Fallstudie: Simulation der Leistungsminderung eines Systems
Ein neues Whitepaper mit dem Titel „Über die broschüre hinaus : die realität unzureichender leistung von kühlprodukten erkennen,” von Eurovent Certification präsentiert aktuelle Forschungsergebnisse, die auf Tests an ausgewählten Wärmeabfuhrgeräten basieren, darunter auch Produkte, die zum Zeitpunkt der Tests nicht nach einem unabhängigen Zertifizierungssystem zertifiziert waren. Die Studie zeigt, dass in bestimmten Klimazonen die von den Herstellern angegebenen Leistungswerte und die im Labor gemessenen Werte erheblich voneinander abweichen können. Tatsächlich ergaben Tests an nicht zertifizierten CO2-Gaskühlern dass die gemessene Wärmeabfuhrleistung in mittel- und nordeuropäischen Regionen bis zu 53 % unter den angegebenen Werten und in warmen Klimazonen bis zu 37 % unter den angegebenen Werten liegen konnte.
Auf der Grundlage der Daten aus der Gaskühler-Studie und der Ergebnisse früherer Untersuchungen zur Leistung von luftgekühlten HFKW-Kondensatoren bewertete Eurovent Certification mithilfe von Simulationssoftware die potenziellen Auswirkungen von leistungsschwachen HFKW- und CO2-Wärmeabfuhrkomponenten auf ein gesamtes Supermarktsystem. Dies sind die Ergebnisse dieser Simulationen.
Ziele der Fallstudie
Das Ziel war:
1) Die potenziellen Auswirkungen einer Leistungsminderung in Bezug auf folgende Aspekte zu ermitteln:
- Zusätzlicher Energieverbrauch
- Zusätzliche Betriebskosten
- Zusätzliche CO2-Emissionen.
2) Eine Leistungsminderung in unterschiedlichem Ausmaß zu simulieren, um die Auswirkungen über einen Zeitraum von 1 Jahr, 10 Jahren und 15 Jahren (gesamter Lebenszyklus) zu bewerten.
Methode
Mithilfe von Simulationssoftware wurden die Auswirkungen von leistungsschwachen Wärmeabfuhrvorrichtungen anhand von zwei typischen technischen Lösungen für eine Supermarktanwendung berechnet:
- System 1: Transkritische CO2-Anlage
- System 2: HFC-Anlage mit mittlerer Temperatur (MT) und niedriger Temperatur (LT).
Beide Systeme wurden einer Reihe von Simulationen unterzogen, um die Auswirkungen der Leistungsminderung auf der Grundlage der folgenden Konfiguration zu berechnen:
Anlagengröße:
-
Mitteltemperatur (MT): Teva = -8 °C; Qeva = 180 kW
- 112 kW aus Kühlregalen – 62 %
- 68 kW aus Kühlräumen – 38 %
- Niedertemperatur (LT): Teva = -30 °C; Qeva = 50 kW
- 23 kW aus Schränken – 46 %
- 27 kW aus Kühlräumen – 54 %
Basis: +2K Temperaturdifferenz am Ansaugpunkt (Kondensator / Gas-Kühlerausgang – Umgebung)
Klimaprofil [1]: München (DE)
Aggregattypologie: CO2-Booster und R448a
Emissionsfaktor [2]: 338 gCO2/kWh – Durchschnitt von 2020–2023
Stromkosten: 0,18 €/kWh
Abbildung 1: Jährliche Höchsttemperatur pro Tag
Fallstudie System 1: Transkritische CO2-Anlage
In diesem System erfolgt die Wärmeabgabe über einen CO2-Gaskühler. Im Rahmen der Whitepaper-Studie wurden CO2-Gaskühler unter fünf Marktbedingungen getestet, wobei die größte Abweichung bei den Bedingungen 3 und 4 auftrat.
Tabelle 1: Abweichungen zwischen der angegebenen und der gemessenen Wärmeabfuhrleistung
| Betriebsbedingungen | Gaskühler 1 | Gaskühler 2 |
|---|---|---|
| Bedingung 1 (Standardbedingung SC20) | 8% | 8% |
| Bedingung 2 | -33% | -37% |
| Bedingung 3 | -39% | -41% |
| Bedingung 4 | -50% | -53% |
| Bedingung 5 (Standardbedingung SC25: Verflüssiger) | -32% | -23% |
Das Zeichen „-“ bedeutet eine Leistungsminderung
Für diese Fallstudie wird die Leistung anhand der in Tabelle 2 aufgeführten verschiedenen Bedingungen bewertet, die auf der durchschnittlichen Leistungsminderung aus der Untersuchung des Whitepapers basieren.
Die Leistungsminderung wird in den Simulationen als erhöhtes Delta T ausgedrückt. Dies übersetzt die verlorene Leistung in eine verringerte Temperaturänderung über den Gaskühler. Dies führt zu einer deutlich höheren Auslasstemperatur, was zu erhöhtem Hochdruck und einem höheren Energieverbrauch des Kompressors führen sowie die Gesamtleistung und den Wirkungsgrad des Systems verringern kann.
Tabelle 2: Leistungsminderung nach jeweiligen Bedingungen basierend auf Testergebnissen
| Betriebsbedingungen | Durchschn. Abweichung | Erhöhtes Delta T |
|---|---|---|
| Bedingung 3 | -40% | + 2 K (CO2-Auslasstemperatur 34 °C statt 32 °C) |
| Bedingung 4 | -51,5% | + 2.6 K (CO2-Auslasstemperatur 34,6 °C statt 32 °C) |
| Bedingung 5: Kondensator (subkritischer CO₂-Betrieb) | -32% | + 3.5 K (CO₂-Kondensationstemperatur 18,5 °C statt 15 °C) |
Der Gaskühler arbeitet als Kondensator bei einer Umgebungstemperatur T ambient ≤18°C und im transkritischen Modus, wenn T ambient >18°C ist.
Ergebnisse
Die Systemleistung wurde sowohl unter Bedingung 3 als auch unter Bedingung 4 simuliert, wobei die im subkritischen Modus (Bedingung 5) auftretende Leistungsminderung berücksichtigt wurde. Die Simulationen bewerteten den zusätzlichen Energieverbrauch, die zusätzlichen Betriebskosten und die zusätzlichen CO2-Emissionen über einen Zeitraum von 1 Jahr, 10 Jahren und 15 Jahren.
Tabelle 3: Leistungsminderung einer CO2-Anlage unter den Bedingungen 3 und 5
| Bedingung 3 & 5 | 1 Jahr | 10 Jahre | 15 Jahre |
|---|---|---|---|
| Prozentuale Abweichung gegenüber dem Referenzwert [%] | + 11,5% | + 11,5% | + 11,5% |
| Zusätzlicher Energieverbrauch [kWh] | 43586 | 435864 | 653795 |
| Zusätzliche Kosten [€] | 7846 | 78455 | 117683 |
| Zusätzliche CO2-Emissionen [Tonnen] | 14,7 | 147,3 | 221 |
Tabelle 4: Leistungsminderung einer CO2-Anlage unter den Bedingungen 4 und 5
| Bedingungen 4 & 5 | 1 Jahr | 10 Jahre | 15 Jahre |
|---|---|---|---|
| Prozentuale Abweichung gegenüber dem Referenzwert [%] | + 11,6% | + 11,6% | + 11,6% |
| Zusätzlicher Energieverbrauch [kWh] | 43935 | 439354 | 659031 |
| Zusätzliche Kosten [€] | 7908 | 79084 | 118625 |
| Zusätzliche CO2-Emissionen [Tonnen] | 14,9 | 148,5 | 222,8 |
Fallstudie System 2: HFC-Anlage
In dieser Fallstudie erfolgt die Wärmeabfuhr durch einen HFC-Kondensator mit dem Kältemittel R448a bei einer Leistungsminderung von 32 %. Die 32 %ige Leistungsminderung basiert auf einer früheren Studie zu HFC-Kondensatoren. Dies führt unter der für diese Simulation verwendeten Annahme zu einer Erhöhung der Kondensatoraustrittstemperatur um +3,5K über das gesamte Jahr.
Ergebnisse
Die Simulation ergab den folgenden zusätzlichen Energieverbrauch, die Betriebskosten und die CO2-Emissionen über einen Zeitraum von 1 Jahr, 10 Jahren und 15 Jahren.
Tabelle 5: Leistungsminderung einer HFC-Anlage
| 1 Jahr | 10 Jahre | 15 Jahre | |
|---|---|---|---|
| Prozentuale Abweichung gegenüber dem Referenzwert [%] | + 11,7% | + 11,7% | + 11,7% |
| Zusätzlicher Energieverbrauch [kWh] | 43360 | 433603 | 650404 |
| Zusätzliche Kosten [€] | 7805 | 78048 | 117073 |
| Zusätzliche CO₂-Emission [Tonnen] | 14,7 | 146,6 | 219,8 |
Sowohl bei HFC- als auch bei CO2-Systemen führen ineffiziente Wärmeabfuhrkomponenten zu einem zusätzlichen Energieverbrauch von über 43.000 kWh pro Jahr, was unter den in den Fallstudien zugrunde gelegten Annahmen Kosten von mehr als 7.800 € pro Jahr verursacht und mindestens 14,7 Tonnen CO2-Emissionen verursacht.
Abbildung 2: Vergleich der zusätzlichen CO2-Emissionen zwischen leistungsschwachen HFC- und CO2-Anlagen
Messung unterschiedlicher Leistungsabweichungsraten
Die oben genannten Fallstudien veranschaulichen die Leistungsabweichungen von Verflüssigern und Gaskühlern anhand einer Auswahl von Systemen, die die größten Leistungsabweichungen aufweisen, die in den von Eurovent Certification analysierten Studien beobachtet wurden. Um einen umfassenderen Überblick über die Auswirkungen auf Kälteanlagen bei unterschiedlichen Leistungsabweichungsraten zu geben, wurden die folgenden Szenarien zu Vergleichs- und Veranschaulichungszwecken simuliert:
S1-Fall: CO2-Kältemittel, -10 % Abzug = +0,5 K Kondensatoraustrittstemperatur in der transkritischen Phase und +2,5 K in der subkritischen Phase
S2-Fall: CO2-Kältemittel, -20 % Abzug = +1 K Kondensatoraustrittstemperatur in der transkritischen Phase und +3 K in der subkritischen Phase
S3-Fall: CO2-Kältemittel, -30 % Malus = +1,5 K Kondensatoraustrittstemperatur in der transkritischen Phase und +3,5 K in der subkritischen Phase
S4-Fall: Kältemittel R448a, -10 % Malus = +2,5 K Kondensatoraustrittstemperatur das ganze Jahr über
S5-Fall: Kältemittel R448a, -20 % Malus = +3 K Kondensatoraustrittstemperatur das ganze Jahr über
S6-Fall: Kältemittel R448a, -30 % Malus = +3,5 K Kondensatoraustrittstemperatur das ganze Jahr über
Die Ergebnisse wurden über einen Zeitraum von 1 Jahr, 10 Jahren und 15 Jahren simuliert, um den Lebenszyklus von HFKW-Kondensatoren und CO2-Gaskühlern nachzubilden.
Abbildung 3: Prozentuale Abweichung gegenüber dem Referenzwert
Tabelle 6: Leistungsabfall unter verschiedenen Bedingungen über einen Zeitraum von 1 Jahr.
| 1 Jahr | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | S6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Prozentuale Abweichung gegenüber dem Referenzwert [%] | + 8,1% | + 9,8% | + 11,4% | + 8,5% | + 10,1% | + 11,7% |
| Zusätzlicher Energieverbrauch [kWh] | 29776 | 36448 | 43301 | 30214 | 36707 | 43360 |
| Zusätzliche Kosten [€] | 5360 | 6561 | 7794 | 5438 | 6607 | 7805 |
| Zusätzliche CO₂-Emissionen [Tonnen] | 10,1 | 12,3 | 14,6 | 10,2 | 12,4 | 14,7 |
Tabelle 7: Leistungsabfall unter verschiedenen Bedingungen über einen Zeitraum von 10 Jahren.
| 10 Jahre | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | S6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Prozentuale Abweichung gegenüber dem Referenzwert [%] | + 8,1% | + 9,8% | + 11,4% | + 8,5% | + 10,1% | + 11,7% |
| Zusätzlicher Energieverbrauch [kWh] | 297760 | 364479 | 433009 | 302138 | 367071 | 433603 |
| Zusätzliche Kosten [€] | 53597 | 65606 | 77942 | 54385 | 66073 | 78048 |
| Zusätzliche CO₂-Emissionen [Tonnen] | 100,6 | 123,2 | 146,4 | 102,1 | 124,1 | 146,6 |
Tabelle 8: Leistungsrückgang unter verschiedenen Bedingungen über einen Zeitraum von 15 Jahren.
| 15 Jahre | S1 | S2 | S3 | S4 | S5 | S6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Prozentuale Abweichung gegenüber dem Referenzwert [%] | + 8,1% | + 9,8% | + 11,4% | + 8,5% | + 10,1% | + 11,7% |
| Zusätzlicher Energieverbrauch [kWh] | 446640 | 546719 | 649514 | 453207 | 550607 | 650404 |
| Zusätzliche Kosten [€] | 80395 | 98409 | 116912 | 81577 | 99109 | 117073 |
| Zusätzliche CO₂-Emissionen [Tonnen] | 151 | 184,8 | 219,5 | 153,2 | 186,1 | 219,8 |
Abbildung 4: Zusätzliche CO2-Emissionen
Die Ergebnisse zeigen, dass selbst eine geringe Leistungsminderung große Auswirkungen über den gesamten Lebenszyklus eines Produkts haben kann.
Fazit
Eurovent Certification konnte die potenziellen Folgen einer Leistungsminderung von Wärmeabfuhrgeräten für eine CO2- und eine HFKW-Supermarktanwendung berechnen. Über einen Lebenszyklus von 15 Jahren können beide Arten von leistungsmindernden Wärmeabfuhrgeräten:
- mindestens 650000 kWh an zusätzlicher Energie verbrauchen
- Betriebskosten von über 117.000 € verursachen
- über 219 Tonnen vermeidbare CO₂-Emissionen verursachen.
Dabei sind die zusätzlichen potenziellen Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit des Systems noch nicht berücksichtigt, da die Komponenten unter diesen simulierten Bedingungen stärker beansprucht werden, um die erforderliche Wärmeabgabe zu gewährleisten. Kurz gesagt: Die Analyse ergab, dass die Leistungsminderung über das einzelne Gerät hinausging und potenziell den Betrieb des gesamten Kühlsystems beeinträchtigte.
Erfahren Sie mehr über die Forschungsergebnisse und die Auswirkungen von Systemleistungsdefiziten, indem Sie das Whitepaper herunterladen: „Beyond the brochure: Exposing the reality of refrigeration product underperformance.”
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