Kaltwasser - Kaltwassersätze - Chiller

Was ist ein Kaltwassersatz?

Der Kaltwassersatz (gerne auch als Chiller, Kältesatz, Flüssigkeitskühlsatz oder Flüssigkeitskühler bezeichnet) ist die ideale Lösung für Räume, große Hallen oder technische Prozesse, die mit Prozesskälte kühl gehalten werden müssen. Dabei werden die Räumlichkeiten durch Absenken von Wassertemperatur gekühlt. Er ist in unterschiedlichen Leistungsklassen erhältlich und eignet sich sowohl für den Einsatz im Gewerbe als auch in der Industrie, weniger häufig findet er Anwendung bei privatem Bedarf daheim. Die Funktionsweise basiert dabei auf dem gleichen Prinzip wie bei einem Kühlschrank oder einer Wärmepumpe.

Wir erklären dir in den folgenden Abschnitten ganz genau, wie ein Kaltwassersatz funktioniert. Dabei gehen wir auf die Geräte und deren Aufbau ein und zeigen dir, was du bei Planung, Installation sowie Wartung alles beachten musst. Natürlich stellen wir dir am Ende auch noch die wichtigsten Einsatzbereiche der Kaltwassersätze vor.

Wie funktioniert ein Kaltwassersatz?

Der Kaltwassersatz ist ein unverzichtbares technisches Gerät, um Flüssigkeiten auf Temperatur zu bringen. Durch den Anschluss an einen Wasserkreislauf, in dem kaltes Wasser mit einer Pumpe zirkuliert, wird die Wärme aus Räumen oder Prozessen aufgenommen und mit höheren Temperaturen an den Flüssigkeitskühler weitergeleitet. Dieser führt die entstandene Wärme ab und sorgt so dafür, dass das Wasser erneut heruntergekühlt wird.

Kältemittel und Temperatur
Die Kühlflüssigkeit im Kühlkreislauf wird je nach gewünschter Temperatur unterschiedlich vermischt. Zum Einsatz kommt unter anderem Glykol und Ammoniak. Diese Stoffe setzen den Gefrierpunkt herab und stellen sicher, dass die Kühlflüssigkeit auch mit weniger als 0 Grad Celsius durch die Anlage strömen kann, ohne zu vereisen. Gerade im Industriebereich kommen Ammoniak-Kälteanlagen zum Einsatz, da diese sehr effizient große Leistungen bereitstellen können. Für besonders niedrige Temperaturen wird ein besonderer Tieftemperatur Kaltwassersatz verwendet. Diese erreichen bis zu -45 Grad Celsius.

Definition von Kaltwassersatz & Kältesatz
Der Kaltwassersatz wird in der Technik unter verschiedenen Definitionen geführt. Die DIN EN 378 beschreibt ihn beispielsweise als komplett zusammengesetzte Kälteanlage, die sich in einem stabilen Rahmen oder Gehäuse befindet. Durch diese Bauweise lässt er sich in einem Teil oder in mehreren Einzelteilen transportieren. Die kältemittelführenden Teile sind dabei fabrikmäßig vormontiert, was die Installation am Einsatzort vergleichsweise einfach, schnell und sicher erfolgen lässt.

Alternative Begriffe: Chiller, Flüssigkeitskühler, Kühlsatz, ...
Obwohl der Begriff "Kaltwassersatz" unter Experten weit verbreitet ist, gibt es zahlreiche andere Bezeichnungen für dasselbe Gerät. So werden diese auch häufig als "Chiller", "Flüssigkeitskühler", "Wasserkühlmaschine", "Flüssigkeitskühlsatz" oder "Kaltwassererzeuger" bezeichnet.

Kaltwassererzeuger: luft- und wassergekühlt
Kaltwassersätze, auch Kaltwassererzeuger genannt, sind Geräte zur Kühlung von Wasser in einem geschlossenen Kreislauf. Die Leistung der Kaltwassererzeuger ist hier nahezu unbegrenzt skalierbar. Luftgekühlte Kaltwassererzeuger zur Innenaufstellung sind nur technisch sehr aufwendig umsetzbar. Innen aufgestellte Kaltwassererzeuger haben in der Regel nicht genug Luft an die der Wärmetauscher die Abwärme abgeben kann. Große Kaltwassererzeuger kühlen komplette Industrieanlagen und führen riesige Wärmemengen ab. Das Leistungsspektrum ist entsprechend groß, Kaltwassererzeuger gibt es von 5 kW und kleiner bis zu 2000 kW Leistung.

Weitere Infos für Kaltwasser-Arten
Um die unterschiedlichen Kaltwassersatz-Arten und -Größen genauer zu bezeichnen, sind weitere Informationen notwendig. Diese Attribute geben Auskunft darüber, wie das Kühlgerät die aufgenommene Wärme an die Umgebung abgibt. So beschreiben zum Beispiel „luftgekühlt“ oder „wassergekühlt“ die Art und Weise der Kühlung. Außerdem sind Informationen über die Verdichterbauart interessant.

Besonders leistungsstark: "Der Turbokaltwassersatz" Kaltwassersätze mit Turboverdichter sind besonders leistungsstark und können daher sehr effektiv kühlen. Die Kühlleistung dieser Sätze ist typischerweise anhand der Bezeichnungen wie Mini, XL oder XXL grob einzuschätzen. So haben Mini-Kaltwassersätze beispielsweise eine geringere Leistung, während XXL-Chiller für größere Anlagen und Kühllasten infrage kommen.

Aufbau & Funktion von Kaltwassersätzen

Um einen Chiller praktisch umsetzen zu können, benötigt man grundsätzlich vier verschiedene Bauteile. Diese sind notwendig, um den theoretischen Kreis- oder Carnot-Prozess umzusetzen. Genau wie bei einer Wärmepumpe sind folgende Komponenten dafür notwendig:

• ein Expansionsventil
• ein Verdampfer
• ein Verflüssiger
• ein Verdichter

Wie funktioniert ein Kaltwassersatz?
Der Kaltwassersatz ist ein simples und effektives System, um thermische Energie zu übertragen. Am Verdampfer treffen sich die Kältemittel mit erhitztem Wasser aus dem angeschlossenen Kühlkreislauf. Die Stoffe vermischen sich nicht, übertragen aber die Wärme vom höheren zum niedrigeren Temperaturniveau. Dadurch kühlt sich die Kühlflüssigkeit ab und das Kältemittel nimmt die thermische Energie gleichzeitig auf und verdampft. Im gasförmigen Aggregatzustand strömt es dann zu einem Verdichter, der mit dem Druck auch die Temperatur des Mediums erhöht.

Übertragung der Wärme an die Umgebung
Das Kältemittel wandert vom Verdichter zum Verflüssiger. Dabei handelt es sich um einen zweiten Wärmeübertrager, der die Energie des Kältemitteldampfes auf ein anderes System (zum Beispiel die Umgebungsluft) überträgt. Das Kältemittel gibt Wärme ab und strömt anschließend zu einem Expansions- oder Entspannungsventil. Hier dehnt es sich schlagartig aus, wobei die Temperatur ihren Ausgangszustand wieder einnimmt. Das Medium geht in den flüssigen Aggregatzustand über und der Prozess beginnt von vorn.

Verdampfer & Verflüssiger als Wärmeübertrager
Kaltwassersätze verfügen über zwei Wärmeübertrager, die Verdampfer und Verflüssiger genannt werden. Sie dienen dazu, Wärme aus dem Kühlkreislauf (Wasser oder Sole) aufzunehmen und an ein anderes System weiterzugeben. Die beiden Vorgänge laufen unter stofflicher Trennung ab, sodass Kältemittel innerhalb des Kaltwassersatzes zu keinem Zeitpunkt mit anderen Medien in Berührung kommen. Es verbraucht sich nicht und muss in der Regel auch nicht nachgefüllt werden.

Verdichter sorgen für höhere Temperatur durch Druckerhöhung
Verdichter sind ein unerlässlicher Bestandteil der Kaltwassersatz Funktion: Dampfförmiges Kältemittel wird aufgenommen und durch Kompression verdichtet. Gleichzeitig steigt die Temperatur des Mediums an. Dies ist notwendig, da Wärme grundsätzlich vom höheren zum niedrigeren Temperaturniveau strömt. Um die thermische Energie aus dem Wasserkühler auf ein anderes System übertragen zu können, muss die Kältemitteltemperatur also immer über der Umgebungstemperatur liegen. Die Art des Verdichters hat dabei einen entscheidenden Einfluss auf die Kaltwassersatz-Leistung, wie die folgende Tabelle zeigt.

Welche Arten von Kaltwassersätzen gibt es?

Es gibt verschiedene Arten von Kaltwassererzeugern. Sie unterscheiden sich darin, wie sie Wärme an die Umgebung abgeben. So gibt es den Kaltwassersatz luftgekühlt, wassergekühlt oder als sogenanntes Splitgerät.

Was ist ein luftgekühlter Kaltwassersatz?
Luftgekühlte Kältesysteme sind mit Ventilatoren ausgestattet, die Umgebungsluft über den Verflüssiger leiten. Dadurch gibt das Kältemittel Wärme ab. Luftgekühlte Kaltwassersätze eignen sich nicht für die Innenaufstellung, da große Mengen Außenluft verfügbar sein müssen, um die Wärme an die Umgebung abzugeben. Die Geräte sind kompakt und zuverlässig und in der Regel außen aufzustellen oder mit einem Luftkanalnetz zu verbinden. Dank optionaler Freikühlfunktion können luftgekühlte Kaltwassersätze besonders sparsam und leistungsstark sein - von wenigen Kilowatt bis zu mehreren Megawatt reicht die Bandbreite.

Luftgekühlter Kaltwassersatz als Marktführer
Der Luftgekühlte Kaltwassersatz ist eine kostengünstige und effiziente Methode, um Kaltwasser zu erzeugen. Dabei wird Wärmeenergie, die zum Beispiel durch Prozesse, Anlagen oder Räume entsteht, in die Außenluft übertragen. Dies geschieht durch einen Freiluftkühler, der häufig auf dem Dach oder vor dem Gebäude installiert ist. Somit kann das Gebäude mit Kaltwasser versorgt werden, welches die entstandene Wärme ableitet.

Luftgekühlte Kaltwassersätze mit Freikühlung
Der eindeutige Vorteil von Freikühlung gegenüber der klassischen Kälteerzeugung ist die enorme Einsparung an Stromkosten und CO2 Ausstoß. Der Verdichter, welcher den größten Teil des Stroms verbraucht, bleibt bei ausreichend kalter Außentemperatur aus. Der Kältemittelkreislauf unterbricht sich dadurch und es entstehen weder Verluste, noch Kosten. Dies ist nicht nur für Betreiber interessant, sondern auch für die Umwelt. Daher sollten Anlagenbetreiber unbedingt auf eine Freikühlfunktion setzen.

Vorteil schnelle Installation bei luftgekühlten Kaltwassersätzen
Chiller, die mit Luft gekühlt werden, sind bereits betriebsbereit und von Fachleuten geprüft. Die gesamte Kühltechnik ist in einem kompakten Gerät untergebracht. Benutzer müssen lediglich Strom und Kaltwasser anschließen und die Geräte treten ihren Dienst an. Bei engen Zeitplänen, etwa dem Austausch bestehender Kühltechnik in laufenden Prozessen, funktioniert das auch in weniger Stunden. Die Installation ist damit sehr schnell möglich. Da keine Arbeiten an kältemittelführenden Bauteilen erforderlich sind, benötigen Betreiber dazu auch keine Kältemittelbauer.

Wenig Kältemittelbedarf bei luftgekühlter Funktion
Kaltwassersätze unterscheiden sich von Direktverdampfern dadurch, dass das spezielle Kühlmedium nur im eigentlichen Kühlgerät zirkuliert. Dies hat den Vorteil, dass die Sicherheitsanforderungen reduziert werden und die Anlage auch in Hinblick auf die F-Gase-Verordnung unproblematischer ist. Letztere verknappt Kältemittel mit hohem GWP und erfordert dementsprechend den Austausch dieser Mittel. Luftgekühlte Kaltwassersätze benötigen hierzu sehr wenig Kältemittel.

Was ist ein wassergekühlter Kaltwassersatz?
Der Kaltwassersatz ist ein Aggregat, welches an einer Kaltwasserquelle angeschlossen ist. Zwischen diesem und dem Kühlgerät befindet sich ein Kreislauf, in dem das Wasser zirkuliert. Als Letzteres kommen unterschiedlichste Rückkühler infrage, die auch weit entfernt vom Klimagerät platziert werden können. So gibt es kompakte Wandgeräte, die direkt im Technikraum installiert werden können.

Was ist ein Split-Kaltwassersatz?
Splitgeräte sind in der Kältetechnik weit verbreitet. Diese Geräte haben ein Innengerät und ein Außengerät. Das Innengerät hat zum Beispiel den Verdampfer, den Verdichter und das Expansionsventil. Das Außengerät hat den Verflüssiger und ist als einziges Bauteil im Außenbereich aufgestellt.

Split-Funktion: Innen wird die Wärme aufgenommen
Splitgeräte sind ein wesentlicher Bestandteil der Kältetechnik. Sie bestehen aus zwei separaten Einheiten: einer Inneneinheit und einer Außeneinheit. Die beiden Einheiten sind über Kältemittelleitungen miteinander verbunden. Die Kältetechnik im Haus nutzt die Wärme des Kühlwassers, um das Temperaturniveau anzuheben. Dadurch kann das Außengerät Wärme an die Umgebung abgeben. Splitgeräte sind auch in anderen Bereichen der Kältetechnik zu finden, zum Beispiel bei Heimklimageräten. Hier ist die Inneneinheit (Direktverdampfer) in der Regel als Deckengerät, Deckenkassette oder Wandgerät ausgeführt und über Kältemittelleitungen mit dem Außengerät verbunden.

Was ist ein Tieftemperatur-Kaltwassersatz?
Tieftemperatur Kaltwassersätze, auch ultra low temp chillers genannt, können tiefere Temperaturen erreichen als der normale Kaltwassersatz. Tieftemperatur Kaltwassersätze erreichen Temperaturen bis minus 45 Grad Celsius. Dabei gibt es unterschiedliche Stufen – 5 Grad Celsius, minus 25 Grad Celsius und dann die noch aufwendigeren Kaltwassersätze die bis zu minus 40 – minus 45 Grad erreichen können. Diesen Geräten sind dann mit besonderen Kältemitteln wie dem Kältemittel R449 ausgestattet.

Einsatzbereiche von Tieftemperatur-Kaltwassersätzen
Um Prüf- und Testverfahren in der Automobilindustrie, Chemie- und Pharmaindustrie durchzuführen werden häufig niedrige Temperaturen benötigt. Dies ist zum Beispiel beim Kühlen von Impfstoffen oder auch zur Tiefkühlung von Lebensmitteln in großen Lebensmittellagern der Fall.

Alternative Betriebsweise mit Direktverdampfer beim Kaltwassersatz
Kaltwassererzeuger sind auf einen Kühlwasserkreislauf angewiesen, um thermische Energie abzuführen. Durch den direkten Verdampfer wird die Wärme unmittelbar auf das Kältemittel übertragen - ohne Glykol oder Wasser als Wärmeträger. Dies vermeidet zusätzliche Verrohrung und ermöglicht einen energiesparenderen Betrieb. Allerdings sind Geräte mit Direktverdampfer nicht für jeden Einsatzbereich geeignet, da die Entfernung zwischen den einzelnen Bestandteilen begrenzt ist. Wasserkühler hingegen bieten mehr Freiheit in der Anlagenplanung und können verschiedene Wärmeübertrager im Raum nutzen.

Alternative Betriebsweise mit freier Kühlung beim Kaltwassersatz
Die freie Kühlung ist eine Methode, bei der die Wärme ohne Zusatzgeräte an die Umgebung übergeben wird. Dies ist vor allem dann möglich, wenn es draußen sehr kalt ist. Die Voraussetzung hierfür ist allerdings, dass der Kaltwassererzeuger nicht mit einem Verflüssiger oder Verdichter arbeitet.

Der Kühlkreislauf einfach erklärt

Der Kühlkreislauf ist in seiner Funktionsweise ein Spiegelbild des Heizkreislaufs. So wird das kalte Wasser mithilfe einer Pumpe durch Rohrleitungen geschickt, bis es schließlich verschiedene Wärmeübertrager erreicht. Diese nehmen die thermische Energie von Räumen oder Prozessen auf, sodass das kalte Wasser diese Energie zu dem Kaltwassersatz transportieren kann. Während sich Prozess-Wärmeübertrager in Geräte integrieren lassen, kann das Kühlwasser auch durch eine Kühldecke oder den Wärmeübertrager einer Lüftungsanlage fließen.

Kälte im Pufferspeicher speichern
Kaltes Wasser kann genauso wie Heizungsanlagen in einem Kältespeicher bevorratet werden. Dies ist vor allem dann praktisch, wenn man Kaltwassersätze gleichmäßig und ohne Inverter betreiben möchte. Bedarfsgerecht steht das kalte Wasser aus dem Pufferspeicher dann Räumen oder Prozessen zur Verfügung.

Pufferspeicher für Kaltwassersatz auslegen
Für Kühllastberechnung und die Auslegung der Kälteanlage ist zunächst ein Pufferspeicher notwendig. Dieser sollte möglichst groß sein, um die gesamte Last aufzunehmen. Die Anlage muss außerdem so ausgelegt sein, dass der Kaltwassersatz möglichst wenig taktet, aber zu jeder Jahreszeit die gesamte Last aufnehmen kann. Ein Pufferspeicher ist fast immer sinnvoll und nur in Anlagen mit sehr viel Wasserinhalt oder einer sehr konstanten Last nicht notwendig.

Damit das Kühlaggregat richtig funktioniert, ist es wichtig, dass immer ein konstanter Kühlwasservolumenstrom vorhanden ist. Dafür sorgt ein Überströmventil, welches vor dem Kaltwassersatz angebracht ist.

Kaltwassersatz aufstellen

Chiller können sowohl drinnen als auch draußen installiert werden. Experten raten dazu, die Geräte auf schwingungs- und geräuschdämmenden Unterlagen zu installieren und flexible Leitungen zu verwenden, wenn sie den Kaltwassersatz anschließen. Dies hilft die Schallübertragung zu mindern und den Komfort der Anlage deutlich zu steigern. Zusätzlich unterstützen Verkleidung an Wänden, Decken und Böden der Aufstellräume im Gebäude die Wirkung des Chillers. Abhängig vom Installationsort und der Art des Kältemittels ergeben sich darüber hinaus unterschiedliche Voraussetzung für die Aufstellung des Chillers.

Vorteile & Nachteile von Kaltwassersätzen

Kältegeräte bieten viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Kühlsystemen. Zum einen ist die Kältemittelfüllmenge vergleichsweise gering. Zum anderen können auch Gas- und Wasser-Installateure Anlagen installieren, da die Kältetechnik herstellerseitig weitestgehend vormontiert wurde. Ein weiterer Vorteil: Sind Systeme mit Direktverdampfung aufgrund langer Leitungswege nicht mehr realisierbar, sorgen Kaltwassersätze für Abhilfe. Denn durch zwischengeschaltete Kaltwassernetze sind auch große Entfernungen möglich. Der einzige Nachteil ist der hohe Platzbedarf, der vor allem beim Kaltwassersatz nachrüsten im Altbau nicht immer gegeben ist.