Letzte Aktualisierung: 19.10.2020

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Experten-Ratgeber: Kaltwassersatz-Technik einfach erklärt

Was ist ein Kaltwassersatz? Wie funktionieren Flüssigkeitskühler? Wo kommen solche Chiller zum Einsatz? Welche technischen Besonderheiten gibt es? Welche Vorteile und Nachteile haben Kaltwassersätze?

Ein Kaltwassersatz ist eine spezielle Kältemaschine, die eingesetzt wird, um große Gebäudevolumen oder Maschinen zu kühlen. Im Unterschied zu einer typischen Klimaanlage (VRF-Systeme) zirkuliert dabei kaltes Wasser als Kühlmedium und kein Kältemittel. Das Kältemittel wird lediglich zur Kälteerzeugung wie bei einem Kühlschrank eingesetzt und dann auf das Wasser übertragen. Die Funktionsweise ähnelt daher dem von Wärmepumpen.

Die wichtigsten Basics über Kaltwassersätze

Der „Kaltwassersatz“ ist eine Kältemaschine, die kaltes Kühlwasser und andere gekühlte Medien bereitstellt, mit denen sich Räume klimatisieren und Geräte kühlen lassen. Alternative Bezeichnungen für den Kaltwassersatz sind „water-chiller“ (auf Deutsch: „Wasserkühler“), „chiller“ („Kühler“) oder „process-cooler“ („Prozesskühler“). Einen rechtlich-formalen Rahmen für die Technik, Installation und Betrieb von Kaltwassersätzen stellt die DIN EN 378 dar.

Als Kälteträger dient vorwiegend Wasser (daher auch die Gerätebezeichnung „Kaltwassersatz“), dem je nach Kühlanwendung auch Zusätze wie Glykol beigemischt werden, um z. B. den Gefrierpunkt herabzusetzen. So kann das Wasser auch unter 0 Grad Celsius abgekühlt werden, ohne zu vereisen. Die Kälteleistung von Kaltwassersätzen variiert je nach Gerät zwischen wenigen und häufig mehreren hundert Kilowatt (kW).

Das vom Kaltwassersatz auf etwa 6 bis 7 °C abgekühlte Wasser zirkuliert dann von einer Pumpe angetrieben durch das zu kühlende Gebäude oder Maschine, nimmt Wärme auf und kehrt zum Kaltwassersatz zurück. Dort wird die Wärme über eine Luft- oder Wasserkühlung an die Umwelt abgegeben.

Das kalte Wasser wird dann in großen Klimaanlagensystemen an Kühlregister in Raumlufttechnischen Anlagen (RLT-Anlagen) geleitet. Dort kühlt das Register die Luft im zentralen Lüftungsgerät, die anschließend in die Räume verteilt wird. Dadurch kommt es zudem zu einer Entfeuchtung im Sommer.

Alternativ kann eine Klimatisierung eines Bürogebäudes auch mit einzelnen Kaltwassertruhen am Boden oder Kassettengeräten in abgehängten Decken realisiert werden.

Auch zur Kühlung von IT-Anlagen und Rechenzentren werden Kaltwassersätze eingesetzt. Zur Prozesskühlung werden Kaltwassersätze häufig in der Kunststoffbearbeitung, beim Drucken oder bei der Gummiherstellung eingesetzt.

Auch technisch werden Varianten von Kaltwassersätzen je nach ihrer Anwendung zur

  • Komfortkühlung,
  • Prozesskühlung oder
  • Einsatz in Rechenzentren

unterschieden.

So kann sich z. B. mit dem Einsatz von Kaltwassersätzen im gewerblichen Bereich die Anforderung ergeben, bei niedrigen Außenlufttemperaturen zu kühlen. Dies kann technisch mittels einer integrierten Verflüssigungsdruckregelung realisiert werden, die bis -10°C Außenlufttemperatur die Geschwindigkeit des Ventilatormotors anpasst, um ein Absinken des Druckes im Wärmeübertrager zu vermeiden.

Techniken der Kaltwasser-Kälteerzeugung

Grundsätzlich lassen sich Systeme für die Kälteerzeugung in solche mit direkter oder indirekter Verdampfung aufteilen. Bei den direkten Systemen (Direktverdampfung) sind Kältemittel und Kälteträger identisch, während bei indirekten Systemen (z. B. Kaltwassernetz) ein zusätzliches Medium als Kälteträger dient.

Während zur Versorgung eines Gebäudes mit einem zentralen direktverdampfenden System sehr lange Kältemittelleitungen und große Kältemittelmengen nötig sind, wird die Wärme der zu kühlenden Räume oder Produkte bei den indirekten Systemen auf einen Kälteträger übertragen und so abgeführt. Üblicherweise werden als Kälteträger Wasser, Sole oder Luft eingesetzt.

Der apparative Aufwand ist bei den indirekten Systemen zwar höher, dafür werden aber geringere Mengen Kältemittel benötigt. Zudem sind die Anforderungen an Kältemittelleitungen im Vergleich zu Leitungen eines Kaltwassernetzes grundlegend verschieden und auch anspruchsvoller.

Beim Kaltwassersatz wird das „Wasser“ durch einen Kompressions- oder einen Absorptionskältekreislauf gekühlt.

Absorptions-Kaltwassersatz

Kaltwassersätze in Form von Absorptions-Maschinen (siehe auch "Absorptionswärmepumpe") haben keinen wirklichen Verdichter verbaut. Bei ihnen bringt eine Wärmequelle den thermodynamischen Kreislauf zum Laufen: Bei Kondensationsdruck wird das Kältemittel durch Wärmezufuhr aus der Lösung ausgetrieben und anschließend kondensiert.

Deshalb kommen Absorptionskaltwassersätze meist da zur Anwendung, wo es bereits Wärme oder Abwärme gibt oder wo diese günstig zu haben ist. Die Wärme/ Abwärme übergibt man dem Kaltwassersatz meist via Dampf, Heißwasser oder Verbrennung. In höchst sonnenreichen Klimazonen lässt sich auch Solarenergie für den Betrieb von Absorptionskaltwassersätzen nutzen.

Das grundlegende Prinzip einer Absorption basiert auf der Interaktion zwischen Kältemittel und Absorptionsmittel wie die Arbeitsstoffpaare Wasser/ Lithiumbromid (LiBr) sowie Ammoniak/ Wasser: Diese Paare möglich es, dass das Absorptionsmittel das Kältemittel absorbiert.

Dafür ist die Absorptionskammer mit Absorptionsmittel gefüllt. Das ist in der Lage, Flüssigkeit aufzunehmen und zu speichern, wobei das Kältemittel bei sehr niedriger Temperatur verdampft. Verdampft das Kältemittel im Verdampfer, kühlt es zugleich das Kältemittel (zum Beispiel Wasser).

Absorptions-Kaltwassersätze unterscheidet man nach der Anzahl der benutzten Wärmezufuhrstufen. Zudem lassen sie sich danach klassifizieren, ob sie infolge der Verbrennung eines Brennstoffs direkt befeuert werden, oder Dampf beziehungsweise heißes Wasser als Wärmequelle nutzen.

Bei den sorptiven Verfahren ist zwischen kontinuierlich arbeitenden Systemen (Absorption des Kältemitteldampfes in einer Salzlösung) und zyklisch arbeitenden Systemen (Adsorption des Kältemitteldampfes an einen Feststoff) zu unterscheiden.

Kompressions-Kaltwassersatz

Im Kompressions-Kaltwassersatz arbeiten Verdichter, die ein Elektromotor antreibt, wie häufig

  • Hubkolbenverdichter,
  • Scrollverdichter,
  • Turboverdichter oder
  • Schraubenverdichter.

Die Verdichter erwirken den Kühleffekt dank des sogenannten umgekehrten Rankine-Prozesses (auch „Kompression“ oder „Kaltdampfprozess“ genannt).

Der Verdichter im Kaltwassersatz nimmt das dampfförmige Kältemittel auf und erhöht dessen Druck. Dabei steigt auch dessen Temperatur, sodass die Wärme vom höheren zum niedrigeren Temperaturniveau strömen kann. Denn um die thermische Energie des Kühlers auf ein anderes System übertragen zu können, muss die Kältemitteltemperatur über der Umgebungstemperatur liegen.

Mittels Verdampfer und Verflüssigern wie

  • Microchannel-Wärmetauschern oder
  • Cu/Al Wärmetauschern

wird dann die Wärme aus dem Kühlkreislauf aufgenommen und später an ein anderes Medium wie Wasser oder Luft abgegeben.

Ein Kaltwassersatz kann zudem auch als Kompressionswärmepumpe funktionieren. Denn moderne, reversible Kaltwassersätze lassen sich gleichzeitig oder zeitversetzt nicht nur zum Kühlen, sondern auch zum Heizen einsetzen. Sie sind dann quasi reversible Luft/Wasser-Wärmepumpen.

Moderne Inverter geregelte Kaltwassersätze können den Kompressormotor außerdem über die Variation der Wechselstromfrequenz schneller oder langsamer drehen lassen, sodass der leistungsgeregelte Kaltwassersatz immer am optimalen Betriebspunkt und besonders effizient arbeitet.

Luftkühlung und Wasserkühlung

Wie ein Kaltwassersatz selbst gekühlt wird, kann man direkt an der Bauweise erkennen. Luftgekühlte Kaltwassersätze besitzen große Trichter und Ventilatoren, über die die Luft zur Wärmeaufnahme getauscht wird. Wassergekühlten Kaltwassersätzen fehlen diese Bauteile gänzlich, sie bestehen lediglich aus einem geschlossenen Rohrsystem.

Ob luft- oder wassergekühlte System zum Einsatz kommen, hängt in der Regel von der Leistung der Kaltwassersätze ab. Kaltwassersätze ab einer Größe von rund 250 kW Kälteleistung werden in der Regel mit einer Wasserkühlung ausgestattet, Sätze mit einer geringeren Kälteleistung werden überwiegend nur mit Luft gekühlt. Kaltwassersätze im Freien sind meist die luftgekühlte Variante, für die Montage in Gebäuden nutzt man eher die wassergekühlte Variante.

Mit Hilfe von Freikühl-Modulen können Kaltwassersätze zudem in Freecooling-Systeme modifiziert werden. Durch den Einsatz von Freikühl-Modulen wird auch die Kaltwassersatz-Lebensdauer verlängert, die jährlichen Betriebsstunden der bestehenden Kältemaschine werden reduziert.

Experten-Tipp: Führende Hersteller wie Mitsubishi Electric bieten für ihre Kaltwassersätze auch smarte Steuerungen an: Mit der KIPlink Technologie des Herstellers kann man nach dem Scan eines QR-Codes am Kaltwassersatz mit dem Smartphone und der Installation der benötigten App alle Einstellungen und Gerätediagnosen über mobile Endgeräte vornehmen.

Einsatz von Kältemitteln: HFO und natürliche Alternativen

In den 1930er Jahren wurden die Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW) eingeführt und verdrängten die bis dahin üblichen natürlichen Kältemittel wie z.B. Kohlendioxid und Kohlenwasserstoffe vom Markt. Die negativen Auswirkungen der FCKW auf die Ozonschicht sind seit den 1970er Jahren bekannt. Im Montrealer Protokoll von 1987 wurde schließlich der schrittweise Ausstieg aus der Produktion und Verwendung von FCKW festgelegt. Später wurde beschlossen, dass auch teilhalogenierte Fluorchlorkohlenwasserstoffe (HFCKW) nur als Übergangslösung zugelassen sind.

Als Ersatzstoffe für FCKW und HFCKW werden überwiegend teilfluorierte Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW) eingesetzt. Diese synthetischen Kältemittel enthalten weder Brom noch Chlor und haben daher kein Ozon-Zerstörungspotenzial. Als Standard-Kältemittel werden derzeit vor allem die HFKW-Kältemittel R32, R125, R134a und R143a sowie deren Mischungen verwendet. Der Nachteil der gängigen HFKW besteht vor allem im hohen Treibhauspotenzial (Global Warming Potential, GWP).

Die kürzlich in Kraft getretene Verordnung (EU) 519/2014 (F-Gase-Verordnung) schränkt das Inverkehrbringen und die Verwendung von HFKW ein und verhängt GWP-abhängige Anwendungsverbote. Als Alternative zu HFKW erleben daher natürliche Kältemittel wie z. B.

seit längerem eine Renaissance.

Parallel dazu setzt man derzeit verstärkt auf synthetische Kältemittel mit Hydrofluoroolefinen (HFO). HFO-Kältemittel zeichnen sich durch einen sehr niedrigen GWP aus und gelten als nicht toxisch und schwer entflammbar (Klasse A2L). Die am Markt weiter verbreiteten HFO-Kältemittel in Kaltwassersätzen sind

  • R1234yf (Ersatz für R134a) und
  • R1234ze.

Auch die Kältemittelmischung R513A - es besteht aus 50% R134A und 50% R1234yf - ist ein Low-GWP-Ersatzkältemittel und soll zukünftig das Kältemittel R134a ersetzen. Es kann ohne weitere Maßnahmen in Kaltwassersätzen, die bislang mit R134a betrieben worden sind, verwendet werden. Es ist nicht brennbar und besitzt einen um etwa 56% niedrigeren GWP-Wert (R134a = 1430 / R513A = 631,4).

Verglichen mit der großen Anzahl verfügbarer Verdichter für Anlagen mit natürlichen Kältemitteln und einen weiten Kälteleistungsbereich ist die Anzahl verfügbarer Kaltwassersätze mit natürlichen Kältemitteln jedoch überschaubar. Als Kältemittel kommen für diesen Anlagentyp nur

  • R717 (Ammoniak),
  • R290 (Propan) sowie
  • das Kältemittelgemisch R723

zur Anwendung.

Mobile Kaltwassersätze zur Miete

Kaltwassersätze werden häufig auch als mobile Flüssigkeitskühler zur Miete angeboten. Dies bietet sich in folgenden Fällen an:

  • Wartungen, Reparaturen und Umbauarbeiten
  • Notfall bzw. Ausfall eigener Flüssigkeitskühler
  • Hilfskühlung zur Unterstützung der bestehenden Kältemaschine
  • Tieftemperatur-Kühlung bei kurzfristiger Ausweitung der Produktion
  • Saisonaler Kältebedarf, z. B. in heißen Sommern
  • Übergangsversorgung, während ein Objekt umgebaut oder saniert wird
  • Event-Kühlung von Zelten, Hallen etc.

Bei der hydraulischen Einbindung muss berücksichtigt werden, dass ein konstanter Volumenstrom über den Kaltwassersatz gewährleistet ist. Dies lässt sich über ein Dreiwegeventil oder über ein Zweiwege-Überströmventil realisieren. Eine weitere Möglichkeit ist der Einsatz eines Plattenwärmetauschers. Damit ist der Durchfluss auf der Sekundärseite (Kaltwassersatz) konstant und die Regelung erfolgt auf der Primärseite (Verbraucher) meist mit einem Durchgangsventil und einer drehzahlgeregelten Pumpe. Sollten mehrere Kaltwassersätze hydraulisch eingebunden werden, wird oftmals eine hydraulische Weiche zur Entkopplung zwischen Primär- und Sekundärkreislauf verwendet. Eine weitere Einbindungsvariante ist der Pufferspeicher zur Volumenvergrößerung und Kompensation von Teil- und Spitzenlasten.

Der Vermieter des Kaltwassersatzes trägt die Verantwortung für den kompletten Projektsupport, inklusive Planung, Installation, Inbetriebnahme, Wartung und Abbau der Kaltwassersätze. So entstehen dem Kaltwassersatz-Mieter weder hohe Investitionskosten infolge Kaufs, noch muss er eigene Fachkenntnisse in der Kälte- und Klimatechnik besitzen.

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