DE102013112458A1 - Verfahren zum Betrieb einer Kälteanlage mit Kältespeicher sowie Kälteanlage - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Kälteanlage (1), welche eine abgeschlossene Zelle (2) mittels eines Kältespeichers (3.1) mit Ladezustandssensor (4) kühlt, wobei der Kältespeicher (3.1) thermisch mit einer Kälteerzeugungseinheit (3) verbunden ist, die mittels eines Steuergerätes (5), welches eine zusätzliche Schnittstelle (6) für eine Übermittelung externer Signale oder Daten aufweist, geregelt wird, sowie diese Kälteanlage. Der zur Kühlung der Zelle (2) vorgesehene Kältespeicher (3.1) wird in Abhängigkeit von im Steuergerät (5) hinterlegten Schaltschwellen mittels der Kälteerzeugungseinheit (3) aufgeladen. Die Schaltschwellen sind über Ladezustände des Kältespeichers (3.1) definiert. Durch dieses Verfahren können Betriebszeiten für die Kälteerzeugungseinheit (3) festgelegt werden, ohne eine Einschränkung in der Kühlleistung der Kälteanlage (1) hinnehmen zu müssen. Insbesondere können zeitlich nicht festgelegte externe Anforderungen zu Betriebszeiten der Kälteerzeugungseinheit (3) ohne Einschränkung der Kühlleistung der Kälteanlage (1) realisiert werden.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum energieangebotsgeführten Betrieb einer Kälteanlage, aufweisend eine Kälteerzeugungseinheit, einen Kältespeicher und ein Steuergerät, zur Kühlung einer Zelle oder eines Raumes sowie eine nach dem Verfahren arbeitende Kälteanlage.
• Es gibt derzeit eine Vielzahl von Möglichkeiten, einen abgeschlossenen Raum zu kühlen. Nach dem Stand der Technik weist eine Kälteanlage einen Kältemittelkreislauf auf, zumindest bestehend aus einem Kompressor, einem Verflüssiger, einem Expansionsventil und einem Verdampfer. Zur Steuerung der Anlage wird das Signal eines im zu kühlenden Raum angebrachten Temperatursensors ausgewertet. Steigt die Temperatur im Raum über einen ersten (oberen) Grenzwert, wird der Kompressor gestartet und damit der Kältemittelkreislauf in Gang gesetzt. Es erfolgt eine aktive Kühlung des Raumes. Fällt die Temperatur im Raum sodann unter einen zweiten (unteren) Grenzwert, so wird der Kompressor gestoppt und damit die aktive Kühlung ausgesetzt. Als Folge steigt die Temperatur wieder an. Ein Nachteil dieser Anlagen ist, dass der Kompressor immer beim Überschreiten der oberen Grenztemperatur gestartet werden muss, um ein „Überhitzen“ des Raumes zu vermeiden. Zum einen muss die dafür benötigte Energie bereitstehen, zum anderen verursacht ein Kompressor Lärm. Ein weiterer Nachteil dieser Anlagen ist die fehlende Temperaturkonstanz im zu kühlenden Raum. Stattdessen schwankt die Temperatur periodisch zwischen den vorgegeben Grenzwerten.
• Im Gegensatz zum Stand der Technik ist es wünschenswert, die Temperatur eines zu kühlenden Raumes konstant auf einem vorgegebenen Wert zu halten, selbst wenn zeitweise keine Energie zur Erzeugung von Kälte verfügbar sein sollte.
• Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betrieb einer Kälteanlage, aufweisend eine Kälteerzeugungseinheit, einen Kältespeicher mit Ladezustandssensor und ein Steuergerät, bereitzustellen, welches eine kontinuierliche Kühlung eines Raumes oder einer abgeschlossenen Zelle ermöglicht, d.h. mit konstanter Temperatur über einen Zeitraum von mehreren Stunden, selbst wenn die Energieversorgung zum Betreiben der Kälteerzeugungseinheit zeitweise gewollt oder ungewollt unterbrochen ist. Dabei kann ein gewolltes Abschalten der Kälteerzeugungseinheit beispielsweise aufgrund Tageszeiten mit erhöhten Strompreisen oder aufgrund einer Anforderung eines Netzbetreibers bei Stromnetzschwankungen ausgelöst sein. Eine ungewollte Unterbrechung der Energieversorgung mag zum Beispiel systembedingter Ausfallzeiten regenerativer Energiequellen geschuldet sein.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren zum Betrieb einer Kälteanlage gemäß Patentanspruch 1 und einer Kälteanlage gemäß Patentanspruch 8 gelöst; zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindungen sind den Unteransprüchen 2 bis 7 sowie 9 bis 10 zu entnehmen.
• Das erfindungsgemäße Verfahren betrifft eine Kälteanlage zur Kühlung eines Raumes oder einer abgeschlossenen Zelle, aufweisend zumindest eine Kälteerzeugungseinheit, einen Kältespeicher mit einem Ladezustandssensor und ein Steuergerät für die Kälteerzeugungseinheit. Der Ausgang des Ladezustandssensors ist mit einem Eingang am Steuergerät verbunden, sodass das Steuergerät in Abhängigkeit vom Ladezustand des Kältespeichers Aktionen auslösen kann, wie beispielsweise die Kälteerzeugungseinheit starten oder stoppen. Der Kältespeicher ist über eine Kältebrücke mit der Kälteerzeugungseinheit verbunden und wird von dieser aufgeladen. Die Kühlung des Raumes/der abgeschlossenen Zelle erfolgt mittels des Kältespeichers, wobei zusätzlich eine Kälteverteilungseinrichtung vorgesehen sein kann, die für eine bedarfsgerechte Verteilung der aus dem Kältespeicher entnommenen Kälteleistung sorgt. Der Kältespeicher ist so dimensioniert, dass er mit einer einzigen vollen Ladung den zu kühlenden Raum/die zu kühlende abgeschlossene Zelle für mindestens sechzehn, vorzugsweise vierundzwanzig und mehr Stunden auf einer vorgegebenen Solltemperatur halten kann.
• Zusätzlich verfügt das Steuergerät über eine externe Schnittstelle, über die Daten an das Steuergerät übermittelt werden können. Solche Daten können beispielsweise direkte Ein- und Ausschaltbefehle für die Kälteerzeugungseinheit, Zeittafeln für einen zeitlich gesteuerten Betrieb und/oder Werte zur Vorgabe von Schaltschwellen sein.
• Der Vorteil einer derart aufgebauten Kälteanlage besteht darin, dass aufgrund der Kühlung mittels des Kältespeichers die Kälteerzeugungseinheit über mehrere Stunden nicht in Betrieb sein muss. Insbesondere kann ein, bei herkömmlichen Kälteanlagen übliches, periodisches Anspringen der Kälteerzeugungseinheit im Takt von ein bis zwei Stunden (und damit zum entsprechenden Zeitpunkt unerwünschter Stromverbrauch oder störende Geräusche) vermieden werden.
• Die Erfindung kann weiter vorteilhaft derart ausgebildet sein, dass ein Zeitgeber, beispielsweise eine Zeitschaltuhr, mit der Schnittstelle am Steuergerät verbunden wird, welcher einen zeitgesteuerten Betrieb der Kälteerzeugungseinheit gestattet.
• Durch die Bereitstellung von Kälteleistung mittels Kältespeicher mit angeschlossenem Ladezustandssensor erfolgt der Betrieb der Kälteerzeugungseinheit nur noch, wenn der Kältespeicher aufgeladen werden soll. Das Verfahren zum Betrieb der Kälteanlage läuft demnach folgendermaßen ab: im Steuergerät werden zwei Grenzwerte für den Ladezustand SOC (State Of Charge) des Kältespeichers hinterlegt, ein oberer Schwellenwert SOC_aus und ein unterer Schwellenwert SOC_an. Unterschreitet der vom Ladezustandssensor im Kältespeicher gemessene Istwert des Ladezustandes den Schwellenwert SOC_an, so schaltet das Steuergerät die Kälteerzeugungseinheit ein, sodass der Kältespeicher aufgeladen wird. Überschreitet der Istwert den oberen Schwellenwert SOC_aus, so stoppt das Steuergerät die Kälteerzeugungseinheit.
• Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass, gesehen über die gesamte Zeit, in der die Kälteanlage in Betrieb ist, die Kälteerzeugungseinheit nur einen Bruchteil dieser Zeit betrieben wird, da die Zeitspanne zum Aufladen des Kältespeichers um mindestens einen Faktor 2 – wobei z.B. ein Faktor 5 durchaus realistisch ist – kürzer als die Dauer des Entladens ist.
• In vorteilhafter Weise kann das Verfahren auch für einen leicht modifizierten Betriebsmodus angewendet werden, bei dem der an das Steuergerät angeschlossene Zeitgeber Ruhezeiten definieren kann, während derer die Kälteerzeugungseinheit nicht betrieben werden darf. Dann bringt das Steuergerät die Kälteerzeugungseinheit nicht in Gang, selbst wenn am Kältespeicher der untere Schwellenwert SOC_an unterschritten werden sollte. Für diese Art des Betreibens wird der im Steuergerät hinterlegte Wert für den unteren Schwellenwert SOC_an vergleichsweise hoch vorgegeben, beispielsweise bei 60% bis 80% der Kältespeicher-Kapazität, um ein vorzeitiges Leerlaufen des Kältespeichers zu verhindern.
• Um die Kälteerzeugungseinheit zu bevorzugten Zeiten zu betreiben, kann im Steuergerät ein zweites Paar Grenzwerte, namentlich ein zweiter unterer Schwellenwert SOC_an2 und ein zweiter oberer Schwellenwert SOC_aus2, wobei SOC_an2 < SOC_aus2 ≤ SOC_an < SOC_aus, hinterlegt werden. In der bevorzugten Betriebszeit, wenn beispielsweise Energie besonders günstig zur Verfügung steht, schaltet das Steuergerät die Kälteerzeugungseinheit ein, wenn der Schwellenwert SOC_an unterschritten wird und aus, wenn der Schwellenwert SOC_aus überschritten wird. Außerhalb der vom Zeitgeber vorgegebenen bevorzugten Zeiten gelten die deutlich darunter liegenden Schwellenwerte SOC_an2 und SOC_aus2 für Schaltvorgänge der Kälteerzeugungseinheit. Der zweite obere Schwellenwert SOC_aus2 kann beispielsweise auf einen Wert von 10% bis 30% der Kapazität des Kältespeichers gesetzt werden. Signalisiert der Zeitgeber den Beginn einer bevorzugten Betriebszeit, wird das höher gelegene, erste Schwellenwertepaar SOC_aus und SOC_an aktiviert und die Kälteerzeugungseinheit wird zum gewünschten Zeitpunkt in Betrieb gesetzt. Signalisiert der Zeitgeber dagegen das Ende der bevorzugten Betriebszeit, schaltet das Steuergerät entsprechend der unteren Schaltschwellen SOC_aus2 und SOC_an2. Demgemäß entlädt sich der Kältespeicher nach dem Umschalten bis zur zweiten unteren Schaltschwelle SOC_an2, wodurch in dieser Zeit der Betrieb der Kälteerzeugungseinheit vermieden wird.
• In ähnlicher Weise kann das Signal zum Starten bzw. Abschalten der Kälteerzeugungseinheit oder zum Wechsel der Schaltschwellen auch von einer externen Quelle, beispielsweise über WLAN, über die Schnittstelle an das Steuergerät übermittelt werden. Das Signal kann hierzu zwei Zustände aufweisen: Start und Stopp. So kann ein am Steuergerät anliegendes Startsignal die Kälteerzeugungseinheit unabhängig vom Ladezustand des Kältespeichers starten. Das Steuergerät schaltet die Kälteerzeugungseinheit erst bei Erreichen des durch den oberen Schwellenwert SOC_aus definierten maximalen Ladezustands wieder ab, bzw. auch eher, wenn durch Umschalten des Startsignals in ein Stoppsignal ein Befehl zum Ausschalten der Kälteerzeugungseinheit übermittelt wird. Das externe Signal kann beispielsweise auf Basis von nicht genau zeitlich fixierten Daten zur Energieverfügbarkeit oder Energiekosten übermittelt werden.
• Bei dieser Ausgestaltungsvariante werden zwei obere Schwellenwerte SOC_aus und SOC_aus2 < SOC_aus vorgegeben; es ist kein zweiter unterer Schwellenwert SOC_an2 notwendig, es wird lediglich ein einziger Wert SOC_an für das Einschalten der Kälteerzeugungseinheit benötigt. Im diesem Falle wird bei einem Startsignal der Kältespeicher nur einmalig bis maximal zum oberen Grenzwert SOC_aus geladen, und anschließend erst dann wieder geladen, wenn entweder ein neues Startsignal an das Steuergerät gesendet wird oder der Ladezustand des Kältespeichers unter den unteren Schwellenwert SOC_an sinkt.
• In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens zum Betrieb der Kälteanlage kann das externe Signal nur aus einem einzelnen Impuls, also einem Start- oder Stoppimpuls, bestehen. Für diese Verfahrensvariante wird ein zweites Paar Schwellenwerte SOC_an2 und SOC_aus2 vorgegeben, wobei SOC_an2 < SOC_an < SOC_aus < SOC_aus2. Bei einem über die Schnittstelle an das Steuergerät, beispielsweise vom Netzbetreiber aufgrund einer Netzüberlastung, übermittelten Stoppimpuls schaltet das Steuergerät die Kälteerzeugungseinheit unverzüglich ab. Zusätzlich wird beim erstmaligen Unterschreiten des Schwellenwertes SOC_an nach dem Stoppimpuls die Kälteerzeugungseinheit nicht eingeschaltet. Der Start der Kälteerzeugungseinheit erfolgt erst dann wieder, wenn der Ladezustand des Kältespeichers den zweiten unteren Schwellenwert SOC_an2 erreicht.
• Wird an das Steuergerät ein Startsignal übermittelt, beispielsweise vom Netzbetreiber bei zu geringer Auslastung des Stromnetzes, so startet das Steuergerät unverzüglich die Kälteerzeugungseinheit und schaltet sie, einmalig nach Empfang des Startimpulses, erst wieder ab, wenn der vom Ladezustandssensor an das Steuergerät übermittelte Istwert des Ladezustands im Kältespeicher den zweiten oberen Schwellenwert SOC_aus2 überschreitet. Für diese Betriebsmodi liegen die ladezustandsabhängigen Schwellenwerte SOC_an und SOC_aus im mittleren Bereich des Ladezustandes, beispielsweise bei 40% und 60%, um genügend Kapazität am Kältespeicher für das Ausführen eines Start- oder Stoppimpulses zur Verfügung zu haben.
• Um bei Verwendung dieser Ausgestaltungsvariante des Verfahrens in einer Gruppe von Geräten eine Synchronisation der Wiedereinschaltzeitpunkte und der nachfolgenden Ladezyklen zu vermeiden, ist die Lage des zweiten oberen Schwellenwertes SOC_aus2 sowie des zweiten unteren Schwellenwertes SOC_an2 spezifisch für jedes Gerät und unterschiedlich zu anderen Geräten einzustellen. Die Lage der Schwellenwerte kann bei der Herstellung spezifisch für jedes Gerät voreingestellt, durch Berechnung eines Zufallswertes durch das Gerät selbst vorgenommen oder durch Übermittelung eines Schwellenwertes an das Steuergerät gemeinsam mit dem externen Start-/Stoppsignal festgelegt werden.
• Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Kälteanlage ist ihr möglicher Betrieb in einer Umgebung mit unsicherer Energieversorgung, beispielsweise bei instabilem Netz oder dezentraler Stromversorgung mit regenerativer Energie. In diesem Fall ist bei dem Verfahren zum Betrieb der Kälteanlage der untere Schwellenwert SOC_an weit oberhalb der 50% zu wählen, beispielsweise bei 90% der Kältespeicherkapazität. Damit wird der Kältespeicher bei funktionierender Energieversorgung ständig auf einem hohen Speicherzustand gehalten und kann so bei Ausfall der Energieversorgung lange Zeiten, d.h. je nach Kapazität des Speichers von Stunden bis Tagen, eine zur Kühlung ausreichende Kälteleistung bereitstellen.
• Die erfindungsgemäße Kälteanlage arbeitet nach dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. den Ausgestaltungsvarianten des Verfahrens.
• Die Kälteerzeugungseinheit der erfindungsgemäßen Kälteanlage umfasst einen Kältemittelkreislauf, bei dem ein Kältemittel durch einen Kompressor, einen Verflüssiger, ein Expansionsventil und einen Verdampfer fließt, wobei der Verdampfer mit dem Kältespeicher in thermischem Kontakt steht und diesen auflädt. Ein Einschalten des Kompressors bringt den Kältemittelkreislauf in Betrieb. Dadurch wird dem Kältespeicher durch den Verdampfer des Kältemittelkreislaufs Wärme entzogen, d.h., der Ladezustand des Speichers steigt an.
• In einer weiteren, besonders vorteilhaften Ausgestaltung des in der Kälteanlage eingesetzten Kältespeichers ist der Verdampfer innerhalb des Kältespeichers angeordnet, wobei der Verdampfer vom Kältespeicher komplett umschlossen wird.
• Die erfindungsgemäße Kälteanlage kann zudem einen Kältespeicher aufweisen, der als ein in einer Umhüllung angeordnetem Phasenwechselmaterial, wie zum Beispiel Wasser, Wasser-Salz-Gemische oder Paraffin, ausgebildet ist. Da mit einem Phasenübergang des Phasenwechselmaterials eine Volumenänderung verbunden ist, kann der Ladezustand des Kältespeichers über den in der Umhüllung herrschenden Druck, beispielsweise mittels Manometer oder Dehnungsmessstreifen, bestimmt werden.
• Alle Ausgestaltungsvarianten der Kälteanlage können beispielsweise in Kühlschränken, Kaltzellen für die Lagerung von Kühlgut, Eisspeicheranlagen oder Kühlräumen Verwendung finden.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand von den 1 bis 7 näher erläutert. Hierbei zeigen, in jeweils schematischer Darstellung:
• 1 eine erfindungsgemäße Kälteanlage;
• 2 einen zeitlichen Ladezustandsverlauf des Kältespeichers mit Kompressorbetriebszeiten während des Betreibens der Kälteanlage sowie Schaltschwellen nach dem erfindungsgemäßen Verfahren;
• 3 einen zeitlichen Ladezustandsverlauf des Kältespeichers während eines Betreibens der Kälteanlage mit Ruhepausen;
• 4 einen zeitlichen Ladezustandsverlauf des Kältespeichers während eines zeitgesteuerten Betreibens der Kälteanlage mit bevorzugten Betriebszeiten;
• 5 einen zeitlichen Ladezustandsverlauf des Kältespeichers während eines extern gesteuerten Betreibens der Kälteanlage;
• 6 einen zeitlichen Ladezustandsverlauf des Kältespeichers während eines Regelenergie-Betreibens der Kälteanlage;
• 7 einen zeitlichen Ladezustandsverlauf des Kältespeichers während eines Betreibens der Kälteanlage in instabilen Netzen.
• Die Kälteanlage 1 gemäß 1 weist ein abgeschlossenes und gegen die Umgebung wärmeisoliertes Gehäuse 2 auf, in dem ein Latentspeicherverdampfer 3.3, bestehend aus einem Kältespeicher 3.1 und einem Verdampfer 3.2, welcher in einen bekannten Kältemittelkreislauf 3 mit Expansionsventil 3.4, Kondensator 3.5 und Kompressor 3.6 eingebunden ist, angeordnet ist. Am Latentspeicherverdampfer 3.3 ist ein Sensor 4 für die Messung des Ladezustandes (SOC-Sensor) im Kältespeicher 3.1 angeordnet. Dieser Sensor 4 ist mit einem Steuergerät 5 verbunden, das den Kompressor 3.6 an die Stromversorgung anschließen bzw. von ihr trennen kann. Das Steuergerät 5 weist eine Schnittstelle 6 auf, über die Daten oder Befehle zum Betriebszustand des Kompressors 3.6 übertragen werden können. Die vom Kältespeicher 3.1 zur Verfügung gestellte Kälteleistung wird über eine Kälteverteilungseinrichtung 7 bedarfsgerecht in dem zu kühlenden Raum verteilt.
• Die 2 zeigt den vom SOC-Sensor 4 übermittelten prozentualen Ladezustand des Kältespeichers 3.1 über der Zeit und die entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer, im Ausführungsbeispiel gemäß 1 veranschaulichten, Kälteanlage 1 vorgesehenen Steuerungsvorgaben. Waagrechte, schwarze Balken geben die Betriebszeit des Kompressors 3.6 an. Gestrichelte, waagrechte Linien markieren Grenzwerte für den Ladezustand des Kältespeichers 3.1, die im Steuergerät 5 als Schwellenwerte hinterlegt oder über die Schnittstelle 6 übermittelt werden. Die 3 bis 7 zeigen je eine Ausgestaltungsvariante des Verfahrens zum Betrieb der Kälteanlage 1. Gestrichelte, senkrechte Linien markieren hier Ereignisse, die zu Aktionen im Steuergerät 5 führen.
• In 2 sind der Ladezustand des Kältespeichers 3.1 sowie die Betriebszeiten des Kompressors 3.6 über der Zeit dargestellt, wie sie sich für einen Betrieb der Kälteanlage 1 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren darstellen. Dazu werden im Steuergerät 5 zwei Schwellenwerte hinterlegt: ein maximaler Ladezustand SOC_aus sowie ein minimaler Ladezustand SOC_an des Kältespeichers 3.1. Das Steuergerät 5 verbindet den Kompressor 3.6 mit der Stromversorgung, sobald der SOC-Sensor 4 einen Ladezustand des Kältespeichers 3.1 unterhalb des unteren Schwellenwertes SOC_an signalisiert. Dadurch wird der Kältemittelkreislauf 3 in Gang gesetzt, und der Verdampfer 3.2 lädt den Kältespeicher 3.1 wieder auf. Sobald der SOC-Sensor 4 einen Ladezustand des Kältespeichers 3.1 oberhalb des oberen Schwellenwertes SOC_aus signalisiert, trennt das Steuergerät 5 den Kompressor 3.6 von der Stromversorgung, sodass der Kältemittelkreislauf 3 gestoppt wird. Um die Schalthäufigkeit stark zu reduzieren, liegen die Schaltschwellen in diesem Beispiel bei 25% und 95%.
• 3 zeigt einen zeitlichen Ladezustandsverlauf des Kältespeichers 3.1 und Steuerungsvorgaben zu einer Ausgestaltungsvariante des Verfahrens für einen Betrieb der Kälteanlage 1 mit über die Schnittstelle 6 am Steuergerät 5 ausgelösten Ruhepausen. Für diesen Betriebsmodus wird der untere Schwellenwert SOC_an auf einem vergleichsweise großen Wert vorgegeben, in diesem Beispiel auf den Wert 70%. Damit wird der Kältespeicher 3.1 immer relativ voll gehalten. Wenn nun über die Schnittstelle 6 am Steuergerät 5 ein Nutzersignal kommt, das einen Stillstand von 9 Stunden anfordert, so trennt das Steuergerät 5 den Kompressor 3.6 unverzüglich von der Stromversorgung. Der Kältemittelkreislauf 3 kommt zum Stillstand und der Kältespeicher 3.1 wird nicht mehr aufgeladen, obwohl der SOC-Sensor 4 einen Ladezustand unterhalb des oberen Schwellenwertes SOC_aus signalisiert. Innerhalb der angeforderten Ruhezeit von 9 Stunden verbindet das Steuergerät 5 den Kompressor 3.6 nicht mehr mit der Stromversorgung. Dadurch entlädt sich der Kältespeicher 3.1 auch unterhalb des Schwellenwertes SOC_an. Erst nach Ablauf der 9 Stunden verbindet das Steuergerät 5 den Kompressor 3.6 wieder mit der Stromversorgung, der Kältemittelkreislauf 3 kommt in Gang, und der Verdampfer 3.2 lädt den Kältespeicher 3.1 solange wieder auf, bis das Steuergerät bei Überschreiten des durch SOC_aus definierten maximalen Ladezustandes den Kompressor 3.6 abschaltet.
• In 4 ist ein zeitlicher Ladezustandsverlauf des Kältespeichers 3.1 und Steuerungsvorgaben zu einer Ausgestaltungsvariante des Verfahrens für einen zeitgesteuerten Betrieb zu sehen. Zu diesem Zweck wird an die Schnittstelle 6 des Steuergerätes 5 ein Zeitgeber angeschlossen. Zusätzlich werden im Steuergerät 5 zwei weitere Schwellenwerte SOC_an2 und SOC_aus2 hinterlegt. SOC_an2 liegt bei 5% und SOC_aus2 bei 15%. SOC_aus wird auf einen relativ hohen Wert von 95% gesetzt. Vom Zeitgeber wird jetzt abwechselnd das erste Schaltschwellenpaar SOC_an und SOC_aus für die bevorzugte Betriebszeit bzw. das zweite Schaltschwellenpaar SOC_an2 und SOC_aus2 für die Zeiten außerhalb der bevorzugten Betriebszeit aktiv gesetzt. Entsprechend fährt das Steuergerät 5 den Kompressor 3.6. Der relativ hohe Wert von 95% für SOC_aus stellt sicher, dass mit Beginn einer bevorzugten Betriebszeit der Kältespeicher 3.1 fast vollständig aufgeladen wird und der Betrieb des Kompressors 3.6 vorzugsweise in diesem Zeitraum erfolgt.
• 5 zeigt einen zeitlichen Ladezustandsverlauf des Kältespeichers 3.1 und Steuerungsvorgaben zu einer Ausgestaltungsvariante des Verfahrens für einen extern gesteuerten Betrieb der Kälteanlage 1. Neben dem Schaltschwellenpaar SOC_an und SOC_aus wird ein weiterer Schaltschwellenwert SOC_aus2 definiert, der nur 10% oberhalb von SOC_an liegt. Über die Schnittstelle 6 werden an das Steuergerät 5 „Ein“- und „Aus“-Signale gesendet. Bei einem „Ein“-Signal wird der obere Schwellenwert SOC_aus aktiviert und der Kältespeicher bis maximal zu diesem Ladezustand aufgeladen. Mit Übermittlung eines „Aus“-Signals wird der unterhalb von SOC_aus liegende Schwellenwert SOC_aus2 aktiviert und der Kompressor 3.6 unverzüglich von der Stromversorgung getrennt. Wenn der Kältespeicher 3.1 so weit entladen ist, dass der untere Schwellenwert SOC_an erreicht wurde, schaltet das Steuergerät 5 den Kompressor 3.6 ein, obwohl an die Schnittstelle 6 ein „Aus“-Signal übermittelt wurde, und betreibt ihn solange, bis der Kältespeicher 3.1 den Ladezustand SOC_aus2 erreicht. Das externe „Ein“- und „Aus“-Signal kann z.B. von einem Solarwechselrichter in Abhängigkeit von der solaren Einstrahlung oder einem Smart Meter in Abhängigkeit von aktuellen Energiepreisen kommen.
• Die beiden 6a und 6b zeigen ein Beispiel für eine weitere Ausgestaltungsvariante des Verfahrens zum Betrieb der Kälteanlage 1, den Regelleistungsbetrieb. Auch hier werden neben dem Schwellenwertepaar SOC_an und SOC_aus zwei weitere Schaltschwellenwerte SOC_an2 und SOC_aus2 im Steuergerät 5 hinterlegt. Über die Schnittstelle 6 kommen vom Netzbetreiber ein Stoppsignal, wenn die Netzbelastung zu groß ist und Verbraucher vom Stromnetz getrennt werden müssen, und ein Startsignal, wenn ein Zuschalten von Verbrauchern notwendig wird. Beim Eintreffen des Stoppsignals vom Netzbetreiber (6a) wird der Kompressor 3.6 unverzüglich gestoppt. Der Kältespeicher 3.1 wird in diesem Fall nicht wieder geladen, bevor der zweite untere Schwellenwert SOC_an2 erreicht wird. Dann schaltet das Steuergerät 5 den Kompressor 3.6 wieder ein, bis der Kältespeicher 3.1 den Ladezustand SOC_aus erreicht. Ab diesem Zeitpunkt wird der Kältespeicher 3.1 jedes Mal wieder geladen, wenn der untere Schwellenwert SOC_an unterschritten wird.
• Wird vom Netzbetreiber an die Schnittstelle 6 ein Startsignal (6b) übermittelt, so wird der Kompressor 3.6 unabhängig vom Ladezustand des Kältespeichers 3.1 sofort gestartet. Erst wenn der Ladezustandssensor 4 den zweiten oberen Schwellenwert SOC_aus2 signalisiert, trennt das Steuergerät 5 den Kompressor 3.6 vom Stromnetz.
• In diesem Ausführungsbeispiel liegen die Werte für SOC_an2 bei 5% und für SOC_aus2 bei 100%. Um in einer Gruppe von Geräten eine Synchronisation der Kompressorbetriebszeiten durch einen vom Netzbetreiber gesendeten Signalimpuls zu vermeiden, erhält jede Kälteanlage vom Hersteller einen eigenen, gerätespezifischen Wert für SOC_an2 im Bereich von 3% bis 10% und für SOC_aus2 im Bereich von 90% bis 100%.
• Ein zeitlicher Ladezustandsverlauf des Kältespeichers 3.1 und Steuerungsvorgaben zu einem weiteren Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Betrieb einer Kälteanlage 1 mit Kältespeicher 3.1 ist in 7 dargestellt. Der obere Schwellenwert SOC_aus wird auf 95%, und der untere Schwellenwert SOC_an auf 85% gesetzt. Das Steuergerät 5 arbeitet im Normalbetrieb, d.h., es schaltet den Kompressor 3.6 bei Erreichen eines Ladezustandes SOC_an im Kältespeicher 3.1 ein und bei Erreichen von SOC_aus wieder aus. Im Falle eines Netzausfalls, d.h., wenn keine Energie zum Betreiben des Kompressors 3.6 vorhanden ist, verfügt der Kältespeicher 3.1 über einen hohen Ladungszustand von mindestens 85% und kann so mit seiner Ladung eine von seiner Kapazität abhängige Zeitspanne lang Kälteleistung bereit stellen und somit eine entsprechend lange Stromausfalldauer überbrücken. Dieser Betriebsmodus bietet sich für eine Kälteanlage 1 an, die an ein Stromnetz angeschlossen ist, das von häufigen Stromausfällen geprägt ist.
• Bezugszeichenliste

1

Kälteanlage

2

Gehäuse

3

Kälteerzeugungseinheit/Kältemittelkreislauf

3.1

Kältespeicher

3.2

Verdampfer

3.3

Latentspeicherverdampfer

3.4

Expansionsventil

3.5

Kondensator

3.6

Kompressor

4

Ladezustands (SOC) Sensor

5

Steuergerät

6

Schnittstelle für Signal- oder Dateneingang

7

Kälteverteilungseinrichtung

Claims (10)

1. Verfahren zum Betrieb einer Kälteanlage (1) mit einer Kälteerzeugungseinheit (3), einem mit der Kälteerzeugungseinheit (3) in thermischem Kontakt stehenden thermischen Speicher (3.1), einem Ladezustandssensor (4) zum Erfassen des Ladezustands des thermischen Speichers, und einem Steuergerät (5) mit einer Schnittstelle (6), wobei folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: – Vorgeben mindestens eines unteren Schwellenwertes SOC_an für den Ladezustand des thermischen Speichers (3.1); – Vorgeben mindestens eines oberen Schwellenwertes SOC_aus, für den Ladezustand des thermischen Speichers (3.1); – Aktivieren eines der mindestens einen unteren Schwellenwerte SOC_an; – Aktivieren eines der mindestens einen oberen Schwellenwerte SOC_aus, – Erfassen eines Istwertes des Ladezustandes des thermischen Speichers (3.1) mittels des Ladezustandssensors (4); – Vergleichen des Istwertes mit dem aktiven unteren Schwellenwert SOC_an für den Ladezustand des thermischen Speichers (3.1); – Einschalten der Kälteerzeugungseinheit (3), wenn der Istwert den aktiven unteren Schwellenwert SOC_an unterschreitet und die Kälteerzeugungseinheit (3) nicht betrieben wird; – Vergleichen des Istwertes mit dem aktiven oberen Schwellenwert SOC_aus für den Ladezustand des thermischen Speichers (3.1); und – Ausschalten der Kälteerzeugungseinheit (3), wenn der Istwert den aktiven oberen Schwellenwert SOC_aus überschreitet und die Kälteerzeugungseinheit (3) betrieben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein unterer Schwellenwert SOC_an bei einem Wert größer 50 % des Ladezustandes des thermischen Speichers (3.1) und ein oberer Schwellenwert SOC_aus vorgegeben wird und außerdem folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: – Anschließen eines Zeitgebers an die Schnittstelle (6) des Steuergerätes (5); – Trennen der Kälteerzeugungseinheit (3) von einer Energieversorgung, solange ein Stoppsignal vom Zeitgeber über die Schnittstelle (6) an das Steuergerät (5) übermittelt wird, auch wenn der Istwert des Ladezustandes im Kältespeicher (3.1) unterhalb des unteren Schwellenwertes SOC_an liegt; und – Einschalten der Kälteerzeugungseinheit (3), wenn die Übermittelung des Stoppsignals vom Zeitgeber beendet wird und der Istwert des Ladezustandes im Kältespeicher (3.1) kleiner als der untere Schwellenwert SOC_an ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass folgende Verfahrensschritte zusätzlich durchgeführt werden: – Vorgeben eines ersten unteren Schwellenwertes SOC_an bei einem Ladezustand von mehr als 80% der Kapazität des Kältespeichers (3.1) und eines ersten oberen Schwellenwertes SOC_aus – Vorgeben eines zweiten unteren Schwellenwertes SOC_an2 und eines zweiten oberen Schwellenwertes SOC_aus2 für den Ladezustand des thermischen Speichers (3.1), wobei SOC_an2 < SOC_aus2 ≤ SOC_an < SOC_aus; – Anschließen eines Zeitgebers an die Schnittstelle (6) des Steuergerätes (5); – Aktivieren der ersten Schwellenwerte SOC_an und SOC_aus, wenn ein Startsignal vom Zeitgeber über die Schnittstelle (6) an das Steuergerät (5) übermittelt wird und diese Schwellenwerte noch nicht aktiv sind; und – Aktivieren der zweiten Schwellenwerte SOC_an2 und SOC_aus2, wenn ein Stoppsignal vom Zeitgeber über die Schnittstelle (6) an das Steuergerät (5) übermittelt wird und diese zweiten Schwellenwerte nicht aktiv sind.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass außerdem folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: – Vorgeben eines unteren Schwellenwerts SOC_an und zweier oberer Schwellenwerte SOC_aus und SOC_aus2, wobei der zweite obere Schwellenwert SOC_aus2 kleiner als der erste obere Schwellenwert SOC_aus und größer als der untere Schwellenwert SOC_an ist; – Betreiben der Kälteerzeugungseinheit (3) und Aktivieren des ersten oberen Schwellenwerts SOC_aus, wenn an der Schnittstelle (6) des Steuergeräts (5) ein Startsignal übermittelt wird; – Ausschalten der Kälteerzeugungseinheit (3), wenn an der Schnittstelle (6) des Steuergeräts (5) ein Stoppsignal übermittelt wird und die Kälteerzeugungseinheit (3) gerade betrieben wird; und – Aktivieren des zweiten oberen Schwellenwertes SOC_aus2, wenn an der Schnittstelle (6) des Steuergeräts (5) ein Stoppsignal übermittelt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster unterer Schwellenwert SOC_an bei einem Ladezustand von mehr als 40% der Kapazität des Kältespeichers (3.1) und ein oberer Schwellenwert SOC_aus definiert wird, wobei außerdem folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: – Vorgeben eines zweiten, frei einstellbaren unteren Schwellenwertes SOC_an2 kleiner als SOC_an; – Aktivieren des zweiten unteren Schwellenwertes SOC_an2, wenn an der Schnittstelle (6) des Steuergeräts (5) ein Stoppsignal übermittelt wird, wobei die Kälteerzeugungseinheit (3) ausgeschaltet wird, falls sie gerade betrieben wurde; und – Einschalten der Kälteerzeugungseinheit (3), falls der Istwert den zweiten unteren Schwellenwert SOC_an2 unterschreitet, wobei wieder der erste untere Schwellenwert SOC_an aktiviert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster oberer Schwellenwert SOC_aus bei einem Ladezustand von weniger als 70 % der Kapazität des Kältespeichers (3.1) und ein unterer Schwellenwert SOC_an definiert wird, wobei außerdem folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: – Vorgeben eines zweiten, frei einstellbaren oberen Schwellenwertes SOC_aus2 größer als SOC_aus; – Aktivieren des zweiten oberen Schwellenwertes SOC_aus2, wenn an der Schnittstelle (6) des Steuergeräts (5) ein Startsignal übermittelt wird, wobei die Kälteerzeugungseinheit (3) eingeschaltet wird, falls sie gerade nicht betrieben wurde; und – Ausschalten der Kälteerzeugungseinheit (3) und Aktivieren des ersten oberen Schwellenwertes SOC_aus, falls der Istwert den zweiten oberen Schwellenwert SOC_aus2 überschreitet.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein oberer Schwellenwert SOC_aus und ein unterer Schwellenwert SOC_an vorgegeben werden, wobei der untere Schwellenwert SOC_an bei einem Ladezustand von mehr als 80 % der Kapazität des Kältespeichers (3.1) definiert wird.
8. Kälteanlage zur Kühlung einer abgeschlossenen Zelle oder eines Raumes, die nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 arbeitet.
9. Kälteanlage nach Anspruch 8, umfassend einen Kältemittelkreislauf (3), der durch einen Kompressor (3.6), einen Verflüssiger (3.5), ein Expansionsventil (3.4) und einen Verdampfer (3.2) fließt, und ein Steuergerät (5) für den Kompressor (3.6), welches eine Schnittstelle (6) für ein externes Steuersignal und/oder eine Dateneingabe aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperiereinheit (7) und ein Kältespeicher (3.1), an dem ein Ladezustandssensor (4) zur Messung des Ladezustandes angeordnet ist, dessen Signalausgangsleitung an dem Steuergerät (5) angeschlossen ist, in einer zu kühlenden Zelle (2) positioniert sind, wobei der Verdampfer (3.2) innerhalb des Kältespeichers (3.1) angeordnet und mit diesem thermisch verbunden ist.
10. Kälteanlage nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältespeicher (3.1) als ein in einer Umhüllung angeordnetes Phasenwechselmaterial ausgebildet ist, wobei der Ladezustand des Kältespeichers (3.1) durch das Verhältnis des Volumens an phasengewechseltem Phasenwechselmaterial zu Gesamtvolumeninhalt der Umhüllung definiert ist, und der Ladezustandssensor (4) ein Messfühler zum Erfassen des in der Umhüllung vorliegenden Gesamtdrucks ist.

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