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May 29, 2023

Kompressoren sind der Schlüssel zur Dekarbonisierung in der HVACR

Die weltweite Nachfrage nach Komfortkühlung wächst, was zu einem Anstieg führt

Die weltweite Nachfrage nach Komfortkühlung steigt, was zu erhöhten CO2-Emissionen beiträgt und die Stromnetze auf der ganzen Welt und in den USA belastet. Laut einem Bericht der Internationalen Energieagentur (IEA) wird tatsächlich weltweit Energie aus der Luft benötigt Es wird erwartet, dass sich die Anzahl der Klimaanlagen bis 2050 verdreifacht, wobei der weltweite Bestand an Klimaanlagen in Gebäuden bis 2050 von 1,6 Milliarden heute auf 5,6 Milliarden ansteigt. Dem Bericht zufolge bedeutet dies, dass in den nächsten 30 Jahren jede Sekunde zehn neue Klimaanlagen verkauft werden.

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Dies ist besorgniserregend, da HVAC-Systeme sowie gewerbliche Kühlgeräte eine erhebliche Menge Energie verbrauchen, was zu erhöhten CO2-Emissionen führt. Um dieses Problem anzugehen, haben die Hersteller hart daran gearbeitet, Lösungen zu finden. Eine der vielversprechendsten ist der Kompressor mit variabler Drehzahl.

Im Gegensatz zu herkömmlichen HVAC-Systemen mit fester Drehzahl, die darauf ausgelegt sind, Spitzenlastanforderungen an den heißesten oder kältesten Tagen zu erfüllen, bieten Kompressoren mit variabler Drehzahl eine energieeffizientere Lösung. Mithilfe dieser Technologie können HVAC-Systeme ihre Leistung genau an die spezifischen Anforderungen des Gebäudes und des lokalen Klimas anpassen und sogar die Lasten über mehrere Kompressoren oder Systeme verteilen, sagte Frank Ford, Leiter des Produktmanagements von Turbocor Kompressoren bei Danfoss.

„Auf diese Weise können Kompressorsysteme mit variabler Drehzahl im Vergleich zu Kompressorsystemen mit fester Drehzahl Energieeinsparungen von bis zu 40 % erzielen“, sagte er. „Diese deutliche Reduzierung des Energieverbrauchs führt nicht nur zu Kosteneinsparungen für Gebäudeeigentümer, sondern trägt auch zu den Dekarbonisierungsbemühungen bei, indem der Bedarf an zusätzlichen Kraftwerken verringert wird.“

Da herkömmliche Festgeschwindigkeitssysteme in der Regel für Spitzenlasttage ausgelegt sind, verfügen sie in der Regel über mehr Kapazität, als für den normalen Alltagsbetrieb erforderlich ist. Folglich schalten sich diese Systeme häufig ein und aus, was zu Temperaturschwankungen und einer verringerten Feuchtigkeitskontrolle sowie zu Effizienzeinbußen aufgrund des Startens und Stoppens führen kann, sagte Vickie Blakey, Marketingmanagerin für Wohnprodukte bei Emerson.

„Modulierende Kompressoren hingegen geben Systemen die Möglichkeit, die Kapazität an die Last anzupassen. Dies führt zu längeren Laufzeiten bei höherer Effizienz, um sowohl Komfort als auch Energieeinsparungen zu maximieren“, sagte sie. „Der Einsatz modulierender Kompressoren in Wärmepumpenanwendungen trägt dazu bei, Dekarbonisierungsziele für Heizung und Kühlung zu erreichen, indem er zur Reduzierung von Emissionen und Energieverbrauch beiträgt.“

HVAC-OPTIONEN: Kompressoren mit variabler Drehzahl werden häufig in Wärmepumpen, Dachanlagen, Kältemaschinen und Geothermiesystemen eingesetzt. (Mit freundlicher Genehmigung von LG Electronics Component Solution)

Wärmepumpen ersetzen oder ergänzen zunehmend auch auf fossilen Brennstoffen basierende Heizgeräte wie Heizkessel und Öfen, wodurch die CO2-Emissionen eines Gebäudes weiter reduziert werden können. Wärmepumpen mit variabler Drehzahl zielen speziell darauf ab, den Raumwärmebedarf zu decken, indem sie bei extrem kalten Wetterbedingungen, wenn die Außentemperatur unter den Gefrierpunkt fällt, zusätzliche Kapazität bieten, sagte Jerry Edwards, Teilleiter der Vertriebstechnik beim LG Electronics Component Solution Business Team.

„Die Technologie mit fester Geschwindigkeit kann sich nicht anpassen. Wenn die Komponenten also für die Kühlung bei hohen Temperaturen dimensioniert sind, sind sie für die Erwärmung bei niedrigen Temperaturen effektiv unterdimensioniert“, sagte er. „Die Technologie mit variabler Drehzahl ermöglicht einen Ausgleich an beiden Enden des Spektrums, indem die Kompressorleistung reduziert wird, wenn sie nicht erforderlich ist, und erhöht wird, wenn sie erforderlich ist.“

Kompressoren mit variabler Drehzahl können in einer Vielzahl von HVAC-Geräten eingesetzt werden, darunter Wärmepumpen, Dachgeräte, Kältemaschinen und Geothermiesysteme. Die Vorteile der Technologie variieren jedoch je nach Anwendung. Wie Edwards feststellte, ist die Technologie mit variabler Drehzahl in Systemen am sinnvollsten, die für den Betrieb in einem breiten Spektrum an Kompressorlasten und gewünschten Ausgangskapazitäten ausgelegt sind.

„Variable Kapazitäten führen zu höheren Wirkungsgraden, potenziell höheren Kapazitäten und niedrigeren Geräuschpegeln, wenn die Technologie den Anforderungen des Systems entspricht“, sagte er. „Wenn das System in einem relativ kleinen Last-/Leistungsbereich betrieben wird, wäre ein Kompressor mit variabler Drehzahl nicht erforderlich und würde keinen nennenswerten Vorteil bringen. Der Einsatz in sehr großen Systemen könnte außer für Wohnwärmepumpen auch zu teuer sein.“ B. auf Dächern und dergleichen, könnte der Einsatz der Technologie mit variabler Geschwindigkeit Vorteile bringen.“

Kompressorsysteme mit variabler Drehzahl kosten im Allgemeinen auch mehr als ihre Gegenstücke mit fester Drehzahl, aber da sie eine höhere Energieeffizienz bieten, werden sie im Hinblick auf die langfristigen Energiekosteneinsparungen zu niedrigeren Gesamtbetriebskosten führen, sagte Ford.

„Um die Kosteneinsparungen zu maximieren, sind unterschiedliche Lastbedingungen erforderlich, und je stärker die Bedingungen variieren, desto größer ist der Nutzen“, sagte er. „Während diese unterschiedlichen Lastbedingungen typischerweise in den meisten Gebäuden vorliegen, gibt es bestimmte Anwendungen, die gleichmäßigere Lastanforderungen haben, sodass der Einsatz von Kompressortechnologie mit variabler Drehzahl zu längeren Amortisationszeiten führen kann.“

In einigen Fällen können Kompressoren mit variabler Drehzahl in bestehende HVAC-Systeme nachgerüstet werden, um die Energieeffizienz zu verbessern. Allerdings wäre es vorteilhafter, ein neues System mit Kompressoren mit variabler Drehzahl zu installieren, sagte Blakey, da es im Allgemeinen effizienter wäre und weniger CO2-Emissionen verursacht als ein bestehendes System mit einer Nachrüstung mit variabler Drehzahl.

VERBESSERTE EFFIZIENZ: In einigen Fällen können Kompressoren mit variabler Drehzahl in bestehende HVAC-Systeme nachgerüstet werden, um die Energieeffizienz zu verbessern. (Mit freundlicher Genehmigung von Emerson)

Bei der Nachrüstung eines Systems mit Kompressoren mit variabler Drehzahl stehe die Kompressorsteuerung im Vordergrund, so Ford. Denn im Gegensatz zu Kompressoren mit fester Drehzahl, die auf Ein-Aus-Basis arbeiten, benötigen Kompressoren mit variabler Drehzahl ein Signal oder Programm, um ihre Drehzahl über einen VFD oder eine eingebaute Kompressorsteuerung zu steuern.

„Es ist auch wichtig zu beachten, dass nicht alle Arten von Kompressortechnologien mit variabler Drehzahl für eine Nachrüstung geeignet sind“, sagte Ford. „Zum Beispiel wird die von Danfoss mit den Turbocor-Kompressoren entwickelte ölfreie Kompressortechnologie nicht für eine Nachrüstung empfohlen, da es schwierig ist, das Öl vollständig aus dem System zu entfernen. Wenn Öl im System verbleibt, kann dies zu Schäden an diesen Kompressortypen führen.“

KEINE NACHRÜSTUNG: Die Nachrüstung ölfreier Turbocor-Kompressoren in ein bestehendes System wird aufgrund der Herausforderungen, das Öl vollständig aus dem System zu entfernen, nicht empfohlen. (Mit freundlicher Genehmigung von Danfoss)

Kompressoren mit variabler Drehzahl sparen nicht nur Energie, sondern können auch dazu beitragen, die Raumluftqualität und den Komfort zu verbessern, indem sie längere Betriebszyklen der HVAC-Geräte ermöglichen, wodurch relative Luftfeuchtigkeit und Temperaturschwankungen reduziert werden und der Raum von Natur aus komfortabler wird, sagte Blakey.

„Das schnelle Absenken der Raumtemperatur und die schnelle Anpassung an die Anforderungen sind Schlüsselfaktoren für den Kundenkomfort“, sagte sie. „Zum Beispiel können Scrollkompressoren mit kontinuierlicher Modulation ihre Kapazität sofort von 10 % auf 100 % (oder umgekehrt) anpassen, indem sie die relative Dauer der Last- und Leerzykluszeiten variieren. Dies bedeutet, dass sie viel schneller und ohne viel schneller auf Änderungen der Systemanforderungen reagieren müssen.“ Zwischengeschwindigkeitsänderungen durchlaufen. Modulierende Scrollkompressoren, die digitale Technologie nutzen, verfügen außerdem über verbesserte Steuerungen und Schutzfunktionen sowie eine strengere Feuchtigkeitskontrolle.“

Systeme mit variabler Geschwindigkeit passen ihre Leistung im Wesentlichen an den Bedarf des klimatisierten Raums an, was zu einer strengeren Kontrolle der Innentemperatur führt, sagte Edwards. Darüber hinaus können Systeme mit variabler Geschwindigkeit so konzipiert werden, dass sie speziell für die Entfeuchtung arbeiten, was eine Schlüsselvariable bei der Bestimmung des Komforts eines Innenraums sein kann.

„Bei der Entfeuchtung müssen die Kompressorgeschwindigkeit und der Raumluftstrom so angepasst werden, dass in erster Linie die Feuchtigkeit entfernt wird, anstatt in erster Linie den Raum zu kühlen, was Systeme mit fester Geschwindigkeit nicht leisten können“, sagte er. „Ein System mit fester Geschwindigkeit sorgt für die Entfeuchtung als Nebeneffekt der Raumkühlung, und wenn die Umgebungsbedingungen mild sind, kann die Entfeuchtung praktisch vernachlässigbar sein. Ein System mit variabler Geschwindigkeit kann in diesen milderen Klimazonen eine deutliche Verbesserung bringen.“

Ein weiterer Vorteil ist die Langlebigkeit. Herkömmliche Kompressortechnologien mit fester Drehzahl, die häufig ein- und ausgeschaltet werden, können zu übermäßigem Verschleiß ihrer Komponenten führen. Dies gelte insbesondere für ölbasierte Kompressoren, sagte Ford.

„Durch die Reduzierung der Anzahl von Starts und Stopps können Systeme mit variabler Drehzahl dazu beitragen, die Lebensdauer des Kompressors und anderer Komponenten zu verlängern, was Gebäudeeigentümern und Endbenutzern Geld bei Wartungs- und Austauschkosten spart“, sagte er.

Edwards fügte hinzu, dass der Geräuschpegel bei Systemen mit variabler Geschwindigkeit auch geringer sei, da die meisten Innen- und Außenkomponenten, einschließlich Kompressoren, Motoren und Ventilatoren, bei Betrieb mit niedrigeren Geschwindigkeiten leiser seien.

Kompressoren mit variabler Drehzahl werden auch in gewerblichen Kühlanwendungen eingesetzt, wo sie zwei entscheidende Komponenten der Nachhaltigkeit wirksam angehen können: Energieeffizienz und den Übergang zu Kältemitteln mit niedrigerem Treibhauspotenzial, sagte Joe Summers, leitender Produktmanager für Spiralen und Antriebe bei Emersons Climate Technologies Business .

„Im Vergleich zu Kompressoren mit fester Drehzahl führt die Kompressionstechnologie mit variabler Drehzahl in der Regel zu 20 bis 30 % Energieeffizienzverbesserungen bei Kühlanwendungen“, sagte er. „Kompressoren mit variabler Drehzahl werden auch für den Einsatz mit Kältemittelalternativen mit geringerem Treibhauspotenzial wie CO2, R-290 und neuen A2L-Kältemitteln qualifiziert. Weil Kompressoren mit variabler Drehzahl mit der doppelten Drehzahl laufen können wie ihre Gegenstücke mit fester Drehzahl – und zwar.“ Verdoppelung des Kältemittelmassenstroms – sie können mit kleineren Ladungen von Alternativen mit geringerem GWP bis zu das Doppelte der Kompressorkühlkapazität erzeugen. Das bedeutet, dass ein niedrig geladener R-290- oder A2L-Kompressor mit variabler Drehzahl potenziell die gleiche Leistung liefern könnte wie zwei feste Kompressoren -Geschwindigkeitsmodelle, wodurch in einigen Fällen der Bedarf an mehreren Kühlkreisläufen entfällt und sich dadurch die Betriebskosten und der Platzbedarf der Ausrüstung verringern.“

Die Integration der Technologie mit variabler Drehzahl in gewerbliche Kühlsysteme bietet laut Summers auch andere Vorteile, wie z. B. die Reduzierung der Kompressorzyklen um bis zu 90 % im Vergleich zu Modellen mit fester Drehzahl; Beseitigung übermäßiger Abnutzung des Kompressors; Senkung der Wartungskosten; Verlängerung der Lebensdauer der Ausrüstung; und läuft leiser.

„Das Ziel von Kompressoren mit variabler Drehzahl besteht darin, über einen möglichst langen Zeitraum mit der niedrigstmöglichen Drehzahl zu laufen. Einer der betrieblichen Vorteile davon ist die Verbesserung der Klangqualität und der Oberschwingungen des Kompressors“, sagte er. „Der kontinuierliche Betrieb mit niedriger Drehzahl läuft nicht nur leiser als ein Kompressor mit fester Drehzahl und nur einer Drehzahl, sondern die Geräusche des Copeland-Kompressors werden durch ein gleichmäßiges Brummen ersetzt, das zu einem kaum wahrnehmbaren weißen Rauschen wird.“

Kompressoren mit variabler Drehzahl ermöglichen eine präzise Lastanpassung und eine verbesserte Temperaturkontrolle und können in einer Vielzahl gewerblicher Kühlanwendungen bei niedrigen und mittleren Temperaturen eingesetzt werden, einschließlich in sich geschlossener Reach-In-Einheiten; Fernverflüssigungssätze; verteilte Schriftrollenpakete; und Rack-Nachrüstungen. Sie können auch sowohl in Neu- als auch in Nachrüstanwendungen eingesetzt werden. Summers weist jedoch darauf hin, dass es Nachrüstsituationen gibt, in denen ein unterdimensionierter Kompressor möglicherweise nie mit Teillastkapazität (d. h. einer anderen Kapazität als der Volllast) laufen kann, was zu einem Ausfall führen würde Zweck der Verwendung der Technologie mit variabler Geschwindigkeit.

Wenn es jedoch sinnvoll ist, kann die Nachrüstung eines Kompressors mit variabler Drehzahl in ein bestehendes Kompressor-Rack mit fester Drehzahl eine wirksame Möglichkeit sein, eine Modulation mit variabler Kapazität zu ermöglichen, sagte Summers. Er sagte, dass diese Strategie darin besteht, einen veralteten Kompressor durch einen Kompressor mit variabler Geschwindigkeit zu ersetzen, der als Hauptkompressor im Rack dient.

„Es ist auch möglich, einen VFD einfach auf einen Kompressor mit fester Drehzahl anzuwenden und ihn entweder so zu konfigurieren, dass er über den Saugdruck des Kompressors läuft, oder ihn in die Steuerung eines Kühlsystems einzubinden“, sagte er. „Die E3-Überwachungssteuerung von Emerson verfügt beispielsweise über eine native Programmierung zur Unterstützung dieser Art von Installationen, und selbst ältere Steuerungen wie die E2-Steuerung können problemlos mit den erforderlichen Informationen aktualisiert werden, um den Nutzen eines Kompressors mit variabler Drehzahl in einem zu maximieren.“ Retrofit-Szenario.“

Da sich immer mehr Endverbraucher auf das Erreichen von Nachhaltigkeits- und Dekarbonisierungszielen konzentrieren, wird der Bedarf an energieeffizienten mechanischen Systemen weiter steigen. Die Technologie mit variabler Drehzahl bietet eine praktikable Lösung für diese Herausforderung, indem sie einen effizienteren und präziseren Betrieb von HVACR-Geräten ermöglicht, was zu einem geringeren Energieverbrauch und geringeren CO2-Emissionen führt. Infolgedessen scheint die Zukunft von HVACR-Geräten zunehmend an die Technologie mit variabler Geschwindigkeit gebunden zu sein.

Joanna Turpin ist leitende Redakteurin. Sie kann unter 248-786-1707 oder [email protected] kontaktiert werden. Joanna ist seit 1991 bei BNP Media und leitete zunächst die technische Buchabteilung des Unternehmens. Sie erwarb ihren Bachelor-Abschluss in Englisch an der University of Washington und arbeitete an ihrem Master-Abschluss in technischer Kommunikation an der Eastern Michigan University.