#13 Wärmefluss, Isolierung und Energieeinsparung in einem Tiefkühllager

Die Planung eines Tiefkühllagers ist mit vielen wichtigen Punkten verbunden, die berücksichtigt werden müssen. Nach dem ersten Teil, der sich mit den 5 Besonderheiten bei der Planung eines Tiefkühllagers beschäftigt hat, betrachten wir heute die Besonderheiten der Isolations- und Grenzschichten in einem Tiefkühllager. Sie stellen neben der Beachtung der richtigen Technik und dem besonderen Umgang mit den Mitarbeitern ebenfalls einen sehr großen Teilbereich dar. Doch warum ist das so?

Temperaturausgleich lässt sich nicht verhindern

Wenn ein Tiefkühllager geplant werden soll, stehen Unternehmen immer wieder vor der Frage, wie das Lager am kostengünstigsten und effektivsten auf der gewünschten Temperatur gehalten werden kann. Ein Ausgleich zwischen der Außen- und Innentemperatur lässt sich nämlich niemals verhindern, sondern immer nur verzögern. Es muss abgewogen werden zwischen steigenden Kosten für eine bessere Isolation und steigenden Kosten für einen höheren Energieaufwand, um das Lager herunter zu kühlen. Warum muss überhaupt ein Temperatur­ausgleich stattfinden? Reicht es nicht, das Lager einmal auf die gewünschte Temperatur abzukühlen? Dafür unternehmen wir einen…

…Exkurs in die Physik!

Energie kann weder erzeugt, noch vernichtet werden. Jegliche Form von Energie wird lediglich zwischen verschiedenen Energieformen umgewandelt. Dieses Phänomen ist bekannt unter dem Namen „Energieerhaltungssatz“ (1. Hauptsatz der Thermodynamik). Die Energie in einem geschlossenen System ändert sich nicht (dies gilt auch für unser ganzes Universum). Von Energieverbrauch, Energieverschwendung oder Energieverlust wird umgangssprachlich dennoch gesprochen. Der Grund dafür ist, dass die Erde kein abgeschlossenes System ist und die Energie in einem solchen Fall meist in eine für Mensch oder Tier nicht nutzbare Form umgewandelt wird. Auch der Begriff Energieerzeugung beschreibt eigentlich nur die Umwandlung von bereits vorhandener Energie in eine für den Menschen nutzbare Form, z. B. die elektrische Energie oder Kälte.

Thermodynamik Tiefkühllager MALORG

Dabei ist der 2. Hauptsatz der Thermodynamik wichtig. Für den Prozess der Wärmeübertragung gibt es eine Vorzugsrichtung. Warmes versucht immer zu Kaltem zu fließen. Ein Beispiel dazu. Wird eine Palette mit warmer Ware in einen kalten Raum gestellt so passiert was? Ganz genau! Die Palette wird über die Zeit heruntergekühlt werden

Die Wärme „fließt“ also aus der Ware auf der Palette in die kühle Umgebungsluft. Vereinfacht ausge­drückt findet ein Ausgleich solange statt, bis keine Differenz bei den Temperaturen mehr vorhanden ist.

 

 

Wärmeeinträge in einem Tiefkühllager

Betrachtet man ein Tiefkühllager oder ein Gebäude im Allgemeinen ganz einfach als einen großen Würfel, so geht man davon aus, dass die Wärme von außen, die einen Temperaturausgleich mit der Kühle im Inneren herstellen möchte, mit einem einfachen Dreisatz berechnet werden kann. Doch das ist leider nicht der Fall. Es gibt viele Wärmeeinträge von außen und im Inneren (z. B. durch elektrisch angetriebene Technik), die nicht so einfach berechnet werden können. Diese müssen dennoch berücksichtigt werden, damit das Tiefkühllager stets auf der gewünschten Temperatur gehalten werden kann und die notwendige Energie, und damit die notwendigen Investitionen zur Energieerzeugung, dafür prinzipiell berechnet werden kann.

Wärme von Innen

Wärmeeinträge im Inneren eines Tiefkühllagers machen, abhängig von der Vielzahl der eingesetzten Technik, einen Großteil der notwendigen Kühlleistung aus. Die automatisierte Technik mit elektrischen Antrieben (Motoren) und elektrischen Steuerungen (Schaltschränke, Bremswiderstände usw.) erzeugt Wärme, ebenso wie sie durch mechanische Reibung entsteht.

Aber auch die Ware selbst ist ein entscheidender Faktor. Ein Tiefkühllager, in dem Ware stetig aus- und eingelagert wird, bietet ein großes Potenzial für Wärmeeinträge durch den ständigen Luftaustausch. Eine Verringerung solcher Wärmeeinträge wird mittels Schleusen verbessert.

Wie bereits im oberen Abschnitt erwähnt wird eine Palette, die nicht die gleiche Temperatur des Tiefkühllagers hat, ihre Wärme nach außen abgeben. Dadurch erhöht sich wiederum insgesamt die Lufttemperatur, was wieder durch zusätzliche Kühlung ausgeglichen werden muss.

Ware auf Paletten, die in ein Tiefkühllager gestellt werden, werden vor einer Einlagerung im Regelfall schockgefrostet. Dieser Prozess findet bei -50 °C und in stark bewegter Luft statt. Durch die Luftverwirbelung im Schockfroster kann die Kühlung (der Wärmeausgleich) schneller stattfinden. Je mehr sich die Luft bewegt, desto höher ist der Austausch der Moleküle (kinetische Energie) und die Ware wird schneller kalt. Dieser Vorgang dauert bei einer durchschnittlichen Palette dennoch oft mehrere Stunden. So lange braucht es bis der Energieausgleich (Wärme „fließt“ nach außen hin zur Kälte) in den Kern vorgedrungen ist. Der schnelle Wärmeaustausch beim Schockfrosten ist im Normalfall im Lebensmittelbereich wichtig, damit keine Veränderung der Produkte und der Lebensmittelqualität, z. B. durch Bildung großer Eiskristalle, erfolgt. Daher werden üblicherweise einzelne Produkte tiefgekühlt, bevor diese dann palettiert werden.

Übrigens: alle beschriebenen Effekte mit Wärme von außen die einen Ausgleich mit der Kälte im inneren eines Tiefkühllagers anstrebt kehrten sich um, sobald es draußen kälter ist als drinnen. Dann müsste man sogar in einem Tiefkühllager eigentlich innen „heizen“.

Türen und Wände

Neben den Wärmeeinträgen von innen sind auch die Wärmeeinträge von außen nicht zu vernachlässigen. Das sind die Einträge, an die man meist als erstes denkt. Zum einen gibt es in einem Lager Türen, die von außen Wärme in das Lager leiten. Wird bei Türen der größte Anteil natürlich durch das Öffnen und Schließen verursacht, so ist es bei Wänden insbesondere die Isolierung die dafür sorgt, wie viel Wärme eindringt. Der Ausgleich zwischen der warmen und kalten Luft lässt sich niemals verhindern, lediglich verzögern. Diese Verzögerung hängt von vielen Aspekten ab.

Richtige Dämmung

Beschäftigen sich Unternehmen mit der Frage, wie ein Tiefkühllager am besten auf der gewünschten Temperatur gehalten werden kann, gibt es zwei grundsätzliche Lösungsansätze, welche im Gegensatz zu einander stehen.

Der erste Ansatz ist, lediglich das Tiefkühllager stärker zu kühlen. Das bedeutet ganz einfach, dass Wärme, die von außen eindringt, mit mehr Energie von innen durch Kühlung aufgebracht werden muss. In Summe ein kostspieliger Ansatz durch extrem hohe Energiekosten.

Die zweite Möglichkeit ist die Isolation auf allen Seiten des Gebäudes (Dach, Wände und Boden).

Wärmefluss Tiefkühllager MALORG

Dafür wird der Begriff des „Wärmedurchgangs- oder Wärmeübertragungskoeffizienten“ wichtig. Dieser ist ein Maß für den Wärmedurchgang durch einen festen Körper (Isolierung) von einem Fluid  (Außenluft) in ein zweites Fluid (Innenluft) aufgrund des Temperaturunter­schiedes zwischen diesen Fluiden. Es geht also um eine Stoffeigenschaft, die den Wärmestrom durch ein Material auf Grund der Wärmeleitung bestimmt.

Der Wärmedurchgangskoeffizient wird mit folgender Formel berechnet: U = W/(m² x K) (gemessen in Watt pro Quadratmeter und Kelvin). Je höher der Wärmedurchgangskoeffizient ist, desto schlechter ist die Wärmedämmung. Gewünscht ist also ein möglichst geringer Wärmedurchgangskoeffizient durch gute Isolation. Dabei ist jedoch auch zu beachten, dass eine stetige Erhöhung der Dicke einer Dämmschicht nicht zu einer stetigen Verkleinerung des U-Werts führt.

Luft ist im Grunde ein schlechter Wärmeleiter (also ein guter Isolator), solange keine Konvektion (Luftverwirbelung) stattfindet. Dann allerdings kann viel Energie zwischen Stoffen ausgetauscht werden. Konvektion (Luftströmung) entsteht aber selbst in einem geschlossenen System bei Temperaturdifferenzen. Wie funktioniert also im Grunde eine gute Isolierung? Man versucht möglichst viel Luft beruhigt einzuschließen. Das kann man am Beispiel von Styropor gut nachvollziehen. Zwischen den einzelnen Kügelchen des Styropors ist viel Luft eingeschlossen, die sich kaum mehr bewegen kann. Oft denken Leute, dass bei Styropor das Kunststoffmaterial dämmt. Aber in Wirklichkeit ist es die eingeschlossene und beruhigte Luft, die den Dämmeffekt herbeiführt.

Die theoretisch nächste Stufe kann man gut am Beispiel einer Thermoskanne erklären. Zwischen der Außenschicht und der Innenschicht der Thermoskanne wird die Luft abgepumpt, also ein Vakuum erzeugt. Wo keine Luft ist kann keine Konvektion und damit keine Wärmeübertragung entstehen. Doch Wärme wird nicht nur durch Gasaustausch auf molekularer Ebene transportiert, sondern auch z. B. durch Wärmestrahlung (elektromagnetische Strahlung, Infrarotstrahlung). Dies ist ein sehr wichtiger Mechanismus zum Wärmetransport, da er nicht an Materie als Träger gebunden ist und auch im Vakuum funktioniert. Ohne den Wärmetransport durch Strahlung würde die Energie der Sonne z. B. die Erde nicht erreichen. Also dazu die spiegelnde Innenschicht in der Thermoskanne, um möglichst wenig Wärmestrahlung an die Außenwelt zu lassen.

Abgesehen von teilweise exotisch anmutenden Möglichkeiten zur Isolierung geht es bei einem Tiefkühllager um eine gute und dabei bezahlbare Lösung. Bei der Auswahl geeigneter Isolierungen spielt die notwendige Bauphysik eine wesentliche Rolle. Die Isolierung des Bodens beispielsweise soll auf Dauer ein Frieren des Bodens unterhalb der Isolierung verhindern. Dazu sollte die Isolierung im Idealfall so gewählt werden, dass sogar auf einen Unterfrierschutz verzichtet werden könnte. Oder es genügen für den Unterfrierschutz nur wenige zentrale elektrische Wärmequellen mit auswechselbaren Heizelementen, die lediglich als Ergänzung zur kostenlosen Umgebungswärme wirken. So kann auf Dauer viel Energie eingespart werden.

Neben den Isoliereigenschaften muss die Isolierung des Fußbodens oft auch hohen statischen Ansprüchen, z. B. durch Regale mit eingestellten Lasten, entsprechen. Es wird also eine Druckfestigkeit von einer solchen Isolierung verlangt.

Die Isolierung einer Wand hat oft dagegen andere Anforderungen. Dazu zählt beispielsweise eine möglichst gute statische Stabilität, um mit großen Abständen der Steher (Einsparung von Stahl) arbeiten zu können. Ebenso ist die Intensität von Wärmestrahlung oft deutlich höher. Gleichzeitig muss die Isolation teilweise oft sehr hohe Temperaturunterschiede innerhalb von Minuten oder Stunden auf Dauer verkraften.

Viele verschiedene Dämmstoffe finden Verwendung. Anorganische Stoffe wie Mineralwolle- Dämmstoffe (MW) oder Schaumglas- Dämmstoffe (CG) oder organische Stoffe wie beispielsweise Polystyrol-Hartschaum (EPS), Polystyrol Extruderschaum (XPS), Polyuretan-Hartschaum (PUR/PIR), Phenolharz-Hartschaum (PF) sowie Produkte aus Holzwolle (WW).

Bauteilstärke Wärmedämmung Tiefkühllager

Auch interessant: Der Nutzen von Dämmung wird dann interessant, wenn man die Bauteilestärke betrachtet. Geht man davon aus, dass 11 cm Dämmstoff verwendet werden, so müsste, damit der Wärmeschutz gleichbleibt, 35 cm Holz oder 565 cm Beton verbaut werden. Die schlankeste Lösung bietet eine Vakuumdämmung, bei der lediglich 1,3 cm Dicke erforderlich sind.

Weitere wichtige Kriterien der Bauphysik, die zu beachten sind, sind die Druckbelastbarkeit, die Wasseraufnahme, der Dampfdiffusionswiderstand, die thermische Längenänderung, die Zugfestigkeit, UV-Beständigkeit, die Schimmelresistenz, die Insekten­sicherheit sowie die Brandstoffklassen.

Viele Unternehmen sparen an der Isolation, da eine dickere Isolation natürlich gleichzeitig höhere Investitionen bedeutet. Gerade in der Planungsphase treibt dies die Gesamtkosten für das neue Tiefkühllager hoch. Dennoch darf nicht vernachlässigt werden, dass diese eingesparten Investitionskosten dafür später als laufende Betriebskosten für das Lager anfallen werden.

Was kann noch getan werden?

Neben der Betrachtung einer geeigneten Isolation gibt es weitere Faktoren, die zur Energieeinsparung beitragen können. Dies ist bei TK-Lägern beispielsweise die verwendete Lagertiefe. Folgendes Beispiel: eine Palette, die einfachtief eingelagert ist, wird von viel Luft die sich bewegen kann umgeben. Damit ist grundsätzlich ein einfacher Temperaturausgleich, also ein Energiefluss möglich. Sie erinnern sich – Wärme fließt IMMER zur Kälte.

In einem Lager mit mehrfachtiefer Lagerung, besonders bei sogenannten Kanallagern, bei denen bis zu 20 Paletten in einem Kanal stehen können, kommt es zu einer Art von „Blockbildung“. Die Luft in einem solchen „Block“ zirkuliert nicht so einfach und ist zur Blockmitte hinzunehmend immer träger, bezogen auf mögliche Temperaturänderungen. Ein zusätzlicher positiver Effekt eines solchen Kanallager ist, die prinzipielle Verringerung von Regalbediengeräten, bezogen auf die Anzahl der zu lagernden und zu handhabenden Paletten. Wenn der notwendige maximale Ein- oder Ausgang von Paletten pro Stunde oder Zeiteinheit passt spart dies Gebäude­volumen, damit Fläche und somit Kühlung zum Ausgleich der Wärme von außen.

Ein einfacher Ansatz zur Begrenzung von Energiekosten ist die Minimierung der zu kühlenden Flächen (Wände, Dach und Fußboden). Die Größe eines Tiefkühllagers muss zur Aufgabenstellung passen. Dies ist gegenüber einem konventionellen Lager wichtiger, da jeder m³ Raum über die ganze Betriebszeit hinweg Geld durch Energieeinsatz der Kühlung kostet. Je kleiner der zu kühlende Raum, desto geringer der Energieaufwand. Dabei spielt auch eine Rolle, welche Form ein Raum hat.

Sie erinnern sich vielleicht noch an Ihre Schulzeit zum Thema Extremwertproblemen. Dort war eine der Aufgabenstellungen, welche Form ein Raum haben soll der möglichst wenig Außenfläche bei einem gegebenen Innenvolumen hat. Das Ergebnis war eine Kugel. Die nächste Stufe einer Optimierung für ein klassisches Gebäude wäre dann ein gleichseitiger Quader. Doch ein Tiefkühllager ist grundsätzlich eher ein langgestreckter Quader und hat damit zunehmende Flächen gegenüber dem nutzbaren Innenvolumen (so klein wie möglich). Es lohnt sich also den echten Nutzen eines Gebäudes ebenso wie über dessen Form nachzudenken. Generell ist die tatsächliche Nutzfläche im Hochregallager, gemessen an der effektiven Gesamtlagerfläche im Verhältnis zu den Verkehrs- und Funktionsflächen, größer als in manuellen Lägern und wächst mit der Höhe der Anlage.

Moderne Energiemanagementsysteme und intelligente Steuerungen reduzieren den Verbrauch und damit den inneren Wärmeeintrag der eigentlichen Lagertechnik. Die Energierückgewinnung zum Beispiel beim Bremsen oder Absenken eines RBG zahlt sich gleich mehrfach aus. Die freiwerdende Energie wird nicht in unerwünschte (und durch Klimatechnik zu kompensierende) Wärme umgewandelt, sondern diese kann produktiv genutzt werden. Eine weitere einfache Möglichkeit Energie zu sparen bietet ein konsequentes abschalten von nicht benötigter Fördertechnik – kostet keinen Strom und erzeugt keine Wärme!

All diese wichtigen Aspekte zu betrachten ist oft schwierig. Auch die Entscheidung für oder gegen eine bessere Isolation bedarf einiger Abwägung. Unsere Berater stehen Ihnen zur Seite und helfen dabei diese Entscheidungen zu treffen. Mit der MALORG Consulting sind Sie auf der sicheren Seite bei der Planung Ihres neuen Tiefkühllagers.

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