Auslegungskriterien für Tieftemperatur-Lagerraumtechnik

3D-Modell eines Tieftemperatur-Lagerraums

Merkmale von Tieftemperaturanwendungen

Aufgrund der Entwicklung eines COVID-19-Impfstoffs und seiner besonderen Anforderungen rücken transportable Tiefkühllager immer mehr in den Fokus der kommenden Distribution. Dementsprechend wird der Markt derzeit mit Lösungen überschwemmt, so dass es zunehmend schwieriger wird, ein geeignetes von einem ungeeigneten Produkt zu unterscheiden. Mit unserer Übersichtsseite schaffen wir Klarheit und zeigen die wichtigsten Merkmale, die ein Tiefkühllagerraum haben sollte.

Merkmale von Tieftemperaturanwendungen

Im Folgenden werden die wichtigsten Merkmale von Tieftemperaturanwendungen im Temperaturbereich von unter 0°C bis -160°C erläutert und das in den folgenden Anwendungen benötigte Potenzial aufgezeigt.

Maschinenraum des Kryolagers
Maschinenraum des Kryolagers

Isolierung & spezifische Oberflächen

Je größer die Außenfläche und die Temperaturunterschiede zwischen Umgebungs- und Lagertemperatur sind, desto größer ist der Wärmeeintrag. Eine gute Isolierung ist daher für die Tiefkältespeicherung unerlässlich. Eine Möglichkeit besteht darin, die Wandstärke zu erhöhen, was aber ab einem bestimmten Punkt prozentual kaum noch eine Verbesserung bringt und zudem das Speichervolumen begrenzt. Abhilfe schaffen Kombinationen aus PU-Schaum und integrierten Vakuumpaneelen, die zu geringen Wandstärken mit hohen Isolationswerten führen. Die Außenfläche wird maßgeblich durch die Geometrie beeinflusst. Daher ist es sinnvoll, das Verhältnis von Volumen zu Oberfläche so klein wie möglich zu halten. Der Quotient aus Außenfläche und Speichervolumen, die so genannte spezifische Oberfläche, wird als Bezugsgröße verwendet. Zur Veranschaulichung: Betrachten Sie mehrere einzelne Kühlschränke im Vergleich zu einem großen Lagerraum. In der Regel sind größere Geräte effizienter als kleine. Aber selbst wenn viele Kühlschränke im Vergleich zu einem Lagerraum gleich betrieben werden, unterscheiden sie sich im Energieverbrauch erheblich, weil die einzelnen Kühlschränke eine wesentlich größere spezifische Oberfläche haben als der Lagerraum. Dies kann einen Faktor 10 im Energieverbrauch ausmachen.

Die Natur liefert hier ein perfektes Beispiel. Wenn man zwei verschiedene Pinguinarten anhand ihrer Lebensräume betrachtet, kann man sehen, wie drastisch dieser Einfluss ist:

Spezifische Oberfläche am Beispiel eines Pinguins

Kaiserpinguin
Kaiserpinguin
  • geringe spezifische Oberfläche
  • niedriger Energieverbrauch pro Körpervolumen
  • lebt in der Antarktis
  • überlebt Temperaturen bis zu ca. -50°C
Brillenpinguin
Brillenpinguin
  • große spezifische Oberfläche
  • hoher Energieverbrauch pro Körpervolumen
  • lebt in Südafrika
  • braucht Temperaturen über 0°C zum Überleben

Spezifisches Volumen am Beispiel eines Lagerraums

ein großer Niedertemperaturlagerraum
ein großer Niedertemperaturlagerraum
  • geringe spezifische Oberfläche
  • niedriger Energieverbrauch pro Körpervolumen pro Lagervolumen
  • geringer, externer Wärmeeintrag
  • effizient
  • niedrige Betriebskosten
viele kleine Niedertemperaturkühlschränke
viele kleine Niedertemperaturkühlschränke
  • große spezifische Oberfläche
  • Energieverbrauch pro Speichervolumen hoch
  • hoher externer Wärmeeintrag
  • ineffizient
  • hohe Betriebskosten

Kältetechnik & Verordnungen

Für die Tiefkältespeicherung ist eine entsprechend leistungsfähige und effiziente Kältetechnik wichtig. Der Energieeintrag aus der Umgebung (Transmission), die Abwärme der Elektroinstallation sowie die Be- und Entladung führen zu einem entsprechenden Leistungsbedarf. Darüber hinaus muss die Feuchtigkeit ständig aus dem Kühlraum abgeführt werden.

Bei der Kältetechnik ist zudem darauf zu achten, dass sie nicht unter die geltenden Vorschriften fällt bzw. durch diese geregelt wird. Dies betrifft derzeit den "Global Warming Potential"-Wert (GWP), der durch die Quotenregelung der europäischen F-Gas-Verordnung bis 2030 auf durchschnittlich ca. 500 reduziert wird und bereits heute Kältemittel mit einem GWP von über 2500 für normale Anwendungen verbietet.

Karikatur einer Gasflasche, die gleichgestellt ist mit einem Auto, das zwei mal die Erde umrunden kann

Hohe Belastung durch das Kältelmittel R23

Konkret bedeutet dies, dass ein einziges Kilo R23 so viel Treibhauspotenzial hat wie die CO2-Menge, die ein Auto ausstößt, wenn es zweimal die Erde umrundet.

Wir nutzen ganz bewusst das natürliche Kältemittel Umgebungsluft zur Kühlung. Das macht Sie zukunftssicher und umweltfreundlich. Außerdem benötigen Sie keine zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen wie bei anderen natürlichen Kältemitteln wie Ethan, Ammoniak und CO2.

Das Tieftemperatur-Kältemittel R23

Das Niedertemperaturkältemittel R23 mit einem GWP-Wert von 14900 kann aufgrund einer Ausnahmeregelung noch verwendet werden. Dies ist jedoch definitiv nicht ratsam. Es ist derzeit massiv von der Verknappung durch die Quotenregelung betroffen. Neue Anlagen mit diesem Kältemittel sind bedenklich und umweltschädlich. Um die Umweltbelastung greifbar zu machen, vergleichen wir das CO2-Äquivalent von einem Kilo R23 mit der Strecke, die ein Auto zurücklegen könnte, um die gleiche Menge CO2 auszustoßen. Konkret bedeutet dies, dass ein einziges Kilo R23 so viel Treibhauspotenzial hat wie die CO2-Menge, die ein Auto ausstoßen würde, wenn es die Erde zweimal umrundet. Wir nutzen bewusst das natürliche Kältemittel Umgebungsluft zur Kühlung. Das macht Sie zukunftssicher und umweltfreundlich. Außerdem brauchen Sie keine zusätzlichen Sicherheitsmaßnahmen wie bei anderen natürlichen Kältemitteln wie Ethan, Ammoniak und CO2.

Be- und Entladevorgänge

Durch das Öffnen des Zugangs zum Lagerraum entsteht ein kurzer, großer Luftstrom, der viel warme Luft in den Kühlraum bringt. Dies hat vor allem bei Tieftemperaturanwendungen drastische Auswirkungen, da der Dichteunterschied zwischen dem Lagerraum und dem Vorraum aufgrund des Temperaturunterschieds hoch ist. Das bedeutet, dass die kalte Luft in den Vorraum fällt, wenn die Tür geöffnet wird. Durch die Integration einer Schleuse, die als Pufferzone nur durch Transmission und Konvektion aus dem Kühlraum temperiert wird, bleibt der Einfluss des Be-/Entladens gering.

Elektrische Installationen

Bei konventionellen Kühlsystemen wird im Kühlraum ein Verdampfer benötigt. Dieser ist mit einem Ventilator und einem Heizlüfter ausgestattet und muss in regelmäßigen Abständen thermisch enteist werden. Beide Komponenten und der Enteisungsprozess bringen viel Wärme in den Kühlraum. Außerdem kann während des Abtauens keine aktive Kühlung stattfinden. Bei offenen Kaltluftkühlern ist ein Verdampfer nicht mehr notwendig, wodurch diese Wärmequellen entfallen und eine kontinuierliche Kühlung möglich ist. Dadurch ist der Niedertemperatur-Lagerraum mit Kaltluftkühlern effizienter. Außerdem sollten alle elektrischen Installationen gut durchdacht und für die Lagertemperatur geeignet sein.

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Christian Berger

Christian Berger · Leiter - Prozess- und Technologieverantwortlicher für Aseptik und Sterilität

Refolution unterstützte mich bei der technischen Verifizierung des Designs und der Dimensionierung eines Kühlsystems mit natürlichem Kältemittel für eine neue Gefriertrocknungsanlage.
Ich war sehr zufrieden mit der sofortigen Unterstützung und der Kompetenz des Refolution Teams. Vielen Dank für Ihre Hilfe.