Simulationsgestützte Effizienzoptimierung von industriellen Kaltwassersystemen mit thermischen Speichern

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Möglichkeiten zur Optimierung der Energieeffizienz in Kaltwassersystemen untersucht und gegenübergestellt. Die Kälteversorgungsinfrastruktur des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB in Erlangen wird dabei als Referenzsystem sowie als Plattform für die Umsetzung abgeleiteter Maßnahmen herangezogen. Ein besonderes Teilziel dieser Arbeit stellt die Gegenüberstellung der Einsparpotenziale von konventionellen Möglichkeiten der Effizienzoptimierung mit innovativen Maßnahmen, wie dem Einsatz von freier Kühlung und der Nutzung eines Kältespeichers, dar. Die Implementierung innovativer Anlagenkonzepte ist üblicherweise mit einem erhöhten technischen Aufwand verbunden. Ferner hängen die Effizienzpotenziale von individuellen Randbedingungen des betrachteten Systems ab. Aus diesen Gründen wird im Vorfeld der Umsetzung ein Simulationswerkzeug entwickelt, mit dem sich die Systemeffizienz in Abhängigkeit verschiedener Randbedingungen untersuchen lässt. Um eine Basis für die Bewertung unterschiedlicher Maßnahmen herzustellen, wurde das Referenzsystem analysiert. Hierbei wurde eine relativ geringe Auslastung der vorhandenen Kältemaschinen festgestellt, welche zusammen mit einem hohen Kaltwasser-Volumenstrom und einer geringen Temperaturspreizung zwischen Vorlauf und Rücklauf des Kältesystems eine niedrige Gesamteffizienz der Kälteanlage verursachte. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde eine Methodik zur Erhöhung der Anlageneffizienz abgeleitet. Diese beinhaltet die Absenkung des Kaltwasser-Volumenstroms, den Einsatz eines Kältespeichers zur Erhöhung der Auslastung der Kältemaschine sowie den Einsatz von freier Kühlung in Zeiträumen mit niedriger Kältelast. Um das Einsparpotenzial des Kältespeichers und der freien Kühlung zu quantifizieren, wurden Modelle für die wichtigsten Komponenten des Kältesystems entwickelt und in ein Systemmodell integriert. Die Effizienz- und Einsparpotenziale der beiden im Modell betrachteten Technologien wurden anschließend denen der umgesetzten, konventionellen Maßnahmen gegenübergestellt. Die Ergebnisse der Simulationen implizieren, dass der Einsatz eines Kältespeichers und der freien Kühlung signifikante Einsparpotenziale aufweist. Mit Hilfe eines Kaltwasser-speichers mit 80 m³ Volumen lassen sich etwa 10 % der jährlichen, betriebsgebunden Kosten des Referenzsystems einsparen. Die Kosteneinsparung durch Nutzung von freier Kühlung liegt bei etwa 12 %. Dabei ist zu berücksichtigen, dass freie Kühlung in den Sommermonaten aufgrund hoher Umgebungstemperaturen nicht betrieben werden kann. Das Einsparpotenzial ergibt sich somit allein aus der Winterperiode, in welcher die Einsparungen höher liegen als der Jahresdurchschnittswert von 12 %. Die konventionellen Effizienzmaßnahmen wiesen dagegen ein Einsparpotenzial von etwa 20 % auf, setzten sich jedoch aus zahlreichen, individuellen Optimierungsmaßnahmen im Kälte-system zusammen. Der geplante Kältespeicher konnte aufgrund eines Bauverzuges nicht im Rahmen der vorliegenden Arbeit umgesetzt werden. Die Implementierung der freien Kühlung wurde hingegen erfolgreich abgeschlossen und das Einsparpotenzial untersucht. Die experimentellen Ergebnisse stehen dabei in guter Übereinstimmung mit den Prognosen des Simulationsmodells. Während des Betriebs der freien Kühlung wurde ein Einsparpotenzial von etwa 47 % gegenüber der Kältemaschine vorausgesagt, welches mit einem Wert von 50 % der umgesetzten Anlage leicht übertroffen wurde.