Die Klimatisierung von Gebäuden und die Kühlung von Lebensmitteln oder Prozessen bilden heute einen der grössten Anteile des Energieverbrauchs in der Schweiz. Oft werden zu diesen Zwecken Kältemaschinen und Wärmepumpen eingesetzt. Bei diesen Prozessen wird ein Kältemittel in einem abgeschlossenen Kreislauf anhand eines Kompressors bewegt. Über Wärmetauscher kann man so Wärme für Heizzwecke abgeben oder zu Kühlzwecken Wärme aufnehmen. Als Kältemittel können synthetische Stoffe wie R134a oder natürliche Stoffe wie CO2, Propan oder Ammoniak verwendet werden. Die Grösse einer Anlage wird dabei oft spezifisch geplant und realisiert. Die Leistungsbereiche reichen von einigen Kilowatt für Gebäudeklima bis hin zum Megawattbereich für Eisfelder. Für einen Bauherren, Anlagenbauer oder Planer ist es oft wichtig, dass die Performance der Maschine nach abgeschlossenen Bauarbeiten überprüft wird. So werden die zuvor abgemachten Leistungsangaben überprüft und ausgewiesen. Im Verlauf der Zeit können sich die Bedingungen jedoch verändern. Grund dafür können ausbaubedingte Änderungen von Last und Temperaturniveaus sein, wodurch sich die Effizienz der Maschine verändert. Darum ist es für die Betreiber solcher Kältemaschinen von Bedeutung, dass die Performance vor Ort überprüft werden kann.

Messungen vor Ort für Optimierungen

Doch solche Performancemessungen gestalten sich schwierig. Da die Kältemaschinen häufig erst vor Ort fertig montiert und installiert werden, können die Maschinen nicht demontiert und in Laboren oder Prüfständen für Messungen wiederaufgebaut werden. Um genau dieses Problem zu lösen, haben Angehörige des ZHAW-Instituts für Energiesysteme und Fluid-Engineering (IEFE) unter der Leitung von Martin König ein mobiles Messgerät für die Performancemessungen von Kältemaschinen weiterentwickelt. Mit dieser mobilen Messapparatur ist es möglich, solche fest installierten und unbeweglichen Maschinen vor Ort auf ihre Performance zu testen. Anwendung findet die Apparatur bei Leistungsnachweisen für den Betreiber und der Bewertung von Energiesparmassnahmen. So können Massnahmen zur Optimierung erkannt und eingeleitet werden.

Nicht-invasiv und profitabel

Volumenströme des Kältemittels und des Kälteträgers können in den Wärmetauschern gemessen werden. Zusätzliche Temperatur- und Drucksensoren ermöglichen es, die Leistungen der Maschine zu berechnen. Anhand induktiver Spulen wird ausserdem die Aufnahme der elektrischen Leistung bestimmt, wodurch weitere Aussagen über Effizienz gemacht werden können. Durch die Messung vor Ort kann die Performance der Maschine unter realen Bedingungen beurteilt werden. Die Aufzeichnung von Messdaten kann sich auch über einen längeren Zeitraum erstrecken – Dies wirkt sich jedoch nicht auf den Betrieb aus: Ein Unterbruch des Betriebs ist durch die nicht-invasive Messung an der Maschine nicht nötig. Dies ist ein grosser Pluspunkt, da auch profitabel für die jeweiligen Betreiber. Durch solche Langzeitmessungen können Daten genauestens aufgezeichnet werden und durch eine Auswertung analysiert werden.

Vor allem im Hinblick darauf, dass Maschinen immer energieeffizienter werden sollen, hilft diese Messapparatur, die Umweltverträglichkeit von Kältemaschinen voranzutreiben. Das IEFE befürwortet Anlagen, welche mit natürlichen Kältemitteln betrieben werden. Das IEFE verfügt bereits über Erfahrungen beim Messen von Anlagen mit den natürlichen Kältemitteln CO2 (R744), Ammoniak (R717) und Propan (R290), sowie auch von Anlagen mit diversen synthetischen Kältemitteln.

Dieser Beitrag ist ebenfalls im neuen Jahresheft der «Alumni Engineering & Architecture» nachzulesen.