S-Klima Prozesskühlung mit SAL und SAX Kaltwassersätzen

Die Kältetechnik im industriellen Umfeld unterliegt einem tiefgreifenden technologischen Wandel. Neben den strengen Quotierungs- und Verwendungsbeschränkungen der europäischen F-Gase-Verordnung (EU) 2024/573 fordern steigende Energiekosten und verschärfte Nachhaltigkeitskriterien im Gebäudeenergiegesetz (GEG) kompromisslose Energieeffizienz im Dauerbetrieb. Für viele industrielle Fertigungsprozesse, Kunststoffverarbeitungen, chemische Reaktoren oder Server- und Rechenzentrumsstrukturen reicht eine klassische Komfortklimatisierung mit Vorlauftemperaturen von 6 bis 12 °C bei Weitem nicht aus. Gefordert werden robuste Chiller, die auch im tiefen Kaltwasserbereich zuverlässig arbeiten. Der Hamburger Klimatechnikspezialist S-Klima – Geschäftsbereich der STULZ GmbH und etablierter Partner für Mitsubishi Heavy Industries – adressiert diese Herausforderungen mit seinen modular aufgebauten, luftgekühlten Inverter-Kaltwassersätzen der Serien SAL und SAX.

Thermodynamik der Tieftemperatur-Kaltwassersätze

Im Zentrum industrieller Kaltwassersatzsysteme steht die kontinuierliche Wärmeabfuhr aus dem Prozessmedium. Um Wassertemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts bereitzustellen – S-Klima spezifiziert für die Serien SAL und SAX einen erweiterten Einsatzbereich bis hinab zu -8 °C Austrittstemperatur –, muss dem Wasser ein Gefrierschutzmittel, typischerweise Ethylen- oder Propylenglykol, beigemischt werden.

Thermodynamisch betrachtet stellt der Betrieb mit Glykol-Wasser-Gemischen erhöhte Anforderungen an den Kältekreisprozess. Durch die Zumischung verändern sich Dichte, spezifische Wärmekapazität $c_p$ und dynamische Viskosität des Trägermediums im Vergleich zu reinem Wasser massiv. Der Wärmeübergangskoeffizient im Plattenwärmeübertrager sinkt spürbar, während die hydraulischen Druckverluste im Verdampferkreis steigen. Dies erfordert eine exakt dimensionierte Verdampfergeometrie, meist als asymmetrischer Edelstahl-Plattenwärmetauscher mit optimierter Strömungsführung, um turbulente Strömungen selbst bei zäheren Fluiden aufrechtzuerhalten.

Verdampfungsdruck und Kompressionskälteprozess

Sinkt die geforderte Fluid-Austrittstemperatur auf -8 °C, muss die Verdampfungstemperatur $t_0$ des Kältemittels (beispielsweise R32 oder R290 je nach Gerätekonfiguration) typischerweise bei etwa -12 °C bis -14 °C liegen. Dies bedingt ein signifikant höheres Druckverhältnis $\Pi = p_c / p_0$ zwischen Kondensationsdruck $p_c$ und Verdampfungsdruck $p_0$:

• Verdampfungsdruck sinkt: Die Sauggasdichte am Eintritt des Verdichters nimmt ab, wodurch der Massenstrom sinkt.
• Isentrope Verdichtungsarbeit steigt: Der Verdichter muss pro Kilogramm Kältemittel mehr mechanische Arbeit aufbringen.
• Verdichtungsendtemperatur steigt: Ohne gezielte Gegenmaßnahmen, wie Sauggaskühlung oder Zwischeneinspritzung (Economizer), erreicht das Heißgas thermische Grenzwerte des Kältemaschinenöls.

Die DC-Inverter-Scroll-Verdichter der S-Klima SAL- und SAX-Serien kompensieren diese physikalischen Hürden durch stufenlose Drehzahlmodulation via Frequenzumformer. Die Leistung wird nicht über ineffizientes Takten (Start-Stopp) angepasst, sondern folgt exakt der momentanen Prozesslast, was die mittlere Verdampfungstemperatur anhebt und Druckspitzen im Kältekreislauf verhindert.

Vergleich der Betriebspunkte für Komfort- und Prozesskälte

Die nachfolgende Tabelle verdeutlicht die thermodynamischen und energetischen Unterschiede eines Inverter-Kaltwassersatzes bei typischer Klimakälte gegenüber dem industriellen Prozesskältebetrieb mit Frostschutz:

| Parameter | Komfortklima-Betrieb (Wasser) | Industrielle Prozesskälte (Sole 30 % Glykol) | | :--- | :--- | :--- | | Medium-Vorlauftemperatur | +7 °C | -8 °C | | Medium-Rücklauftemperatur | +12 °C | -3 °C | | Kältemittel-Verdampfung $t_0$ | ca. +2 °C bis +4 °C | ca. -12 °C bis -14 °C | | Kondensationstemperatur $t_c$ (bei 35 °C Außenluft) | ca. +45 °C | ca. +45 °C | | Druckverhältnis $\Pi$ | moderat (~ 2,8 bis 3,2) | hoch (~ 4,8 bis 5,5) | | Typische Leistungszahl (EER) | 3,1 bis 3,6 | 1,8 bis 2,3 | | Viskosität des Trägermediums | niedrig (1,0 mPa·s) | erhöht (ca. 3,5 bis 4,2 mPa·s) |

Die thermodynamische Leistungszahl EER (Energy Efficiency Ratio) sinkt physikalisch bedingt im Tieftemperaturbereich ab, da der ideale Carnot-Wirkungsgrad $\varepsilon_{\text{Carnot}} = T_0 / (T_c - T_0)$ mit fallender Verdampfungstemperatur $T_0$ unvermeidlich abnimmt. Umso entscheidender ist die Präzision des elektronischen Expansionsventils (EEV), das die Überhitzung am Verdampferausgang auch bei dynamischen Lastwechseln stabil zwischen 3 und 5 Kelvin hält.

Hydraulische Einbindung und Systemgrenzen nach DIN EN 14511

Die Prüfung und Leistungsdeklaration von Kaltwassersätzen erfolgt normativ nach DIN EN 14511 und DIN EN 14825. Für die Auslegung industrieller Kreisläufe ist die korrekte Ermittlung des Mindestwasserinhalts essenziell, um Regelschwingungen der Invertersteuerung zu verhindern. Als Faustformel gilt im Prozessbereich ein Mindestvolumen von 15 bis 20 Litern pro Kilowatt Kälteleistung, sofern kein modulierender Pufferbehälter integriert ist.

Beispielhafte Auslegung eines industriellen Kühlkreislaufs

Ein kunststoffverarbeitender Betrieb benötigt zur Werkzeugkühlung eine kontinuierliche Kälteleistung $\dot{Q}_0$ von 60 kW bei einem Solevorlauf von -4 °C und einem Rücklauf von 0 °C (Spreizung $\Delta T = 4,\text{K}$). Das Medium ist ein Ethylen-Glykol-Wasser-Gemisch (30 Vol.-%), dessen spezifische Wärmekapazität $c_p$ bei ca. $3{,}65,\text{kJ}/(\text{kg}\cdot\text{K})$ und die Dichte $\rho$ bei ca. $1045,\text{kg}/\text{m}^3$ liegt.

Der erforderliche Massenstrom $\dot{m}$ berechnet sich gemäß: $$\dot{m} = \frac{\dot{Q}_0}{c_p \cdot \Delta T} = \frac{60,\text{kW}}{3{,}65,\frac{\text{kJ}}{\text{kg}\cdot\text{K}} \cdot 4,\text{K}} \approx 4{,}11,\frac{\text{kg}}{\text{s}}$$

Umgerechnet auf den Volumenstrom $\dot{V}$ ergibt sich: $$\dot{V} = \frac{\dot{m}}{\rho} = \frac{4{,}11,\frac{\text{kg}}{\text{s}}}{1045,\frac{\text{kg}}{\text{m}^3}} \approx 0{,}00393,\frac{\text{m}^3}{\text{s}} \approx 14{,}16,\frac{\text{m}^3}{\text{h}}$$

Die hydraulische Auslegung der Rohrleitungen muss bei $14{,}2,\text{m}^3/\text{h}$ so gewählt werden, dass die Strömungsgeschwindigkeit $w$ zwischen 1,2 und 1,8 m/s liegt, um laminar bedingte Leistungseinbußen zu verhindern, ohne exzessive Druckverluste im System zu erzeugen. Ein Kaltwassersatz der S-Klima SAL-Serie (beispielsweise SAL 075 mit rund 70–80 kW Nennleistung) deckt diesen Betriebspunkt im Teillastbereich optimal ab.

Kaskadierung und Freie Kühlung mit SAX-Geräten

Für größere Industriebauvorhaben oder Rechenzentren bietet die SAX-Reihe von S-Klima Kühlleistungen von 34,9 bis 85,1 kW pro Einzelgerät. Ein herausragendes Konstruktionsmerkmal ist die Möglichkeit, bis zu 16 Aggregate über ein übergeordnetes Kommunikationsbussystem hydraulisch zusammenzuschalten. Damit lassen sich Gesamtkühlleistungen von bis zu 1.360 kW in einem einzigen Wasserkreislauf realisieren.

Zudem sind ausgewählte SAX-Modelle mit integrierten Freikühlregistern (Free Cooling) erhältlich. Fällt die Außentemperatur unter die Rücklauftemperatur des Prozesses, wird das Kältemittelkreislaufsystem teil- oder vollumfänglich entlastet:

1. Freikühlbetrieb (Winter): Die Außenluft kühlt die Sole direkt über das Freikühlregister; die Scroll-Verdichter bleiben komplett abgeschaltet. Der EER steigt auf Werte über 25.
2. Mischbetrieb (Übergangszeit): Das Fluid wird durch die Außenluft vorgekühlt; die invertergesteuerten Kältekreise erbringen lediglich die restliche Temperaturabsenkung.
3. Mechanische Kälte (Sommer): Voller Kompressionsbetrieb bei hohen Umgebungstemperaturen.

Die Steuerung übernimmt dabei ein CompTrol-System, das Schnittstellen zu BACnet, Modbus oder cloudbasierten Überwachungssystemen bereitstellt und Notfall-Umschaltungen (Sequencing, Redundanz) autark steuert.

Praxis-Empfehlungen für Fachplaner und Kälteanlagenbauer

Bei der Realisierung von Prozesskälteanlagen mit Kaltwassersätzen von S-Klima sollten Kälte- und TGA-Fachbetriebe folgende Praxispunkte beachten:

• Frostschutz-Überwachung: Der Strömungswächter und der Frostschutzthermostat am Plattenwärmeübertrager müssen eigensicher verdrahtet sein. Ein Einfrieren des Wärmeübertragers bei Soletemperaturen unter 0 °C führt unweigerlich zu irreparablen Rissbildungen und Kältemittelverlust.
• Kältemittel-Füllmenge und Sicherheit: Da Kaltwassersätze als geschlossene Monoblock-Kompaktsysteme im Außenbereich aufgestellt werden, ist der Kältemittelkreislauf vollständig aus dem Gebäudeinneren verbannt. Dies vereinfacht die Einhaltung der Sicherheitsnorm DIN EN 378 und der F-Gase-Regeln drastisch.
• Schwingungsentkopplung: Aufgrund der variablen Drehzahlen von Inverter-Scroll-Verdichtern müssen elastische Kompensatoren an den Wasseranschlüssen und Schwingungsdämpfer unter dem Grundrahmen installiert werden, um Resonanzübertragungen in Industriehallendächer auszuschließen.

Für Fachhandwerker, Industrieplaner und kaufmännische Entscheider bietet das Fachportal www.klimacorner.de eine herstellerübergreifende Plattform mit fundierter technischer Beratung, detaillierten Planungsunterlagen sowie direkten Bezugswegen für Inverter-Klimasysteme, Kaltwassersätze und fortschrittliche Wärmepumpentechnik.

Hersteller-Videos und Social Media

Passende Videos des Herstellers:

• S-Klima Fachwissen und Produktlösungen

Aktuelle Beiträge des Herstellers in den sozialen Medien:

• LinkedIn – S-Klima News und Systemlösungen für moderne Kälte- und Klimatechnik