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(11) | EP 0 152 608 B1 |
| (12) | EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Verfahren zur Steuerung einer Verbundkälteanlage Control method for a compound refrigeration plant Procédé de commande d'une installation frigorifique complexe |
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| Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Steuerung einer Verbundkälteanlage mit mehreren Verdichtern und mindestens einem Ventilator für die Abführung der Verflüssigungswärme, bei dem der Luftvolumenstrom des oder der Ventilatoren in Abhängigkeit von der Luftansaugtemperatur und der Kälteleistung verändert wird.
[0002] Eine Verbundkälteanlage besteht im wesentlichen aus mehreren Verdichtern mit einer gemeinsamen Saugleitung und einer gemeinsamen Druckleitung, einem Verflüssiger und mehreren Verdampfern sowie Expansionsorganen, die den Verdampfern zugeordnet sind. Dem Verflüssiger sind dabei ein oder mehrere Ventilatoren zugeordnet, die die bei der Verflüssigung des Kältemittels entstehende Wärme abführen. Je nach Kältebedarf ist eine bestimmte Anzahl von Verdichtern sowie eine bestimmte Anzahl von Ventilatoren in Betrieb. Der Betrieb der Verdichter und Ventilatoren erfordert eine hohe Antriebsenergie. Um diese zu senken, werden daher üblicherweise bei Teillastbetrieb Verdichter abgeschaltet, während der oder die Ventilatoren der Verflüssiger weiter bei voller Luftleistung betrieben werden. Damit kann zwar eine gewisse Senkung des Energiebedarfs erreicht werden, doch hat diese Massnahme zur Folge, dass der Anwendungsbereich der Expansionsventile überschritten wird.
[0003] Dies rührt daher, dass die Ventilatoren bei vollem Luftvolumenstrom und Abschaltung einzelner Verdichter eine zu tiefe Absenkung des Verflüssigungsdrucks bewirken können. Die untere Begrenzung des Verflüssigungsdruckes ist durch die verwendeten Expansionsventile sowie das Kältemittel gegeben.
[0004] In der DE-A-3 025 439 wird ein Kühlsystem beschrieben, bei dem eines von drei Kühlgebläsen des Verflüssigers in Abhängigkeit von der Temperatur der angesaugten Luft betätigt wird. Die Regelungsmöglichkeit beschränkt sich jedoch auf das Ein- und Ausschalten dieses Gebläses bei einem festen Schwellenwert der Luftansaugtemperatur.
[0005] Die US-A-3 739 596 zeigt ein Kühlsystem, das in Abhängigkeit vom Verflüssigungsdruck gesteuert wird, indem zwei Verflüssigungsventilatoren direkt durch vor dem Verflüssiger angebrachte Druckschalter ein- und ausgeschaltet werden. Eine ähnliche Methode wird in der GB-A-2 067 275 beschrieben. Dort wird bei einem kombinierten Kühl- und Heizsystem vorgeschlagen, Verflüssigerventilatoren in Abhängigkeit vom Verflüssigungsdruck ein- bzw. auszuschalten.
[0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verhältnis von Kälteleistung der Verdichter zur Leistungsaufnahme der Verdichter und Ventilatoren zu optimieren, also insbesondere bei einer vorgegebenen Kälteleistung eine Minimierung der Gesamtleistungsaufnahme zu erreichen. Dabei soll gleichzeitig der Anwendungsbereich der Expansionsventile gegenüber dem bekannten Verfahren beibehalten und der Verflüssigungsdruck optimiert werden.
[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die Luftansaugtemperatur TA und der Verflüssigungsdruck pc gemessen werden und ein von der Luftansaugtemperatur abhängiger Sollwert Pe,s des Verflüssigungsdrucks eingestellt wird.
[0008] Beim erfindungsgemässen Verfahren wird die momentane Kälteleistung indirekt über den Verflüssigungsdruck erfasst. Der gemessene Verflüssigungsdruck wird mit einem Sollwert, in dessen Berechnung die Luftansaugtemperatur und anlagenspezifische Parameter eingehen, verglichen. Je nach Grösse und Vorzeichen der Differenz zwischen gemessenem Verflüssigungsdruck pc und berechneten Verflüssigungssolldruck pss wird der Luftvolumenstrom des oder der Ventilatoren vergrössert oder verkleinert.
[0009] Diese Regelung des Luftvolumenstroms der Verflüssigerventilatoren erlaubt eine besonders günstige Anpassung der Ventilatorleistung an die beiden Parameter Luftansaugtemperatur und Kälteleistung. Zu einer vorgegebenen Anzahl von in Betrieb befindlichen Verdichtern kann die optimale Anzahl von Verflüssigerventilatoren eingeschaltet werden. Im allgemeinen wird mit reduziertem Luftvolumenstrom gearbeitet. Die dadurch bewirkte Einsparung kann für den Antrieb der Verflüssigerventilatoren benötigter Energie macht das erfindungsgemässe Verfahren wirtschaftlich besonders günstig.
[0010] Die erfindungsgemässe Regelung des Luftvolumenstroms ist insbesondere so vorgesehen, dass bei geringerer Luftansaugtemperatur der Luftvolumenstrom verringert wird. Selbstverständlich beinhaltet dies, dass bei erhöhter Luftansaugtemperatur der Luftvolumenstrom vergrössert wird.
[0011] Bei z. B. geringerer Luftansaugtemperatur, d. h. geringerer Aussentemperatur, wird in einer Anfahrphase zunächst volle Luftleistung gefahren und dann die Luftleistung beispielsweise durch Reduzierung der Drehzahl der Ventilatoren auf 2/3 des ursprünglichen Wertes reduziert. Die damit erzielbaren Einsparungen an Energieaufwand werden weiter unten beschrieben.
[0012] Bei der Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens ist in Weiterbildung des Erfindungsgedankens ein vorgegebener Bereich des Verflüssigungsdruckes einzuhalten. Dieser Bereich ist einerseits durch einen minimalen Druck begrenzt, der für ein einwandfreies Arbeiten der Expansionsventile notwendig ist, und andererseits durch einen maximalen Druck, der durch die Anwendungsgrenzen der Kältemittelverdichter bestimmt wird. Der einzuhaltende Bereich des Verflüssigungsdruckes hängt überdies von dem jeweils verwendeten Kältemittel ab. Bei den gebräuchlichen Kältemitteln wie R 22 und R 502 liegt der Bereich beispielsweise zwischen ca. 10 bar und ca. 20 bar.
[0013] Es erweist sich als besonders vorteilhaft, den einzustellenden Verflüssigungssolldruck pc,s gemäss der Formel in Patentanspruch 2 festzulegen. Die Parameter A und B hängen von den Eigenschaften des verwendeten Kältemittels und von den Gegebenheiten der Kälteanlage ab.
[0014] Für die Regelung des Luftvolumenstroms bieten sich insbesondere zwei Möglichkeiten an, nämlich Zu- und/oder Abschalten von Ventilatoren oder Änderung der Drehzahl der Ventilatoren. In der Praxis wird dabei wohl in erster Linie die zweitgenannte Möglichkeit wahrgenommen werden, da es sich herausgestellt hat, dass beispielsweise zwei mit halbem Luftvolumenstrom betriebene Ventilatoren weniger Antriebsenergie benötigen als ein mit vollem Luftvolumenstrom betriebener Ventilator.
[0015] Überdies besteht auch die Möglichkeit, den Luftvolumenstrom durch Verstellung von Drosselklappen zu verändern.
[0016] Bei dem bislang beschriebenen Verfahren findet in Verbindung mit der Verbundkälteanlage keine Wärmerückgewinnung statt. In Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens ist jedoch auch die Steuerung einer Verbundkälteanlage vorgesehen, bei der eine zusätzliche Wärmerückgewinnung für Raumheizung und Brauchwasser-erwärmung vorgesehen ist. In diesem Falle wird erfindungsgemäss der Luftvolumenstrom zusätzlich in Abhängigkeit von der Warmwasservorlauftemperatur und/oder der Raumtemperatur geregelt.
[0017] Zur Energieeinsparung durch Abwärmenutzung können entsprechend den örtlichen Gegebenheiten und den Eigenschaften einer vorhandenen Kälteanlage überdies die folgenden Wärmerückgewinnungssysteme installiert werden:
- Vorerhitzer in Lüftungsgeräten, die von dem warmen Druckgas durchströmt werden und im Heizbetrieb als Verflüssiger arbeiten.
- Den luftgekühlten Verflüssigern vorgeschaltete wassergekühlte Apparate, die ihre Wärme an die Vorheizregister von Lüftungsgeräten abgeben.
- Wärmepumpen, die bei Verbundanlagen durch einen Verdampfer-Verflüssiger die Verflüssigungswärme aufnehmen und sie mit einem hohen Temperaturniveau, mittels Wasser als Trägermedium, direkt in den Heizwasserrücklauf der Heizanlage einspeisen (Vorlauftemperatur ca. 60°C).
[0018] In einer zweckmässigen Weiterbildung des erfindungsgemässen Verfahrens wird bei sinkendem Kältebedarf der Verdampfungsdruck des Kältemittels erhöht. Wenn die Umgebungstemperatur und damit auch der Kältebedarf sinkt, wird die Verdampfungstemperatur und damit auch der Verdampfungsdruck des Kältemittels erhöht. Durch die geringere Druckdifferenz zwischen Verdampfungs- und Verflüssigungsdruck muss weniger Energie zum Verdichten aufgebracht werden.
[0019] Das erfindungsgemässe Verfahren ist anwendbar auf alle Verbundkälteanlagen, so z. B. für gekühlte und tiefgekühlte Verkaufsmöbel in Supermärkten, für Schlachthöfe, Kühlhäuser oder verfahrenstechnische Anlagen.
[0020] Die Erfindung sei im folgenden anhand eines in Figur 1 schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
[0021] In dem Ausführungsbeispiel sind vier parallelgeschaltete Verdichter 1a, 1b, 1c und 1d über eine gemeinsame Saugleitung 4, mehrere Verdampfer 5 sowie Expansionsventile 6 an einem Sammelbehälter 7 angeschlossen. Der Einfachheit halber sind nur ein Verdampfer und ein Expansionsventil dargestellt, doch sind in der Praxis meist mehrere Verdampfer und Expansionsventile parallel geschaltet. In dem Sammelbehälter wird flüssiges Kältemittel eingespeichert und über die Expansionsventile 6 den Verdampfern zugeleitet. Das Kältemittelsauggas in Leitung 4 wird sodann gleichmässig auf die einzelnen Verdichter der Verbundanlage verteilt und von diesen angesaugt. Verdichteter Kältemitteldampf wird sodann in eine gemeinsame Druckleitung 8 geleitet und zu einem Verflüssiger 9 geführt, in dem die Dämpfe kondensiert und in flüssiger Form über Leitung 10 in den Sammelbehälter 7 abgegeben werden.
[0022] Der Verflüssiger 9 ist mit Ventilatoren 11, 12 ausgestattet, die mit einem Steuergerät 13 verbunden sind. Der von den Ventilatoren umgewälzte Luftvolumenstrom wird über den Verflüssiger geleitet und führt dabei die Verflüssigungswärme ab, so dass in dem Verflüssiger die Kältemittelkondensation stattfinden kann. An das Steuergerät 13 ist ein Temperaturfühler 14 angeschlossen, der die Temperatur im Luftansaugkanal des Verflüssigers erfasst. Dem Verflüssiger ist ausserdem ein Drucktransmitter 20 zugeordnet, der ebenfalls an das Steuergerät 13 angeschlossen ist.
[0023] Zur Wärmerückgewinnung ist in Leitung 8 überdies ein Verflüssiger 15 vorgesehen, in dem die Verflüssigungswärme zur Brauchwasser-Erwärmung und/oder zur Raumheizung genutzt werden kann. Über Leitung 16 wird beispielsweise Wasser aus dem Raumheizungskreislauf herangeführt und im Verflüssiger 15 angewärmt. Reicht die Verflüssigungswärme nicht aus, so kann zusätzlich ein Heizkessel 17 eingeschaltet werden. Über eine Pumpe 18 wird das Warmwasser zu den Wärmeverbrauchern zurückgeführt. Dem Heizkessel ist ein Heizungsregler 19 zugeordnet, der mit dem Steuergerät 13 verbunden ist.
[0024] Die mit dem Verfahren gemäss dem vorstehend geschilderten Ausführungsbeispiel erzielbare Energieeinsparung ist aus den Tabellen Punkt 2a) bis d) der Anlage zu entnehmen. Das Verfahren wird zunächst ohne Wärmerückgewinnung beschrieben, so dass der Verflüssiger 15 mit dem daran angeschlossenen Kreislauf unbeachtet bleibt. Der Temperaturfühler 14 erfasst die Temperatur der Luft im Ansaugkanal des Verflüssigers und verschiebt den Sollwert pss. Die Berechnung der Sollwertverschiebung erfolgt im Steuergerät 13 nach der Formel
pc,s = A - TA + B
A = Parameter in bar/°C
B = Parameter in bar
TA = Aussentemperatur in °C
pc = Verflüssigungsdruck in bar.
[0025] Die Parameter A und B dienen der Anpassung an das jeweilige Kältemittel und an anlagenspezifische Gegebenheiten.
[0026] Bei sinkender Umgebungstemperatur sinkt der Kältebedarf der Kälteverbraucher. Eine Anpassung der Kälteleistung an diesen Bedarf kann durch Anheben der Verdampfungstemperatur (Erhöhen des Verdampfungsdruckes) des Kältemittels geschehen. Dadurch wird die von den Verdichtern zu überwindende Druckdifferenz verringert, was zu einer entsprechenden Energieeinsparung führt.
[0027] Mit Wärmerückgewinnung verläuft das erfindungsgemässe Verfahren etwas anders. Die Schaltung der Ventilatoren erfolgt in diesem Falle in Abhängigkeit des Heizungsreglers 19, der die Wasservorlauftemperatur erfasst und dessen Sollwert von der Aussentemperatur geschoben wird. Reicht dabei die Verflüssigungswärme im Verflüssiger 15 nicht aus, um die erforderliche Anwärmung des Wassers zu gewährleisten, so wird zusätzlich der Heizkessel 17 eingeschaltet. Steigt während der Wärmerückgewinnung der Verflüssigungsdruck auf einen einstellbaren ersten oberen Grenzwert an, wird der Heizkessel 17 weiterhin über den Heizungsregler 19 gesteuert. Dabei wird der momentane Luftvolumenstrom durch den Verflüssiger 9 nicht verändert. Steigt der Verflüssigungsdruck aber weiter an und überschreitet einen zweiten oberen Grenzwert, so wird die Steuerung der Ventilatoren bzw. des Luftvolumenstroms direkt von dem Verflüssigungsdruckregler 20 übernommen. Dieser Regler veranlasst, dass der Luftvolumenstrom erhöht wird. Beim Unterschreiten des ersten oberen Druckgrenzwertes übernimmt der Heizungsregler 19 wieder die Steuerung des Heizkessels und der Ventilatoren.
[0028] Das Steuergerät 13 umfasst zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens im wesentlichen einen Mikrocomputer mit zugehöriger Software, eine Dateneingabe und -erfassung, Messwerterfassung und -umwandlung sowie -verarbeitung und eine Ausgabe. Ferner sind auf dem Steuergerät eine bevorzugt 16-stellige alphanumerische Anzeige sowie eine 10er Datentastatur unter anderem zur Eingabe von Sollwerten, zur Abfrage von Istwerten, Ausgabe von Meldungen, Einstellen einer Zeituhr angeordnet.
[0029] Mit diesem Steuergerät ist eine optimale Anpassung der erzeugten Kälteleistung an den jeweiligen Kältebedarf der Verbraucher möglich, wobei es prinzipielles Ziel ist, den Verflüssigungsdruck so niedrig wie möglich zu halten, um den Energiebedarf zu minimieren. Dieses trifft sowohl für eine Verbundkälteanlage mit als auch ohne Wärmerückgewinnung zu.
[0030] Das Steuergerät beinhaltet die folgenden Möglichkeiten:
1. Integrierende Analog-Messwerterfassung.
2. Quarzgesteuerte Kalenderuhr.
3. Datensicherung bei Netzausfall bis zu 14 Tagen.
4. Ausgaben der aktualisierten Istwerte während des Betriebes auf der alphanumerischen Anzeige.
5. Messwertüberwachung.
6. Eingang für Heizungregler.
7. Automatische Umschaltung von Kühl- in den Wärmerückgewinnungsbetrieb und umgekehrt.
8. Steuerung von Kältemittelverdichtern und zusätzlich eine Leistungsstufe pro Verdichter in Abhängigkeit vom Niederdruck.
9. Anzahl der Kältemittelverdichter und Leistungsstufen wählbar.
10. Regelung und Überwachung der Öltemperatur.
11. Steuerung der Kältemittelverdichterzusatzventilatoren in Abhängigkeit der Druckrohrtemperatur.
12. Überwachung der Temperatur in der Druckleitung.
13. Überwachung der Wicklungstemperatur der
Antriebsmotoren der Kältemittelverdichter. 14. Öldrucküberwachung der Kältemittelverdichter.
15. Steuerung der Verflüssigerventilatoren im Kühlbetrieb sowie eine zusätzliche Schaltstufe für einen weiteren Wärmeerzeuger bei der Wärmerückgewinnung.
16. Anzahl der Stufen der Verflüssigerventilatoren ist wählbar.
17. Keilriemenüberwachung bei Betrieb der Verflüssigerventilatoren mit Keilriemen.
18. Drucküberwachung in der Anlage.
19. Sollwertschiebung von Verflüssigungs- und Verdampfungsdruck.
20. Zwei Eingänge für Lastabwurf.
21. Störungen werden mit Datum und Uhrzeit gespeichert.
22. Automatische Grundlastumschaltung mit wählbarer Umschaltzeit.
23. Alle Daten können auf einem Drucker ausgegeben werden (immer mit Datum und Uhrzeit versehen).
24. Saugdruckanhebung.
25. Pulsen.
[0031] Jedem Kälteverbraucher ist üblicherweise ein Magnetventil zugeordnet, das von einem Thermostaten geschaltet wird. Falls der Thermostat des Verbrauchers Kälteleistung anfordert, und mindestens ein Verdichter in Betrieb ist, öffnet das Magnetventil. Ist nun aber der Druck auf der Niederdruckseite so tief, dass ein Druckwächter angesprochen hat, sind alle Verdichter weggeschaltet und die Magnetventile geschlossen und durch die Thermostate nicht zu öffnen. Für diesen Fall ist vorgesehen, das Magnetventil, dessen Thermostat Kälteleistung anfordert, zu pulsen, also im Wechsel ein- und auszuschalten. Damit wird einerseits erreicht, dass der Druck in der Saugleitung ansteigt und andererseits wird eine Überfüllung der Verdampfer mit flüssigem Kältemittel verhindert, wodurch Verdichterschäden durch Flüssigkeitsschläge vermieden werden.
Leistungsbedarfswerte von Verbundkälteanlagen mit 4 Kältemittelverdichtern
[0032]
1. Lufteintrittstemperatur in Verflüssiger entsprechend Auslegungsbedingungen.
a) Die Leistungswerte einer typischen Verbundkälteanlage für Supermärkte bei Auslegungsbedingungen ergeben sich wie folgt (ohne Kälteverbraucher wie Kühlmöbel, Kühlräume etc.):
- Kälteleistung 100% - Leistungsbedarf Kältemittelverdichter ca. 78%
- Leistungsbedarf Verflüssigerventilatoren ca. 20%
- Leistungsbedarf Ventilatoren für Verdichterkühlung ca. 1%
- Leistungsbedarf für Kurbelgehäuseheizung ca. 1%
- Gesamtleistungsbedarf ca. 100%
b) Die Leistungswerte dieser Verbundkälteanlage bei ca. 50% Kältebedarf (2 Kältemittelverdichter in Betrieb) und voller Leistung der Verflüssigungsventilatoren betragen:
- Kälteleistung ca. 56%
- Leistungsbedarf Kältemittelverdichter ca. 40%
- Leistungsbedarf Verflüssigungsventilatoren ca. 20%
- Leistungsbedarf Ventilatoren für Verdichterkühlung ca. 0,5%
- Leistungsbedarf Kurbelgehäuseheizung ca. 0,5%
- Gesamtleistungsbedarf ca. 61 %
c) Bei gleichen Bedingungen wie Punkt 1b) aber Reduzierung der Drehzahl der Verflüssigerventilatoren
auf
der Nenndrehzahl (Reduzierung des Luftvolumenstromes auf ca.
ergeben sich nachstehende Werte:
- Kälteleistung ca. 53%
- Leistungsbedarf Kältemittelverdichter ca. 39,5%
- Leistungsbedarf Verflüssigerventilatoren ca. 7%
- Leistungsbedarf Ventilatoren für Verdichterkühlung ca. 0,5%
- Leistungsbedarf Kurbelgehäuseheizung ca. 0,5%
- Gesamtleistungsbedarf ca. 47,5%
2. Lufteintrittstemperatur in Verflüssiger um 10 K abgesenkt.
a) Bei den sonstigen Bedingungen wie Punkt 1a ergeben sich folgende Werte:
- Kälteleistung ca. 122%
- Leistungsbedarf Kältemittelverdichter ca. 81%
- Leistungsbedarf Verflüssigungsventilatoren ca. 20%
- Leistungsbedarf Ventilatoren für Verdichterkühlung ca. 1%
- Leistungsbedarf Kurbelgehäuseheizung ca. 1%
- Gesamtleistungsbedarf ca. 103%
b) Bei den sonstigen Bedingungen wie Punkt 2a) aber Reduzierung der Drehzahl der Verflüssigerventilatoren auf 2/3 der Nenndrehzahl ergeben sich für
- Kälteleistung ca. 112%
- Leistungsbedarf Kältemittelverdichter ca. 80%
- Leistungsbedarf Verflüssigerventilatoren ca. 7%
- Leistungsbedarf Ventilatoren für Verdichterkühlung ca. 1%
- Leistungsbedarf Kurbelgehäuseheizung ca. 1%
- Gesamtleistungsbedarf ca. 89%
c) Bedingungen wie Punkt 2a) jedoch mit 50% Kältebedarf (2 Kältemittelverdichter in Betrieb) und volle Drehzahl der Verflüssigerventilatoren.
- Kälteleistung ca. 67%
- Leistungsbedarf Kältemittelverdichter ca. 41 %
- Leistungsbedarf Verflüssigerventilatoren ca. 20%
- Leistungsbedarf Ventilatoren für Verdichterkühlung ca. 0,5%
- Leistungsbedarf Kurbelgehäuseheizung ca. 0,5%
- Gesamtleistungsbedarf ca. 62%
d) Bedingungen wie Punkt 2c jedoch mit Reduzierung der Verflüssigerventilatoren auf
ihrer Nenndrehzahl.
- Kälteleistung ca. 62%
- Leistungsbedarf Kältemittelverdichter ca. 40,5%
- Leistungsbedarf Verflüssigerventilatoren ca. 7%
- Leistungsbedarf Ventilatoren für Verdichterkühlung ca. 0,5%
- Leistungsbedarf Kurbelgehäuseheizung ca. 0,5%
- Gesamtleistungsbedarf ca. 48,5%
mit
A = Parameter in bar/°C,
B = Parameter in bar,
TA = Luftansaugtemperatur,
festgelegt wird.
where
A = parameter in bar/°C.
B = parameter in bar,
TA = air suction temperature.
avec
A = paramètre en bars/°C
B = paramètre en bars
TA = température d'air aspiré.