Planungshinweise zur Auslegung von Kälteträgersystemen

• Kälteträgersysteme auf dem Vormarsch
• Kälteanlagenbau und Hydraulik verknüpfen
• Kühllast berechnen
• Kälteträger bestimmen
• Kälteerzeugungsanlage auslegen
• Verbindungselemente planen
• Hohes und genehmigungsfähiges Maß an Sicherheit
• Schulung: Kälteträgersysteme in der Praxis

In den zurückliegenden Jahrzehnten wurden für viele verschiedene Kühlaufgaben Systemlösungen entwickelt, bei denen Kälteträgersysteme räumlich getrennt erzeugte Kälte hin zu den Kühlstellen in Gebäuden oder zu Produktionsprozessen transportieren. Dafür haben sich Begriffe wie indirekte Kühlung oder Kaltwasser- und Solesysteme etabliert. Zentrales Merkmal von Kälteträgersystemen ist, dass die Kälte nicht direkt durch Verdampfen von Kältemittel an den Kühlstellen bereitgestellt wird, sondern andernorts durch eine Kältemaschine erzeugt und über ein separates Medium zur Bedarfsstelle transportiert wird.

Kälteträgersysteme auf dem Vormarsch

Großen Anteil an der Verbreitung der Kühlung mit Wasser, Wasser-Glykol- oder Wasser- Solegemischen haben in erster Linie die Raumluftkonditionierung in Büro- und Gewerbeimmobilien sowie die Klimatisierung von Rechenzentren. Bei diesen Kälteanwendungen wird zumeist mit einer Vorlauftemperatur des sogenannten Klima-Kaltwassers von 6 bis 12 °C geplant. Im Rücklauf sind es in der Regel 12 bis 18 °C. Abgesehen von seltener vorkommenden Systemlösungen in technologisch geprägten Kühlprozessen beschränkte sich die Anwendung von Gemischen aus Wasser und Frostschutzmedien zumeist auf die Rückkühlungsprozesse von flüssigkeitsgekühlten Verflüssigern in Flüssigkeitskühlsätzen (ähnlich Posistion 7 in Abbildung 1). Wegen der Frostgefahr bei den in den Rückkühlwerken abgekühlten Kühlflüssigkeiten, wie sie zum Beispiel bei winterlichen Bedingungen entstehen kann, werden hier zumeist Wasser-Glykolgemische verwendet

Grundsätzlich benötigen Kälteträgersysteme im Vergleich zu Systemen mit Direktverdampfung, wie sie bisher in den meisten technologisch bedingten Kühlprozessen angewendet wurden, insgesamt deutlich weniger Kältemittel. Dieses befindet sich ausschließlich in der Kältemaschine und nicht mehr in den Rohrleitungen zu den Verbrauchern. Dieser für die Umwelt- und Anlagensicherheit überaus relevante Vorteil wirkt sich vor allem in weit verzweigten, dezentralen Anlagenstrukturen aus. Ein weiterer Treiber, bisherige Planungsgrundsätze für direktverdampfende Kälteanlagen zu überdenken, ist die Chemikalien-Klimaschutzverordnung (ChemKlimaschutzV) zum Schutz des Klimas vor Veränderungen durch den Eintrag bestimmter fluorierter Treibhausgase (siehe cci323566). Daraus resultierend sind Planer aufgefordert Systemlösungen zu entwickeln, die dem Rechnung tragen. Weiterer Treiber, mit reduzierten Kältemittelmengen auszukommen, sind deren Verknappung durch die Novellierung der F-Gase-Verordnung (EU 2024/573). Diese gibt deutliche Reduzierungen der verwendbaren Kältemittelmengen vor, was unter Verwendung von Kälteträgersystemen -vor allem im Bereich der Kühlstellen und den dazu gehörenden Verteilungssystemen- erreicht werden kann.

Kälteanlagenbau und Hydraulik verknüpfen

Grundsätzlich braucht es zur Planung und Realisierung von indirekten Kühlsystemen die Fachgebiete des Kälteanlagenbaus und der klassischen technischen Gebäudeausrüstung (TGA) – hier insbesondere der Rohrleitungsbau und die Hydraulik. Um funktionierende und energieeffiziente Gesamtsysteme an die Betreiber übergeben zu können, ist es unbedingt erforderlich, dass sich beide Fachbereiche über Planungsgrundsätze des jeweils anderen informieren. Die zu projektierenden Elemente dieser beiden Disziplinen zu verknüpfen, bedeutet unter anderem, dass Kältefachbetriebe die Regeln der Hydraulik für den Umgang mit Wasseranlagen lernen müssen. Denn am Ende von Planungen oder Veränderungen in hydraulischen Anlagenelementen ist ein hydraulischer Abgleich der einzelnen, parallelgeschalteten Teilabschnitten durchzuführen. Auch sollten sich TGA- Unternehmen mehr über die Planungsgrundsätze von Kälteanlagen informieren, da sich die Projektierung der Kälte- beziehungsweise Wärmeerzeuger teils deutlich von denen in der Heizungstechnik unterscheidet.

Zu den wichtigen Planungselementen zählt unter anderem die angemessene Bestimmung der Konditionen, auf die der Kühlprozess auszurichten ist. Bei der Kühllagerung von Waren können mit guter Annäherung die Raumlufttemperatur und die mittlere Temperatur des Produktes gleichgesetzt werden. Zusätzlich zum Temperaturniveau sind oftmals – wie beispielsweise im Lebensmittelbereich üblich – auch die relative Luftfeuchtigkeit und der absolute Gehalt an Wasserdampf (absolute Luftfeuchtigkeit) in der Raumluft zu bewerten. Dazu ein Beispiel: Wird feuchte Luft in einem Kühlraum durch das Kühlaggregat zu stark entfeuchtet, kann das die Produktqualität erheblich verschlechtern. Deshalb sind schon in einem frühen Planungsstadium die Vor- und Rücklauftemperaturen des Kälteträgers festzulegen, die für die Kühleroberflächentemperatur und damit für das Wasserdampf-Kondensationspotenzial sowie die gewünschte Raumluft- oder Produktqualität verantwortlich sind.

Zur Bestimmung der zu dem Kühlprozess passenden Oberflächentemperatur des Luftkühlers wird aus der für die Produktqualität wichtigen Feuchtigkeitsgehaltes und den auf den Kühlraum einwirkenden thermischen und stofflichen Lasten das Verhältnis α_D/α_KW berechnet. Das in Abbildung 2 gezeigte p/ t- Diagramm wurde deshalb mit einem dementsprechend modifizierten Randmaßstab versehen. Damit ist es möglich, durch eine Parallelverschiebung aus der entsprechenden Linie heraus, durch den zuvor eingetragenen Raumzustand, am Schnittpunkt auf der Hundertprozentlinie die Kühleroberflächentemperatur festzulegen. Mit dem so bestimmten Temperaturniveau kann daran anschließend die Kälteträgervor- und Rücklauftemperatur berechnet werden.

Kühllast berechnen

Weiterhin ist für eine energiesparende Gesamtlösung aus Kälteerzeugung und Kälteträgersystem eine möglichst exakte Bilanzierung der auf den Kühlprozess einwirkenden thermischen Lasten durchzuführen. Bemerkenswert hierbei ist: Für die Bestimmung der Heizlast und der Kühllast klimatisierter Gebäude stehen Softwarelösungen zur Verfügung, die mit Hilfe von numerischen Simulationsmodellen sehr exakte Ergebnisse liefern. Im Bereich der Kühllastberechnung für Kühlprozesse im Lebensmitteleinzelhandel gibt es aktuell jedoch noch keinen, vergleichbar entwickelten Stand der Technik. Aber selbstverständlich ist es möglich, die statische Kühllast eines Raumes oder eines technologischen Prozesses hinreichend genau zu bestimmen. Zusätzlich finden dynamische Kühllastberechnungsmodelle Einzug in die Praxis der Planung.

Kälteträger bestimmen

Auf die Berechnung der Kühllast sollte als nächster Planungsschritt die projektspezifische Festlegung des Kälteträgers folgen. Als bestimmende Einflussgröße ist hierfür auch das zuvor festgelegte Temperaturniveau zu berücksichtigen. Einen nicht unerheblichen Anteil an der Entscheidung haben ferner die Anforderungen des Betreibers hinsichtlich der Produktsicherheit und gegebenenfalls vorhandene Auflagen aus dem Umwelt- und Gewässerschutz. Einen Überblick über die verwendbaren Kälteträger gibt Abbildung 2.

Denn bei der Festlegung des Betriebsstoffes ist ferner zu berücksichtigen, dass es nicht zu vernachlässigende Wechselwirkungen zwischen den Betriebsstoffen und den Bauelementen der Anlagentechnik gibt. Zum Beispiel dürfen verzinkte Bauteile nicht mit Glykol-Wassergemischen in Verbindung gebracht werden. Bei der Projektierung der Förderpumpen gelten deren Dichtungswerkstoffe als wichtiges Auswahlkriterium. Deshalb muss bei der Projektierung der vom Kälteträger beaufschlagten Bauteile der Kälteanlage und der nachgeschalteten Anlagenperipherie bis hin zu den Dichtungswerkstoffen auf eine lückenlose Materialverträglichkeit des gewählten Betriebsstoffes geachtet werden.

Kälteerzeugungsanlage auslegen

Wenn all diese Aspekte betrachtet worden sind, kann zur Fortführung des Planungsablaufs die thermische Leistung der Kälteerzeugungsanlage bestimmt werden. Die tatsächlich zu installierende Kälteleistung kann aber zumeist nicht direkt aus der sensiblen Kühllastbilanz übernommen werden. Latente Leistungsanteile (Entfeuchtung) bei verschiedenen Kühlaufgaben und weitere Wärmequellen im Zuge der Kälteerzeugung und -verteilung müssen berücksichtigt werden. Unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen kann eine Kälteerzeugungsanlage, die im allgemeinen Sprachgebrauch als Kaltwassersatz und fachlich korrekt, als Flüssigkeitskühlsatz bezeichnet wird, konstruiert oder aus einem breiten Marktangebot ausgewählt werden.

Verbindungselemente planen

Ein weiterer, gleichfalls für den Projekterfolg entscheidender Abschnitt erstreckt sich ausgehend von der Kälteerzeugungsanlage hin zu den Kühlstellen. Hier sind für eine gute Anlageneffizienz ergänzende Elemente zu planen, die seit längerem zum eingeführten Stand der Technik gehören, zum Beispiel Pufferspeicher, die zugleich als hydraulische Weichen fungieren können.

Über den Sinn und die Notwendigkeit dieser Bauteile ist spätestens seit dem kürzlichen Erscheinen der Normen und Richtlinien für Wärmepumpen kaum noch zu diskutieren. Dazu zählt insbesondere die VDI 4645: Heizungsanlagen in Ein- und Mehrfamilienhäusern Planung Errichtung und Betrieb. Hier werden u. a. die Notwendigkeit der empfohlenen hydraulischen Schaltungen und die Dimensionierung von Anlagenkomponenten beschrieben. Dazu gehört vor allem auch der Hinweis auf die Berücksichtigung sowie die korrekte Auslegung von Pufferspeichern und hydraulischen Weichen. Unterschiede zu den heizungstechnischen Projektlösungen sind trotzdem vorhanden und betreffen hauptsächlich die hydraulischen Schaltungen zur Leistungsregelung der Kühlstellen. Die sogenannte Beimischregelung hingegen, die in der Heizungstechnik unter anderem für die Vorlauftemperaturregelung eingesetzt wird, hat bei den Kälteträgersystemen oft dieselbe Funktion.

Hohes und genehmigungsfähiges Maß an Sicherheit

Mit der Planung und Realisierung eines Kälteträgersystems nach der vorgenannten Vorgehensweise sollten Anlagen entstehen, die gleichermaßen die Anforderungen des Anwenders an die Kühlleistung wie dem Schutz der Umwelt und der Schonung von Energieressourcen gerecht werden. Ferner wird mit entsprechenden Kühlanlagen insbesondere bei der Verwendung natürlicher Kältemittel wie Propan (R290, GWP 0,02), Kohlendioxid (R744, GWP 1) oder Ammoniak (R717, GWP 0) dem Bedürfnis nach hoher Anlagensicherheit Rechnung getragen. Durch die deutlich geringere Füllmenge indirekter Systeme wird damit für die Anlagenpraxis ein hohes genehmigungsfähiges Maß an Sicherheit im Hinblick auf Brand- und Explosionsgefahr sowie Toxizität gewährleistet.

Schulung: Kälteträgersysteme in der Praxis

Sämtliche Schritte der Planung eines Kälteträgersystems werden ausführlich in einer Schulung von cci Schulung erläutert.

• Termin: 27. Oktober 2026
• Ort: Karlsruhe

Weitere Informationen und Anmeldung hier

cci327486