Welche Arten von Kaltwassersystemen gibt es für Kälte- und Klimatechnik?
Als Kernkomponente von zentralen Klimaanlagen in Gebäuden kann eine vernünftige Auslegung und präzise Steuerung von Kaltwassersystemen die Energieeffizienz erheblich steigern.
Mit der Entwicklung energiesparender Technologien haben sich Kaltwassersysteme von traditionellen Konstantstromsystemen zu intelligenten Systemen mit variablem Durchfluss weiterentwickelt, wodurch Energieeinsparungen erzielt und gleichzeitig dynamische Lastanforderungen erfüllt werden.
Bei der Auslegung von zentralen Klimaanlagen mit Kaltwassersystemen stehen stets zwei Kernziele im Vordergrund: die Anpassung an die jeweilige Last und die Optimierung des Energieverbrauchs.
Aktuell dominieren drei gängige Systeme den Bereich der Wassersysteme für zentrale Klimaanlagen: Konstantdurchfluss der Primärpumpe, variabler Durchfluss der Sekundärpumpe und variabler Durchfluss der Primärpumpe. Ihre Hauptunterschiede liegen in den Methoden der Durchflussregelung und der Energieeffizienz.
1. Primärpumpen-Konstantstromsystem
Das Konstantstromsystem mit Primärpumpe ist die älteste und am weitesten verbreitete Form von Kaltwassersystemen. Sein Kernmerkmal ist die Aufrechterhaltung eines konstanten Volumenstroms auf der Verdampferseite durch Pumpen mit fester Drehzahl, wobei Lastschwankungen ausschließlich durch Änderungen der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf ausgeglichen werden.
Das System besteht aus Kälteanlagen, Umwälzpumpen mit fester Drehzahl und Bypassleitungen. Die Kaltwasseranlagen sind jeweils einer Pumpe zugeordnet, und ein Differenzdruck-Bypassventil zwischen Hauptzu- und -rücklauf gleicht Durchflussschwankungen aus. Bei sinkender Last fließt überschüssiges Wasser über die Bypassleitung zurück, um einen konstanten Verdampferdurchfluss zu gewährleisten und Frostschäden zu vermeiden.
Ein zentraler Konstruktionsaspekt dieses Systems ist die Parameterabstimmung zwischen Bypassleitung und Differenzdruck-Bypassventil. Der Auslegungsdurchfluss muss dem Nenndurchfluss einer einzelnen Kaltwassereinheit entsprechen, um extreme Laständerungen bewältigen zu können.
Die Anlauflogik der Anlage basiert auf der Abweichung der Zulaufwassertemperatur (Überschreitung des Sollwerts für 10 bis 15 aufeinanderfolgende Minuten), während die Abschaltung der Anlage ausgelöst wird, wenn der Bypass-Durchfluss 110 bis 120 % der Durchflussrate einer einzelnen Anlage für 10 bis 20 aufeinanderfolgende Minuten erreicht.
Dieses System weist erhebliche Einschränkungen auf: Die Pumpen arbeiten stets mit Nennfördermenge. Selbst bei einer Auslastung von nur 40 % bleibt der Energieverbrauch auf Volllastniveau, was zu Energieverschwendung durch „hohe Fördermenge bei geringer Temperaturdifferenz“ führt. Daher eignet es sich nur für kleine Klimaanlagen oder Anwendungen mit minimalen Lastschwankungen.
2. Sekundärpumpen-System mit variablem Durchfluss
Um die Probleme des Energieverbrauchs des primären Pumpensystems mit konstantem Durchfluss zu lösen, erzielt das sekundäre Pumpensystem mit variablem Durchfluss Energieeinsparungen durch eine segmentierte Auslegung mit „konstantem Durchfluss auf der Kaltquellenseite + variablem Durchfluss auf der Lastseite“.
Das System ist in einen Primärkreislauf (Kaltwasserseite) und einen Sekundärkreislauf (Lastseite) unterteilt. Die Primärpumpen halten den Verdampfervolumenstrom konstant, während die Sekundärpumpen frequenzgesteuert arbeiten und über eine Ausgleichsleitung mit beiden Kreisläufen verbunden sind. Ändert sich der Volumenstrom auf der Lastseite, kehrt sich die Wasserflussrichtung in der Ausgleichsleitung um, um einen stabilen Betrieb der Kaltwasserseite zu gewährleisten.
Bei der Auslegung muss die Förderhöhe der Primärpumpen den Widerstand vom Verdampfer zum Ausgleichsrohr überwinden, während die Sekundärpumpen den Widerstand des ungünstigsten Kreislaufs auf der Lastseite abdecken müssen.
Sowohl beim Anfahren als auch beim Abschalten der Anlage wird die Gesamtlast mithilfe von Vor- und Rücklauftemperatur- und Durchflusssensoren ermittelt. Übersteigt die Gesamtlast die aktuelle Anlagenkapazität, wird die Anlage angefahren; andernfalls erfolgt die Abschaltung nach dem Prinzip, dass die verbleibende Kapazität den Bedarf deckt. Sekundärpumpen regeln den Durchflussbedarf der Anlage durch Anpassung der Drehzahl mittels konstanter Differenzdruckregelung.
Im Vergleich zum System mit konstantem Primärpumpenvolumenstrom reduziert das Sekundärpumpensystem den Energieverbrauch auf der Sekundärseite um 30–50 %. Allerdings weist es weiterhin Probleme mit einem nicht optimierten Energieverbrauch auf der Kältequellenseite auf und zeichnet sich durch eine komplexe Struktur, einen hohen Platzbedarf und eine schwierige Steuerung aus. Es eignet sich für Fernkälteanwendungen in großen Gebäudekomplexen.
3. Primärpumpen-System mit variablem Durchfluss
Das Primärpumpen-Volumenregelsystem ist eine Neuentwicklung, die auf bahnbrechenden Innovationen in der Kaltwassergeräte-Fertigungstechnologie basiert. Es handelt sich um ein Klimaanlagen-Kaltwassersystem, das sich für hocheffiziente Kälteanlagen eignet. Die Kerninnovation besteht in der Realisierung synchroner variabler Volumenströme sowohl auf der Verdampfer- als auch auf der Lastseite.
Das System ersetzt Pumpen mit fester Drehzahl durch Pumpen mit variabler Frequenz und ist mit Kaltwassereinheiten mit variablem Durchfluss gekoppelt. Dadurch kann die Verdampferdurchflussrate stufenlos im Bereich von 15 % bis 100 % eingestellt werden, wodurch Energieverschwendung durch „große Durchflussraten“ grundsätzlich vermieden wird.
1)Das System besteht aus drei Hauptkomponenten :
Kaltwassergeräte mit variablem Durchfluss: Die zulässige Durchflussänderungsrate und der Durchflussbereich ihrer Verdampfer bestimmen direkt die Systemleistung. Hochwertige Geräte können die Auslaufwassertemperatur auch bei Durchflussschwankungen stabil halten.
Bypass-Vorrichtung: Wenn der Durchfluss am Auslass niedriger ist als der minimal zulässige Durchfluss des Geräts, öffnet sich das Bypass-Ventil, um die Sicherheit des Verdampfers zu gewährleisten.
Frequenzumrichterpumpen: Eine Eins-zu-eins-Zuordnung der Einheiten ist nicht erforderlich; die Drehzahl wird über Differenzdrucksignale aus dem ungünstigsten Regelkreis angepasst.
Bei der Auslegung muss die Pumpenauswahl dem Gesamtwiderstand des ungünstigsten Kreislaufs des Systems entsprechen, und die Durchflussrate der Bypassleitung wird entsprechend der minimal zulässigen Durchflussrate einer einzelnen Einheit festgelegt.
Die Anlauflogik der Anlage basiert auf dem Betriebsstrom des Kompressors (der 10 bis 15 Minuten lang 90 % des Nennwerts überschreitet), während die Abschaltung durch die Berechnung des Durchschnittsstroms ausgelöst wird (Durchschnittswert unter 80 % des Nennwerts).
Durch den Wegfall von Sekundärpumpen kann die Systemstruktur um 30 % vereinfacht, die Grundfläche um 20 % reduziert und der Gesamtenergieverbrauch im Vergleich zum Konstantstromsystem mit Primärpumpe um 40 bis 60 % gesenkt werden, was es zur bevorzugten Lösung für große öffentliche Gebäude macht.
Kernsteuerungstechnologien des Primärpumpen-Variablen-Durchflusssystems
Die Energieeinsparungsvorteile des Primärpumpen-Variablen-Durchflusssystems beruhen auf praktikablen Regelungsstrategien. Gängige Regelungstechnologien konzentrieren sich auf zwei Kernparameter: Temperaturdifferenz und Differenzdruck. Durch dynamische Anpassung werden Lastanpassung und Systemstabilität erreicht.
2) Temperaturdifferenzregelung
Die Temperaturdifferenzregelung ermöglicht die Abstimmung von Durchflussmenge und Last durch Aufrechterhaltung einer stabilen Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklaufwasser. Der theoretische Energieeinsparungseffekt ist der Differenzdruckregelung überlegen, jedoch werden höhere Anforderungen an die Gleichmäßigkeit der Lastverteilung im Rohrnetz gestellt.
Untersuchungen haben gezeigt, dass die Anwendbarkeit der Temperaturdifferenzregelung bei der Installation von Ein-/Aus-Regelventilen an den Anschlüssen von zwei Punkten abhängt: erstens von einer gleichmäßigen Verteilung der Last im Rohrnetz und zweitens von ähnlichen Laständerungsmustern bei den verschiedenen Nutzern.
Bei gleichmäßiger Lastverteilung (z. B. in Serverräumen) kann der hydraulische Ungleichgewichtsgrad jedes Zweigs innerhalb von ±10 % kontrolliert werden, und die Schwankungen der Innentemperatur und der Luftfeuchtigkeit erfüllen die Komfortanforderungen (Änderung der Trockenkugeltemperatur ≤1℃, Schwankung der relativen Luftfeuchtigkeit ≤0,5 %).
Bei konzentrierter Lastverteilung kann es jedoch in den schwächer belasteten Zweigen zu Überströmen kommen, die ein erhebliches hydraulisches Ungleichgewicht verursachen.
Die variable Temperaturdifferenzregelung stellt einen weiteren Optimierungsansatz dar. Die herkömmliche Methode, Temperaturdifferenzen segmentweise entsprechend der Gesamtlast einzustellen, weist Nachteile auf: Bei geringer Last sinkt die Entfeuchtungsleistung des Oberflächenkühlers, was zu übermäßigen Schwankungen der Raumluftfeuchtigkeit führt. Das verbesserte Verfahren priorisiert die Entfeuchtungsleistung und die Trockenkugeltemperatur, verwendet den Entfeuchtungskoeffizienten ξ als bekannten Parameter und lässt angemessene Feuchtigkeitsschwankungen zu, um die Temperaturstabilität zu gewährleisten.
3) Differenzdruckregelung
Der Differenzdruck zwischen Vorlauf- und Rücklaufwasser ist ein zentraler Parameter für das hydraulische Gleichgewicht des Systems. Das System mit variablem Fördervolumenstrom der Primärpumpe nutzt einen PID-Regler (Proportional-Integral-Differential-Regler), der Systemfehler durch drei Regelungsverfahren (Proportional-, Integral- und Differenzialregelung) ausgleicht, um eine präzise Regelung zu erreichen.
Suzhou Pharma Machinery Co.,Ltd.
2026/03/04
Gino
