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Klimaschutz durch optimierten Betrieb von Kälteanlagen in Fleischereien
VON ULF-DIETER PITZING, HELGARD ANDING UND PETER KÜHNEL
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Einleitung
Am Beispiel von 6 handwerklichen Fleischereien unterschiedlicher Größenordnung wurden Energieeinsparpotenziale beim Betrieb der Kälteanlagen untersucht und Empfehlungen gegeben, mit
denen die gesamte Branche ihren Energieeinsatz für die Bereitstellung der für die Produktion notwendigen Kälteleistung bewerten kann. Auf der Basis einer Energieanalyse durch Infrarotthermografie und Bewertung durch die Autoren wurden bei den beteiligten Handwerksbetrieben Energiereduzierungspotenziale abgeschätzt, Maßnahmen zur Optimierung des Energieeinsatzes erarbeitet und deren wirtschaftliche Auswirkungen anhand einer Wirtschaftlichkeitsbetrachtung beurteilt.
Die Umsetzung der Empfehlungen wird den wirtschaftlichen Bestand vieler Fleischereien im hohen
Maße sichern, da die bisherigen Lösungen und Handlungsweisen oftmals nicht den heutigen Anforderungen an einen effizienten Energieeinsatz entsprechen.
Die Energiekosten in Fleischereien haben je nach Betriebsgröße einen Anteil am Gesamtumsatz
von 3–4 %. Angesichts steigender Energiepreise sprechen nicht nur ökologische (Klimaschutz)
sondern auch betriebswirtschaftliche Gründe für ein verstärktes Einsparen von Energie. Der Energieverbrauch ist von Fleischerei zu Fleischerei sehr unterschiedlich und hängt stark vom Produktionsspektrum ab. So erfordert ein vielfältiges Wurstwarensortiment eine aufwändige Maschinenausstattung.
Die größten Einsparpotenziale liegen somit bei den Kälteanlagen, in der Warmwasserbereitung
und bei den Koch- und Backprozessen.
Nach Untersuchungen des Bayerischen Landesamtes für Umwelt1 wird bis zu einem Drittel des
gesamten Energieverbrauchs in einer Fleischerei für das Kühlen und Gefrieren aufgewendet.
Kälte wird üblicherweise mit Strom in Kälteanlagen erzeugt. Wichtig ist eine möglichst hoheTemperatur am Verdampfer, der dem Kühlmöbel oder dem Kühlraum die Wärme entzieht. Über den Kühlkreislauf wird die Wärme zum Verflüssiger transportiert und dort an die Umgebungsluft abgegeben.
Mit niedrigen Temperaturen am Verflüssiger erreicht man einen möglichst hohen Wirkungsgrad der
Kälteanlage.
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Klima schützen – Kosten senken, Energiesparen in Metzgereien, Bayerisches Landesamt für Umwelt, 2007
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Grundlagenuntersuchungen
Die Untersuchungen wurden in 3 Themen gegliedert:
1. Erhebungen zur Kälte- und Gefriertechnik in den beteiligten Fleischereien und Basisdaten zum
Unternehmen
Die Erhebung der Kälte- und Gefriertechnik sowie einiger Betriebsangaben sollte als Grundlage für
eine Vergleichbarkeit einzelner Kriterien und der Ableitung möglicher Basisdaten und Kennziffern
zu den Unternehmen dienen.
2. Infrarotthermografische Untersuchungen an und in den Kälteräumen, der Kältetechnik und dem
Verteilungssystem
Infrarotthermische Untersuchungen2 sind durch die Medien weitgehend bekannt und sollen daher
nur kurz erläutert werden: Alle festen Oberflächen senden Wärmestrahlen oberhalb des absoluten
Nullpunkts aus. Wenn die Temperatur etwa 500 °C übe rsteigt, kann man das Leuchten mit eigenen Augen als Glühen sehen. Bei Umgebungstemperatur leuchten alle festen Körper im tiefen Infrarot. Dieses langwellige Infrarotlicht "sieht" jede Thermografiekamera und setzt diese in so genannte Falschfarben um, die der menschlichen Empfindung entsprechen (z.B. Rot für Warm und
Blau für Kalt). Weil die Helligkeit des IR-Lichts sehr stark von der Temperatur abhängt, kann man
damit die Oberflächentemperatur berührungslos messen. Die Thermografie ist eine Untersuchungsmethode, die sich in vielen Bereichen der Wissenschaft und Technik einsetzen lässt. Überall wo Temperaturunterschiede eine Rolle spielen, lässt sich diese Technik anwenden. In der Kälte- und Klimatechnik bestehen vielfältige Einsatzmöglichkeiten der Thermografie. So können beispielsweise der Verlauf von Leitungssystemen, aber auch Lecks in Leitungssystemen zerstörungsfrei gefunden und lokalisiert werden.
Bisher nicht angewendet wurde die Thermografie mit dem Ziel der Leckage- und Mängelortung im
Inneren von begehbaren Kälteräumen.
3. Bewertung der Kälteerzeugung und Kälteverteilung
Die Bewertung der festgestellten Umstände bzw. Tatsachen wurde gemeinsam durchgeführt.
2
www.wikipedia.org
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Ergebnisse
3.1
Betriebs- und Anlagedaten
Betriebsdaten sind nicht nur sensibel, sondern auch schwierig zu vergleichen. Aus den ermittelten
Daten lassen sich zum Beispiel sinnvoll der Warendurchsatz mit dem Aufwand an elektrischer Energie vergleichen.
Jährlicher Strombezug und Fleischdurchsatz
3.000.000
Fleischdurchsatz kg/a
Strombezug kWh/a
2.500.000
2.000.000
1.500.000
1.000.000
500.000
0
1
2
3
4
5
6
7
Fleischer
Diagramm 1- Wareneinsatz und Strombezug
Stromintensität (Strombezug/Fleischeinsatz) kWh/kg
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Fleischer
Diagramm 2 - Stromintensität
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Im Diagramm 2 ist die Stromintensität (Quotient aus Fleischdurchsatz und Strombezug) der beteiligten Unternehmen dargestellt. Es zeigen sich sehr große Unterschiede, auch zwischen Fleischereien mit ähnlicher Struktur.
Dieser Intensitätsansatz kann und darf nicht zu einer Bewertung zwischen den einzelnen Unternehmen führen, dazu sind die Basisdaten zu verschieden. Es ist aber sinnvoll, innerhalb eines Unternehmens diesen Quotienten von Jahr zu Jahr fortzuschreiben und auszuwerten. Änderungen
haben Ursachen und auf diese gilt es dann zu reagieren. Sinkt dieser Quotient, dann wirken die
eingeleiteten Maßnahmen, steigt er, sind die Ursachen zu erforschen und Änderungen herbeizuführen.
Natürlich sollte er dem Unternehmer auch dazu dienen, die Ursachen für die Abweichungen zu anderen Fleischereien kritisch zu überprüfen. Kurzfristig eingeleitete Maßnahmen wirken oft unmittelabr. Dann hat man eine sehr wertvolle Größe mit wenig Aufwand, aber großer Aussagekraft bestimmt.
3.2
Thermografische Untersuchungen
Die thermografischen Untersuchen hatten folgende Ziele:
• Leckageortung
• Dokumentation von Wärmebrücken sowie
• Dokumentation fehlender oder beschädigter Isolierung
Dabei wurden sowohl die Kälteräume als auch die Kälteerzeugung und Kälteverteilung betrachtet.
Die Thermografie ist dazu das geeignete Untersuchungsmittel, da sie zerstörungsfrei arbeitet und
sofort Aussagen zulässt. Die gewonnenen Bilder werden als Thermogramme bezeichnet.
3.2.1
Leckageortung und -beseitigung
Leckagen sind nicht ganz vermeidbar, so dass deren Minimierung das Gebot der Stunde darstellt.
Typische Leckagen sind die Zugänge zu den Kälteräumen. Hier ist bereits visuell erkennbar, dass
es beträchtliche Wärmeverluste gibt.
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Abbildung 1 - Leckage durch Türschwelle
Abbildung 2 Thermogramm der Türschwelle
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Abbildung 3 - Pendeltür
Abbildung 4 - Thermogramm zeigt die Notwendigkeit der Justierung
Nachfolgend werden die wichtigsten Leckagen aufgezählt:
• Undichte, beschädigte, entfernte oder gar nicht vorhandene Türdichtungen im Eingangsbereich der Kälteräume
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• Ungenügend schließende Durchführungen der Kranbahn
• Gewaltsame Durchführungen von (Hilfs)-Kabeln.
Die Leckagen können oft sogar in Eigenregie beseitigt werden. Die einzusetzenden Mittel sind überschaubar, neue Türdichtungen liefern die Hersteller der Kälteräume und bauen sie bei Bedarf
auch ein. Die Durchführung der Kranbahn sollte sauber, d.h. entsprechend der Kontur, ausgeschnitten werden. Wenn die Kranbahn nur wenig oder nicht mehr in Betrieb ist, dann ist ein Verschluss mit einer auf Passung geschnittenen Polystyrolplatte eine zu empfehlende Lösung.
Abbildung 5 - Leckage durch Kranbahndurchführung
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Abbildung 6 - Thermogramm der Kranbahndurchführung
3.2.2
Wärmebrücken
Eine Wärmebrücke (fälschlicherweise als Kältebrücke bezeichnet) ist ein Bereich einer Anlage,
durch den die Wärme schneller transportiert wird, als durch die benachbarten Bauteile. In Bezug
auf Kälteräume heißt das, dass die Wärme stärker von Außen nach Innen fließt.
Man unterscheidet konstruktive, geometrische und materialbedingten Wärmebrücken.
• Konstruktive Wärmebrücken entstehen durch Konstruktionen mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit der verwendeten Materialien.
• Geometrische Wärmebrücken ergeben sich beispielsweise durch Ecken oder Vorsprünge in
einem ansonsten homogenen Bauteil, wenn der Innenfläche eine größere Außenfläche,
durch die die Wärme abfließt, gegenüber steht.
• Materialbedingte Wärmebrücken liegen dann vor, wenn in Wärmestromrichtung unterschiedliche Baustoffe im Querschnitt liegen.
Auf Kälteräume bezogen bedeutet das, dass im Bereich von Wärmebrücken die raumseitige Oberflächentemperatur höher als in den benachbarten Bauteilen ist. Wärmebrücken führen zu höherem
Transmissionswärmeverlusten und damit zu höherem Kältebedarf.
Geometrische Wärmebrücken sind nicht vermeidbar und werden daher nicht weiter betrachtet.
Konstruktive und materialbedingte Wärmebrücken sind vermeidbar, allerdings nur während der
Konstruktions-, Bau- und Montagephase des Kälteraumes, danach nicht mehr. Hier kann die Thermografie nur dann helfen, wenn ihr Einsatz rechtzeitig stattfindet, also spätestens in dem sich anschließenden Gewährleistungszeitraum. Solche Wärmebrücken sind sehr gut im Thermogramm zu
erkennen und es besteht eine gute Möglichkeit, diese frühzeitig abzustellen. Nachträgliche Korrekturen sind sehr kostenintensiv und sicher nur im Rahmen einer Mängelbeseitigung ausführbar.
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Abbildung 7 - Unauffällige Raumecke
Abbildung 8 - Wärmeverluste in der Raumecke erkennbar
3.2.3
Fehlende oder beschädigte Isolierung
Kleine Ursache – große Wirkung
Beschädigte Isolierungen können mit wenig Aufwand durch eine Fachkraft wieder instand gesetzt
werden. Die Ursachen für eine zerstörte Isolierung sind vielfältig: vorangegangene Reparaturen,
Anecken beim Transportieren von Waren, hohe Temperaturen usw.
Hier empfehlen sich Maßnahmen, die einer Wiederholung vorbeugen:
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Mechanischer Schutz oder Anfahrschutz.
Fehlende Isolierungen sind ein anders gelagertes Problem. Der Kälteanlagenbauer ignoriert in aller Regel den Schutz der wärmeführenden Leitungen vor Wärmeverlusten. Für den Fleischer als
Betreiber stellt diese unkontrolliert abgegebene Wärme ein großes Problem dar. Der Aufstellraum
der Kälteanlagen überhitzt sich stark, die Kälteanlagen sind aber nur bei normalen Raumtemperaturen effizient. Diese Wärme muss durch eine zusätzliche Be- und Entlüftung aus dem Aufstellraum abgeführt werden.
Hier ist generell zu empfehlen, alle Versorgungsleitungen zu isolieren. Eine sachkundige Beratung
sowie die Auswahl der Dämmstärken und -stoffe sollten durch einen Fachmann erfolgen. Im gleichen Zuge sollte die Verwendung dieser Restwärme überdacht werden.
Abbildung 9 - Kältekreislauf im Keller
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Abbildung 10 - Thermogramm vom Abbildung 9
3.3
Begehung und Bewertung
Die Begehung und Bewertung gemeinsam mit einem externen Experten brachte weitere Aspekte
zur Reduzierung des Energiebedarfs von Kälteanlagen. Positiv aufgefallen ist, dass durch die Fleischer selbst bereits viele Beispiele Guter Praxis umgesetzt wurden.
Abbildung 11 - Zentraleinheit
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Abbildung 12 - Verflüssiger in Außenaufstellung
Abbildung 13 - Pendeltür
Nachfolgend sind die Ergebnisse zusammengestellt1:
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3.3.1
Organisatorische Maßnahmen
Maßnahmen mit großer Wirkung!
• Verflüssiger (Kondensator) regelmäßig reinigen!
Die Verflüssiger (Kondensatoren) befanden sich sehr häufig in Kellerräumen oder sogar direkt in
der Nähe der Kälteanlage. Damit die Kälteanlage auch bei eigentlich zu hohen Umgebungstemperaturen die Leistung hält, muss der Verflüssiger regelmäßig gereinigt werden.
• Kühlraumtüren nur kurz öffnen!
Es entweicht kalte Luft und die eindringende feuchte und warme Luft führt zur Vereisung am Verdampfer. Informieren Sie Ihre Mitarbeiter: am besten sind auffällige Schilder, damit die Anweisungen nicht in Vergessenheit geraten.
• Kühlraumbeleuchtung abschalten!
Die Beleuchtung in Kühlräumen und in Kühlmöbeln erhöht den Stromverbrauch gleich zweimal.
Zum einen durch den Stromverbrauch der Lampe selbst, zum anderen durch die Wärmeabgabe,
welche den Kältebedarf erhöht. Es lässt sich zum Beispiel durch ein automatisches Kontrollsignal
leicht feststellen ob das Licht ein- bzw. ausschaltet ist.
Die gute Nachricht: Es wurden viele Beispiele Guter Praxis angetroffen.
3.3.2
Einfache technische Maßnahmen
- Kälteschutzvorhänge, Pendeltüren
Zur Reduzierung der Lüftungswärmeverluste bei der Kühlraumnutzung sollten Kälteschutzvorhänge verwendet werden. Die Thermogramme zeigen, dass mit vergleichsweise wenig Aufwand sehr
positive Wirkungen erzielt werden. Kälteschutzvorhänge lassen sich schon für ca. 400 Euro anbringen.
- Automatische Verdampferabtauung
Die Vereisung von Verdampfern ist unbedingt zu verhindern. Hier ist in jedem Falle der Kälteanlagenbauer zu Rate zu ziehen.
- Türdichtungen und Türschlösser
Neue Türdichtungen und Türschlösser verhindern den unkontrollierten Kälteverlust. Eine neue Türdichtung lässt sich meist einfach in Eigenleistung einsetzen und rechnet sich schon innerhalb eines Jahres. Durch beschädigte Türdichtungen oder defekte Türschlösser dringt dauerhaft warme,
feuchte Luft ein. Für die meist ungenügenden Abdichtungen gilt das Gleiche. Durch den Warmlufteintrag kommt es zu einer schnellen Vereisung der Verdampfer. Messungen haben ergeben,
dass dies zu einem Strommehrverbrauch von bis zu 40 % führen kann.
- Zwangsbelüftung
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Der Energiebedarf von Kühlgeräten verringert sich mit abnehmender Umgebungstemperatur. Der
für Wohnräume bekannte Zusammenhang, dass 1°C Tempe raturabsenkung zu einer Energieeinsparung von 4 % führt, gilt auch für die Umgebungstemperatur der Kälteanlage. Eine ausreichende
Luftzufuhr durch eine wirksame und ausreichend dimensionierte Be- und Entlüftung ist überlebensnotwendig für die Verflüssiger.
Abbildung 14- Ersatz durch Zentraleinheit empfohlen
siehe oben in Beispiele Guter Praxis
Abbildung 15 - Thermogramm von Abbildung 14
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3.3.3
Investitionen und größere technische Maßnahmen
Siehe Beispiele Guter Praxis
Bei Installation einer neuen Kälteanlage sollte auf Folgendes geachtet werden:
- Ausreichende Dämmung und Stärke des Isoliermaterials der Kühlräume
Richtwerte für die Dämmschichtstärke wurden vom Bayerischen Landesamt für Umwelt veröffentlicht1. Das Dämmmaterial muss intakt sein, d.h. trocken und unbeschädigt.
- Block-Anordnung der Kühl- und Gefrierräume
Ein Zugang des Gefrierraumes durch einen Vorkühlraum ermöglicht die Nutzung der Kälteverluste
durch das Öffnen des Gefrierraumes im davor liegenden Kühlraum. Sind mehrere Kühlstellen vorhanden, lässt sich eine Verbundanlage einplanen. Die Verbundanlage ermöglicht eine bedarfsoptimierte Kälteerzeugung und hat ein besseres Teillastverhalten als Einzelaggregate. Die Installation einer Wärmerückgewinnung ist auch weniger aufwändig und damit kostengünstiger.
- Kältemittel
Ältere Kälteanlagen enthalten zum Teil noch Halogen-Kohlenwasserstoffe als Kältemittel, die zur
Zerstörung der Ozonschicht beitragen. Für das Kältemittel R 22 besteht in Deutschland für Neuanlagen ein generelles Verbot. Vorerst können R 22-Komponenten noch zur Reparatur bestehender
Anlagen verwendet werden. Die Erweiterung einer Kälteanlage mit dem Kältemittel R 22 ist nicht
mehr erlaubt. Anzumerken ist, dass die Verfügbarkeit von Drop-in3 -Kältemitteln sinkt und viele
Kälteanlagenbauer sie bereits nicht mehr anbieten. Es besteht also bei einem Ausfall der Kälteanlage die Gefahr, dass die Ware verdirbt. Das Kältemittel R 404a ist heute für die Kühlung im Bereich von –24 bis +5° C etabliert.
3.3.4
Wärmerückgewinnung
Bei der Kälteerzeugung fällt an den Verflüssigern (Ab)-Wärme an. Gleichzeitig besteht in einer
Fleischerei aus Hygienegründen ein hoher Bedarf an Warmwasser. Diese Abwärme kann genutzt
werden. Es müssen einige Voraussetzungen für die Wirtschaftlichkeit einer Wärmerückgewinnung
erfüllt sein:
•ein Warmwasserverbrauch von mindestens 750 Liter pro Tag
•mindestens 8–10 kW installierte Kälteleistung
•möglichst kurze Kältemittelleitungen zum Aufstellort des Warmwasserspeichers
•ein Warmwasserspeicher, da die Abwärme aus den Kälteanlagen kontinuierlich anfällt, Warmwasser aber schubweise, z. B. zur Reinigung, benötigt wird.
Ein Betrieb mit einem Warmwasserverbrauch von 1000 Liter pro Tag z. B. benötigt mindestens
einen Speicher mit 600 Liter Volumen. Empfehlenswert sind natürlich ein möglichst großes Speichervolumen und eine Schichtenspeicherung.
3
Drop-in bedeutet Austausch lediglich des Kältemittels, nicht des Öls in der Kälteanlage)
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Bei der Auslegung und der Installation einer Wärmerückgewinnung aus Kälteabwärme ist zu beachten, dass das erzeugte Warmwasser ein Temperaturniveau von 45°C nicht wesentlich überschreiten soll, um den Wirkungsgrad der Kälteanlage nicht zu verschlechtern. Die notwendige
Nacherwärmung (z.B. auf 60°C) sollte mit einer zent ralen Warmwasserbereitung, aber nicht mit
Strom, erfolgen. Erzielbare finanzielle Einsparungen liegen in kleinen und mittleren Betrieben bei
ca. 1.000 bis 2.000 Euro pro Jahr (2.000 Euro, wenn das Warmwasser zuvor elektrisch bereitet
wurde).
Die Investitionskosten sind abhängig von den räumlichen Gegebenheiten vor Ort und von der Anzahl der einzubindenden Kälteanlagen.
Die Erfahrung zeigt: Eine Abwärmenutzung der Kälteanlagen ist fast in jedem Fall wirtschaftlich.
Vorteilhaft ist es, mehrere Kälteanlagen im Verbund zu schalten (z.B. die Ladenkühlgeräte). Es
verringern sich die Anzahl der zu installierenden Wärmetauscher im Speicher und damit die Installationskosten. Wärmetauscher müssen regelmäßig entkalkt werden, damit eine gute Wärmeübertragung gewährleistet werden kann.
4
Umsetzung der Ergebnisse
Die Umsetzung der Ergebnisse wird von den Fleischern selbst in Angriff genommen. Unterstützung und Hilfe wird vom Landesinnungsverband Fleischer und vom Umweltzentrum des Handwerks angeboten und gewährleistet. Damit können alle Fleischereien in Thüringen die Möglichkeiten der IR- Thermografie für ihre Betriebe nutzen und damit durch eine effiziente Kältenutzung zum nachhaltigen Klimaschutz beitragen.
Die Checkliste, welche in der Schrift „Klima schützen – Kosten senken, Energiesparen in Metzgereien“ des Bayerischen Landesamts für Umwelt (2007) veröffentlicht wurde, deckt sich voll mit unseren Ergebnissen.
5
Zusammenfassung
Die Zielstellung des Projektes, für handwerkliche Fleischereien unterschiedlicher Größenordnung
Energieeinsparpotenziale beim Betrieb der Kälteanlagen aufzuzeigen und branchenspezifische
Empfehlungen zu geben, wurde im vollen Umfang erreicht.
Durch das Projekt wurde die Möglichkeiten der energetischen Bewertung von Kälteanlagen mittels
der Thermografie erstmalig erarbeitet und dokumentiert.
Im Sachbericht werden zugleich wesentliche und häufige Probleme und Lösungen dafür aufgezeigt. Die Checkliste im Anhang ist für eine eigene Erstbewertung gedacht.
Den Thüringer Fleischereien steht damit eine weitere, kostengünstige technische Dienstleistung
des Umweltzentrums des Handwerks zur Verfügung.
Erfurt und Rudolstadt
Ulf-Dieter Pitzing
Peter Kühnel/ Helgard Anding
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