Untersuchung zweistufiger Flüssigkeitskühler mit dem Kältemittel CO2

In der vorliegenden Arbeit wird der mögliche Einsatz des natürlichen Kältemittels CO2 in Flüssigkeitskühlern zur Gebäudeklimatisierung in tropischen Gebieten untersucht. Zur Zeit werden hierfür standardmäßig einstufige Kompressions-Kälteanlagen mit synthetischen Kältemittel wie R134a oder R407C eingesetzt. Bei sehr hohen Umgebungstemperaturen stellen einstufige CO2-Kältekreisläufe aus der Sicht des Energieverbrauchs keine geeignete Alternative dar. Kern dieser Arbeit ist die Entwicklung und Bewertung konkurrenzfähiger zweistufiger Schaltungsvarianten mit dem Kältemittel CO2.

Als Grundlage für die Untersuchungen dient das Anwendungsszenario eines in den Tropen gelegenen Hotels in Recife, Brasilien. Auf der Basis einer vor Ort durchgeführten Datenerhebung wird ein geeignetes Referenzhotel definiert. Das betrachtete Hotel hat etwa 300 Appartements und eine im Mittel benötigte Kälteleistung von rund 1 MW. Zusätzlich besteht ein Bedarf von durchschnittlich 25 000 Litern Warmwasser pro Tag, der aus der Abwärme des untersuchten Flüssigkeitskühlers gedeckt werden soll. Die erforderliche Heizleistung beträgt damit nur rund fünf Prozent der Kälteleistung. Ein einstufiger und vier zweistufige Kältekreisläufe mit dem Kältemittel CO2 werden hinsichtlich der energetischen Effizienz beim Einsatz in Flüssigkeitskühlern zur Klimatisierung des Referenzhotels miteinander verglichen. Drei der zweistufigen Schaltungsvarianten sind von anderen Autoren bereits für den Einsatz in der gewerblichen Kälteerzeugung untersucht worden. Im Rahmen dieser Arbeit wird als neue Variante ein gekoppelter zweistufiger Kreislauf mit parallel arbeitenden Verdichtern entwickelt.

Dieser verbindet einen äußeren einstufigen Kreislauf über eine Mitteldruckflasche mit einem inneren Teilkreislauf ohne Verdampfer zu einem zweistufigen Gesamtkreislauf. Verschiedene Möglichkeiten, einen internen Wärmeübertrager in den neu entwickelten Kreislauf zu integrieren, werden untersucht. Die neue Kreislaufvariante liefert von den fünf betrachteten Kältekreisläufen in allen relevanten Betriebspunkten die höchsten Leistungsziffern.

Für die Erwärmung des Brauchwassers stellt sich als günstigste Alternative die Nutzung eines angepassten einstufigen CO2-Kreislaufs kleiner Leistung heraus.

Die praktische Machbarkeit des neu entwickelten zweistufigen CO2-Flüssigkeitskühlers kann an einer herunterskalierten Versuchsanlage mit bis zu 30 kW Kälteleistung bei 35_C Umgebungstemperatur unter Beweis gestellt werden. Die Messergebnisse dienen im Folgenden der Kalibrierung der stationären und transienten Simulation.

Die stationäre Simulation beruht auf der Simulationsplattform von Tegethoff [Tegethoff 1999]. Zur Abbildung des zweistufigen Kreislaufs wird ein Fluid-Informationsfluss- Diagramm neu entwickelt und in der Simulationsplattform abgebildet. Die Ergebnisse der stationären Simulation stimmen gut mit den Messergebnissen der Versuchsanlage überein.