Autoren: Florian Simon, Oliver Javerschek, Julian Pfaffl, Julia Rojahn (Application Engineering, Rottenburg)
Fallbeispiel: CO2-Kälteanlage mit Ejektoren im fiktiven Distributionszentrum
Der energetische Vorteil lässt sich durch Simulationen in der BITZER Software zeigen, zum Beispiel für ein fiktives Distributionszentrum mit 1000 kW für Normalkühlung (NK), 300 kW für Tiefkühlung (TK). Die regelbaren Ejektoren erlauben den Betrieb als High-Lift- oder FGB-System, ein zusätzliches Hochdruckregelventil ist nicht nötig.
Für Voll- und Teillastbetrieb wird zwischen fünf Umgebungstemperaturen (Sommer / Winter) sowie „geöffnet“ und „geschlossen“ unterschieden.
Für Volllast (Sommertag mit 37,5 °C Umgebungstemperatur, Zentrum geöffnet) ergibt sich als Optimum eine Anlage im transkritischen Betrieb mit zwei 8-Zylinder-Verdichtern in der NK- und drei in der Parallelstufe (jeweils 8CTE-140K) sowie vier 4-Zylinder-Verdichtern (1x 4TME-20K, 3x 4PME-25K) in der TK-Stufe. Der Führungsverdichter jeder Stufe wird mit Frequenzumrichter betrieben.
Von den fünf benötigten Ejektoren (1x HDV-E65, 4x HDV-E95) wird der HDV-E65 gedrosselt. Den TK-Verdichtern ist ein zusätzlicher Rückkühler nachgeschaltet, die Druckgastemperatur der NK-Stufe beträgt 149,5 °C.
COP-Erhöhung dank Ejektoren
Der berechnete COP liegt bei 1,69 und damit 21,5 % höher als bei einem vergleichbaren FGB-System. Bei geringerer Umgebungstemperatur ist der energetische Vorteil weniger ausgeprägt, wie in der Grafik ersichtlich. Der Grund: Es liegt weniger potentielle Energie am Ejektoreingang vor, die durch den Ejektor bewirkte Entlastung der NK-Stufe und Belastung der Parallelstufe schwächt ab.
Für die simulierten Betriebsbedingungen im Winter (7,5 °C bzw. -5,0 °C Umgebungstemperatur) reicht die potentielle Energie am Ejektoreingang nicht mehr für einen High-Lift-Betrieb – die Anlage wird als FGB-System betrieben, der Ejektor fungiert als Hochdruckregelventil.
Außerdem zeigt die Auslegung: Für einen milden Wintertag mit geöffnetem Zentrum (NK-Last 65 %, TK-Last 70 %, 7,5 °C Umgebungstemperatur) braucht die Anlage einen NK-Verdichter mehr als im Volllastbetrieb, da ein Betrieb mit Parallelverdichter nicht möglich ist. Dies lässt sich mit einem „Swing-Verdichter“ lösen, der je nach Betriebsbedingung als NK- oder als Parallelverdichter betrieben wird.
Fazit: Voll- und Teillastbedingungen gleichermaßen betrachten
Wird eine CO2-Kälteanlage mit Ejektoren ausgelegt, ist die Betrachtung von Voll- und Teillastbedingungen elementar wichtig. Je höher zum Beispiel die Umgebungstemperatur, desto höher der Druck und die am Ejektoreingang verfügbare potentielle Energie – und desto größer der energetische Vorteil (= größere COP-Erhöhung) durch die Parallelverdichtung.
