Kältetechnik

Einführung #

Im folgenden Kapitel werden die Grundlagen, Funktionsweisen, Einsatzbereiche in Handwerksbetrieben und Effizienzpotenziale von Kälteanlagen beschrieben. Ferner wird nur das Thema Prozesskälte betrachtet, die Gebäudekühlung/ Klimatisierung wird hier nicht betrachtet. In Deutschland werden 14% des Stromverbrauches und 6% des Primärenergieverbrauches für die Kälteerzeugung benötigt. 67% davon entfallen auf die Nahrungsmittelindustrie.

Tangierende Querschnittstechnologien #

Heizung / Klima / Lüftung

Kräft-Wärme-Kopplung

Abwärme

Einsatzbereiche von Prozesskälte

Fleischereien, Bäckereien, Konditoreien sowie Hersteller von Speiseeis benötigen Prozesskälte. Ebenso wird in der Gastronomie, im Einzel- und Großhandel für das Kühlen von Waren in Lagerhäusern sowie zur Lagerung von Halb-und Fertigprodukten in Kühlräumen oder Gefrierräumen/Truhen, Kälte eingesetzt.
Innerhalb von Produktionsprozessen spielt Kältetechnik ebenfalls eine wichtige Rolle (z.B. bei der Wurstherstellung in Fleischereien wird dem Kutter zum Abkühlen des Wurstbräts Eis oder Eiswasser in die Masse zugegeben.

Physikalische / chemische Grundlagen

Physikalisch betrachtet, ist Kälte zunächst ein Temperaturunterschied. Sie ist ein Energieniveau, das unter dem seiner Umgebung liegt. Um zu kühlen, muss Wärme entzogen werden, die an anderer Stelle wieder abgegeben wird. Dieser thermodynamische Kreisprozess findet in der Kältemaschine statt. Für diesen Prozess wird elektrische oder thermische Energie aufgewendet. Die beiden Hauptverfahren der Kältetechnik sind der Kompressionskälteprozess und der Absorptionskälteprozess.Überwiegend werden Kompressionskälteanlagen (mechanische) eingesetzt, deren Verdichter (Kompressor) meist mit Strom angetrieben wird. Absorptionskälteanlagen dagegen erzeugen mittels thermischer Energie Kälte.

Kompressionskälteanlagen (marktbeherrschend und vielfältig)

In handelsüblichen Kompressionskältemaschinen (KKM) wird durch den Einsatz von elektrischem Strom ein flüssiges Kühlmittel, das sich in einem Kreisprozess befindet, erst verdampft, anschließend verdichtet, dann verflüssigt und am Ende wieder entspannt. Hierbei wird vom Kühlmittel die unerwünschte Wärme auf der einen Seite aufgenommen (Kühlzelle), um sie auf der anderen Seite wieder abzugeben – der Entzug von Wärme wird somit durch Verdampfen einer Flüssigkeit (Kältemittel) erreicht. Dazu werden spezielle Kältemittel eingesetzt, die schon bei tiefer Temperatur und niedrigem Druckniveau verdampfen. Nach der Verdampfung wird das Kältemittel durch einen Kompressor verdichtet und bei höherem Druck und höherer Temperatur kondensiert (verflüssigt). Bei der Verflüssigung wird die Verdampfungswärme wieder freigesetzt und muss über den Kondensator an die Umgebung abgegeben werden. Je geringer die Temperaturdifferenz (ΔT) zwischen der kalten Seite (Verdampfer) und der warmen Seite (Verflüssiger) ist, umso besser die Leistungszahl der Anlage und damit deren Energieeffizienz.

Technologie der Kompressionskälte:

• Verdrägungsprinzip: Hubkolben oder Drehkolben (Drehspirale oder Schraubenmotor)
• Strömungsprinzip: Turbolaufrad – radial oder axial
• breiter Leistungsbereich
• von Wärmepumpe bis Tieftemeraturkälte

Absorptionskältemaschinen

In der Regel kommen in Handwerksbetrieben zur Kälteerzeugung Kompressionskälteanlagen zum Einsatz. Alternativ kann die Nutzung von Absorptionskältetechnik energetisch sinnvoll und wirtschaftlich sein, wenn ausreichend thermische Energie aus Abwärme/Produktionsprozessen, Solarkollektoren oder einem BHKW zur Verfügung steht und der benötigte Kältebedarf nicht zu tief ist. Hierbei muss man zwischen zwei Kältemitteln / Arbeitsstoffen unterscheiden. Da wäre zum einen Ammoniak (Kältemittel) – Wasser (Lösungsmittel) zu nennen, bei denen Kühltemperaturen von bis zu minus 60°C möglich sind. Zum zweiten gibt es Wasser (Kältemittel) und Lithiumbromid (Lösungsmittel) bei dem Kühltemperaturen nur bis zu plus 4,5°C möglich sind.

Vorteile der Nutzung von Absorptionskälte:

• Einsatz umweltfreundlicher Kältemittel wie Wasser möglich
• längere Lebensdauer – wenig bewegliche Teile, niedrigere Betriebskosten (Einsparung
  elektrischer Energie), dafür aber höhere Investitionskosten
• relativ geringes Temperaturniveau (ca. 85°C bis 160°C) nötig, hierfür kann z.B. die Abwärme
  eines BHKW genutzt werden, des Weiteren wird dadurch die Laufzeit des BHKW verlängert
  (Stichwort: Kräft-Wärme-Kälte-Kopplung)

Mehr zur Absorptionskälteerzeugung am Beispiel der Nutzung von Solarthermie
finden Sie im Kapitel Solartechnik

Copyright: Handwerkskammer für Ostthüringen

Verfahren zur Kälteerzeugung #

Kompressionskältemaschine

• verbreiteteste Technologie
• elektrischer Antrieb
• Kältemittel: FCKW, Wasser, CO₂, NH₃

Thermische Kältemaschine

• Abwärmenutzung / Wärme aus Sonne,
  Kraft-Wärme-Kopplung
• umweltfreundliche Kältemittel (z.B. Wasser)
• lange Lebensdauer (keine beweglichen Teile)
• niedrige Betriebs-, aber höhere Investitionskosten

Kältemittel #

Welches Kältemittel im Prozess verwendet wird, hängt von der gewünschten Kühltemperatur und den unterschiedlichen Einsatzerfordernissen ab.
Weitere Kriterien sollten das Ozonabbaupotenzial, der Grad der Treibhausschädigung sowie der Energieverbrauch sein. Der Austausch des Kältemittels ist jedoch meist eine komplexe Aufgabe und sollte daher immer einem Fachmann überlassen werden.

Natürliche Kältemittel:

• Ammoniak (NH₃)
• Lithiumbromid (LiBR)
• Wasser
• Kohlendioxid (CO₂)
• Kohlenwasserstoffe (z.B. Propan, Butan)

Synthetische Kältemittel:

• Halogenierte Kohlenwasserstoffe wie FKW, HFCKW und FCKW

Anforderungen an Verhalten und Eigenschaften von Kältemitteln:

thermisches und thermodynamisches Verhalten

• die kritische Temperatur und der kritische Druck des Kältemittels sollten immer über dem „kritischen Zustand“ der Kältemaschine liegen
• der „kritische Zustand“ ist der Punkt, ab dem keine Phasentrennung des Kältemittels zwischen flüssig und gasförmig stattfindet (Verdampfung und Kondensation sind nicht mehr gegeben)

chemisches Verhalten bzgl. Mischungsfähigkeit, Fließfähigkeit, Schmierfähigkeit, aber auch Sicherheitsaspekte

(Druckbelastung / Brennbarkeit)
physiologische Eigenschaften (Gesundheitsgefahren z.B. bei Neubefüllungen, Wartung und Recycling oder bei Leckagen)
ökologische Anforderungen (Treibhauseffekt, Ozonabbaupotenzial)

Gruppierung von Kältemitteln

Kältemittel werden entsprechend ihrer Brennbarkeit und Giftigkeit eingeordnet und in verschiedene Sicherheitsgruppen nach A1, A2, A3, B1, B2, B3 (EN 378-1 Anh. E) eingeteilt.

Überblick zu den wichtigsten Rechtsnormen

• seit dem 11.03.2024 gilt die neue F-Gas-Verordnung (EU) Nr. 2024/573, die die Verordnung (EU) Nr. 517/2014 ablöst
• neue Verordnung führt zu einem vollständigen Ausstieg (Phase-out) aus F-Gasen bis 2050 und verschärft die Verbote für Kältemittel mit hohem GWP-Wert (Global Warming Potential)
• für die Berechnung der Klimaschädlichkeit einer Anlage ist nicht mehr allein die Füllmenge in Kilogramm entscheidend, sondern das Tonnen CO₂-Äquivalent (Füllmenge multipliziert mit dem Global Warming Potential – GWP)
• das „GWP“ (global warming potential) oder auch „Treibhauspotential“, bezeichnet das relative Klimaerwärmungspotential eines Kältemittels im Vergleich zu Kohlendioxid (CO₂), dessen
  GWP-Wert standardmäßig 1 beträgt
  • zum Beispiel
    • 1 kg R134a hat ein CO₂-Äquivalent von 1.430 kg
    • 1 kg R404a hat ein CO₂-Äquivalent von 3.922 kg
• Verordnung der EG Nr. 1005/2009 (zum Kältemittel R22)
  • seit dem 01.01.2015 dürfen Kälteanlagen mit R22 Kältemittel nicht mehr nachgefüllt werden (auch nicht aufbereitete Recyclingware) – Verbot des Nachfüllens und Inverkehrbringen
  • der Betrieb bestehender R22-Anlagen ist weiterhin erlaubt, bei Leckagen muss die Anlage stillgelegt oder auf ein zugelassenes Ersatzkältemittel umgerüstet werden
• Verschärfte Verbote für Kältemittel mit hohem GWP – ab dem 1. Januar 2025 ist das Inverkehrbringen (Verkauf) vieler neuer stationärer Kälteanlagen mit fluorierten Treibhausgasen (F-Gasen) mit einem GWP-Wert (Global Warming Potential)
  von ≥ 150 weitgehend verboten (mit wenigen Ausnahmen für spezielle Anwendungen)
• Verschärfte Service- und Wartungsverbote für R404A/R507: Die Verwendung von F-Gaskältemitteln mit einem GWP
• Verschärfte Service- und Wartungsverbote für R404A/R507: Die Verwendung von Kältemitteln mit einem GWP ≥ 2500 – wozu R404A und R507 gehören – ist für Service und Wartung bestehender Kälteanlagen ab dem 1. Januar 2025 generell untersagt. Eine Übergangsfrist erlaubt bis 2030 ausschließlich die Nutzung von recyceltem oder aufbereitetem Kältemittel für diese Anlagen
• ergänzend und konkretisierend dazu die nationale Chemikalien-Klimaschutzverordnung (ChemKlimaschutzV)
  • der Betreiber der Kälteanlage trägt die Verantwortung dafür, dass nicht nur das beauftragte Unternehmen, sondern auch das ausführende Personal (ggf. auch Nachunternehmer) zertifiziert und sachkundig ist (gemäß Artikel 10 F-Gas-Verordnung, Sachkundebescheinigung). Die persönlichen Anforderungen sind in der ChemKlimaschutzV näher spezifiziert
  • ab 2025: Die Sachkundepflicht wird auf das Personal ausgeweitet, das an Anlagen mit natürlichen Kältemitteln (wie Propan, CO₂ oder Ammoniak) arbeitet
• die Intervalle der obligatorischen Dichtheitsprüfungen richten sich nach dem CO₂-Äquivalent der Anlage
  (Artikel 4 F-Gas-Verordnung)

CO2-Äquivalent pro Kältekreislauf	Ohne Leckage- Erkennungssystem	Mit Leckage- Erkennungssystem
von 5 bis 50 Tonnen	Alle 12 Monate	Alle 24 Monate
von 50 bis 500 Tonnen	Alle 6 Monate	Alle 12 Monate
über 500 Tonnen	Alle 3 Monate	Alle 6 Monate

• Weitere Links zur F-Gase-Verordnung
  • Umweltbundesamt
  • Deutsche Thermo
  • Zentralverband des Deutschen Handwerks
  • Bundesfachschule Kälte-Klima-Technik (Fragen aus der Praxis)

Kühllager #

Typische energetische Schwachstellen im Kühllager

• Überhöhte Einlagerungstemperaturen (unterbrochene Kühlkette)
• zu tiefe Temperaturen im Kühllager (4% Energieeinsparung pro °C)
• Tor- und Türöffnungsintervalle zu lang und zu häufig:
  Kalte Luft entweicht, feuchte und warme Luft strömt ein ⇒ Verdampfer vereist schneller ⇒ Kälteübertragung wird erheblich verschlechtert ⇒ häufigeres Abtauen des Verdampfer ⇒ erhöhter Energieverbrauch
• zu lange Beleuchtungsdauern (keine Präsenzmelder) / zu hohe Lichtleistung:
  Wärmeeintrag durch Lampen ⇒ höhere Kühlleistung erforderlich ⇒ mehr Stromverbrauch
• durchgehender Ventilatorbetrieb (evtl. Anlagensteuerung prüfen)
• unzureichend gedämmte Türen und Tore, sowie der Umschließungsflächen
• undichte Tür- und Tordichtungen
• regelmäßige Abtauungen, z.B. mittels Zeitschaltuhr des Verdampfer, meist wird elektronisch abgetaut ⇒ diese eingebrachte Wärme, muss vom Kältesystem wieder runtergekühlt werden

Maßnahmen zur Energieeinsparung

• Abtauung des Verdampfers nur nach Bedarf und Einstellung mit modernem Regler
• Umstellung von elektronischer Abtauung auf Kaltgas- oder Heißgasabtauung prüfen
• Zeitbedarfe für Abtauungen anpassen
• Anpassung der  Kälteregulierung durch Fachbetrieb
• Anpassung  der Ventilatorsteuerung durch Fachbetrieb
• Einstellung des Expansionsventils (elektronisches) durch Fachbetrieb
• Betriebssicherheit gewährleisten (regelmäßige Wartungen, Kontrolle von Anlagenkomponenten)
• Bei Teilbelegung von Kühlräumen: Verringerung des zu kühlenden Luftvolumens durch Einbringung von Styroporkartons
• regelmäßige Schulung der Mitarbeitenden, sowie Hinweisschilder und Betriebsanweisungen
• Einbau eines elektronischen Türkontakts, der bei Überschreiten der Öffnungszeit der Tür einen Alarm (Ton oder Blinklicht) ausgibt

Dichtungen an Türen und Schlössern

• Poröse oder beschädigte Dichtungen haben die gleichen Auswirkungen wie offene Kühlraumtüren und führen zu Wärmeverlust und erhöhtem Energiebedarf
• Defekte Schlösser verhindern korrektes Schließen der Türen

Maßnahmen zur Energieeinsparung

• Regelmäßige Wartung und Austausch der Dichtungen
• Überprüfung der Schlösser auf ordnungsgemäßen Verschluss

Kälteschutzvorhänge

Vorhänge verhindern das Eindringen warmer Luft und reduzieren den Kälteverlust beim Öffnen der Türen.
Arten:

• Streifenvorhänge: geeignet für kleinere Kühlräume
• Luftschleieranlagen: für größere Anlagen

Bei der Installation von Kälteschutzvorhängen oder Luftschleieranlagen müssen stets die geltenden Hygienevorschriften beachtet werden.

Wärmedämmung

Die Wärmedämmung eines Kühlraums hat einen direkten Einfluss auf den Energieverbrauch. Eine gut isolierte Außenhülle verhindert, dass Wärme von außen in den Raum gelangt und Kälte entweicht. Dies führt zu einer signifikanten Reduzierung des Energiebedarfs zur Kühlung.

Richtwerte für Dämmstärken:

Dämmstärke	Temperaturbereich
80 mm	0 – 8°C
110 mm	0 bis -15°C
150 mm	unter -15°C

Empfohlener Dämmstoff: PU (Polyurethan bzw. Polyurethan-Hartschaum) für hohe Dämmwirkung.

Zugang zum Tiefkühlraum

Optimierung des Zugangswegs
Bei der Neubau- oder Umplanung eines Kühlraums sollte darauf geachtet werden, dass der Zugang zum Tiefkühlraum möglichst über den Kühlraum selbst erfolgt. Diese Anordnung hat mehrere Vorteile:

• Vermeidung von Eisbildung im Tiefkühlraum: Wird die Kälte des Tiefkühlraums zunächst in den Kühlraum abgegeben, bevor sie nach außen entweicht, bleibt die Temperatur im Tiefkühlraum stabiler. Der Eintrag feucht-warmer Luft in den Tiefkühlraum wird vermieden, was die Eisbildung reduziert.
• Bessere Nutzung der Kälte: Die Kälte des Tiefkühlraums wird besser ausgenutzt, da sie bei Öffnung nicht unnötig nach außen verloren geht. Dies kann zu einer weiteren Reduktion des Energieverbrauchs führen.

Kühlmöbel #

Aufstellort

Wie beim Kondensator eines Kühlsystems hängt der Energieverbrauch auch bei Kühlmöbeln (wie Kühl- und Gefrierschränken, Truhen oder Getränkekühlschränken) von der Umgebungstemperatur ab. Je kühler die Umgebung ist, desto geringer wird der Energiebedarf. Beim Kondensator führt bereits eine um ein Grad niedrigere Außentemperatur zu einer Reduzierung des Energieverbrauchs um etwa 4%.

Folgende Aufstellorte sollte gemieden werden:

• Orte direkter Sonneneinstrahlung
• neben Heizkörpern
• neben Herden
• an Warmluftauslässen

Auslastung und Bestückung

Regelmäßige Bestandskontrollen sind wichtig, um sicherzustellen, dass Kühlmöbel effizient genutzt werden. Bei nur teilweise bestückten Geräten sollte geprüft werden, ob die Waren in einem einzigen Kühlmöbel zusammengefasst werden können, um unnötige Geräte abzuschalten. Zu beachten ist, die Kühlmöbel nicht zu überladen, um den Kühlluftschleier nicht zu stören und die Luftzirkulation nicht zu blockieren. Eine gleichmäßige Bestückung trägt zur effizienten Kühlung bei, da Produkte in den richtigen Temperaturzonen platziert werden und der Energieverbrauch minimiert wird. In größeren Kühlmöbeln kann der Einsatz von Trennwänden oder Kühlregalen sinnvoll sein, um die Kühlung noch gezielt zu steuern. Zudem sollten Türöffnungszeiten möglichst kurz gehalten werden, gegebenenfalls können automatische Türschließer installiert werden, um unnötige Wärmeaufnahme und den Verlust kalter Luft zu vermeiden. Außerdem sollten tiefgefrorene Lebensmittel, wenn möglich, im Kühlmöbel aufgetaut werden, da das Gefriergut als natürliche Kühlquelle wirkt und so den Energieverbrauch des Kühlmöbels verringert.

Beleuchtung

Beleuchtung erzeugt Wärme, die von den Kühlaggregaten abgeführt werden muss. Deshalb sollten Lampen mit geringer Wärmeentwicklung, wie LED-Leuchten, eingesetzt und ihre Anzahl auf das notwendige Maß reduziert werden, soweit es die Arbeitsstättenrichtlinie „Beleuchtung“ und Sicherheitsvorschriften zulassen. Beim Austausch von Lampen oder bei Neuinstallationen sollte vor allem auf Qualitätsmerkmale wie Farbwiedergabeindex, Dimmfunktionalität und Lebensdauer des Leuchtmittels, sowie die Schutzklasse geachtet werden, um Energieeffizienz und Sicherheit zu gewährleisten.

Abdeckung von Kühlmöbeln

Offene Kühlmöbel laufen in Filialen oft rund um die Uhr, was zu hohem Energieverbrauch und Verschleiß führt – auch wenn nachts nur noch verpackte Ware im Tresen liegt. Moderne Kühlmöbel sind oft bereits mit integrierten Abdeckungen ausgestattet, doch auch bei älteren Geräten lässt sich nachträglich eine Abdeckung installieren. Rollos oder Folien können in vielen Fällen mit einfachen Mitteln selbst nachgerüstet werden, wodurch keine großen Investitionen nötig sind. Eine gut platzierte Abdeckung reduziert den Energieverbrauch und erhöht die Lebensdauer des Kühlmöbels.

Kühlanlage / Kühlaggregat #

Typische energetische Schwachstellen der Kühlanlage / Kühlaggregat

• zu hohe Temperaturdifferenz zwischen Verdampfer und Verflüssiger ⇒ dadurch ist auch die Druckdifferenz größer, welche vom Verflüssiger überwunden werden muss
• mangelnde Dämmung der Kälteleitungen
• Standort des Verflüssigers
• keine Abwärmenutzung (Wärmerückgewinnung)
• kein Flüssigkeits- oder Ölabscheider an Kompressor bzw. Verdichter

Maßnahmen zur Energieeinsparung

• Optimierung des Standortes des Verflüssigers
  • im Außenbereich, schattig und mit großzügiger Dimensionierung
  • Bei mehreren Verflüssigern darauf achten, dass die Abwärme eines Aggregats nicht von einem benachbarten angesaugt wird (Vermeidung von „Warmluftkurzschluss“)
  • Bei Aggregaten, die sich in einem Raum befinden, sollten leistungsgeregelte Abluftanlagen installiert werden
• bei zu hoher Temperaturdifferenz
  • Anhebung der Temperatur am Verdampfer durch größere Tauscherflächen
  • Kältebedarf überprüfen, eventuell Anhebung der Temperatur
• Leitung dämmen
• Abwärme zur „Vorheizung“ von Prozesswasser oder zur Heizungsunterstützung nutzen
• Einsatz von elektronischen Expansionsventilen durch Fachbetrieb prüfen
• mögliche Zylinderabschaltung (ab 4-Zylindern) durch Fachbetrieb prüfen
• Effiziente EC-Motoren z.B. bei den Ventilatoren umrüsten