Kaltwassersatz: Funktion, Schema, Hersteller & Kosten

Wie ein Kaltwassersatz im Detail funktioniert, wie die Geräte aufgebaut sind und was bei Planung, Installation sowie Wartung zu beachten ist, erklären wir in den folgenden Abschnitten. Darüber hinaus zeigen wir die wichtigsten Einsatzbereiche der Kaltwassersätze.

Die Themen im Überblick

Was ist ein Kaltwassersatz und welche Aufgabe hat er?

Bei dem Kaltwassersatz handelt es sich um ein technisches Gerät, das Flüssigkeiten herunterkühlt. Typisch ist dabei der Anschluss an einen Wasserkreislauf, in dem 6 bis 7 Grad Celsius kaltes Wasser angetrieben von einer Pumpe zirkuliert. Es nimmt Wärme aus Räumen oder Prozessen auf und strömt mit höheren Temperaturen zurück zum Flüssigkeitskühler . Dieser führt die mitgeführte Wärme ab, um das Wasser erneut abzukühlen.

Temperatur bestimmt das Kältemittel

Abhängig von den gewünschten Temperaturen lässt sich die Flüssigkeit im Kühlkreislauf auch mit einem Frostschutzmittel vermischen. Zum Einsatz kommt unter anderem Glykol und Ammoniak. Diese Medien setzen den Gefrierpunkt herab und stellen sicher, dass die Kühlflüssigkeit auch mit weniger als 0 Grad Celsius durch die Anlage strömen kann, ohne zu vereisen. Gerade im Industriebereich kommen Ammoniak-Kälteanlagen zum Einsatz, da diese sehr effizient große Leistungen bereitstellen können. Für besonders niedrige Temperaturen wird ein besonderer Tieftemperatur Kaltwassersatz verwendet. Diese erreichen bis zu -45 Grad Celsius.

Definition: Kaltwassersatz und Kältesatz

In der Technik sind heute verschiedene Begrifflichkeiten und Definitionen für den Kaltwassersatz zu finden. So beschreibt die DIN EN 378 den Kältesatz zum Beispiel als komplett zusammengesetzte Kälteanlage. Diese befindet sich in einem stabilen Rahmen oder Gehäuse, damit sie sich in einem Teil oder in mehreren Einzelteilen transportieren lässt. Die kältemittelführenden Teile sind dabei fabrikmäßig vormontiert, wodurch die Installation am Einsatzort vergleichsweise einfach, schnell und sicher erfolgen kann.

Chiller, Flüssigkeitskühler, Flüssigkeitskühlsatz und andere Begriffe

Während der Begriff „Kaltwassersatz“ vielen Experten geläufig ist, gibt es zahlreiche weitere Bezeichnungen für das gleiche Gerät. Weit verbreitet sind dabei Begriffe wie „Chiller“ oder „Flüssigkeitskühler“. Aber auch „Wasserkühlmaschine“, “Flüssigkeitskühlsatz” oder „Kaltwassererzeuger“ bezeichnen das gleiche Gerät.

Kaltwassererzeuger: Luftgekühlte und wassergekühlte Kältemaschinen

Genaue Bezeichnung erfordert weitere Informationen

Da es heute verschiedenste Kaltwassersatz-Arten und Größen gibt, sind für eine genaue Bezeichnung weitere Informationen erforderlich. So beschreiben zum Beispiel die Attribute „luftgekühlt“ oder „wassergekühlt“, auf welche Art und Weise das Kühlgerät die aufgenommene Wärme an die Umgebung abgibt. Interessant sind außerdem Informationen über die Verdichterbauart.

Turbokaltwassersatz besonders leistungsstark

Handelt es sich um einen Turbo-Kaltwassersatz, ist dieser mit einem besonders leistungsstarken Turboverdichter ausgestattet, wodurch die mögliche Kühlleistung sehr hoch ausfällt. Letztere lässt sich typischerweise auch anhand von Bezeichnungen wie Mini, XL oder XXL einfach erkennen und zumindest grob einordnen. Denn bereits auf den ersten Blick ist klar, dass Mini-Kaltwassersätze sehr kleine Leistungen haben, während XXL-Chiller für große Anlagen und Kühllasten infrage kommen.

Grundlage: Carnot-Prozess für die Kaltwassersatz Funktion

Die Grundlage der Kaltwassersatz Funktion legte Nicolas Léonard Sadi Carnot bereits im Jahre 1824. Denn er entwarf den sogenannten Carnot-Prozess, der das ideale Prinzip der Technik beschreibt. Der Kreisprozess setzt sich dabei aus vier Abläufen zusammen, die sich zum Beispiel in einem pV-Diagramm (Druck – Volumen) darstellen lassen.

• Schritt 1: Ein Arbeitsmedium nimmt Wärme aus der Umgebung auf und expandiert isotherm (das Volumen nimmt bei gleicher Temperatur zu).
• Schritt 2: Ein Verdichter komprimiert das Arbeitsmedium adiabatisch (ohne Wärmeaustausch mit seiner Umgebung), wodurch seine Temperatur steigt.
• Schritt 3: Das Arbeitsmedium gibt Wärme an seine Umgebung ab, wobei seine Temperatur konstant bleibt.
• Schritt 4: Ein Arbeitsmedium dehnt sich nahezu schlagartig aus. Es expandiert adiabatisch (ohne Wärmeaustausch mit der Umgebung), wobei die Temperatur des Mediums auf den Ausgangszustand sinkt.

Der Kältekreislauf im Video erklärt

https://youtu.be/HbnttZLd0v0

Kaltwassersatz: Aufbau und Funktion der Kühlgeräte

Unabhängig von seiner Leistung, besteht ein Chiller im Prinzip aus vier Bauteilen. Diese ermöglichen die praktische Umsetzung des theoretischen Kreis- oder Carnot-Prozesses. Genau wie bei einer Wärmepumpe sind dazu folgende Komponenten nötig:

• ein Verdampfer
• ein Verdichter
• ein Verflüssiger
• ein Expansionsventil

Funktion einfach erklärt

Dabei lässt sich bei einem Kaltwassersatz die Funktion recht einfach erklären. Am Verdampfer (einem Wärmeübertrager) trifft erwärmtes Wasser aus dem angeschlossenen Kühlkreislauf auf Kältemittel. Die Stoffe vermischen sich nicht – übertragen aber Wärme vom höheren zum niederen Temperaturniveau. Während das passiert, kühlt sich die Kühlflüssigkeit ab. Das Kältemittel nimmt die thermische Energie gleichzeitig auf und verdampft. Im gasförmigen Aggregatzustand strömt es dann zu einem Verdichter, der mit dem Druck auch die Temperatur des Mediums erhöht.

Wärmeübertragung an Umgebungsluft

Tritt der heiße Kältemitteldampf aus dem Verdichter aus, strömt er zum Verflüssiger. Dabei handelt es sich um einen zweiten Wärmeübertrager, der Energie des Kältemitteldampfes auf ein anderes System (zum Beispiel die Umgebungsluft) überträgt. Das Kältemittel gibt Wärme ab und strömt anschließend zu einem Expansions- oder Entspannungsventil. Hier dehnt es sich schlagartig aus, wobei die Temperatur ihren Ausgangszustand wieder einnimmt. Das Medium geht in den flüssigen Aggregatzustand über und der Prozess beginnt von vorn. Das folgende Schema stellt das Prinzip der Funktion noch einmal grafisch dar.

Kaltwassersatz: Kältemittel in der Übersicht

Damit der Wasserkühler funktioniert, kommen Kältemittel zum Einsatz. Dabei handelt es sich um Stoffe mit besonderen Eigenschaften. Sie haben unter anderem ein geringes Dampfvolumen, einen niedrigen Verflüssigungsdruck und eine hohe chemische Stabilität. Welches Medium dabei geeignet ist, hängt unter anderem von der Leistung des Kaltwassersatzes und den Temperaturbedingungen am Einsatzort ab.

Verschiedene Kältemittel und die R-Formel

Grundsätzlich sind heute verschiedenste Kältemittel erhältlich. Erkennen lassen sich diese dabei mit einer einfachen Kennzeichnung, die sich bei organischen Kältemitteln aus dem Buchstaben „R“ (vom englischen “Refrigerant” für Kältemittel) und drei Ziffern zusammensetzt.

Die drei Ziffern stehen dabei für:

1. Ziffer: Anzahl der Kohlenstoffatome minus 1

2. Ziffer: Anzahl der Wasserstoffatome plus 1

3. Ziffer: Anzahl der Fluoratome

Am Beispiel von R290 (Propan), C₃H₈ erklärt:

Drei Kohlenstoffatome (C₃) – 1 = 2, acht Wasserstoffatome (H₈) + 1 = 9, null Fluoratome = 0 ergibt als Benennung R290.

Anorganische Kältemittel sind hingegen an einer „7“ als erste Ziffer zu erkennen. Die übrigen Ziffern stehen dabei für die molare Masse der Stoffe. Um Medien mit gleicher molarer Masse unterscheiden zu können, lassen sich Buchstaben anhängen (a, b, c, etc.).

Die folgende Tabelle gibt einen Überblick über Kaltwassersatz Kältemittel und ihre Eigenschaften (Auswahl).

Name / Kennzeichnung	Beschreibung	Anwendung max./min.
R32 (CH2F2; Hydrogen-Fluor-Kohlen-Wasserstoff; Difluormethan)	R32 ist ein schwer entflammbares Kältemittel für viele Einsatzbereiche. Es eignet sich vor allem als Ersatz für R410a, das aufgrund seiner Umweltauswirkungen inzwischen verboten ist. R32 ermöglicht eine hohe Performance, eine geringe Stromaufnahme, eine geringe Füllmenge und hat ein vergleichsweise geringes Global-Warming-Potential (GWP), wodurch es das Klima schont.	15 bis -15 °C
R290 (CH3CH2CH3, Kohlenwasserstoffe, Propan)	Das Kältemittel trägt nicht zum Treibhauseffekt bei und ermöglicht hohe Effizienzwerte. Geeignet ist Propan unter anderem als Ersatz für R22, R404A, R507A	12 bis -40 °C
R1234 ze (HFO, Trans-1,3,3,3-Tetrafluor-1-Propen)	R1234ze ist ein schwer entzündbares Kältemittel mit sehr geringem Treibhauspotenzial. Geeignet ist Trans-1,3,3,3-Tetrafluor-1-Propen unter anderem als Ersatz für das Kältemittel R 134a.	40 bis -10 °C
R454B (HFO/HFKW, XL41 Bestandteile: R32/ 1234yf)	R454B ist umweltfreundlicher als konventionelle Kältemittel. Es ermöglicht einen kleineren Kältemittelmassestrom und eine höhere Effizienz. Geeignet ist es als Ersatz für R410a.	15 bis -25 °C
R513A (HFO/HFKW, XP10 Bestandteile: R1234yf/ 134a)	Das Austauschkältemittel senkt die Klimabelastung. Es ermöglicht eine höhere Effizienz der Kaltwassersätze und eignet sich als Ersatz für R134a, R12	25 bis -25 °C
R723 (NH3/R-E170, natürliche Kältemittel, Ammoniak-Dimethylether)	Ammoniak-Dimethylester verfügt über eine hohe volumetrische Kälteleistung, wodurch sich auch bei kleinen Füllmengen hohe Kaltwassersatz Leistungen erreichen lassen. Geeignet ist das natürliche Kältemittel für Anlagen mit kleiner und mittlerer Leistung. Dabei kann es R404A und R22 ersetzen.	12 bis -12 °C
R744 (CO2, natürliche Kältemittel Kohlendioxid)	CO2 ist ein klimaschonendes und günstiges Kältemittel. Nachteilig sind allerdings der hohe Betriebsdruck und die mögliche Trockeneisbildung bei der Unterschreitung des Tripelpunkts. Als natürliches Kältemittel kann CO2 R134a, R404A und R507A ersetzen.	20 bis -20 °C

Verdampfer und Verflüssiger am Kaltwassersatz: Wärmeübertrager

Verdampfer und Verflüssiger sind die Bezeichnungen der beiden Wärmeübertrager im Kaltwassersatz. Sie haben die Aufgabe, Wärme aus dem Kühlkreislauf (Wasser oder Sole) aufzunehmen und später an ein anderes System abzugeben. Die beiden Vorgänge laufen dabei unter stofflicher Trennung ab. Das heißt: Kältemittel aus dem inneren des Kaltwassersatzes kommt zu keinem Zeitpunkt mit anderen Medien in Berührung. Es verbraucht sich nicht und muss in der Regel auch nicht nachgefüllt werden.

Verdichter erhöhen mit dem Druck auch die Temperatur des Kältemittels

Verdichter haben eine besonders wichtige Aufgabe für die Kaltwassersatz Funktion: Sie nehmen das dampfförmige Kältemittel auf und erhöhen den Druck durch Kompression. Während das passiert, steigt auch die Temperatur des Mediums. Nötig ist dieser Schritt, da Wärme naturgemäß nur vom höheren zum niederen Temperaturniveau strömt. Um die thermische Energie aus dem Wasserkühler auf ein anderes System übertragen zu können, muss die Kältemitteltemperatur also immer über der Umgebungstemperatur liegen. Die Art des Verdichters hat dabei einen entscheidenden Einfluss auf die Kaltwassersatz-Leistung, wie die folgende Tabelle zeigt.

Kaltwassersatz Verdichter	Funktion
Rollkolbenverdichter	Rollkammer- oder Rotationsverdichter bestehen aus einem exzentrisch gelagerten Rotor, der sich in einem Gehäuse mit Ein- und Ausgang dreht. Eine federgelagerte Trennscheibe trennt beide Bereiche voneinander ab. Dreht sich der Rotor, saugt er zunächst Kältemittel an, anschließend verdichtet er das Medium in einer bei der Drehung kleiner werdenden Kammer. Die Geräte ermöglichen eine kleine Leistung. Sie arbeiten allerdings sehr gleichmäßig und sind in kleinen Baugrößen herstellbar.
Scrollverdichter	Scrollverdichter bestehen aus zwei ineinandergreifenden Spiralen, von denen eine unbeweglich ist. Dreht sich die andere, entstehen zwischen den Wandungen mehrere Gasräume, die sich sukzessiv verkleinern. Der Kältemitteldampf wird dabei verdichtet und kann mit höheren Temperaturen durch die Verrohrung im Kaltwassersatz zirkulieren. Scrollverdichter eignen sich für Kaltwassersätze mit kleinen und mittleren Leistungen. Sie arbeiten verschleißarm und vergleichsweise leise.
Hubkolbenverdichter	Hubkolbenverdichter saugen das Arbeitsgas in einen Zylinder, bevor sie es mit einem Kolben verdichten und wieder ausstoßen. Während die Volumenströme der zyklisch arbeitenden Verdichter klein sind, ist das Druckverhältnis (Eingangs- zu Ausgangsdruck) sehr hoch.
Schraubenverdichter	Schraubkolbenverdichter bestehen aus zwei Wellen, die gegeneinander laufen. Der Druck steigt dabei, da sich der Gasraum an der Wälzlinie sukzessiv verkleinert. Vorteilhaft ist der einfache Aufbau, der sich auch in kleinen Abmessungen herstellen lässt. Außerdem arbeitet ein Kaltwassersatz mit Schraubverdichter gleichmäßig, ruhig und pulsationsfrei.
Turboverdichter	Der Turboverdichter ist eine Strömungsmaschine, die aus mehreren drehbaren und feststehenden Lamellen besteht. Die Drehung der Lamellen (wie bei einem Ventilator) sorgt für eine dynamische Druckerhöhung, die am Ausgang des Turboverdichters als statische Druckhöhe verfügbar ist.  Anders als bei den übrigen Verdichterarten, arbeiten Turboverdichter im Kaltwassersatz also nicht nach dem Verdrängerprinzip. Sie arbeiten wartungsarm und sind für höchste Kaltwassersatz Leistungen geeignet. Nachteilig ist die eingeschränkte Regelbarkeit.

Muss der Flüssigkeitskühler zwischen Verflüssigung und Verdampfung einen sehr großen Druckunterschied erreichen (zum Beispiel ein Tieftemperatur Kaltwassersatz), sind spezielle Systeme vonnöten. Ein Beispiel dafür ist der Booster-Betrieb, bei dem zwei Verdichter nacheinander arbeiten. Darüber hinaus ist auch die zweistufige Anordnung des Kältemittel-Kreislaufs möglich. Dabei kommen zwei Verdichter zum Einsatz, die jeweils in einem eigenen Kreislauf arbeiten.

Expansionsventil versetzt Kältemittel zurück in den Ausgangszustand

Das Expansionsventil ist besonders wichtig für das Funktionsprinzip der Kaltwassersätze. Denn es sorgt dafür, dass der Druck des Kältemittels nach dem Verflüssiger sinkt und das Medium den flüssigen Aggregatzustand einnimmt. Darüber hinaus stellt das Bauteil auch eine kontinuierliche und bedarfsgerechte Kältemittelversorgung des Verdampfers sicher. Zum Einsatz kommen dabei grundsätzlich zwei Bauformen: Thermostatische und elektrische Expansionsventile. Thermostatische Expansionsventile (TEV) arbeiten ohne Hilfsenergie. Geht es um die optimale Regelung effizienter Kälteanlagen, kommen hingegen elektrische Expansionsventile (EEV) zum Einsatz.

Schmieröle im Kältemittelkreislauf der Kaltwassersätze

Öl stellt sicher, dass alle beweglichen Teile im Kältemittelkreislauf ausreichend geschmiert sind. Sie müssen eine günstige Viskosität aufweisen und sind wichtig für eine lange Lebenszeit der Kälteanlagen. Welche Schmieröle in einer Anlage zum Einsatz kommen dürfen, hängt dabei von den Angaben der Verdichterhersteller ab.

Rohrleitungen für die Zirkulation von Kältemittel im Kreislauf

Alle Komponenten der Wasserkühler sind über Rohrleitungen miteinander verbunden. Die Kaltwassersatz Verrohrung besteht dabei in der Regel aus Kupfer nach DIN EN 12735. Wichtig zu wissen ist, dass die Leitungen ab Nennweite DN 32 der Druckgeräterichtline unterliegen und somit besondere Anforderungen erfüllen müssen.

Druckverluste unbedingt beachten

Geht es um die Planung, müssen Experten auf einen geringen Druckverlust achten. Entscheidend ist es dabei, die Verrohrung so klein wie möglich und so groß wie nötig auszulegen. Nur mit dieser Herangehensweise lässt sich ein optimaler Kompromiss aus niedrigen Betriebskosten (geringer Druckverlust) und günstigen Anlagenkosten (kleine Rohrleitungen und geringere Kältemittelfüllung) erreichen.

Verbindungsstücke vermeiden

Bei der Installation ist außerdem darauf zu achten, die lösbaren Verbindungen im System auf ein Minimum zu reduzieren, um das Leckagerisiko zu senken. Das gleiche Ziel verfolgt eine Druckprüfung, die nach der Fertigstellung und der Befüllung der Anlage erfolgen muss.

Arten der Kaltwassersätze: Luftgekühlt, wassergekühlt, Split-Anlagen

Abhängig von der Art und Weise, in der ein Kaltwassererzeuger Wärme an die Umgebung abgibt, lassen sich verschiedene Arten voneinander unterscheiden. So gibt es den Kaltwassersatz luftgekühlt, wassergekühlt oder als sogenanntes Splitgerät.

Luftgekühlter Kaltwassersatz: Wärmeabgabe über Ventilatoren

Luftgekühlte Kaltwassersätze sind mit Ventilatoren ausgestattet. Letztere leiten Umgebungsluft über den Verflüssiger, wodurch das Kältemittel Wärme abgibt. Luftgekühlte Kaltwassersätze sind nicht zur Innenaufstellung geeignet, da große Mengen Außenluft verfügbar sein müssen, um die Wärme an die Umgebung abzugeben. Die Geräte sind kompakt, zuverlässig und in der Regel außen aufzustellen oder mit einem Luftkanalnetz zu verbinden. Dank optionaler Freikühlfunktion können luftgekühlte Kaltwassersätze besonders sparsam und mit einer Leistung von wenigen Kilowatt bis zu mehreren Megawatt für viele Anwendungen geeignet.

Luftgekühlter Kaltwassersatz ist der Marktführer

Der luftgekühlte Kaltwassersatz (auch air cooled chiller) besteht aus einer kompakten Einheit, die sich frei im Außenbereich aufstellen lässt. Diese sitzt häufig auf dem Dach oder vor einem Gebäude und versorgt dieses mit Kaltwasser, welches Wärme aus Prozessen, Anlagen oder Räumen abführt. Die aufgenommene thermische Energie geht anschließend an die Außenluft über, wenn der Kaltwassersatz luftgekühlt arbeitet. Durch die einfache und kostengünstige Funktionsweise ist der Luftgekühlte Kaltwassersatz die erste Wahl für die meisten Kunden.

Luftgekühlter Kaltwassersatz mit Freikühlung

Arbeitet ein Kaltwassererzeuger luftgekühlt, verfügt er optional über die sogenannte Freikühlfunktion. Bei dieser geht die überschüssige Wärme des Kaltwassers direkt auf die Außenluft über, wenn deren Temperatur niedrig genug ist. Der Kältekreislauf bleibt aus und der Stromverbrauch, den vor allem der Verdichter verursacht, sinkt besonders stark. Das hat minimale Stromkosten sowie dadurch hohe CO2-Einsparungen zur Folge und lohnt sich demnach für Anlagenbetreiber sowie die Umwelt gleichermaßen. Wann die freie Kühlung möglich ist und wann der Verdichter nachhelfen muss, weiß die Steuerung. Chiller mit Freikühlfunktion sorgen daher immer automatisch, zuverlässig und energiesparend für Kaltwasser.

Schnelle Installation möglich

Luftgekühlte Chiller sind bereits ab Werk betriebsbereit und fachmännisch geprüft. Die gesamte Kühltechnik ist in einem kompakten Gerät untergebracht. Fachhanderker müssen lediglich Strom und Kaltwasser anschließen und die Geräte treten ihren Dienst an. Bei engen Zeitplänen, etwa dem Austausch bestehender Kühltechnik in laufenden Prozessen, funktioniert das auch in weniger Stunden. Die Installation ist damit sehr schnell möglich. Da keine Arbeiten an kältemittelführenden Bauteilen erforderlich sind, benötigen Betreiber dazu auch keine Kältemittelbauer.

Wenig Kältemittel benötigt

Im Gegensatz zu Direktverdampfern, bei denen Kältemittel in der gesamten Anlage zirkuliert, befindet sich das spezielle Medium bei Kaltwassersätzen nur im eigentlichen Kühlgerät. Das reduziert die Sicherheitsanforderungen und ist auch in Hinblick auf die F-Gase-Verordnung. Letztere verlangt den schrittweisen Austausch von Kältemitteln mit hohem GWP, indem sie die Mittel verknappt. Luftgekühlte Kaltwassersätze benötigen nur sehr wenig.

Wassergekühlter Kaltwassersatz: Flexible Wärmeabgabe an die Umgebung

Arbeitet der Kaltwassersatz wassergekühlt, ist auch der Verflüssiger mit einem Kühlwasserkreis verbunden. Dieser lässt Wasser zwischen dem Kühlgerät und einer Kaltwasserquelle zirkulieren. Als Letzteres kommen verschiedene Rückkühler zum Einsatz, die sich dabei auch entfernt vom Klimagerät aufstellen lassen. So gibt es kompakte Kaltwassersatz-Wandgeräte, die direkt im Technikraum stehen und arbeiten können.

Split-Kaltwassersatz: Bauteile auf Außen- und Inneneinheit aufgeteilt

Die dritte Bauart sind Splitgeräte. Bei diesen besteht der Kaltwassererzeuger aus einer Inneneinheit und einem Außengerät. Das Innengerät enthält dabei zum Beispiel den Verdampfer, den Verdichter und das Expansionsventil. Das Außengerät enthält hingegen den Verflüssiger und ist als einziges Bauteil im Außenbereich (zum Beispiel auf dem Dach) aufgestellt.

Im Objekt wird die Wärme aufgenommen

Tieftemperatur Kaltwassersatz

Tieftemperatur Kaltwassersätze auch ultra low temp chillers genannt, können wie der Name schon sagt tiefere Temperaturen erreichen als der normale Kaltwassersatz. Tieftemperatur Kaltwassersätze erreichen Temperaturen bis minus 45 Grad Celsius. Dabei gibt es unterschiedliche Stufen – 5 Grad Celsius, minus 25 Grad Celsius und dann die noch aufwendigeren Kaltwassersätze die bis zu minus 40 – minus 45 Grad erreichen können. Diesen Geräten sind dann mit besonderen Kältemitteln wie dem Kältemittel R449 ausgestattet.

Einsatzbereiche des Tieftemperatur Kaltwassersatzes

Häufig werden diese niedrigen Temperaturen für Prüfverfahren und Testverfahren in der Automobilindustrie, Chemie- und Pharmaindustrie benötigt. Zum Beispiel zum kühlen von Impfstoffen. Aber auch zur Tiefkühlung von Lebensmitteln in großen Lebensmittellagern werden diese Geräte eingesetzt.

Direktverdampfer und freie Kühlung: Alternative Betriebsweisen

Der Kaltwassererzeuger setzt auf einen Kühlwasserkreislauf, um thermische Energie aus einem Raum oder Prozess abführen zu können. Arbeitet das Klimagerät mit einem Direktverdampfer, kann dieser Wärme unmittelbar auf das Kältemittel übertragen. Das funktioniert ohne Glykol oder Wasser als Wärmeträger, erfordert keine zusätzliche Verrohrung und ermöglicht einen energiesparenderen Betrieb. Geräte mit Direktverdampfer (zum Beispiel Split-Klimaanlagen) sind allerdings nicht für jeden Einsatzbereich geeignet. So ist zum Beispiel die Entfernung zwischen den einzelnen Bestandteilen begrenzt. Durch das Kühlwassernetz ergeben sich bei Wasserkühlern größere Freiheiten in der Anlagenplanung. Außerdem kommen verschiedene Wärmeübertrager im Raum zum Einsatz (Deckenkassette, Wandgerät, Kühldecke).

Freie Kühlung als Alternative

Bei der freien Kühlung arbeitet der Kaltwassererzeuger ohne Verflüssiger und Verdichter. Denn dabei lässt sich die abzuführende Wärme ohne technische Schritte direkt an die Umgebung übergeben. Möglich ist das zum Beispiel dann, wenn die Außentemperaturen im Winter sehr niedrig sind.

Kühlkreislauf: Aufbau und Funktionsweise einfach erklärt

Der Kühlkreislauf funktioniert grundsätzlich genau so, wie ein Heizkreislauf. Dabei schickt eine Pumpe kaltes Wasser durch Rohrleitungen zu verschiedenen Wärmeübertragern. Letztere nehmen thermische Energie aus Räumen oder von Prozessen auf, damit das Kühlwasser diese zum Kaltwassersatz transportieren kann. Während sich Prozess-Wärmeübertrager in die technischen Geräte integrieren lassen, kann das Kühlwasser auch durch eine Kühldecke oder durch den Wärmeübertrager einer Lüftungsanlage strömen.

Kälte im Pufferspeicher für Kaltwassersatz speichern

Genau wie bei Heizungsanlagen ist es übrigens auch möglich, kaltes Wasser in einem Kältespeicher zu bevorraten. Auf diese Weise lassen sich vor allem Kaltwassersätze ohne Inverter lange gleichmäßig betreiben. Das kalte Wasser steht Räumen oder Prozessen dann bedarfsgerecht aus dem Pufferspeicher zur Verfügung.

Auslegung Pufferspeicher für Kaltwasser

Zunächst muss man die gesamte Kühllastberechnung erstellen und die Kälteanlagen Auslegung planen. Ist das erledigt, weiß man, ob ein Pufferspeicher in dem System benötigt wird und wie groß dieser sein muss. Die Anlage muss so ausgelegt sein, dass der Kaltwassersatz möglichst wenig taktet, aber zu jeder Jahreszeit die gesamte Last. Ein Pufferspeicher ist fast immer sinnvoll. Lediglich in Anlagen mit sehr viel Wasserinhalt zum Beispiel durch ein langes Rohrleitungsnetz oder einer sehr konstanten Last – Beispielsweise durch einen Industrieprozess.

Wichtig zu wissen ist, dass das Kühlaggregat immer mit einem konstanten Kühlwasservolumenstrom zu beaufschlagen ist. Ein Überströmventil vor dem Kaltwassersatz kann das sicherstellen.

Kaltwassersatz Wirkungsgrad steigern – EER und ESEER

Der Kaltwassersatz Wirkungsgrad (EER oder Energy-Efficiency-Ratio) lässt sich aus dem Verhältnis der Kälteleistung zur elektrischen Verdichterleistung bestimmen. Ein hoher Betrag steht dabei für eine geringe Stromaufnahme bei gleichzeitig hoher Kälteleistung. Grundsätzlich sinkt der Wirkungsgrad dabei mit zunehmender Differenz aus Kühl- und Umgebungstemperatur. Denn dann muss der Verdichter mehr leisten, um die gewünschten Effekte zu erzielen.

Als Beispiel: Ein Kaltwassersatz mit 100 kW Kälteleistung hat eine elektrische Leistungsaufnahme von 32 kW, das ergibt bei 100 kW / 32 kW eine EER von 3,125.

Das hat in der Praxis durchaus gewichtigen Einfluss auf die Betriebskosten eines Kaltwassersatzes, die man bei der Anschaffung oder der Miete nicht außer Acht lassen sollte.

Bei 4500 Betriebsstunden im Jahr und einem hypothetischen Strompreis von 0,30 Euro pro kW/h ergeben sich bei 100 kW Kaltwassersatz und obiger EER von 3,125 jährliche Stromkosten von 43.200 Euro. Kommt die Kälteanlage nur auf eine EER von 2,5 erhöhen sich die jährlichen Stromkosten auf 54.000 Euro. Der effizientere Kaltwassersatz spart so 10.800 Euro pro Jahr.

Über fünf Jahre würde der effizientere Kaltwassersatz in diesem Beispiel 54.000 Euro an Betriebskosten sparen. Pro Jahr spart man 36.000 kW/h Energie.

EER betrachtet nur Volllast

Nachteilig ist, dass die EER-Bewertung nur den Volllastfall bei 27 °C Innentemperatur und 35 °C Außentemperatur berücksichtigt. Unterscheiden sich diese beiden Temperaturwerte bzw. ist ihre Differenz größer, ändert sich auch der EER-Wert der jeweiligen Kälteanlage entsprechend. Da Kaltwassersätze jedoch nicht unbedingt das ganze Jahr mit voller Leistung laufen, geschweige denn immer bei den Normtemperaturen von 27 °C und 35 °C, wurde mit der DIN EN 14825 die ESEER-Bewertung (European Seasonal Energy Efficiency Ratio) eingeführt. Diese Kennzahl berücksichtigt den Kaltwassersatz Wirkungsgrad in unterschiedlichen Betriebsstufen und Außentemperaturen ist aussagekräftiger, wenn es um die Energieeffizienz der Kälteanlage geht.

ESEER Berechnungsgrundlagen

Die ESEER berechnet sich auf Basis definierter Vorgaben, die saisonale Gegebenheiten einberechnet. Auf Basis der durchschnittlichen Wetterdaten Straßburgs, die ungefähr ein mitteleuropäisches Klima repräsentieren sollen, lässt sich mit anteiliger Gewichtung der ESEER ausrechnen. Für EU-Mitglieder an den südlichen und nördlichen Grenzen der europäischen Union sind diese Temperaturen natürlich nur bedingt zutreffend, dienen aber auch erstmal nur als Anhaltswert.

Kaltwassersatz Last	Lufttemperatur (Eingang)	Wassertemperatur (Eingang)	Gewichtungskoeffizient (Laufleistung pro Jahr bei Leistung X)
100%	35 °C	30 °C	3 %
75%	30 °C	26 °C	33 %
50%	25 °C	22 °C	41 %
25%	20 °C	18 °C	23 %

Daraus ergibt sich dann folgende Formel zur ESEER-Berechnung:

ESEER = (EER @100% Last x 0,03) + (EER@75% Last x 0,33) + (EER@50% Last x 0,41) + (EER@25% Last x 0,23)

Last	Kaltwassersatz Leistung	Wassertemperatur (Ausgang)	Wassertemperatur (Eingang)	Leistungsaufnahme (elektrisch)	EER
100%	500 kW	7 °C	30 °C	120 kW	4,16
75%	375 kW	7 °C	26 °C	62 kW	6
50%	250 kW	7 °C	22 °C	30,12 kW	8,3
25%	125 kW	7 °C	18 °C	12,37 kW	10,1

ESEER = (4,16 x 0,03) + (6 x 0,33) + (8,3 x 0,41) + (10,1 x 0,23) = 7,83

Der exemplarische Kaltwassersatz in diesem Beispiel hat eine ESEER von 7,83.

Auslegung richtig berechnen

Um am Wasserkühler den Wirkungsgrad zu optimieren, kommt es zunächst auf eine passgenaue Kühllastberechnung und Kälteanlagen Auslegung an. Abhängig von der Leistung sollte man neben einem ausreichenden Stromanschluss auch den benötigten Kabelquerschnitt berechnen. Nur wenn alle Bauteile aufeinander, auf das eingesetzte Kältemittel und auf den Einsatzort abgestimmt sind, kann der Kaltwassersatz effizient und sparsam arbeiten. Zusätzlich unterstützend wirken auch Maßnahmen wie der Einbau von Invertermotoren oder Wärmeübertragern.

Inverter-Motoren sind regulierbar und besonders effizient

Inverter-Motoren sind in vielen Bereichen unseres Lebens im Einsatz, etwa bei Waschmaschinen oder Wärmepumpen. Sie nutzen einen Frequenzumrichter, um die Motorleistung genau zu regulieren. Im Kaltwassersatz sorgt der Inverter dafür, dass der Verdichter immer bedarfsgerecht arbeitet. Das spart Energie und sorgt für einen ruhigeren Betrieb der Anlage.

Kaltwassersatz Wärmerückgewinnung

Um Energie zu sparen und die Effizienz der Kühlgeräte zu steigern, lässt sich der Kaltwassersatz mit Wärmerückgewinnung nutzen. Dabei installieren Hersteller einen Wärmeübertrager zwischen Verdichter und Verflüssiger. Auf diese Weise lässt sich die vom Kältemittel mitgeführte Wärme zum Beispiel zur Warmwasserbereitung oder zur Heizungsunterstützung nutzen. Die folgende Grafik zeigt ein Prinzipschema der Technik.

Kaltwassersatz Leistungen in der Übersicht

Am häufigsten nachgefragt ist der Kaltwassersatz 100 kW dicht darauf folgt die kleine Anlage mit 5kW Leistung. Der Bestseller an dritter Stelle ist der Kaltwassersatz mit 200 kW Leistung. Hier finden Sie die typischen technischen Details in der Produktübersicht der Kaltwassersätze:

Kälteleistung Kaltwassersatz	Anlagengröße (B x H x T)	Anschlussleistung (elektrisch)
5 kW	700 x 800 x 500	2 – 3 kW
10 kW	700 x 1.500 x 1.600	5 – 7,9 kW
25 kW	1.000 x 1.600 x 1.700	9 – 12 kW
50 kW	1.300 x 2.300 x 2.600	17- 20 kW
80 kW	1.300 x 2.300 x 2.600	24 – 33 kW
100 kW	1.300 x 2.300 x 3.000	30 – 39 kW
150 kW	1.300 x 2.300 x 4.000	52 – 70 kW
300 kW	2.300 x 2.400 x 4.000	125 – 140 kW
500 kW	2.300 x 2.400 x 5.000	200 – 230 kW
1000 kW	je nach Hersteller	je nach Hersteller
> 1500 kW	je nach Hersteller	je nach Hersteller

Kaltwassersatz: Planung, Installation und Wartung

Geht es bei einem Kaltwassersatz um die Auslegung, sind zunächst die individuellen Voraussetzungen und Anforderungen zu bestimmen. Wichtige Kenngrößen und Eigenschaften sind dabei:

• Temperatur- und Feuchtebedingungen (unter anderem Verdampfungstemperatur und Chiller Vorlauftemperatur)
• Thermische Lasten wie die elektrische Anschlussleistung
• Feuchtelasten durch Personen und Stoffströme
• Gleichzeitigkeiten der Kühl- und Feuchtelasten
• Genauigkeit der Regelung
• zulässige Häufigkeit der Temperaturüberschreitung

Sind die genannten Informationen vorhanden, können Fachplaner den Kaltwassersatz berechnen. Ein wesentlicher Bestandteil der Auslegung ist dabei die Kühllastberechnung nach VDI 2078. Diese ermöglicht eine Simulation der jahreszeitlichen Kühllasten und ist damit die Grundlage, um die Leistung berechnen zu können.

Mit Kühllastberechnung Komponenten auslegen

Steht Letztere fest, lassen sich die Komponenten der Kältetechnik auslegen und optimal aufeinander abstimmen. Hier definieren Experten unter anderem auch die Chiller Vorlauftemperatur und die Spreizung des Kaltwassernetzes. Eine individuelle und bedarfsgerechte Kaltwassersatz Planung ist dabei besonders wichtig, um einen effizienten und sparsamen Betrieb gewährleisten zu können.

Einbinden in die Gebäudearchitektur

Sind die Kennwerte der Kühltechnik bekannt, geht es um die Integration der Anlage in die bestehende oder geplante Gebäudearchitektur. Es folgt die Ausschreibung (Muster Ausschreibungstext) sowie die Vergabe der Bauleistungen, bevor Fachplaner in die Detail- und Montageplanung einsteigen. Ist diese erledigt, bauen Fachhandwerker den Kaltwassersatz ein. Sie sorgen für den fachgerechten Anschluss an das Kaltwassernetz und nehmen die gesamte Anlage in Betrieb. Dabei erfolgt eine Kaltwassersatz Prüfung und die Übergabe der gesamten Anlage an den Endkunden. Letzterer bekommt dabei eine detaillierte Einweisung, um die Technik bedienen und schnell auf Störungen reagieren zu können.

Die folgende Übersicht zeigt den Ablauf der Kaltwassersatz Planung Schritt für Schritt:

• Anforderungsprofil erstellen und prüfen
• Kältebedarf ermitteln (nach VDI 2078)
• Anlagenkonzeption und Gebäudeintegration
• Komponenten vom Kaltwassersatz berechnen
• Anlage Ausschreiben und Auftrag vergeben
• Montage planen und Vorhaben umsetzen
• Anlage in Betrieb nehmen und einregulieren
• Nutzer einweisen und Technik übergeben
• Betrieb und regelmäßige Kaltwassersatz Wartung

Kaltwassersatz aufstellen: Diese Punkte sind zu beachten

Chiller lassen sich grundsätzlich in Innen- und Außenräumen aufstellen. Experten sollten die Geräte auf schwingungs- sowie geräuschdämmenden Unterlagen installieren und flexible Leitungen verwenden, wenn sie den Kaltwassersatz anschließen. Beides hilft, die Schallübertragung zu mindern und den Komfort der Anlage deutlich zu steigern. Unterstützend wirken hier auch Verkleidungen an Wänden, Decken und Böden der Aufstellräume im Gebäude. Abhängig vom Installationsort und der Art des Kältemittels ergeben sich darüber hinaus unterschiedliche Voraussetzungen an die Aufstellung der Kältetechnik.

So sind bei der Kaltwassersatz Installation im Freien folgende Punkte zu beachten:

• Bei Leckagen darf kein Kältemittel in Lüftungs- oder Türöffnung eindringen.
• Die Anforderungen zum Gewässerschutz (Wasserhaushaltsgesetz WHG) sind zu berücksichtigen (Abschaltung bei Leckage, Füllstandsüberwachung, Öl und Glykolauffangwanne, Gassensoren, Doppelrohre)

In eigens eingerichteten Maschinenräumen sind unter anderem folgende Punkte zu beachten:

• Maschinenraum muss vor dem Zutritt Unbefugter geschützt sein.
• Kältemittel darf nicht in Öffnungen oder andere Räume eindringen können.
• In Notfällen muss der Maschinenraum schnell zu verlassen sein (mindestens ein Notausgang).
• Wände, Böden und Decken müssen dicht und feuerbeständig sein.
• Abschaltung des Kaltwassersatzes von außen muss möglich sein
• Es muss eine mechanische Belüftung vorhanden sein.
• Für die Installation und die Kaltwassersatz Wartung muss ausreichend Platz vorhanden sein.

Die Aufstellung in Aufenthaltsräumen ist nur dann zulässig, wenn:

• die Kältemittelmenge auf einen zulässigen Wert begrenzt ist.
• Wie hoch dieser ist, hängt vom Kältemittel, der Art des Raumes (allgemeiner Aufstellbereich, überwachter Aufstellbereich, nur für befugte Personen zugängige Bereiche) und seiner Größe ab.

Darüber hinaus gelten besondere Anforderungen an Kaltwassersätze mit Ammoniak, da das natürliche Kältemittel stark toxisch wirkt:

• Aufstellung im freien ist bei luftgekühlten Verflüssigern vorzuziehen.
• Ohne Maschinenraum dürfen sich nicht mehr als 50 kg Ammoniak in der Anlage befinden.
• Aufstellung von Verbrennungsanlagen und Druckluftanlagen ist im gleichen Raum nicht erlaubt.
• Nur Befugte dürfen den Flüssigkeitskühler erreichen, empfehlenswert ist auch die Überwachung der Kälteanlage, zu diesem Zweck kann man z.B. eine Baustellenüberwachung mieten
• Kommt es zur Leckage, muss die Maschinenraumluft gefahrfrei ins Freie geleitet werden (Alternative: Umluftanlage mit Absorber).

Inbetriebnahme und Dokumentation der Anlagen

Die fachgerechte Inbetriebnahme des Kaltwassersatzes ist erst dann zulässig, wenn der Betreiber über die wichtigsten Dokumente verfügt. Dazu zählen die Konformitätserklärung sowie eine Betriebsanleitung des Anlagenherstellers und eine Fachunternehmererklärung, die alle wichtigen Prüfnachweise enthält.

Liegen diese Dokumente vor, erstellt der Betreiber eine Betriebsanweisung. Diese enthält Warnhinweise und Informationen:

• zum verwendeten Kältemittel,
• zu den Druck- und Temperaturstufen
• zum Verhalten in Notfällen,
• zur Schutzausrüstung
• zu Erste-Hilfe-Leistungen

Bevor die Anlage in Betrieb gehen kann, muss ein Fachexperte den Kaltwassersatz befüllen und feststellen, dass die gesamte Anlage dicht ist. Für die Anlagendokumentation sind außerdem die folgenden Unterlagen in einem Ordner zusammenzustellen:

• Bestandszeichnungen (Grundrisse, Hydraulikschema, etc.)
• Funktionsbeschreibungen der Kälteanlage
• Betriebsanleitungen des Herstellers
• Datenblätter der wichtigsten Anlagenteile
• Elektrische Schaltpläne und Schemata zur Regelung Regelschemata
• Prüfprotokolle zu Messungen, die bei der Einregulierung durchgeführt wurden
• Soll-Werte (Übersicht, Liste)
• Pläne zur Kaltwassersatz Wartung
• Inspektionspläne
• Instandsetzungsanleitungen und Ersatzteillisten

Kaltwassersatz Wartung und Inspektion

Damit die Kälteanlage über die gesamte Nutzungszeit hinweg sicher und zuverlässig läuft, muss in regelmäßigen Abständen eine Wartung und Inspektion erfolgen. Termine und Verantwortliche sind dabei in der Anlagendokumentation ersichtlich. Im Falle eines gemieteten Geräts bieten die Mietkälte Anbieter häufig die Fernüberwachung des Kaltwassersatz als zusätzliche Serviceleistung an. So ist sichergestellt, dass immer alle wichtigen Betriebsparameter überwacht und notfalls angepasst werden können. Das spart Wartungskosten und minimiert das Ausfallrisiko.

Dichtigkeitsprüfung sehr wichtig

Zu den wichtigsten Aufgaben gehört dabei eine in aller Regel jährlich erforderliche Dichtheitsprüfung. Darüber hinaus ist der Kaltwassersatz in regelmäßigen Abständen (wöchentlich oder 14-tägig) einer Sichtprüfung zu unterziehen. Geschultes Personal achtet dabei auf offensichtliche Beschädigungen sowie die Einhaltung der Soll-Werte der Kälteanlage. Wenn diese nicht mehr stimmen, muss man sich auf die Fehlersuche in der Kälteanlage begeben.

Einsatzbereiche in Gewerbe und Industrie

Der Kaltwassererzeuger ist in verschiedensten Leistungsbereichen vorhanden. So gibt es kleinere Anlagen mit wenigen Kilowatt Kühlleistung und große Systeme mit einer Kühlleistung von mehreren Hundert Kilowatt. Während ein kleinerer Kaltwassersatz für Einfamilienhäuser und Kühldecken, Labore, Büro- oder Gewerbegebäude geeignet ist, kommen XXL-Kaltwassersätze in der Industrie und zur Kühlung großer Gebäude mittels Industrie-Klimaanlagen zum Einsatz.

Kaltwassersatz Hersteller

Es gibt sehr viele Hersteller von Kaltwassersätzen. Hier finden Sie eine Übersicht der uns bekannten Hersteller:

Vorteile und Nachteile der Kaltwassersätze

Aus der speziellen Bauweise der Kältegeräte ergeben sich heute eine Reihe von Vorteilen. So ist die Kältemittelfüllmenge vergleichsweise gering. Außerdem können auch Gas- und Wasser-Installateure Anlagen installieren, da die Kältetechnik herstellerseitig weitestgehend vormontiert wurde. Ein weiterer Vorteil: Sind Systeme mit Direktverdampfung aufgrund langer Leitungswege nicht mehr realisierbar, sorgen Kaltwassersätze für Abhilfe. Denn durch zwischengeschaltete Kaltwassernetze sind auch große Entfernungen möglich. Nachteilig ist hingegen der hohe Platzbedarf, der vor allem beim Kaltwassersatz nachrüsten im Altbau nicht immer gegeben ist.

Häufig gestellte Fragen zum Kaltwassersatz

Was ist ein Kaltwassersatz?

Ein Kaltwassersatz ist ein Gerät, welches eine Flüssigkeit herunterkühlt. Die Wärme, die der Flüssigkeit entzogen wird, wird meistens an die Umgebungsluft abgegeben. Die kalte Flüssigkeit wird über einen Kühlkreislauf dorthin gebracht, wo diese benötigt wird und in den Raum oder den Prozess abgegeben. Die erwärmte Flüssigkeit fließt zurück und wird wieder heruntergekühlt.

Wie funktioniert ein Kaltwassersatz?

Die Funktionsweise eines Kaltwassersatzes basiert auf dem gleichen Prinzip, wie die eines Kühlschranks oder einer Wärmepumpe. Wie ein Kaltwassersatz im Detail funktioniert, wie die Geräte aufgebaut sind und was bei Planung, Installation sowie Wartung zu beachten ist, erklären wir hier.

Was kostet ein Kaltwassersatz?

Das kommt auf die Größe und den Hersteller an. Es gibt schon Kaltwassersätze für wenige tausend Euro. Nach oben bestehen je nach Komplexität der Anlage keine Grenzen. Gerade bei Kältetechnik ist es aber wichtig, sich gut beraten zu lassen. Denn sonst können einen Wartungskosten, Reparaturkosten und laufende Energiekosten schnell viele zehntausend Euro zu viel kosten.

Was ist ein luftgekühlter Kaltwassersatz?

Ein Kaltwassersatz (auch Chiller) kühlt Wasser, indem er die überschüssige Wärme mithilfe eines Kälteprozesses an die Umwelt abführt. Das Wasser strömt daraufhin mit niedrigen Temperaturen zu Prozessen, Maschinen oder Luftregistern, in denen es Wärme aufnimmt und zum Chiller transportiert. Arbeitet der Kaltwassersatz luftgekühlt, gibt er die Wärme dabei an die Umgebungsluft ab.

Kosten der Kältetechnik: Preise und Preislisten

Kaltwassersätze sind individuell zu planen und in verschiedenen Leistungsklassen sowie Ausführungen erhältlich. Aus diesem Grund ist es nicht möglich, allgemeingültige Preislisten anzugeben. Wer sich für die Technik interessiert, bekommt genau kalkulierte Angebote allein von den Herstellern und Anbietern der Kaltwassersätze. Dabei gibt es zwei grundlegend unterschiedliche Vertragsmodelle zum einen kann man einen Kaltwassersatz kaufen oder aber auch für einen gewissen Zeitraum den Kaltwassersatz mieten. In dem Fall spricht man von Mietkälte.