Zwei Temperaturen, ein Kreislauf: Die Kunst der Kälteverteilung in TK und Mopro

Autor: DerSchneider

Einleitung

Wer heute eingeschweißte Tiefkühlpizza neben frischer Milch im selben Supermarktregal sieht, ahnt nicht, welche technische Meisterleistung dahintersteckt. Zwei völlig unterschiedliche Temperaturwelten – hier -18 °C, dort +4 °C – werden von ein und demselben Kältekreislauf versorgt. Was auf den ersten Blick wie eine simple Verzweigung aussieht, entpuppt sich bei genauerem Hinsehen als eine anspruchsvolle regelungstechnische Herausforderung.

Dieser Artikel erklärt den Kältekreislauf von Grund auf, steigert sich dann zu Zwei-Zonen-Systemen (TK für Tiefkühlung, Mopro für Molkereiprodukte) und beleuchtet die Ansteuerungskonzepte – von der einfachen Thermostatschaltung bis zur intelligenten elektronischen Regelung. Dabei werden historische Entwicklungen, aktuelle Kontroversen (z. B. Kältemittel, Energieeffizienz) und zukünftige Trends ebenso angesprochen wie die handwerklichen und elektrotechnischen Realitäten.

1. Der einfache Kältekreislauf – ein thermischer Schwung

Bevor wir zwei Zonen verstehen, muss das Grundprinzip des „einfachen“ Kreislaufs sitzen. Die Kältetechnik nutzt den physikalischen Effekt, dass ein Fluid (Kältemittel) beim Verdampfen Wärme aufnimmt und beim Kondensieren Wärme abgibt.

Die vier Hauptkomponenten im Überblick:

Anschaulich: Das Kältemittel ist ein „Wärmeschwamm“. Der Verdichter drückt den Schwamm aus (heiß, hoher Druck), der Verflüssiger kühlt ihn ab. Dann wird der Schwamm im Expansionsventil „aufgerissen“ (Druck fällt), und im Verdampfer saugt er sich mit Wärme aus dem Kühlraum voll.

Die Leichtigkeit dieses Prinzips trügt jedoch: Sobald zwei unterschiedlich kalte Verbraucher angeschlossen werden, entstehen komplexe Wechselwirkungen.

2. Das Dilemma zweier Zonen – Warum TK und Mopro nicht einfach parallel hängen

Ein Tiefkühllager (TK) benötigt eine Verdampfertemperatur von etwa -25 °C bis -30 °C (um bei Luft -18 °C zu erreichen). Ein Mopro-Kühlraum (für Milchprodukte, Käse, Joghurt) arbeitet dagegen mit einer Verdampfertemperatur von etwa -5 °C bis 0 °C. Der Druck im Verdampfer ist direkt mit der Temperatur verknüpft: Je tiefer die Temperatur, desto niedriger der Siededruck.

Druck-Temperatur-Beziehung (Beispiel mit Kältemittel R404A):

Schließt man beide Verdampfer einfach parallel an einen gemeinsamen Verdichter an, so stellt sich der niedrigste benötigte Druck ein (ca. 1,5 bar). Der Mopro-Verdampfer würde dann bei viel zu tiefem Druck betrieben – er vereist, die Wärmeübertragung bricht zusammen, und das Kältemittel verdampft nicht mehr vollständig. Die Folge: Flüssigkeitsschläge im Verdichter.

Lösungsansätze (historisch wie aktuell) lassen sich in zwei Grundarchitekturen teilen:

2.1 Reihenschaltung (älteres Verfahren, selten)

Das Kältemittel durchläuft zuerst den TK-Verdampfer (tiefer Druck), dann den Mopro-Verdampfer. Ein Druckhalteventil vor dem Mopro-Verdampfer hebt den Druck auf dessen Niveau an.
→ Nachteil: schlechte Regelbarkeit, hohe Temperaturspreizung, ineffizient.

2.2 Parallelschaltung mit Saugdruckregelung (Standard heute)

Beide Verdampfer werden parallel betrieben, aber jeder erhält seinen eigenen Expansionsventil-Druck. Der Saugdruckregler im Mopro-Rücklauf (z. B. Typ Danfoss KVP) hält den Druck auf dem höheren Niveau (ca. 4,5 bar), während der TK-Abgang ungedrosselt bleibt.

3. Ansteuerung der zwei Regionen – Von der Thermostat-Ein/Aus-Regelung zur elektronischen Präzision

Die reine Druckhaltung genügt nicht. Jede Zone muss ihre Solltemperatur unabhängig halten – das erfordert eine Leistungsregelung der Verdampfer.

3.1 Klassische Thermostat-Ansteuerung mit Magnetventilen

Jeder Verdampfer bekommt:

• Einen Temperatursensor (z. B. Fühler im Rückluftstrom)
• Ein Thermostat (bimetallisch oder elektronisch)
• Ein Magnetventil (stromlos geschlossen) vor dem Expansionsventil

Funktion:

• Überschreitet die Mopro-Temperatur den Sollwert (+4 °C), öffnet das Thermostat das Magnetventil → Kältemittel fließt → Kühlung aktiv.
• Unterschreitet die TK-Temperatur -18 °C, schließt das Magnetventil → Kühlung stoppt.

Der Verdichter selbst wird meist von einem Druckschalter (Ein-/Ausschalten bei Saugdruck-Untergrenze) oder einem einfachen Thermostat am kältesten Verdampfer gesteuert. Die Magnetventile arbeiten dann als „Lastschalter“ – sie unterbrechen den Massenstrom, ohne den Verdichter zu stoppen.

Schwachstelle: Taktet der Verdichter nicht, bleibt der Mopro-Kreis bei geschlossenem Magnetventil drucklos, während der TK-Kreis weiterläuft. Das ist unkritisch. Problematischer ist, dass der Verdichter bei gleichzeitigem Öffnen beider Magnetventile schlagartig viel Kältemittel fördern muss – daher häufig ein Drucküberwachungsventil oder eine Verdichter-Drehzahlregelung.

3.2 Moderne elektronische Ansteuerung (EEV + Regler)

Heute setzt man auf elektronische Expansionsventile (EEV) mit Schrittmotor und einen übergeordneten Regler (z. B. Carel ir33, Danfoss AK-CC 550). Diese Systeme arbeiten nach dem Prinzip der Überhitzungsregelung (Differenz zwischen Verdampfer-Austrittstemperatur und Siedetemperatur) und können die Kältemittelmenge stufenlos anpassen.

Vorteile der EEV-Ansteuerung:

• Präzise Temperaturhaltung (±0,5 °C statt ±2 °C)
• Vermeidung von Flüssigkeitsschlägen (adaptive Überhitzung)
• Energieeinsparung durch geringere Verdichterlaufzeiten
• Integrierte Abtauung (Heißgas, elektrisch)

Regelstrategie für zwei Zonen:
Der zentrale Regler (z. B. SPS oder kaskadierter PID-Regler) misst beide Verdampfertemperaturen und die Saugdrücke. Er priorisiert die TK-Zone (weil dort das Auftauen sonst zu Produktschäden führt). Bei gleichzeitigem Kältebedarf wird die EEV-Öffnung der Mopro-Zone gedrosselt, damit der Saugdruck nicht unter das TK-Niveau fällt. Alternativ wird ein Drehzahlregler am Verdichter (Frequenzumrichter) so angesteuert, dass der Saugdruck immer genau auf dem Niveau der aktivsten Zone liegt.

Typische Parametrierung:

• TK: Solltemperatur -18 °C, Schaltdifferenz 2 K, Abtauung alle 6 Stunden (Spitzenabtauung 20 min)
• Mopro: Solltemperatur +4 °C, Schaltdifferenz 1 K, Abtauung alle 8 Stunden (Heißgas oder elektrisch)
• Priorität: TK zwingend – bei Bedarf wird Mopro-Magnetventil geschlossen, bis TK erfüllt.

4. Kontroversen und Herausforderungen in der Praxis

4.1 Kältemittelwahl – Treibhausgas vs. Sicherheit

Lange Zeit dominierte R404A (Treibhauspotenzial GWP ≈ 3920). Neue EU-F-Gas-Verordnung erzwingt niedrige GWP-Werte. Alternativen:

• R449A (GWP ~1400, aber brennbar?)
• R744 (CO₂) – nur für transkritische Systeme geeignet, sehr hoher Druck
• Propan (R290) – extrem effizient, aber brennbar (nur für Kleinanlagen)

Die Umstellung auf natürliche Kältemittel zwingt die Ansteuerungselektronik zu noch präziserer Regelung, da z. B. CO₂ nahe am kritischen Punkt arbeitet.

4.2 Energieeffizienz – Teillastverhalten

Zwei-Zonen-Systeme sind oft überdimensioniert für Teillast. Eine moderne Lösung ist der parallele Verdichterverbund mit mehreren, kleineren Verdichtern, die bedarfsabhängig zu- oder abgeschaltet werden (z. B. Bitzer-Steuerung). Die Ansteuerung muss dann die Magnetventile der Zonen mit dem Verdichtermaster synchronisieren.

4.3 Digitalisierung – Industrie 4.0 trifft Kältetechnik

Immer mehr Anlagen besitzen IoT-Fähigkeit: Die Regler melden Drücke, Temperaturen und Energieverbrauch an eine Cloud (z. B. Carel Plantvisor). Dort wird mittels Machine Learning ein optimaler Schaltplan für die Magnetventile und Verdichterdrehzahlen errechnet. Auch die Vorhersage von Abtauzyklen (basierend auf Feuchtigkeit und Türöffnungsfrequenz) wird möglich.

5. Fazit und Ausblick

Der einfache Kältekreislauf wird erst dann wirklich interessant, wenn er zwei unterschiedlich temperierte Zonen wie TK und Mopro gleichzeitig versorgen muss. Die Lösung liegt in einer durchdachten hydraulischen Verschaltung (Parallelbetrieb mit Saugdruckregelung) und einer intelligenten Ansteuerung – angefangen beim klassischen Magnetventil mit Thermostat bis hin zum vollautomatischen, cloudvernetzten EEV-System.

Die Zukunft gehört den adaptiven, lernenden Regelungen, die nicht nur Temperaturen halten, sondern auch Energieverbräuche, Wartungsintervalle und Kältemittelemissionen optimieren. Für den Elektrotechniker bedeutet dies: Das einfache „Ein/Aus“ verschwindet, die Programmierung von PID-Parametern und die Kommunikation über Feldbusse (CAN, Modbus, BACnet) werden zur Kernkompetenz.

Wer heute eine Kälteanlage für Lebensmittel plant, sollte nicht mehr an der Ansteuerung sparen. Sie ist das Herzstück, das aus einem einfachen Kältekreislauf ein effizientes, sicheres und zukunftsfähiges Zweizonensystem macht.

Quellen

• Döring, E. (2018). Kältetechnik – Grundlagen, Anwendungen, Berechnungen. Verlag Europa-Lehrmittel.
• VDI-Richtlinie 4640 (2022). Thermische Nutzung des Untergrundes – Anlagen zur Kälteerzeugung.
• Danfoss A/S (2021). Application Guide – Two-zone refrigeration with KVP and EEV. Technische Dokumentation.
• Carel Industries S.p.A. (2023). Controller for refrigeration – ir33 universal user manual.
• Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein (DKV) (2024). F-Gas-Verordnung – Umsetzung in der Praxis. DKV-Arbeitskreisbericht 2024-04.
• EU-Verordnung Nr. 517/2014 (F-Gas-Verordnung) in der Fassung 2024.