Ausgangssitutation:
Während der letzten Hitzewelle mit Außentemperaturen von über 40 °C hatten viele Betreiber von Kühl- und Tiefkühlanlagen mit steigenden Temperaturen, längeren Laufzeiten oder sogar Hochdruckstörungen zu kämpfen. Oft wird angenommen, dass die Außentemperatur allein für diese Probleme verantwortlich ist. Tatsächlich wirken jedoch mehrere thermodynamische Effekte gleichzeitig – und genau ihre Kombination bringt viele Kälteanlagen an ihre Leistungsgrenze.
Wärme verschwindet nicht – sie muss transportiert werden
Die Aufgabe einer Kälteanlage besteht nicht darin, Kälte zu erzeugen. Sie transportiert Wärme von einem niedrigen Temperaturniveau auf ein höheres.
Der Verdampfer entzieht dem Kühlraum Wärme. Der Verdichter erhöht anschließend Druck und Temperatur des Kältemittels, damit diese Wärme im Verflüssiger an die Umgebung abgegeben werden kann.
Je mehr Wärme in den Kühlraum gelangt, desto mehr Energie muss die Kälteanlage transportieren.
Die Luft ist dabei gar nicht das eigentliche Problem
Viele vermuten, dass hauptsächlich die warme Luft gekühlt werden muss. Tatsächlich besitzt Luft jedoch eine vergleichsweise geringe Wärmekapazität und Masse.
Die eigentlichen Wärmespeicher sind:
- Wände und Decken
- Betonböden
- Regale und Lagertechnik
- Maschinen und Förderanlagen
- Verpackungen
- Paletten
- eingebrachte Waren
- Sonneneinstrahlung auf das Gebäude
Alle diese Bauteile erwärmen sich während einer Hitzewelle kontinuierlich und geben ihre Wärme an den Kühlraum ab.
Die Kälteanlage muss diese zusätzliche Energie dauerhaft abführen.
Mit steigender Außentemperatur wächst der Wärmeeintrag
Der Wärmestrom durch eine Kühlraumwand lässt sich vereinfacht mit folgender Gleichung beschreiben:
Q̇ = U · A · ΔT
Dabei ist:
- U der Wärmedurchgangskoeffizient der Wand,
- A die Fläche,
- ΔT die Temperaturdifferenz zwischen Innen- und Außenseite.
Ein Beispiel:
Ein Tiefkühlraum arbeitet bei -20 °C.
Bei 20 °C Außentemperatur beträgt die Temperaturdifferenz 40 Kelvin.
Steigt die Außentemperatur auf 40 °C, erhöht sich diese Differenz auf 60 Kelvin.
Der Wärmestrom durch dieselbe Wand steigt damit theoretisch um rund 50 %.
Und das gilt gleichzeitig für Wände, Decke, Boden, Türen und sämtliche Wärmebrücken.
Die Kälteanlage muss also deutlich mehr Wärmeenergie aufnehmen als an einem normalen Sommertag.
Feuchtigkeit ist der oft unterschätzte Energiefresser
Noch kritischer als die Temperatur ist häufig die Luftfeuchtigkeit.
Gelangt warme Sommerluft in einen Tiefkühlraum, reicht es nicht aus, diese Luft lediglich auf -20 °C abzukühlen.
Der enthaltene Wasserdampf muss zunächst:
- kondensieren,
- anschließend gefrieren,
- und danach ebenfalls bis auf die Lagertemperatur abgekühlt werden.
Für jeden dieser Phasenübergänge wird zusätzliche Energie benötigt.
Diese sogenannte latente Wärme belastet die Kälteanlage erheblich stärker als die reine Abkühlung der Luft.
Die Folge:
- schnellere Vereisung der Verdampfer,
- häufigere Abtauzyklen,
- längere Verdichterlaufzeiten,
- steigender Energieverbrauch.
Gleichzeitig arbeitet der Verflüssiger unter schlechteren Bedingungen
Während der Verdampfer immer mehr Wärme aufnehmen muss, verschlechtern sich gleichzeitig die Arbeitsbedingungen des Verflüssigers.
Damit Wärme an die Umgebung abgegeben werden kann, muss das Kältemittel stets eine höhere Temperatur besitzen als die Außenluft.
Steigt die Außentemperatur von 25 °C auf 40 °C, reicht die bisherige Verflüssigungstemperatur nicht mehr aus.
Der Hochdruck steigt so lange an, bis das Kältemittel wieder warm genug ist, um die notwendige Wärme an die Umgebung abgeben zu können.
Die höhere Verflüssigungstemperatur führt unmittelbar zu:
- höherem Hochdruck,
- größerem Druckverhältnis,
- höherer Verdichterleistung,
- steigender Stromaufnahme.
Warum sinkt der COP?
Der COP beschreibt das Verhältnis zwischen erzeugter Kälteleistung und aufgenommener elektrischer Leistung.
Während einer Hitzewelle wirken zwei Effekte gleichzeitig:
- Die Anlage muss deutlich mehr Wärme transportieren.
- Der Verdichter benötigt aufgrund des höheren Druckverhältnisses mehr elektrische Energie.
Die elektrische Leistungsaufnahme steigt also schneller als die tatsächlich nutzbare Kälteleistung.
Der COP sinkt.
Das erklärt, warum viele Anlagen an heißen Tagen nahezu dauerhaft laufen und trotzdem Schwierigkeiten haben, ihre Solltemperatur zu halten.
Kleine Ursachen – große Auswirkungen
Bereits kleinere Einschränkungen können den beschriebenen Effekt erheblich verstärken.
Dazu gehören beispielsweise:
- verschmutzte Verflüssigerlamellen,
- blockierte Luftströmungen,
- unzureichende Abluftführung,
- direkte Sonneneinstrahlung auf den Verflüssiger,
- vereiste Verdampfer,
- verschmutzte Filter,
- zu geringer Luftvolumenstrom.
Jede Verschlechterung des Wärmeübergangs zwingt die Anlage zu einer höheren Verflüssigungstemperatur – und damit zu einem höheren Energieverbrauch.
Fazit
Eine Hitzewelle belastet Kälteanlagen gleich mehrfach.
Nicht nur die warme Außenluft erschwert die Wärmeabgabe am Verflüssiger. Gleichzeitig steigt der Wärmeeintrag in den Kühlraum durch Gebäudehülle, Produkte und Luftfeuchtigkeit erheblich an.
Die Kälteanlage muss somit deutlich mehr Energie transportieren, während sich ihre Arbeitsbedingungen gleichzeitig verschlechtern.
Gerade deshalb sind eine regelmäßige Wartung, saubere Wärmetauscher, eine optimale Luftführung und eine kontinuierliche Temperaturüberwachung entscheidend, um Leistungsverluste frühzeitig zu erkennen und Ausfälle zu vermeiden.
Denn häufig kündigen sich Probleme nicht durch einen plötzlichen Defekt an, sondern durch einen schleichenden Anstieg der Temperatur und immer längere Verdichterlaufzeiten.
Partager:
Hitzewelle: Wenn Kühlanlagen an ihre Grenzen kommen
Warum Luftfeuchtigkeit der eigentliche Feind jeder Tiefkühlanlage ist!