Kälteverbund Monitoring
Die Hauptaufgabe des Kälteverbundmonitorings ist die Bewertung der Kälteerzeugung und die Einschätzung der entstehenden Verteilungsverluste beim Transport. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Beschaffung der Informationen zur internen Regelung der einzelnen Gebäudekältezentralen, denn diese kann einen enormen Einfluss auf die Gesamteffizienz des Kälteverbunds bewirken. Dazu werden sowohl am Kälteerzeuger als auch beim Verbrauchermessungen zur Bestimmung der Kälteleistung und der elektrischen Aufnahmeleistung der Kälteerzeuger und der Pumpen des gesamten Kälteverbundsystems durchgeführt. In der Abbildung 1 werden die zuvor erwähnten Messungen an einem relevanten Ausschnitt des Kälteverbundes veranschaulicht
Die Messungen werden großenteils an der Bestandsanlagen durchgeführt. Daher werden nichtinvasive Methoden wie Ultraschalmessgeräte zur Durchflussmessung und Anlegetemperaturfühler zur Temperaturmessung sowie die elektromagnetische Strommessung eingesetzt.
Messung der Kälteerzeugung in einem Campusgebäude
Das zu vermessende Gebäude wird über zwei Kälteerzeuger mit einer nominalen Kälteleistung von ca. 660 kW insgesamt versorgt. Der Kältebedarf des Gebäudes setzt sich grundsätzlich aus der Klimatisierung von Laboren, Vorlesungs- und Seminarräume sowie der direkten Kühlung der technologischen Prozesse zusammen. Eine vereinfachte schematische Darstellung der Kälteversorgung im Gebäude mit den eingezeichneten Messgeräten für diese Messung ist der Abbildung 2 zu entnehmen. Das Versorgungssystem umfasst genau vier Verbrauchergruppen (siehe Abbildung 2, Deckenkühler, Laserlabore, raumlufttechnische Anlagen und Raum- und Technologiekühlung des Flachbaus). Es gibt eine hydraulische Trennung von zwei Verbraucherkreisläufen. Dabei werden die drei Verbraucher noch durch einen Wärmeübertrager vom Erzeugerkreislauf getrennt. Aus den Planungsunterlagen des Kälteversorgungssystems kann entnommen werden, dass die Vorlauftemperatur der Kälteerzeugung 6 °C betragen soll. Die Vorlauftemperaturen für die drei durch einen Wärmeübertrager getrennten Verbraucher liegen im Auslegungsfall um 2 K höher bei 8 °C.
Im Rahmen dieser Messkampagne wurden zur Bestimmung der Kälteleistungen der beiden Kälteerzeuger deren Durchflusse mittels Ultraschalmessgeräte (siehe Abbildung 2 und Abbildung 3 mittig und rechts) und die Vor- und Rücklauftemperaturen mit Hilfe von an den entsprechenden Leitungen angebrachten Anlegefühlern (siehe Abbildung 2 und Abbildung 3 links) erfasst. Die Messungen der elektrischen Aufnahmeleistung der beiden Kälteerzeuger wurden elektromagnetische Strommessungen durchgeführt, diese aus Sicherheitsgründen von der Bauabteilung der TU-Berlin übernommen wurde.
Die gemessenen Daten inklusive der Messanalyse und die berechneten Kälteleistungen sind exemplarisch für die Zeitperioden von 17.11.2020 bis 24.11.2020 in Abbildung 4 dargestellt. Zusammen mit den in Abbildung 4 dargestellten Temperaturverläufen sind die nach Methode der „gleitenden Durchschnitte[1]“ gefilterten Verläufe in gestrichelten Linien dargestellt. Auf die Darstellung der Volumenstromverläufe von beiden Kälteerzeuger wird aus den Übersichtlichkeitsgründen verzichtet, da diese während ganzer Messung unverändert blieben.
Bei der Betrachtung der mit den geglätteten Temperaturen berechneten Leistungsverläufe kann festgestellt werden, dass im Gebäude insbesondere am Wochenende und auch an Werktagen in der Nachtzeit eine stabile Grundlast ca. von 55 kW besteht. Dabei wird diese grundsätzlich durch die Kälteerzeuger KM1 gedeckt. An Werktagen wird tagsüber der zweite Kälteerzeuger KM2 zur Begleichung des Kältebedarfs dem ersten zugeschaltet. In der Hinsicht auf die nominale Kälteleistung der Kälteerzeuger KM1 (siehe Abbildung 2) hat diese immer noch viel Reserve, um die komplette gemessene Kältelast zu erzeugen.
Für die nächste Messdatenanalyse werden die Tagesprofile der Werktage dem Tageslastprofil aus der ersten Phase HCBC-Projekts gegenübergestellt. Diese Gegenüberstellung ist für die sechs ausgewählten Werktage der Abbildung 5 zu entnehmen.
Beim Vergleich der aktuell gemessenen Kältelastprofile mit dem Referenzprofil aus der ersten Phase HCBC fällt sofort auf, dass keiner der gemessenen Profile dem Referenzfall ähnlichsieht. Diese sind weder im Tagesgang noch in der Grundlast ähnlich. Die starke Unterschätzung der Grundlast könnte durch die unvollständigen Angaben der Nutzer des Gebäudes während den Evaluierungen in der ersten Phase des HCBC-Projekts zustande kommen. Für die Unterschiede im Tagesgang können mehrere Gründe bedacht werden. Einer davon wäre die eingeschränkte Nutzerpräsenz im Gebäude aufgrund der Pandemiemaßnahmen. Durch den Vergleich des Tageskältebedarfs der gemessenen Daten mit dem Referenzfall geht hervor, dass sie im Schnitt ca. 35 % unter dem Referenzbedarf liegen. Anderseits liegt dieser Wert in der Größenordnung der bestimmten Messunsicherheit. Das Ergebnis dieser Messung zeigt eindeutig, dass die weiteren Messungen auf dem Campus zur Verbesserung der Datengrundlage notwendig sind.
[1] Mehr zu dieser Methode kann in der Literatur, wie z.B. „Einführung in die Zeitreihenanalyse“, J.P. Kreis und G. Neuhaus, Springer-Verlag-berlin, 2006, nachgeschaut werden.