Kälteanlagen halten Schränke, Räume und ganze Gebäude kühl. Die dazu erforderliche Kompressorleistung hängt von der Grösse, der Dämmung und der Temperaturdifferenz ab. Daraus ergeben sich folgende vier Ansatzpunkte für die rationelle Verwendung von Energie:

  1. Der Kühlraum soll ein Minimum an Kälteleistung benötigen (Grösse, Dämmung, Dichtigkeit, Fremdwärme).
  2. Die Kühltemperatur soll nur so tief wie nötig sein (regelmässige Kontrolle der Kühltemperatur, Vereisung des Verdampfers).
  3. Die Abgabetemperatur beim Verflüssiger soll so tief wie möglich sein (Prüfung für sinnvolle Nutzung der Abwärme um 30 °C).
  4. Die Anlage sollte dem Stand der Technik entsprechen und gut gewartet werden (Reinigung Verdampfer und Kondensator).
Diagramm des Kältekreislaufes.
Je tiefer die Temperatur für die Kälteabgabe und je höher die der Wärmeabgabe ist, desto mehr Verdichterleistung ist erforderlich.

Energiefluss durch eine Kälteanlage

In einer Kälteanlage wird mit elektrischer Energie Wärme aus dem Kühlraum an die Umgebung abgegeben. Der Stromverbrauch hängt nicht nur vom Kompressor ab, sondern auch vom Kühlraum und den diversen Zusatzaggregaten.

Die Funktion einer Kältemaschinen wird im gleichnamigen Beitrag erklärt.

Diagramm Energiefluss durch eine Kälteanlage, gut und schlecht.
Energiefluss durch eine suboptimale (rot) und eine optimale (grün) Kälteanlage. Beide haben eine genutzte Kühlleistung von 50 kW.

Eine alternative Darstellung mit den Einsparmöglichkeiten zeigt die untenstehende Tabelle.

  100% Elektrische Leistungsaufnahme
  15% Verluste durch Nebenaggregate (Ventilatoren, Heizungen, Beleuchtung)
  20% Verluste im Antriebsmotor des Kompressors
  25% Umwandlungsverluste im Kompressor
  40% Wirksame Verdichterleistung des Kompressors
220% Abwärme im Rückkühler oder zum Beispiel für Warmwasser
  150% Kälteleistung (Kältezahl ε 1,5)
  20% Kälteverlust durch Enteisung
  10% Wärmeeintrag durch Ventilator, Enteisung, Beleuchtung, Rahmenheizung
  50% Transmissionsverluste der Tiefkühlzelle (Wärmedämmung)
  50% Lüftungsverluste der Tiefkühlzelle (Lecks, Türöffnungen)
  20% Abkühlen von Gefriergut, Behälter und Personal
Beispiel des Energieflusses in einer 2,2 kW Tiefkühlanlage mit einer Systemleistungsaufnahme 3 kW. (Quelle: Schätzung Gloor

Kreisläufe in Kälteanlagen

Grössere Kälteanlagen haben mehrere Energie-Kreisläufe um die Menge Kältemittel möglichst gering zu halten. Jeder zusätzliche Kreis erfordert einen weiteren Energieaufwand durch die Temperaturdifferenz über die Wärmetauscher und die Pumpen.

Schema einer einfachen und komplizierten Kälteanlage.
Je nach Anlagengrösse gibt es bei Kälteanlagen zusätzliche Kreisläufe. 

Kühlräume

Bei Kühlräumen geht es um die Aufrechterhaltung einer konstanten Kühlraumtemperatur unabhängig von der Aussentemperatur. Die erforderliche Kühlleistung ergibt sich aus der Kühlraumoberfläche und ihrem spezifischen Wärmeverlust, den Wärmeverlust über den Luftaustausch und der Differenz zur Aussentemperatur. Der Stromverbrauch sollte etwa proportional zur Aussentemperatur sind. Folgende Energiesparmöglichkeiten ergeben sich:

  • Energie-Monitoring: Aufzeichnung und Überwachung des Stromverbrauchs. Der Stromverbrauch sollte etwa proportional zur Aussentemperatur sind.
  • Kühltemperatur: Aufzeichnen, dem Bedarf anpassen
  • Raumgestaltung: minimale Oberfläche (Kugelform), Unterteilung in abtrennbare Zonen für Teilabschaltung
  • Raumumgebung: Kühlraum neben kühlen Räumen, Erdreich, Nordfassade; Kühlräume nebeneinander, nicht verteilt im Gebäude, kühle Vorzone beim Eingang
  • Wärmedämmung: U-Wert ≤ 0.15 W/m²K oder   Wärmefluss ≤ 5 W/m² (EN-6 der EnFK), vermeiden von Wärmebrücken, wärmereflektierende Fenster
  • Lüftungsverluste: Türdichtungen, Türen verkleinern, Siphon überprüfen
  • Zugänge: automatische Türen, Luftschleier, LKW-Isolier-Andockstelle, warme Güter zuvor auf Raumtemperatur abkühlen
  • Innere Lasten: effiziente Beleuchtung, Präsenzmelder für Sektoren, effiziente Lüfter (Ventilatoren mit EC-Motoren), überwachtes Abtauen
  • Luftzirkulation: optimale Befüllung des Kühlraums für   gute Luftzirkulation

Abkühlzonen

Bei Abkühlzonen geht es um die Abkühlung von Produkten. Nebst dem Wärmeverlust über die Oberfläche geht es vor allem um die Abkühlung der neu eingebrachten Produkte. Die erforderliche Kühlleistung hängt von der Differenz zwischen Eingangs- und Kühltempertur ab, der spezifischen Wärmekapazität der Produkte (bei Lebensmittel etwa wie Wasser 4.18 kJ/kgK) und dem Massenstrom (kg/h).  Folgende Energiesparmöglichkeiten ergeben sich:

  • Energie-Monitoring: Aufzeichnung und Überwachung des Stromverbrauchs. Der Stromverbrauch sollte etwa proportional zur Aussentemperatur sind und der eingebrachten Produkte pro Zeit.
  • Kühltemperatur: Dem Bedarf anpassen, Aufzeichnen
  • Vorkühlung: Warme Produkte zuvor auf Raumtemperatur abkühlen
  • Kältenutzung: Beim Wiedererwärmen von Produkten Kälterückgewinnung
  • Produktebehälter: Behälter mit geringer thermischer Masse, Benutzte Behälter gekühlt wieder verwenden (wenn möglich)
  • Raum: Minimale Oberfläche, Vermeiden von hohen Umgebungstemperaturen (Zusatzdämmung)
  • Wärmedämmung: U-Wert ≤ 0.15 W/m²K, Vermeiden von Wärmebrücken, wärmereflektierende Oberflächen und Fenster
  • Lüftungsverluste: Türdichtungen, Serviceöffnungen, Materialöffnungen
  • Ein- und Ausgänge: Automatische Türen, Luftschleier
  • Innere Lasten: Effiziente Beleuchtung, Betrieb nur wenn erforderlich, Effiziente Lüfter (Ventilatoren mit EC-Motoren), Effiziente Förderanlagen (geringe Reibung), überwachtes Abtauen
  • Luftzirkulation: Optimale Luftführung auf zu kühlende Objekte

Kennzahlen

Anlagentyp zentrale Kälteanlage integrierte Kälteanlage
Tiefkühlmöbel pro m² horizontal offene Präsentationfläche und Jahr 4'700 kWh/m²a 13'100 kWh/m²a
Tiefkühlmöbel pro m² horizontal verglaster Präsentationfläche und Jahr 2'900 kWh/m²a 6'600 kWh/m²a
Tiefkühlmöbel pro m² vertikal verglaster Präsentationfläche und Jahr 10'000 kWh/m²a 11'000 kWh/m²a
Kühlmöbel pro m² horizontal offene Präsentationfläche und Jahr 2'400 kWh/m²a 3'700 kWh/m²a
Kühlmöbel pro m² horizontal verglaster Präsentationfläche und Jahr 2'000 kWh/m²a 3'700 kWh/m²a
Kühlmöbel pro m² vertikal verglaster Präsentationfläche und Jahr 4'700 kWh/m²a 7'700 kWh/m²a
Tiefkühlraum pro m³ und Jahr 600 kWh/m³a 1200 kWh/m³a
Kühlraum pro m³ und Jahr 400 kWh/m³a 500 kWh/m³a
Angestrebter Jahresstromverbrauch von Kühlanlagen.
(Quelle: Norm SIA 380/4, Tabellen 3.19 bis 3.20, Werte aus 3.21 korrigiert)

Energiesparmassnahmen

Prozess Massnahme Bemerkungen
Abwärmenutzung Die Abwärme einer Kühlanlage eignet sich sehr gut zur Vorwärmung bis 45 °C von Warmwasser über einen Wärmetauscher. Pro kW Kompressorleistung kann etwa mit 2,5 kW Wärmeleistung gerechnet werden.
Luftkühlung Der Wärmetauscher für die Abwärme sollte sauber sein und möglichst kalte Luft ansaugen (Anordnung, Lüftungsöffnungen ..). Einsparmöglichkeit von 2 bis 15 % des Stromverbrauchs.
Überfüllung Kühlmöbel sollten nur bis zur Marke gefüllt werden, schon wegen der Warentemperatur. Unnötige Verpackung und leere Gebinde gehören nicht in den Kühlraum. Energieeinsparungen bis 20 % sind möglich.
Wasserkühlung mit Frischwasser Der Wasserverbrauch sollte wie der Stromverbrauch kontrolliert werden. Eine tiefe Wasseraustrittstemperatur weist auf einen zu grossen Wasserdurchfluss hin. Ohne Abwärmenutzung, ist die Kühlung über eine Rückkühlanlage oft wirtschaftlicher (Wassergebühren). Je nach Tarif und Einstellung können die Kosten für das Kühlwasser (meistens Trinkwasser) in den Bereich der Stromkosten gelangen.
Temperatur Die Kühlraumtemperatur sollte nicht tiefer als erforderlich sein. In der untenstehenden Tabelle sind einige Lagertemperaturen aufgeführt. Eine Kühlraumtemperatur von -18 °C erfordert 25 % weniger Energie als eine von -23 °C.
Abdeckung Offene Kühlmöbel in der Nacht abdecken und Temperatursollwert anheben. Tagsüber können die Verluste mit einer IR reflektierenden Folie an der Decke reduziert werden. Mit einer konsequenten Abdeckung kann bis zu einem Viertel der Energie eingespart werden.
Dichtigkeit Nebst dem Kälteverlust über die Isolation gibt es auch Lüftungsverluste durch undichte Türdichtungen, Bodenelemente und Kondensatleitungen ohne Siphon. Undichtigkeiten führen auch zu vermehrter Vereisung. Türen sollten nur für kurze Zeit offen sein, automatische Türen sind zu aktivieren.
Wärmedämmung Ein schlecht gedämmter Kühlraum verliert viel Kälte. Bei einer Kühlraumtemperatur von unter 8 °C ist eine Wärmedämmung mit einem u-Wert von 0,15 W/mK erforderlich (etwa 20 cm Dämmstärke). Nach kantonalen Wärmedämmvorschriften darf der Wärmezufluss 5 W/m² nicht übersteigen. Er darf natürlich auch tiefer sein.
Wartung Regelmässige Reinigung des Verdampfer und der Kondensatoren. 2 bis 10 % Sparpotential.
Neuanschaffung Beim Kauf einer neuen Kälteanlage sollte der Energieverbrauch beachtet werden. Eine gute Wärmedämmung und eine gute Kältemaschine. Schlussendlich zählen die Investitions- und Betriebskosten zusammen.
Aufstellung Der Kühlbereich sollte an einem möglichst kühlen und strömungsarmen Ort aufgestellt werden. Der Kondensator (Rückkühler) soll an einer kühlen strömungsreichen Stelle platziert werden, welche nicht von anderen Rückkühlern vorgeheizt wird. Man sieht immer wieder Kühlanlagen neben Wärmequellen und strömungstechnisch kurzgeschlossene Rückkühler.
Abtauung Anpassung der Abtauung an Erfordernisse (Wochenende, Raumfeuchte, Jahreszeit), Verlegung in die Niedertarifzeit.
Das Kondenswasser sollte über eine Leitung mit Siphon (damit es keinen Luftaustausch gibt) aus dem Kühlraum austreten können.		 Je nach Situation 2 bis 6 % Sparpotential.
Laufdauer Ein Kompressor sollte pro Schaltspiel mindestens einige Minuten laufen. 2 bis 5 % Sparpotential.
Zusatzaggregate Bei Kühlanlagen können die Zusatzaggregate wie Licht, Rahmenheizung, Ventilatoren, Pumpen bis 30 % des Verbrauchs ausmachen. Bei bedarfsgerechter Ansteuerung sind bis 15 % Sparpotential möglich.
Produktentnahme Wenn grössere Mengen aus dem Tiefkühlraum entnommen werden, können diese auch im Plus-Kühlraum aufgetaut werden. Bei geschickter Planung kann so etwas Kälteenergie im Plus-Kühlraum und Wärme in der Küche eingespart werden . Ein Kilogramm Gefriergut hat von - 18 °C bis + 5 °C einen Energieinhalt von etwa 0,1 kWh/kg.
Spitzenleistung Grössere Kälteanlagen mit Speichermasse können zur Vermeidung einer Leistungsspitze kurzzeitig ausgeschaltet werden. Die zulässige Kühlraumtemperatur darf nicht überschritten werden.
Nachtstrom Nebst einer Temperaturabsenkung mit günstigen Nachtstrom gibt es auch Systeme mit Kältespeicher wie Binäreis (Flow-Ice). Bei grösseren Anlagen ab 10 kW Leistung eine prüfenswerte Variante.

Temperaturanforderungen beim Lebensmittelverkauf

Temperatur Produkte
-18 °C Tiefkühlprodukte (beim Abtauen darf die Temperatur auf höchstens -15 °C ansteigen)
+2 °C Fisch, Fleisch, Geflügel, Wild
+5 °C Milch, Rahm, Gekochte Fleischwaren
+10 °C Käse, Butter, Quark, Gemüse, Obst
Die Mindesttemperatur für Tiefkühlprodukte ist in der Hygieneverordnung des EDI festgelegt.