Opt

for better

A system integrator’s
experience with
A2L class refrigerants
By Ralph Rinck,
Master Refrigeration Engineer,
Horst Zimmermann GmbH,
Nuremberg

Medical Products Cooledwith A2L RefrigerantThis article was first published in German
in Kälte Klima Aktuell 4/2021

Baxter is a manufacturer of high quality medical
products. At their Höchstadt an der Aisch site,
the refrigeration system supplying two lowtemperature (LT) cold stores (-26°C) was getting
on in years and needed to be replaced. The
refrigeration specialist Horst Zimmermann GmbH,
Nuremberg, installed a new refrigeration systemwith the A2L refrigerant R-454C under the moststringent requirements for the operational safetyof these cold stores.

As Baxter writes on its homepage, “For over
85 years we’ve been committed to saving andsustaining lives – gaining signiﬁcant insights thathave helped develop innovative technologies andnew approaches to healthcare worldwide.” At
the company’s Höchstadt an der Aisch site, therefrigeration systems for the two LT cold stores
had reached the limits of economic efﬁciency andreliability after over 20 years’ service. Since thestored goods are high-value medical products,
operational reliability was the top priority.
Spie is responsible for facility management at thesite, and its staff are thoroughly familiar with all
operational processes. Spie was only willing toconsider a regionally based specialist contractor
with the necessary know-how to be able torespond quickly in the event of a malfunction.
Horst Zimmermann GmbH from Nuremberg wasselected to replace the refrigeration technology,
having as it does sufﬁcient experience, including
with A2L refrigerants, and highly trained
personnel.

Transitioning to A2L
Refrigerants
A joint planning process by the specialist
contractor’s staff, the facilities management
service provider and on-site users clearly
identiﬁed the refrigerant R-454C as the best
long-term solution.

However, its A2L classiﬁcation may cause
concern when its ﬂammability is mentioned.
When this happens, two options are open to us
as a system constructor. Either we can opt for arefrigerant with a high GWP within the frameworkof what is (currently still) legally permissible or
we can assess the possible risk related to lowerGWP, mildly ﬂammable refrigerants and develop
the technical feasibility together with the client,which is what happened with Baxter.
Even if it may initially seem a little more complex,
our entire refrigeration/air conditioning industry
will not be able to avoid the application andfurther development of system technology with
low-GWP refrigerants. At Horst Zimmermann
GmbH we have been dealing with “alternativerefrigerants” for some years now. Interestingly,
there have long been theoretical presentations
on new refrigerants with lots of facts, ﬁguresand data. A number of seminars in Maintal or
Karlsruhe or presentations at various events
have always provided useful information and new
ideas, it’s just putting them into practice that has
previously been the problem.
While some projects might indeed have been
suitable for an initial “ﬁeld trial” and ourclients were open to this approach, we were
unfortunately thwarted time and again – it has
after all taken a very long time for the necessarycomponents to become available. Flammability
certainly played a large part in this. Component
testing and approvals took some time and effort.
This is understandable – safety is justiﬁably avery high priority, as is thoroughness over speed.
Components for alternative (mildly ﬂammable)
refrigerants have progressively become
available and the manufacturers’ corresponding
Component Selection Softwares also permit therequired calculations.

A2L Refrigerant
Flammability is Manageable
Handover of the completed refrigeration systemin the plant room (refrigeration system in the
background), from the left, Christopher Popp, Armin
Klein, Ralph Rinck, Rene Lämmermann

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As experienced refrigeration plant (or mechatronics)
engineers, it is now also up to all of us to use ourexpertise to educate users and managers. In
particular for the A2L class, we are talking abouta burning velocity ≤10 cm/sec. R-454C has aAnhduc Dinh connecting thecompressors

Precision work is required whentransporting the control cabinet,
Finn Karlein (top)Still some “cable spaghetti”,
which Peter Volland will soon
sort out.

burning velocity of 1.6 cm/sec., vs. 46 cm/sec.
for R-290. The required minimum ignition energy(MIE) and the required mixing ratio (LFL) would
also have to be present for ﬂammability even to
be achievable. Especially in the latter case, therisk hazard can often be mitigated by technicalmeasures. Installing as many system components
as possible outdoors or in large (machine) rooms
would be a ﬁrst step.
DIN EN 378 provides good guidance to executea safe installation. As practitioners, we may
occasionally lack the desire to deal with suchspeciﬁcations, which is understandable inprinciple, but once you have familiarized yourself
with them, you have a good idea of what can be
implemented under which conditions.
From our point of view, it was pretty much alogical step to plan the conversion of the new
freezer systems with R-454C together with
Mr. Lämmermann, from Spie. With a GWP of 148(according to IPCC IV, AR 4), this refrigerant iscurrently my ﬁrst choice in this ﬁeld of work.

improving system efﬁciency. Additional solenoid
or switching valves in the discharge line weredeliberately omitted in order to simplify thesystem architecture and to avoid possible causesof malfunction.
The planned room temperature was -26°C. It
was helpful to work together with Mr. Riedelfrom Frigotechnik during the planning phasein order to discuss details, ﬁnd practicable
solutions and, if necessary, critically question
them. Functionality such as defrost on demand,
EEV and network capability were discussed indetail and ﬁnally implemented with “AK-CC55”
controllers from Danfoss and a Bluetooth control
unit. Cool-Concept planned a ModBus connection.
IQ modules are built into the conventional“Bitzer Green” compressors to provide thegreatest possible protection. Great importance
was attached right from the planning stage toensuring a clear arrangement and easy operability
and accessibility of all (control) components for
future maintenance work.

Planning

Installation

The LT cell room height of 7 m and the resulting
relatively high maximum possible refrigerant
charge made the decision much easier. To further
increase energy efﬁciency, a Heat Recovery
system was also installed. During the heating
cycles, the waste heat generated is transferred
directly to a large warehouse, signiﬁcantly

In an interview, the plant manager Mr. Czapka
describes the decision-making criteria: “FromBaxter’s point of view, important criteria were
sustainability (reduction of CO2 emissions),
redundancy, emergency management and theavailability of system components. Coupledwith the expertise of the specialist company

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used.” As is usual with the conversion andreplacement of most refrigeration systems,
the affected storage rooms could not simply
be shut down. Precise advance planning,
preparation and implementation were required
to avoid unnecessary downtime. For us assystem constructors, this meant that all systemcomponents (except the evaporators) were
installed and pipes were laid to the planned feedthrough into the LT cells and pressure tested.
Even the control cabinet was completely
connected up, and controllers and network accesswere already set up on site. The free space above
the two LT cells was helpful, as there was enoughroom to lay all the cables and pipes. Getting overexisting lines and beams was difﬁcult enough as
it was.
One of the most difﬁcult points, however, wasarranging the control cabinet and the threecompressors to allow easy access for servicing.
Which machine room has enough space for
additional equipment without having to dismantle
what’s there already? The condensers could be
mounted directly on the outer wall of the machineroom, secured by a rail structure inside the room.
Installation sometimes meant wriggling arms andspanners almost acrobatically around existing
system components.

Installing the intake hoods

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Commissioning
Once all the preparatory work was complete, it
was time for the “hot phase” of shutting down
the ﬁrst of the existing equipment, from which
point onwards it was a matter of going fullspeed ahead to dismantle the old system, installand connect new evaporators and put the new
system into operation. Since the new evaporators
are equipped with an intake hood and SHUTUP (defrost sleeve), good use had to be madeof the space here too in order permit good air
distribution. The dimensions are distinctly larger
than those of the preceding model. Here too, agenerous layout plays a decisive role in terms ofenergy efﬁciency.
Thanks to the thorough preparatory work, theﬁrst trial run could be carried out earlier thanscheduled. After conversion of the existing
emergency power supply and trouble-free test
operation for several days, the LT store could
be released for use. After further few moretrouble-free days, the other LT cell was shut
down and converted in the same way. As theset temperatures in the cold stores must be
respected in any circumstances, additional
evaporators, each controlled by its own Danfoss“AK-CC55” controller, was installed in every room.

Lines and pipework installed on
the deep-freeze cold store

The new refrigeration systemtaking shape.

Technical data
Refrigerant:

R-454C

Cooling capacity:

7.3 kW

Evaporation:-34°C

Room setpointtemperature:-26°C

Positive Conclusion

Condensers could be mounted directly on the outerwall of the machine room

As soon as the “normal” LT cold store reports afault in a room, this redundant controller is given
the go-ahead for cooling. The two evaporators aresupplied via a common additional compressor as aseparate redundant refrigeration system.

Retrospectively, the entire conversion project
was easier to implement than initially thought.
Unexpectedly, putting the control cabinet inplace and setting it up turned out to be one of themost difﬁcult tasks. The justiﬁed attention to theﬂammability of the refrigerant R-454C makes
sense and should not be underestimated, butfollowing current standards greatly simpliﬁes theprocedure. The advantage of A2L refrigerants is
the well-known technology involved, which has
long been familiar to experienced refrigeration
system or mechatronics engineers. The time has
now come to use them not only for individual
prestige projects, but also for medium and small
applications in our industry without waiting for the
next stage of phase-down.

For more information on the Opteon™ family of low GWP
products, visit opteon.com

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A2L-Kältemittel‹ TECHNIKMedizin-Produkte mit
A2L-Kältemittel gekühlt
Erfahrungen eines Fachbetriebs mit brennbaren Kältemitteln„Seit mehr als 85 Jahren arbeiten wir daran, Leben zu retten und zu erhalten – dabei erhielten wir bedeutende Einblicke, die
zur Entwicklung innovativer Technologien
und neuer Ansätze im Gesundheitswesen
weltweit beigetragen haben.“ So schreibt
es die Firma Baxter auf ihrer Homepage.
Am Standort der Firma in Höchstadt a. d.
Aisch waren die Kälteanlagen der beiden TKLager nach über 20 Jahren an die Grenze derWirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit gekommen. Da es sich bei den eingelagerten
Waren um hochwertige Medizinprodukte
handelt, hatte die Betriebssicherheit höchsten Stellenwert.
Vor Ort zuständig für das Facility Management ist die Fa. Spie, deren Mitarbeiter alle
betrieblichen Abläufe genau kennen. Alsausführender Fachbetrieb kam für Spie nur
ein regional ansässiges Unternehmen mit
dem nötigen Know-how in Frage, um im
Störungsfall schnell reagieren zu können.
Mit dem Austausch der Kältetechnik beauftragt wurde die Horst Zimmermann GmbHaus Nürnberg, die genügend Erfahrung undgeschulte Mitarbeiter, auch im Umgang mit
A2L-Kältemitteln, vorweisen konnte.

Wachsende Bedeutung von
A2L-Kältemitteln
Bei der gemeinsamen Planung aller verantwortlichen Mitarbeiter von Fachbetrieb, FMDienstleister und Nutzern vor Ort fiel die
Wahl eindeutig auf das Kältemittel R454C
als langfristig beste Lösung.
Die Kältemittelklassifizierung A2L sorgt
jedoch bei der Erwähnung der Brennbarkeit im Kundengespräch leider immer erst
einmal für besorgte Gesichter, bis hin zur
Ablehnung. An diesem Punkt gibt es fürwww.kka-online.info

Die Firma Baxter ist ein Hersteller hochwertiger Medizin-Produkte. Am Standort in Höchstadt a. d. Aisch war die Kälteanlage zur Versorgung von zwei
TK-Lagern (-25 °C) in die Jahre gekommen und musste ersetzt werden. Der
Kältefachbetrieb installierte unter höchsten Anforderungen an die Betriebssicherheit der TK-Lager ein neues Kältesystem mit dem A2L-Kältemittel R454C.

Fotos: Zimmermann Kälte

Ralph Rinck,
Kälteanlagenbauer-Meister,
Horst Zimmermann GmbH, Nürnberg

Abnahme der fertigen Kälteanlage im Maschinenraum (Anlage im Hintergrund), von links, Christopher
Popp, Armin Klein, Ralph Rinck, Rene Lämmermann

uns als Anlagenbauer zwei Möglichkeiten.
Entweder man weicht auf ein Kältemittel
mit hohem GWP im Rahmen der (derzeitnoch) gesetzlichen Möglichkeiten aus, oderman beurteilt die mögliche Gefährdung underarbeitet gemeinsam mit dem Kunden die
technische Umsetzbarkeit – so wie im Fall
der Firma Baxter.
Auch wenn es im ersten Moment vielleicht
etwas aufwendiger erscheint, wird unsere
gesamte Kälte-/Klima-Branche nicht um
die Anwendung und Weiterentwicklung
der Anlagentechnik mit Low-GWP-Kältemitteln herumkommen. Schon seit einigen
Jahren beschäftigen wir uns bei der Horst
Zimmermann GmbH mit dem Thema „alternative Kältemittel“. Interessanterweise gibt
es schon lange theoretische Vorträge überneue Kältemittel mit vielen Zahlen, Daten,
Fakten. Auf mehreren Seminaren in Maintal, Karlsruhe oder bei Vorträgen diverser
Veranstaltungen gibt es immer wieder Wissenswertes und neue Impulse. Einzig die
Umsetzung war bisher schwierig.

Es wären zwar einige Projekte für einen ersten „Feldversuch“ geeignet gewesen; auch
Kunden zeigten sich offen für diesen Weg derUmsetzung. Leider wurden wir immer wieder
ausgebremst – hatte doch die Verfügbarkeit
der erforderlichen Komponenten sehr lange
auf sich warten lassen. Daran hatte die mögliche Brennbarkeit sicherlich einen großen Anteil. Bauteilprüfungen o. ä. Genehmigungensind wahrscheinlich entsprechend aufwendig und langwierig. Soweit ist das auch verständlich – Sicherheit hat berechtigterweiseeinen sehr hohen Stellenwert, ebenso geht
Gründlichkeit vor Schnelligkeit. In letzter Zeitsind endlich einige Komponenten für alternative (brennbare) Kältemittel erhältlich undauch die entsprechenden Auslegungsprogramme der Hersteller lassen die benötigten
Berechnungen zu.

Brennbarkeit von A2L-Kältemitteln
ist beherrschbar
Als erfahrene Anlagenbauer (bzw. Mechatroniker) liegt es jetzt auch an uns allen,
Nutzer und Führungskräfte mit unserem
Fachwissen aufzuklären. Besonders in der
A2L-Klasse reden wir von einer max. Brenngeschwindigkeit von 10 cm/s! Die benötigte
Mindest-Zündenergie und das benötigte
Mischungsverhältnis müssten zusätzlichvorhanden sein, um überhaupt eine Brennbarkeit zu erreichen. Vor allem bei Letzteremkann durch technische Maßnahmen die Gefährdung oft vermieden werden. Möglichst
viele Anlagenteile im Freien oder großen(Maschinen-) Räumen zu installieren, wäre
ein erster Schritt.
Die DIN EN 378 bietet hier einen guten Leitfaden zu den Aufstellungsbedingungen. Als
Praktiker fehlt vielleicht gelegentlich die
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Anschluss der Verdichter durch Anhduc Dinh

Maßarbeit ist gefragt beim Transport des Schaltschranks, Finn Karlein (oben)

Noch gibt es „Kabelsalat“, den Peter Volland bald
beheben wird.

Lust, sich mit solchen Vorgaben zu beschäftigen. Das ist grundsätzlich verständlich,allerdings kann man sich nach einer Einarbeitung gut orientieren, was unter welchen
Bedingungen umsetzbar ist.
Deshalb war es unsererseits ein fast logischer Schritt mit Herrn Lämmermann, als
Vertreter vor Ort, die Umbaumaßnahme derneuen TK-Anlagen mit R454C zu planen. Mit
einem GWP von 148 (gemäß IPCC IV: AR 4)
ist das Kältemittel für mich die derzeit erste
Wahl in diesem Arbeitsbereich.

einen möglichst hohen Schutz zu realisieren.
Die übersichtliche Anordnung und eine einfache Bedienbar- und Zugänglichkeit aller(Regelungs-) Bausteine bei zukünftigen Wartungsarbeiten hatten bereits im Planungsstadium einen großen Stellenwert.

schon genug Platz für zusätzliche Anlagen,ohne vorher Altanlagen zu demontieren?
Die Verflüssiger konnten direkt an der Außenwand des Maschinenraums montiert
werden, wenn auch mit einer Schienenkonstruktion im Raum gesichert. Zur Montage
mussten sich Arme und Schraubenschlüssel
teilweise fast akrobatisch um bestehende
Anlagenteile herumschlängeln.

Die Planung
Die Raumhöhe von 7 m in den TK-Zellen unddie dadurch relativ hohe, maximal mögliche
Kältemittelfüllmenge haben die Entscheidung deutlich erleichtert. Aus energetischen
Gründen wurde auch eine Wärmerückgewinnung mitberücksichtigt. Während der
Heizperiode wird die entstehende Abwärme
direkt an eine große Lagerhalle abgegeben, was die Effizienz der Anlage deutlich
steigert. Auf zusätzliche Magnet- oderUmschaltventile in der HG-Leitung wurde
bewusst verzichtet, um mögliche Störungsursachen zu vermeiden.
Die Raumtemperatur wurde bei -26 °C geplant. Hilfreich war die Zusammenarbeit
bei der Planung mit Herrn Riedel der Firma
Frigotechnik, um Details durchzusprechen,
praktikable Lösungen zu finden und auchggf. kritisch zu hinterfragen. Themen wie
Bedarfsabtauung, EEV und die Netzwerkfähigkeit wurden ausführlich besprochen undschließlich mit „AK-CC55“-Reglern von Danfoss und Bluetooth-Bedienteil umgesetzt. Eine
ModBus-Anbindung hat die Fa. Cool-Concept
geplant. Bei den Kompressoren im klassischen„Bitzer-Grün“ sind IQ-Module integriert, um
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Die Montage
Im Gespräch beschreibt der Betriebsleiter
Herr Czapka die Entscheidungskriterien:„Aus Baxter-Sicht waren wichtige Entscheidungskriterien die Nachhaltigkeit (Reduktion der CO2-Emissionen), Redundanz, Notfallmanagement und die Verfügbarkeit vonAnlagenkomponenten. Verbunden mit derKompetenz der eingesetzten Fachfirma.“
Wie üblich bei Umbau und Austausch dermeisten Kälteanlagen konnten die betroffenen Lagerräume nicht einfach abgeschaltet
werden. Im Vorfeld waren eine exakte Planung, Vorbereitung und Umsetzung nötig,um unnötigen Stillstand zu vermeiden. Füruns als Anlagenbauer hieß das, alle Anlagenteile (außer den Verdampfern) wurden montiert, Leitungen bis zur geplanten
Durchführung in die TK-Zellen verlegt undabgedrückt.
Auch der Schaltschrank wurde komplett angeschlossen, Regler und Netzwerkzugang
vor Ort bereits eingerichtet. Hilfreich war
der freie Raum über den beiden TK-Zellen,
in dem genug Platz zur Verlegung aller Kabel
und Rohrleitungen zur Verfügung stand. Das
Springen über bestehende Leitungen undTräger war auch so aufwendig genug.
Einer der schwierigsten Punkte zeigte sichallerdings in der Anordnung des Schaltschranks und der drei Kompressoren, um einen servicefreundlichen Zugang zu ermöglichen. In welchem Maschinenraum gibt es

Die Inbetriebnahme
Nach Abschluss aller Vorbereitungen kam
die „heiße Phase“ der Abschaltung der ersten in die Jahre gekommenen Anlage. Ab
jetzt hieß es, mit aller Kraft die alte Anlage
demontieren, neue Verdampfer montieren,anschließen und Anlage in Betrieb nehmen.
Da die neuen Verdampfer mit Ansaughaube
und Shut-up (Abtauschlauch) ausgerüstet
sind, musste auch hier der Platz gut ausgenutzt werden, um eine gute Luftverteilung
zu ermöglichen. Die Abmessungen sinddeutlich angewachsen im Gegensatz zum
Vorgängermodell. Auch hier spielt die großzügige Auslegung im Bezug auf die Energieeffizienz eine entscheidende Rolle.
Der erste Probelauf konnte dank der guten
Vorbereitung früher als geplant durchgeführt werden. Nach Umbau der vorhandenen Notstromversorgung und störungsfreiem Testbetrieb über mehrere Tage
konnte das TK-Lager zur Nutzung freigegeben werden. Nach weiteren Tagen ohne
Störungen wurde auch die andere TK-Zelleabgeschaltet und entsprechend umgebaut.
Da die Temperaturen in den TK-Lagern
keinesfalls überschritten werden dürfen,
wurde in jedem Raum noch ein zusätzlicher
Verdampfer installiert. Jeder mit einem eigenen „AK-CC55“-Regler von Danfoss anKälte Klima Aktuell  4/2021

Montage der Ansaughauben

Montage von Leitungen und Rohren auf dem
TK-Lager

Die neue Kälteanlage nimmt Gestalt an.

gesteuert. Sobald die „normale“ TK-Anlage
in dem jeweiligen Raum eine Störung meldet, bekommt dieser Redundanz-Regler die
Freigabe zur Kühlung. Versorgt werden die
beiden Verdampfer über einen gemeinsamen zusätzlichen Kompressor, als eigene
Redundanz-Kälteanlage.

Positives Fazit
Im Nachhinein betrachtet, war die gesamte
Umbaumaßnahme einfacher zu realisieren
als zunächst gedacht. Unerwartet stellte sich
die Einbringung und Aufstellung des Schaltschranks als einer der schwierigsten Arbeitsschritte heraus. Die berechtigte Aufmerksamkeit zur Brennbarkeit des Kältemittels
R454C macht Sinn und soll nicht leichtfertig
unterschätzt werden. Eine Orientierung an
den gängigen Normen macht den Umgang
wiederum sehr einfach. Der Vorteil bei den
A2L-Kältemitteln ist die bekannte Technik,
mit der erfahrene Kälteanlagenbauer, bzw.
Mechatroniker seit langem vertraut sind. Es
wird Zeit, diese nicht nur bei einzelnen Prestigeprojekten einzusetzen, sondern auchbei mittleren und kleinen Anwendungenin unserer Branche anzuwenden und nicht
auf die nächste Stufe des Phase-downs zu
warten.

Technische Daten
Kältemittel: R454C
Kälteleistung: 7,3 kW
Verdampfung: -34 °C
Raum-Solltemperatur: -26 °C
Die Verflüssiger konnten direkt an der Außenwand des Maschinenraums montiert werden.

www.kka-online.info

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