Kältetechnik führt thermische Energie aus Prozessen ab. Sie kühlt Waren, Räume oder ganze Gebäude und hat im Allgemeinen einen sehr Energieverbrauch. Diesen zu optimieren und den Betrieb der Anlagen zuverlässig sowie bedarfsgerecht zu organisieren, zählt zu den Aufgaben der Steuerungs- und Regelungstechnik von Kälteanlagen. Deutsche-Thermo.de informiert über wichtige Voraussetzungen, praktische Ansätze und wichtige Vorteile der individuellen Steuerung und Regelung von Kälteanlagen.
Die Themen im Überblick
Zuverlässigkeit und Effizienz in komplexen Prozessen sicherstellen
Kühlschrank, Klimaanlage oder Kaltwassersatz: Auch wenn diese Anlagen ganz unterschiedliche Einsatzbereiche haben, sind ihr Aufgaben dennoch gleich. Sie übertragen Wärme auf ein Kältemittel, um dieses zu verdampfen, auf ein höheres Temperaturniveau zu bringen und thermische Energie aus dem System abzuführen. Damit das funktioniert, sind jedoch eine Reihe von Vorgängen nötig, die allesamt ineinander übergreifen. Bei der Steuerungs- und Regelungstechnik für Kälteanlagen geht es vordergründig darum, diese Vorgänge in Einklang zu bringen. Denn nur so ist es möglich, gewünschte Temperaturverhältnisse im zu kühlenden Bereich zuverlässig einzuhalten.
Übrigens:
Auch wenn viele die Begriffe Steuerungs- und Regelungstechnik gleich verwenden, unterscheiden sie sich doch. So geht es bei der Steuerung darum, einfache Befehle oder Routinen auszuführen. Die Regelung überwacht hingegen eine definierte Größe und sorgt dafür, dass diese dem gewünschten Sollwert entspricht. Zumindest dann, wenn das technisch möglich ist.
Störungsfreier Betrieb durch individuelle Regelung von Kälteanlagen
Ein individuell aufgestelltes Steuerungs- und Regelungskonzept stimmt einzelne Vorgänge und Prozesse aufeinander ab. Auf diese Weise ermöglicht es der Anlage, flexibel auf äußere Einflüsse zu reagieren. Störungen bleiben aus und die Technik steht nicht still. Letzteres hätte in den meisten Fällen schwerwiegende Folgen. Neben Einbußen im Komfort von Raumklimaanlagen gehört dazu der Stillstand von Prozessen. Waren könnten auftauen und bei verschiedenen Materialien wären Veränderungen in den Produkteigenschaften die Folge. Für Betreiber einer Kälteanlage geht das in der Regel mit hohen Folgekosten einher.
Energieverbrauch durch bedarfsgerechte Kälteanlagen-Regelung senken
Besonders wichtig ist darüber hinaus der effiziente Betrieb kältetechnischer Anlagen. Dieser sorgt für einen minimalen Energieverbrauch. Betreiber sparen im Betrieb von Kühl- und Kälteanlagen Kosten ein und sorgen so für eine hohe Wirtschaftlichkeit. In der Folge ist es möglich, Waren sowie Dienstleistungen günstiger anzubieten oder die eigenen Gewinne zu steigern.
Grundlegende Funktionen der Regelung kältetechnischer Anlagen
Geht es bei der Regelung von Heizungsanlagen darum, eine vorhandene Heizlast zu decken, steht bei Kälteanlagen die Kühllast im Vordergrund. Dabei handelt es sich um die nötige Leistung, mit der Energie aus Prozessen oder Räumen abzuführen ist. Wichtige Einflussgrößen sind dabei:
- bauphysikalische Eigenschaften zu kühlender Räume oder Bereiche
- interne (Menschen, Maschinen und Stoffe) sowie externe Wärmegewinne
- Temperaturverhältnisse von Waren im Laufe der Produktion
- gewünschte Temperaturen von Räumen, Maschinen oder Waren
Um diese Einflussfaktoren berücksichtigen und kontinuierlich passende Leistungswerte zur Verfügung stellen zu können, kommen verschiedene Regelfunktionen zum Einsatz. Gebräuchlich sind dabei unter anderem die Kühlstellentemperaturregelung, die Verdampferfüllungsregelung und die Verdichterleistungsregelung.
Temperaturregelung an der Kühlstelle deckt den individuellen Kältebedarf
Bei der Kühlstellentemperaturregelung geht es darum, vorgegebene Temperaturen von Kühlmedien einzuhalten. Beispiele dafür sind Oberflächen von Kühlschränken, Wasser-Frostschutzgemische (Sole) bei Kaltwassersätzen oder die Luft am Austritt einer Klimaanlage. Um das zu erreichen, kommen unstetige und stetige Steuerungs- und Regelkonzepte zum Einsatz. Was diese voneinander unterscheide, zeigt die folgende Tabelle.
| Art der Temperaturregelung von Kälteanlagen | Beschreibung |
|---|---|
| Unstetige Regelung | Ein Beispiel für die unstetige Regelung ist die klassische Zweipunktregelung. Liegt die Temperatur des Kühlguts oder Kühlmediums über dem Sollwert, läuft die Kälteanlage. Ist der Sollwert erreicht, schaltet sie sich hingegen ab. Die Technik dazu ist einfach und günstig. Sie führt unter Umständen aber zu sehr häufigem Takten. Anlagen schalten sich in kurzen Zeitabständen oft an sowie aus. Sie laufen seltener im optimalen Betriebsbereich und verschleißen schneller. Die Folge sind steigende Energie-, Wartungs- und Reparaturkosten. |
| Stetige Regelung | Eine stetige Regelung der Kälteanlage passt die Kühlleistung ständig an den Bedarf an. Möglich ist das zum Beispiel durch ein Ventil in der Zuleitung (auch Saugleitung) zum Verdampfer. Es senkt mit dem Kältemitteldruck die Kältemitteltemperatur und passt so die resultierende Leistung an. Während das auch ohne Takten und erhöhten Verschleiß funktioniert, sind die Kosten einer solchen Regelung höher. |
Wann stetige oder unstetige Regelung von Kälteanlagen zum Einsatz kommen, hängt von den individuellen Vorgaben ab. Sind diese vergleichsweise gering (einfache Klimaanlagen), spielen unstete Regelungskonzepte ihre Vorteile aus. Sind die Anforderungen an die Temperatur der Kühlstelle höher, lassen sich diese meist nur mit einer stetigen Regelung bedarfsgerecht erfüllen.
Verdampferfüllungsregelung beeinflusst die Effizienz der Technik
Ist der Verdampfer optimal mit Kältemittel gefüllt, steht der Wärmeübertragung eine größere Oberfläche zur Verfügung. Das führt zu höheren Verdampfungstemperaturen und dazu, dass der nachfolgende Verdichter weniger leisten muss. Da Letzterer für den hohen Stromverbrauch der Anlage verantwortlich ist, sorgt eine optimale Verdampferfüllungsregelung für sinkende Energie- und Betriebskosten.
Wichtig zu wissen:
Im Verdampfer gibt es einen Flüssigkeits-, einen Zweiphasen- und einen Dampfbereich. Da die Leistung im mittleren Zweiphasenbereich (hier liegt das Kältemittel in flüssiger Form und als Dampf vor) am größten ist, geht es bei der Verdampferfüllungsregelung darum, diese Bereiche zu vergrößern. Der Dampfbereich, in dem das Kältemittel noch etwas überhitzt, kann dafür kleiner ausfallen.
Realisieren lässt sich die Verdampferfüllungsregelung unter anderem, indem ein Messfühler das Sauggastemperatursignal am Ausgang des Verdampfers misst. Ist dieses instabil, sind kleinste Feuchtigkeitsreste vorhanden und die optimale Füllung ist überschritten. Die Regelung senkt daraufhin den Verdampferfüllstand etwas, um zu gewährleisten, dass nur dampfförmiges Kältemittel zum nachfolgenden Verdichter strömt. Da die Anforderungen durch variable Kühllasten immer wieder schwanken, läuft der Prozess in der Praxis kontinuierlich ab.
Verdichterleistungsregelung für niedrige Kosten und stabile Prozesse
Einen großen Einfluss auf die Zuverlässigkeit und den Energieverbrauch kältetechnischer Anlagen hat die Leistung des Verdichters. Sinkt diese bedarfsgerecht, verbrauchen Systeme weniger Strom und die Betriebskosten fallen. Verändert sich die Leistung in Anlagen mit mehreren Verdichtern nicht, kann das hingegen zu Störungen führen. Ursache dafür sind Veränderungen im Kältemittelmassenstrom einzelner Stränge, die sich auf die Gesamtanlage auswirken. Um das zu verhindern und den Energieverbrauch auf ein Minimum zu reduzieren, kommen folgende Lösungen zur Steuerung und Regelung von Kälteanlagen zum Einsatz:
| Steuerung und Regelung von Kälteanlagen Verdichtern | Beschreibung |
|---|---|
| Zylinderabschaltung | Diese Lösung kommt bei Hubkolbenverdichtern mit mehreren Zylindern zum Einsatz. Arbeiten diese im Volllastbetrieb, sind alle Zylinder aktiv und der Kältemittelmassenstrom ist höher. Sinkt der Kältebedarf, unterbricht ein Regler den Zulauf zu einzelnen oder mehreren Zylindern. Das reduziert die Leistung des Verdichters und verhindert häufiges Takten (Ein- und Ausschalten). Der Verdichter arbeitet dauerhaft im optimalen Leistungsbereich und verbraucht weniger. Ein positiver Nebeneffekt ist der geringere Verschleiß, der zu Einsparungen bei Wartungs- und Reparaturkosten führt. |
| Verdichterabschaltung | Sind mehrere Verdichter in einer Anlage vorhanden, lassen sich diese abhängig vom Bedarf einzeln zu oder abschalten. Regler passen die Gesamtleistung dabei an den Kältebedarf an und verringern den Verbrauch auf ein Minimum. Wann einzelne Verdichter an- oder abfahren, hängt dabei unter anderem von den Kühlstellentemperaturen ab. Wie bei der Zylinderabschaltung gehören sinkende Energieverbräuche und geringere Verschleißerscheinungen zu den größten Vorteilen der Kälteanlagen-Regelung. |
| Schiebersteuerung | Sind Schraubenverdichter im Einsatz, kommt auch die Schiebersteuerung infrage. Diese verändert den zur Verdichtung verfügbaren Raum, indem sie einen Schieber passend zum Kältebedarf bewegt. Steigt Letztere, lässt sich der Verdichterraum für das Kältemittel vergrößern. Das Bauteil erreicht einen höheren Kältemittelmassenstrom und ermöglicht es damit, mehr Wärme abzuführen. Sinkt der Bedarf, verkleinert der Schieber den Arbeitsraum, um die Leistung zu reduzieren. Während das passiert, sinkt auch der Energieverbrauch und die Betriebskosten fallen geringer aus. |
| Heißgas-Bypass | Bei dieser Lösung leitet ein Dreiwegeventil einen Teil des heißen Gases vom Verdichterausgang direkt zum Eingang des Verdichters. Das senkt die Kälteleistung und ermöglicht es, die Kühlflächentemperatur variabel zu verändern. Nachteilig ist jedoch, dass der Verdichter selbst mit gleicher Drehzahl arbeitet, wodurch sich keine Energieeinsparung ergibt. |
| Drehzahlregelung | Mit einem Frequenzumrichter lässt sich auch die Drehzahl des Verdichters variabel und stufenlos einstellen. Dazu wandelt der FU Wechselstrom aus dem Netz in Gleichstrom, den er dann erneut in Wechselstrom umwandelt. Letzterer hat jedoch eine variable Frequenz. Ist der Kältebedarf gering, senkt die Regelung der Kälteanlage die Frequenz ab. Der Verdichter dreht sich langsamer. Er erzeugt einen geringeren Kältemittelmassenstrom und verbraucht weniger. Steigt der Kältebedarf, hebt die Regelungstechnik die Stromfrequenz an. Sie lässt den Verdichter dadurch schneller arbeiten, mehr Kältemittel verdichten und auch mehr Strom verbrauchen. |
Wann welche Lösung zur Verdichterleistungsregelung infrage kommt, hängt immer vom Einzelfall ab. Entscheidend sind unter anderem Faktoren wie die Bauart des Verdichters oder die gewünschte Genauigkeit der Regelung.
Vorteile einer optimalen Kälteanlagen-Regelung: So sind sie zu erreichen
Eine optimal aufgebaute Regelung für Kälteanlagen sorgt zu jeder Zeit für die benötigte Leistung. Sie verringert Störungen und stellt sicher, dass die Anlagen zuverlässig laufen. Vorteilhaft ist darüber hinaus der reduzierte Energieverbrauch. Dieser ergibt sich, wenn die Kältetechnik nie mehr leistet, als eigentlich nötig und hat eine geringere Umwelt- und Klimabelastung zur Folge. Die folgende Übersicht stellt die Vorteile moderner Regelungen für die Kältetechnik auf einen Blick zusammen:
Die Vorteile einer Kälteanlagen Regelung im Überblick
jederzeit optimale Leistung abrufbar
hohe Zuverlässigkeit ohne Störungen
Energieverbrauch und Kosten sinken
geringere Umwelt- und Klimaschäden
Schonung von fossilen Energieträgern
Damit Betreiber die Vorteile für sich nutzen können, ist eine individuelle Planung nötig. Denn genau wie die Kälteanlage selbst muss auch deren Steuerung und Regelung optimal zu den jeweiligen Anforderungen passen.
FAQ: Häufig gestellte Fragen und Antworten zum Thema
Was unterscheidet Steuerung und Regelung von Kälteanlagen?
Eine Steuerung führt Befehle aus, ohne zu prüfen, ob sie das Ziel des Betreibers tatsächlich erreicht. Ein Beispiel ist die Abschaltung der Anlage beim Überschreiten einer voreingestellten Temperatur im zu kühlenden Bereich. Eine Regelung überwacht die Regelgröße hingegen und stellt die Einhaltung des Sollwertes sicher, sofern das technisch möglich ist. Ein Beispiel ist die kontinuierliche Anpassung der Kühlleistung, um die gewünschte Raumtemperatur zuverlässig einzuhalten.
An welchen Stellen im Kältekreislauf setzt die Regelung an?
Üblich sind Regelsysteme am Verdampfer sowie am Verdichter. Ersterer lässt sich dabei unterschiedlich stark befüllen, um die Leistung zu verändern. Bei Verdichtern kommen verschiedene Regellösungen zum Einsatz. So zum Beispiel die Abschaltung von Zylindern oder Verdichtern, das Verändern des Verdichtertotraums (Volumen für Verdichtung) oder die Anpassung der Drehzahl mit einem Frequenzumrichter.
Was beeinflusst die Art und Ausführung der Regeltechnik?
Entscheidend ist zum einen die benötigte Regelgenauigkeit, die von der Art des Kühlprozesses abhängt. Darüber hinaus kommt es auf den Aufbau der Kälteanlagen und die Bauart einzelner Komponenten (Verdichter etc.) an. Auch der Standort und die dort geltenden Gegebenheiten beeinflussen die Kälteanlagen-Regelung.
Was sind die größten Vorteile der Steuerung und Regelung?
Die passende Steuerungs- und Regelungstechnik sorgt für einen zuverlässigen, störungsfreien und bedarfsgerechten Anlagenbetrieb. Sie erhöht die Anlageneffizienz, führt zu einem niedrigeren Verbrauch und spart Kosten. Von Vorteil sind darüber hinaus auch geringere Umwelt- und Klimaschäden sowie die Schonung fossiler Energieträger.
