Kaltwassersätze mit Free Cooling: Bis zu 75 % Stromersparnis in der Prozess- und Gebäudekühlung

1. Das Paradoxon der Ganzjahreskühlung

Während Komfort-Klimaanlagen im Büro vorwiegend zwischen Mai und September gefordert sind, benötigen industrielle Produktionsprozesse, Serverräume, Spritzgussmaschinen, Laserschneidanlagen und pharmazeutische Lager 8.760 Stunden im Jahr zuverlässige Kühlleistung.

Bei einer klassischen Kälteanlage ohne Freikühlregister arbeitet der Kältekreislauf auch im Jänner bei -2 °C Außentemperatur rein mechanisch: Die Verdichter komprimieren das Kältemittel unter hohem Stromeinsatz, obwohl direkt vor der Werkshalle unbegrenzt kostenlose Umweltkälte zur Verfügung steht.

2. Wie integriertes Free Cooling thermodynamisch funktioniert

Ein moderner Kaltwassersatz (Chiller) mit integriertem Free Cooling – wie die Baureihen Daikin EWAT-B (mit R-32) oder Daikin EWAD-TZ (mit HFO R-1234ze und Inverter-Monoschraube) – kombiniert den klassischen Kompressionskältekreislauf mit einem zusätzlichen, direkt im Gerät verbauten Wasser-/Luft-Wärmetauscher (Freikühlregister).

Je nach aktueller Außenlufttemperatur schaltet die intelligente SPS-Regelung des Kaltwassersatzes vollautomatisch und gleitend zwischen drei Betriebsmodi um:

Modus A: Mechanischer Kühlbetrieb (Hochsommer)

Liegt die Außentemperatur über der Kaltwasser-Rücklauftemperatur (z. B. Außenluft > 15 °C bei einer Auslegung von 10/15 °C), ist das Drei-Wege-Freikühlventil geschlossen. Die Inverter-Verdichter regeln ihre Drehzahl exakt nach dem tatsächlichen Kältebedarf.

Modus B: Gemischter Betrieb / Teil-Freikühlung (Frühling & Herbst)

Sobald die Außentemperatur auch nur um 1 bis 2 Kelvin unter die Rücklauftemperatur des Prozesswassers sinkt (z. B. bei +12 °C Außenluft), öffnet das Freikühlventil. Das warme Rücklaufwasser durchströmt zuerst das Freikühlregister und wird dort durch die kühle Außenluft bereits kostenlos vorgekühlt (z. B. von 15 °C auf 11,5 °C). Der nachgeschaltete Verdampfer muss nur noch die verbleibende Differenz von 11,5 °C auf 10 °C leisten – der Verdichter moduliert auf Minimaldrehzahl herunter.

Modus C: 100 % Voll-Freikühlung (Spätherbst, Winter & kühle Nächte)

Unterschreitet die Außentemperatur die Vorlauftemperatur um etwa 2 bis 3 Kelvin (z. B. ab +6 °C bis +7 °C bei 10/15 °C Kaltwasser), deckt das Freikühlregister 100 % der Kühllast ab. Die Kälteverdichter schalten komplett ab. Das System spart in diesem Betriebszustand bis zu 85 % der elektrischen Leistung gegenüber einem Standard-Chiller und schont gleichzeitig die Laufzeit der Kompressoren massiv.

3. Warum die Spreizung über Ihre Stromrechnung entscheidet

Viele industrielle Altanlagen wurden historisch pauschal auf 6 °C Vorlauf / 12 °C Rücklauf ausgelegt – selbst dann, wenn die gekühlten Schaltschränke, Hydraulikaggregate oder Werkzeuge problemlos mit 12 °C / 17 °C oder 15 °C / 20 °C betrieben werden könnten.

Bei der Neuauslegung durch HERZOG prüfen unsere Ingenieure daher immer zuerst das tatsächliche Temperaturniveau Ihrer Verbraucher. Jedes Grad, um das wir die Kaltwassertemperatur anheben können, bringt einen doppelten Effizienzgewinn:

• Der mechanische COP im Sommer steigt um rund 3 % pro Kelvin höherer Verdampfungstemperatur.
• Der Umschaltpunkt für das kostenlose Free Cooling verschiebt sich nach oben, wodurch die Anlage bereits bei milden Herbsttemperaturen komplett ohne Verdichter läuft.

4. Vergleichsrechnung: Standard-Chiller vs. Daikin Inverter Free Cooling (400 kW)

Die folgende Wirtschaftlichkeitsberechnung zeigt den direkten Vergleich für einen österreichischen Industriebetrieb mit 400 kW Prozesskühllast im 3-Schicht-Betrieb (7.500 Betriebsstunden/Jahr, Auslegung 10/15 °C, Industriestrompreis 0,18 €/kWh):

5. Glykolfreie Systemtrennung & zukunftssichere Kältemittel

Ein häufiges Bedenken von Werksleitern gegen Freikühlsysteme ist das Frostschutzmittel (Wasser-Glykol-Gemisch), das im Außenregister zirkulieren muss, um ein Einfrieren bei Minusgraden zu verhindern. Niemand möchte tausende Liter Glykol durch seine sensiblen Produktionsmaschinen pumpen.

Die technische Lösung: Glykol-Free-Systemtrennung. Hierbei befindet sich das Frostschutzgemisch ausschließlich in einem kurzen, hermetisch getrennten Primärkreis am Kaltwassersatz im Freien. Über einen hochdimensionierten Edelstahl-Plattenwärmetauscher mit minimaler Grädigkeit (ca. 1 K) wird die Kälte an Ihr bestehendes, zu 100 % mit reinem Wasser gefülltes Hallennetz übergeben.

Gleichzeitig erfüllen die neuen Daikin Kaltwassersätze mit R-32 (GWP 675) bzw. dem HFO-Kältemittel R-1234ze (GWP < 1 nach IPCC) sämtliche Anforderungen der neuen EU-F-Gase-Verordnung 2024/573 über die gesamte Lebensdauer von 15 bis 20 Jahren.