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Dieser Beitrag für die Rubrik „Expert Opinion“ stammt von Ritesh Raj, einem Growth Engineer bei Mindlabs Cloud, einem Unternehmen, das IoT-basierte (Internet der Dinge) Umweltüberwachungssysteme in pharmazeutischen Kühlketten, GMP-konformen (Good Manufacturing Practice) Produktionsstätten und regulierten Kühlhausbetrieben weltweit einsetzt. Hier schreibt Raj darüber, dass Betreiber von Kühlhäusern nach der Umstellung von HFKWs auf natürliche Kältemittel ihre Annahmen hinsichtlich der Platzierung und Kalibrierung von Temperaturüberwachungssensoren überdenken müssen.
Ritesh Raj: Betreiber von Kühlhäusern in der Lebensmittel- und Pharmabranche stellen derzeit in raschem Tempo auf natürliche Kältemittel um. Die technischen Diskussionen rund um diese Umstellungen konzentrieren sich in der Regel auf das Kältemittel selbst: beispielsweise auf Systemdruckprofile, die Auswahl der Verdichter, Abtaustrategien und die Reduzierung der Ammoniak-Füllmenge (R717). Deutlich weniger Beachtung findet hingegen, was mit der Temperaturüberwachung im Kühlraum selbst geschieht. Dieses Versäumnis ist von größerer Bedeutung, als den meisten Betreibern bewusst ist, und es macht sich in den Konformitätsaufzeichnungen bemerkbar.
Warum sich die thermischen Bedingungen ändern – nicht nur das Kältemittel
Transkritische CO₂-Kälteanlagen (R744) arbeiten bei deutlich höheren Drücken als die HFC-Anlagen, die sie in der Regel ersetzen, und sie durchlaufen häufigere und intensivere Abtauzyklen. Während ein HFC-System möglicherweise alle 12 bis 24 Stunden abtaut, führt ein CO₂-Booster-System in der Regel alle vier bis sechs Stunden eine Abtauung mit Heißgas durch. Jeder Abtauvorgang führt einen kontrollierten thermischen Impuls in den Kühlraum ein. Diese Impulse weisen ein anderes zeitliches Profil, eine andere Spitzentemperatur und eine andere Erholungskurve auf als das vorherige System.
Dies ist für die Temperaturüberwachung von Bedeutung, da die Sensoren und Alarmschwellen in einem Kühlraum auf das Zyklusverhalten des alten Systems kalibriert wurden. Ein Überwachungssensor, der so platziert wurde, dass er keine Fehlalarme durch HFC-Abtaupulse auslöst – und dessen Position und Schwellenwerte auf dieses Zeitverhalten abgestimmt sind –, befindet sich nun möglicherweise in einem völlig falschen Verhältnis zum Abtaumuster eines CO₂-Systems. Möglicherweise nimmt er mehr Wärmeimpulse auf, als er eigentlich melden soll, oder er befindet sich an einer Stelle, an der die neue Verdampferkonfiguration eine tote Zone im Luftströmungsmuster erzeugt.
Ammoniak-Systeme bringen eine Reihe anderer Überwachungsaspekte mit sich. In Anlagen, die auf Ammoniak-Konstruktionen mit geringer Füllmenge umgestellt werden, bei denen sekundäre CO₂-Kreisläufe eingesetzt werden, um den Ammoniakbestand im Kühlraum zu reduzieren, ändern sich die Verdampferkonfiguration und die Luftstromverteilung innerhalb des Lagerbereichs oft erheblich gegenüber dem bisherigen HFC-Layout. Temperatursensoren, die für den Luftstrom des bisherigen Systems positioniert wurden, sind nicht automatisch korrekt für das neue System ausgerichtet.
Die Kalibrierungsannahme, die überdacht werden muss
Die meisten Betreiber von Kühlhäusern betrachten die Sensorkalibrierung als einen Vorgang, der ausschließlich in der Inbetriebnahmephase stattfindet. Es wird ein Kalibrierungszertifikat ausgestellt, das Überwachungssystem wird in Betrieb genommen, und die Messwerte gelten als genau, sofern kein sichtbares Problem vorliegt. Diese Annahme ist bei jedem System fragwürdig, da Sensoren unabhängig vom Kältemittel aufgrund von Temperaturwechseln, Feuchtigkeitseinwirkung und Vibrationen Drifterscheinungen aufweisen. Dies wird insbesondere in der Zeit unmittelbar nach einer Kältemittelumstellung problematisch.
Transkritische CO₂-Kälteanlagen arbeiten bei höheren Betriebsdrücken und erzeugen andere Schwingungsmuster als ältere HFC-Anlagen. Mechanische Schwingungen beschleunigen die Drift bei kapazitiven Feuchte- und Temperatursensoren. Wenn eine Anlage im Januar ein CO₂-System in Betrieb nimmt und die Überwachung bis Juni anhand der Kalibrierungs-Basisdaten aus der HFC-Ära durchführt, spiegelt die Konformitätsdokumentation für diesen Zeitraum die Annahme wider, dass die Sensorgenaue nie anhand des Betriebsprofils des neuen Systems überprüft wurde.
Für Betreiber pharmazeutischer Kühlhäuser ist dies kein abstraktes Compliance-Problem. Die GDP-Richtlinien (Good Distribution Practice) verlangen dokumentierte, kontinuierliche Nachweise dafür, dass die Temperaturbereiche während der gesamten Lagerung eingehalten wurden. Wenn ein Sensor, der unter einem HFC-System genau war, unter den Betriebsbedingungen eines CO₂-Systems eine Drift aufweist, spiegelt die Konformitätsaufzeichnung diese Drift nicht wider. Er spiegelt einen Messwert wider, der plausibel erschien, aber die Lagerumgebung nicht mehr genau erfasste. Für Lebensmittelhersteller gilt dasselbe Prinzip im Rahmen von HACCP (Hazard Analysis and Critical Control Points) und den Rückverfolgbarkeitsanforderungen des Food Safety Modernization Act (FSMA) der US-amerikanischen FDA.
„Die Überwachungsinfrastruktur, die die Produktqualität und die Einhaltung der Vorschriften gewährleistet, passt sich nicht automatisch an, wenn das Kältemittel wechselt.“
Ritesh Raj,
Growth Engineer bei Mindlabs Cloud
Was ein Protokoll zur Überprüfung der Umstellung enthalten sollte
Ein Kältemittelwechsel bietet einen natürlichen Auslöser für eine Neujustierung der Umgebungsüberwachung, die die meisten Betreiber derzeit überspringen. Überprüfen Sie zunächst die Anordnung der Sensoren, bevor Sie das System als in Betrieb genommen erklären. Erfassen Sie die neuen Luftströmungsmuster, die sich aus der Konfiguration des Verdampfers mit natürlichem Kältemittel ergeben, und stellen Sie sicher, dass die bestehenden Sensorpositionen weiterhin in der repräsentativen Messzone liegen – in der Mitte des Regals, fern von der Verdampferwendel, fern von der Tür und fern von den Rückluftwegen der Klimaanlage.
Zweitens sollten Sie unmittelbar nach der Inbetriebnahme und erneut 30 Tage nach der Inbetriebnahme neue Basiswerte anhand einer auf das NIST (National Institute of Standards and Technology) rückführbaren Referenz ermitteln. Die 30-Tage-Überprüfung erfasst frühzeitig Abweichungen, die durch das Betriebsprofil des neuen Systems verursacht werden, bevor sich diese verstärken. Dokumentieren Sie beide Messwerte unter Angabe des Referenzsondenmodells, der Zertifikatsnummer und der Abweichung.
Drittens sollten die Alarmschwellenwerte angepasst werden, um den zeitlichen Ablauf des Abtauzyklus des neuen Systems zu berücksichtigen. Wenn CO₂-Abtauvorgänge alle sechs Stunden stattfinden, müssen die Schwellenwerte anhand der tatsächlichen thermischen Erholungskurve des neuen Systems validiert werden und dürfen nicht aus dem langsameren Abtauprofil des HFC-Systems übernommen werden.
Viertens: Bei Anlagen, die auf Ammoniaksysteme umgestellt werden, sollten Sie die Ammoniakgasüberwachung als Teil des Umweltüberwachungsumfangs betrachten und nicht nur als einen Punkt zur Einhaltung von Sicherheitsvorschriften. Herkömmliche elektrochemische Ammoniaksensoren versagen in Umgebungen mit Temperaturen unter Null aufgrund des Einfrierens des Elektrolyts, und die Sensorauswahl muss anhand des tatsächlichen Temperaturbereichs des Lagerbereichs validiert werden.
Das übergeordnete Prinzip
Der Umstieg auf natürliche Kältemittel ist ein bedeutender Schritt für Betreiber von Kühlhäusern, die ihren ökologischen Fußabdruck und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften im Blick haben. Doch die Überwachungsinfrastruktur, die Produktqualität und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften gewährleistet, passt sich nicht automatisch an, wenn das Kältemittel wechselt. Ein CO₂- oder Ammoniak-System, das auf einer Überwachungsanlage aus der HFC-Ära installiert wird – mit denselben Sensoren, denselben Aufstellungsorten und denselben Kalibrierungsannahmen –, schafft eine Lücke zwischen dem verbesserten Umweltprofil des Kältemittels und der Genauigkeit der Konformitätsaufzeichnungen, die es eigentlich unterstützen soll.
Die Umstellung des Kältemittels ist der richtige Zeitpunkt, um diese Lücke zu schließen, da das System ohnehin bereits umgerüstet wird und Betriebsunterbrechungen im Projektplan berücksichtigt sind.
