen Verflüssigungsdruckabfalls, was zu einem instabilen Betrieb des thermostatischen Expansionsventils (TRV), einer Unterbrechung der Zufuhr von flüssigem Kältemittel zum Verdampfer und einer möglichen Aktivierung des Niederdruckschutzes führt.

Es werden spezielle technische Lösungen verwendet, um einen stabilen Start und weiteren Betrieb im Winter zu gewährleisten.

Heißgas-Bypass (Dampf-Bypass-Leitung)

Die gebräuchlichste Methode ist die Einrichtung einer Heißdampf-Bypassleitung von der Verdichterdruckleitung zum Flüssigkeitssammler oder zur Kondensatleitung. Die Zugabe von überhitztem Dampf in die Flüssigkeitsleitung ermöglicht die Aufrechterhaltung des erforderlichen Mindestkondensationsdrucks und der Flüssigkeitstemperatur vor dem TRV.

Parameter:

• mindestverflüssigungsdruck für einen stabilen Betrieb der meisten TRVs – 7…9 bar (je nach Art des Kältemittels);
• die optimale Temperatur des flüssigen Kältemittels am Eintritt in den TRV sollte den Siedepunkt um 4…6 °C überschreiten, um ein „Auffüllen“ des Verdampfers mit einem Dampf-Flüssigkeits-Gemisch zu verhindern.

Die Verwendung der Bypass-Leitung gewährleistet einen stabilen Betrieb der Kältemaschine bei Außentemperaturen von bis zu -15…-20 °C.

Abb.2 – Heißgas-Bypassleitung zum Leitungsempfänger

Abb.3 – Schematische Darstellung der Heißgas-Bypassleitung

Drehzahlregelung des Verflüssigerventilators

Neben dem Heißgasbypass sind Systeme zur Regelung des Luftstroms durch den Verflüssiger weit verbreitet:

• stufenregelung durch Aus- und Einschalten der Ventilatoren;
• stufenregelung mit Hilfe von Frequenzumrichtern;

Wenn die Außenlufttemperatur sinkt, wird die Drehzahl der Ventilatoren reduziert, was zur Aufrechterhaltung des erforderlichen Verflüssigungsdrucks beiträgt. Der kombinierte Einsatz von Ventilatorsteuerung und Dampfbypass bietet die größte Stabilität.

Kurbelgehäuseheizung des Verdichters

Bei niedrigen Außentemperaturen besteht ein erhöhtes Risiko, dass Kältemittel in das Kurbelgehäuse des Verdichters gelangt, wenn der Verdichter nicht in Betrieb ist. Kurbelgehäuseheizungen werden eingesetzt, um eine Verdünnung des Öls mit flüssigem Kältemittel zu verhindern. Die Heizung sollte sicherstellen, dass die Öltemperatur 10-15 K über der Saugleitungstemperatur liegt.

Bereich der zulässigen Betriebsbedingungen

In den technischen Unterlagen der führenden Hersteller sind die Mindestaußentemperaturen angegeben, bei denen der Kaltwassersatz mit den entsprechenden Optionen in Betrieb genommen und nachhaltig betrieben werden kann:

• basisversion ohne Optionen – Inbetriebnahme ist möglich bei 10… 12 °C;
• mit Ventilatordrehzahlregelung – bei 0… 5 °C;
• mit Heißdampf-Bypassleitung und Kurbelgehäuseheizung – bis zu -15…-20 °C;
• in speziellen „low ambient kits“ (z.B. Johnson Controls oder Carrier) – bis -25…-30 °C.

Das Anfahren von Verdichtern im Winter ist also eine komplexe Aufgabe, die durch eine Kombination der folgenden Maßnahmen gelöst wird: Aufrechterhaltung des Verflüssigungsdrucks, Verhinderung der Kältemittelverlagerung und Gewährleistung eines zuverlässigen Anfahrens des Verdichters.

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Option Freecooling

Freecooling (freie Kühlung) ist eine Betriebsart des Kühlsystems, bei der das Kühlmittel teilweise oder vollständig durch die Außenluft ohne Beteiligung des Kühlkreislaufs gekühlt wird. Diese Betriebsart wird realisiert, indem ein zusätzlicher Wärmetauscher (Trockenkühler) in das System integriert wird, der parallel oder in Reihe mit dem Verdampfer der Kühlmaschine arbeitet.

Funktionsprinzip

Wenn die Außenlufttemperatur unter die Rücklauftemperatur des Kühlmittels fällt, kann ein Teil der Wärmelast direkt über den Trockenkühler abgeführt werden. In den Übergangszeiten (Herbst, Frühjahr) oder im Winter kann die volle Kühlleistung erreicht werden, ohne dass die Verdichter eingeschaltet werden müssen.

Free-Cooling kann in zwei Varianten realisiert werden:

Parallelschaltung – der Rückkühler arbeitet gleichzeitig mit dem Kaltwassersatz. Das gekühlte Kühlmittel im Rückkühler wird mit dem Strom zum Verdampfer vermischt. Der Verdichter wird mit reduzierter Last betrieben.

Sequentielles Schema – das Kühlmittel durchläuft zunächst den Rückkühler und wird dann, falls erforderlich, im Verdampfer zusätzlich gekühlt.

Energieeffekt

Die Effizienz der Freikühlung hängt direkt von den klimatischen Bedingungen und der Betriebsart der Kältemaschine ab. Ein Beispiel: Beim Betrieb im Standardmodus von 7/12 °C:

• wenn die Außentemperatur unter 8… 10 °C liegt, ist eine teilweise freie Kühlung möglich;
• bei Temperaturen unter 1… 2 °C kann eine vollständige Freikühlung erreicht werden.

Die saisonalen Energieeinsparungen in gemäßigten Klimazonen können 20-35 % erreichen. In nördlichen Regionen mit einer langen kalten Jahreszeit können die Einsparungen 50 % übersteigen.

Konstruktionsmerkmale

Die Realisierung des Free-Cooling-Modus erfordert:

• einen zusätzlichen Wärmetauscher (Trockenkühler) mit Gebläsekühlung;
• ein System von Drei-Wege-Ventilen zum Umschalten des Kühlmittelstroms;
• eine hydraulische Verrohrung mit der Möglichkeit der Durchflussregelung;
• ein Automatisierungssystem zur Steuerung der Umschaltung der Betriebsarten.

Einige Hersteller (z. B. Climaveneta, Trane) produzieren Geräte in Monoblockbauweise mit integrierter Freikühlung.

Durch die Verfügbarkeit der Free-Cooling-Option kann der Energieverbrauch in der kalten Jahreszeit erheblich gesenkt werden, was jedoch eine Analyse der klimatischen Bedingungen und der technischen Planung des Objekts erfordert.

Hydromodul: integriert und ferngesteuert

Das Hydronikmodul ist ein integraler Bestandteil der Kälteanlage und sorgt für die Zirkulation des Kühlmittels durch den Verdampfer der Kältemaschine und das Verbrauchersystem. Das Hydronikmodul umfasst in der Regel Umwälzpumpen, Ausdehnungsgefäß, Ventile und ggf. einen Pufferspeicher.

Von den Herstellern werden zwei Varianten angeboten:

• einbau-Hydromodul– wird im Gehäuse der Kältemaschine untergebracht;
• externes Hydromodul – wird in einer separaten Einheit geliefert und vor Ort montiert.

Eingebautes Hydraulikmodul

Das Einbau-Hydromodul wird im Werk fertiggestellt. Alle Komponenten sind im Gehäuse der Wasserkühlmaschine oder in einem separaten, in den Rahmen integrierten Fach untergebracht.

Vorteile:

• werksmontage und -prüfung – Minimierung des Risikos von Installationsfehlern;
• kürzere Inbetriebnahmezeiten;
• kompakte Bauweise und Platzersparnis im Maschinenraum;
• pufferbehälter, der an die Eigenschaften des Verdampfers angepasst ist.

Nachteile:

• eingeschränkte Flexibilität – Pumpenkapazität und Tankvolumen sind werkseitig festgelegt;
• schwierige Modernisierung – der Austausch oder das Hinzufügen von Pumpen wird durch die Konstruktion erschwert;
• größere Größe und höheres Gewicht der Einheit, was den Transport erschwert.

Eingebaute Hydromodule werden häufiger in Klimaanlagen von Gebäuden (Büros, Hotels, Einkaufszentren) eingesetzt, wo Kompaktheit und Minimierung der Installationsarbeiten wichtig sind.

Abb. 4– Wasserkühlmaschine Trane 430 kW (vorgestellt in unserem Katalog)

Ferngesteuertes Hydraulikmodul

Das Hydraulikaggregat wird als separate Pumpstation hergestellt. Es kann im Maschinenraum, auf dem Technikboden oder in einem separaten Raum installiert werden.

Vorteile:

• möglichkeit der Auswahl von Pumpen mit den gewünschten Eigenschaften (Förderhöhe, Leistung, Energieeffizienz);
• einfache Wartung – leichter Zugang zu den Pumpen, Filtern, Ausdehnungsgefäß;
• möglichkeit der Skalierung des Systems (Hinzufügen von Parallelpumpen, Redundanz);
• reduzierte Größe und Gewicht der Einheit, vereinfachter Transport.

Nachteile:

• kompliziertere Installation und Einstellung vor Ort;
• höhere Anforderungen an die hydraulische Verbindung und die Platzierung der Geräte;
• größere Fläche im Maschinenraum.

Ferngesteuerte Hydraulikmodule werden hauptsächlich in Industrieanlagen und in Systemen mit langen Rohrleitungen eingesetzt, wo eine individuelle Auswahl der Pumpenausrüstung erforderlich ist.

Die Wahl zwischen integrierten und dezentralen Hydromodulen wird nicht nur durch die Anordnung der Geräte, sondern auch durch die hydraulischen Eigenschaften des gesamten Systems bestimmt. Das integrierte Hydromodul bietet Kompaktheit und einfache Installation, während das dezentrale Hydromodul eine flexible Anpassung an die individuellen Anforderungen des Standorts ermöglicht.

Werfen Sie einen Blick in unseren Katalog der Kältemaschinen – Geräte in verschiedenen Konfigurationen, sorgfältig auf Mängel geprüft, auf die erforderlichen Temperatureinstellungen eingestellt und in perfektem Zustand an Sie ausgeliefert.

Einsatz eines Economisers zur Erhöhung des COP (Coefficient of Energy Performance)

Ein Economiser ist ein zusätzlicher Wärmeaustauschkreislauf mit Zwischendrosselung zur Unterkühlung des flüssigen Kältemittels. Die beste Wirkung wird in Schraubenverdichtern mit Zwischeneinspritzung erzielt: Ein Teil des Kältemittels wird nach dem Verflüssiger gedrosselt, im Economiser verdampft und der entstehende Dampf in den Verdichter geleitet, um das verdichtete Gemisch zu kühlen. Die flüssige Fraktion tritt somit mit einer geringeren Enthalpie in den Verdampfer ein, was die Kühlleistung und den COP erhöht.

Bei Niedertemperaturanwendungen (Siedepunkt unter -5 bis -10 °C) kann der Economiser den Wirkungsgradabfall kompensieren. Erfahrungen mit Geräten von Johnson Controls und Bitzer zeigen eine Leistungssteigerung von 8-12 % und eine Erhöhung des COP um 5-10 %.

Abb. 5 – Schematische Darstellung einer Kälteanlage mit Economiser

Der Betrieb des Economisers erfordert eine präzise Regelung durch ein separates elektronisches Regelventil. Eine zu hohe Einspritzung führt zu einem Abfall der Verdichterleistung, eine zu geringe Einspritzung zur Unbrauchbarkeit des Systems.

Ein weiterer positiver Effekt ist die Senkung der Ausblastemperatur und der Motorlast, was die Lebensdauer der Anlage erhöht. Die erhöhten Kosten und die Komplexität der Automatisierung sind jedoch nur bei niedrigen Siedetemperaturen oder hohen Anforderungen an die Energieeffizienz gerechtfertigt.

Wärmerückgewinnung

Die Wärmerückgewinnung in Kältemaschinen wird durch die Installation eines zusätzlichen Wärmetauschers in der Druckleitung oder im Kondensationskreislauf realisiert. Ziel ist es, einen Teil der Kondensationswärme für die Warmwasserbereitung oder die Erwärmung von Prozessmedien zu nutzen. Es gibt zwei Hauptvarianten: die Teilrückgewinnung (10-30 % der Verflüssigerleistung werden entnommen) und die Vollrückgewinnung, bei der fast die gesamte Wärmelast genutzt und die Abgabe an die Umwelt minimiert wird.

Durch den Einsatz der Rekuperation wird die Gesamtenergieeffizienz der Anlage verbessert. Es ist wichtig, das Temperaturniveau des Wärmeträgers zu berücksichtigen: Eine Wassererwärmung bis zu 40-50 °C ist in fast allen Systemen möglich, über 60 °C nur in Kältemaschinen mit Schrauben- oder Zentrifugalverdichtern, die für hohe Austrittstemperaturen ausgelegt sind.

Das Gleichgewicht der Betriebsarten ist zu beachten: Wenn kein Wärmebedarf besteht, muss die Entnahme abgeschaltet werden, da sonst der Verflüssigungsdruck ansteigt und der COP sinkt. Die optimale Lösung ist der Einsatz von elektronisch geregelten Plattenwärmetauschern. Praktische Erfahrungen mit Trane- und Daikin-Geräten zeigen, dass bei ganzjähriger Wärmenutzung die Amortisationszeit der Option 1,5-3 Jahre beträgt.

Zusätzliche Optionen

Frostschutz

Ermöglicht die Zirkulation des Thermofluids bei kritischen Temperaturen oder die Beheizung der Rohrleitungen. Die Mindesttemperatur des Kühlmittels wird durch Automatisierung aufrechterhalten; verhindert Eisbildung im Verdampfer und in den Rohrleitungen. Kritisch bei Verwendung von Wasser anstelle von Glykol.

Inverter-Verflüssigerlüfter

Passen die Drehzahl an, um den Verflüssigungsdruck aufrechtzuerhalten und den Energieverbrauch zu senken. Sanfte Anpassung reduziert die Motorspitzenlast und den Lärm, verbessert die Stabilität bei Teillasten.

Überwachungssysteme

Die Integration über BACnet oder Modbus ermöglicht die Überwachung von Temperatur, Druck, Durchfluss und Energieverbrauch. Ermöglicht Fehlervorhersage und optimierte Wartung, wodurch das Unfallrisiko verringert wird.

Geräuschreduzierung bei Ventilatoren

Verwendet Ventilatoren mit großem Durchmesser und niedriger Drehzahl, profilierte Flügel und Schalldämpfer. Reduziert die akustische Belastung ohne kritische Auswirkungen auf die Energieeffizienz, wichtig für die Installation in städtischen Umgebungen oder geschlossenen Räumen.

Fazit

Die Kenntnis der auf dem Markt erhältlichen Funktionen und Optionen ist für den Ingenieur, der Geräte entwirft, auswählt und betreibt, von entscheidender Bedeutung. Jede Option wirkt sich auf die Zuverlässigkeit, Energieeffizienz, Betriebsstabilität und Lebensdauer des Geräts aus. Wenn Sie die Funktionsweise von Sanftanlauf, Frequenzanlauf, Winteranlauf mit Heißdampf-Bypass, Freikühlung, Economiser, Wärmerückgewinnung, integrierter oder ferngesteuerter Wasserkraft, Inverter-Ventilatoren und Überwachungssystemen verstehen, können Sie die Machbarkeit ihrer Anwendung in einer bestimmten Anlage richtig einschätzen.

Ein Ingenieur, der die verfügbaren Optionen genau kennt, ist in der Lage: die Kältemaschine korrekt auf die Auslegungslasten abzustimmen, Betriebsrisiken zu minimieren, eine optimale Energieeffizienz zu gewährleisten und die Lebensdauer der Anlage zu verlängern. Das Ignorieren dieser Optionen führt oft zu instabilem Betrieb, erhöhtem Verschleiß und höheren Betriebskosten.

Daher ist ein technisches Verständnis aller verfügbaren Optionen ein unverzichtbares Werkzeug für den professionellen Kältetechniker bei der Planung und dem Betrieb moderner Kältesysteme.

Wenn Sie noch Fragen zur Geräteauswahl haben – wenden Sie sich an die Spezialisten von Europrom. Wir helfen Ihnen bei der Auswahl einer geeigneten Lösung und bieten Ihnen die in unserem Katalog vorgestellten zuverlässigen Kältemaschinen an.

Was Sie mit EVROPROM erhalten

Optimale Kältemaschinenauswahl für Ihre Aufgaben – wir berücksichtigen Betriebsarten, saisonale Lastschwankungen, Zuverlässigkeit und Energieeffizienzanforderungen. Wir helfen Ihnen bei der Auswahl des optimalen Verdichtertyps in Abhängigkeit von den Besonderheiten der Anlage.

Technisches Fachwissen und Berechnungen – wir erstellen Vergleiche der Energieeffizienz (COP, EER), prognostizieren die Betriebskosten und berechnen die Amortisationszeit für den Austausch von Geräten.

Modernsteund bewährte Geräte – eine breite Palette von Kältemaschinen von Weltmarken mit verschiedenen Verdichtertypen und Wärmetauschern, die für Industrie-, Gewerbe- und Infrastrukturanlagen geeignet sind.

Geringere Betriebskosten – durch den Einsatz energieeffizienter Lösungen (Turbokompressoren, Frequenzregelung, optimierte Hydraulik) senken wir den jährlichen Energieverbrauch und die Wartungskosten.

Unterstützung in allen Phasen – von der Bestandsaufnahme bestehender Anlagen über die Planung bis hin zu Lieferung, Installation, Inbetriebnahme und anschließender Wartung.

Autor des Artikels:

Andrey Kohan, Ingenieur für Kältetechnik

26.09.2025