In this work, different options for improving the energy efficiency of cold water sys-tems are investigated and compared. The cold water system at the Fraunhofer-Institute for Integrated Systems and Device Technology IISB in Erlangen is used as a reference system as well as a platform for the implementation of derived efficiency measures. An important subgoal of this work is the comparison of energy saving potentials of con-ventional efficiency measures and innovative concepts, such as the utilization of cold storage and free cooling. An implementation of innovative concepts is usually associat-ed with higher technical efforts. Further, energy savings are dependent on various sys-temic boundary conditions. Therefore, prior to the implementation of efficiency measures, a simulation tool was developed, that was used to investigate efficiencies of the considered reference system in dependence of various system impacts. In order to establish a basis for the evaluation of different efficiency measures, the ini-tial state of the cold water system at the IISB was analyzed. As a result, a significant par-tial load operation of the chillers was identified. This caused low system efficiencies along with high flow rates and a low temperature difference between the feed line and the return line of the cold water system. Based on those findings, a methodology for enhancing the system efficiency was developed. This comprised the reduction of flow rates and the elevation of the temperature spread in the cold water system, the usage of cold storage for improving the chiller load as well as free cooling at times where cooling demand is low. In order to quantify the energy savings of cold storage and free cooling, models for the relevant components of the cold water system were developed and integrated into a system simulation tool. The efficiency potentials and energy sav-ings where then compared to those of conventional efficiency measures. The simulation results imply that the use of cold storage and free cooling bears signifi-cant energy saving potentials. With 80 m³ of cold water storage, 10 % of the operation costs of the reference system can be saved. In the case of free cooling about 12 % can be saved. It should be noted that, due to higher outside temperatures, free cooling can-not be used in the summer period. The stated number arises solely from the winter period, where the saving potential is actually higher than the given average annual val-ue of 12 %. The conventional efficiency measures resulted in total energy savings of about 20 % of the operating costs but comprised several individual actions. The cold storage could not be completed during the course of this work. However, the free cool-ing system was successfully integrated and its saving potential was examined. The ex-perimental results showed a very good agreement with the model forecasts: Simulation results implied that free cooling would save 47 % of the overall energy demand for cooling in comparison to the chiller while it is operated. The implemented system showed actual energy savings of 50 % and therefore exceeded the expectations from the simulation.

In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Möglichkeiten zur Optimierung der Energieeffizienz in Kaltwassersystemen untersucht und gegenübergestellt. Die Kälte-versorgungsinfrastruktur des Fraunhofer-Instituts für Integrierte Systeme und Bau-elementetechnologie IISB in Erlangen wird dabei als Referenzsystem sowie als Platt-form für die Umsetzung abgeleiteter Maßnahmen herangezogen. Ein besonderes Teil-ziel dieser Arbeit stellt die Gegenüberstellung der Einsparpotenziale von konventionel-len Möglichkeiten der Effizienzoptimierung mit innovativen Maßnahmen, wie dem Ein-satz von freier Kühlung und der Nutzung eines Kältespeichers, dar. Die Implementie-rung innovativer Anlagenkonzepte ist üblicherweise mit einem erhöhten technischen Aufwand verbunden. Ferner hängen die Effizienzpotenziale von individuellen Randbe-dingungen des betrachteten Systems ab. Aus diesen Gründen wird im Vorfeld der Um-setzung ein Simulationswerkzeug entwickelt, mit dem sich die Systemeffizienz in Ab-hängigkeit verschiedener Randbedingungen untersuchen lässt. Um eine Basis für die Bewertung unterschiedlicher Maßnahmen herzustellen, wurde das Referenzsystem analysiert. Hierbei wurde eine relativ geringe Auslastung der vor-handenen Kältemaschinen festgestellt, welche zusammen mit einem hohen Kaltwasser-Volumenstrom und einer geringen Temperaturspreizung zwischen Vorlauf und Rück-lauf des Kältesystems eine niedrige Gesamteffizienz der Kälteanlage verursachte. Auf Basis dieser Erkenntnisse wurde eine Methodik zur Erhöhung der Anlageneffizienz abgeleitet. Diese beinhaltet die Absenkung des Kaltwasser-Volumenstroms, den Einsatz eines Kältespeichers zur Erhöhung der Auslastung der Kältemaschine sowie den Ein-satz von freier Kühlung in Zeiträumen mit niedriger Kältelast. Um das Einsparpotenzial des Kältespeichers und der freien Kühlung zu quantifizieren, wurden Modelle für die wichtigsten Komponenten des Kältesystems entwickelt und in ein Systemmodell inte-griert. Die Effizienz- und Einsparpotenziale der beiden im Modell betrachteten Techno-logien wurden anschließend denen der umgesetzten, konventionellen Maßnahmen ge-genübergestellt. Die Ergebnisse der Simulationen implizieren, dass der Einsatz eines Kältespeichers und der freien Kühlung signifikante Einsparpotenziale aufweist. Mit Hilfe eines Kaltwasser-speichers mit 80 m³ Volumen lassen sich etwa 10 % der jährlichen, betriebsgebunden Kosten des Referenzsystems einsparen. Die Kosteneinsparung durch Nutzung von frei-er Kühlung liegt bei etwa 12 %. Dabei ist zu berücksichtigen, dass freie Kühlung in den Sommermonaten aufgrund hoher Umgebungstemperaturen nicht betrieben werden kann. Das Einsparpotenzial ergibt sich somit allein aus der Winterperiode, in welcher die Einsparungen höher liegen als der Jahresdurchschnittswert von 12 %. Die konven-tionellen Effizienzmaßnahmen wiesen dagegen ein Einsparpotenzial von etwa 20 % auf, setzten sich jedoch aus zahlreichen, individuellen Optimierungsmaßnahmen im Kälte-system zusammen. Der geplante Kältespeicher konnte aufgrund eines Bauverzuges nicht im Rahmen der vorliegenden Arbeit umgesetzt werden. Die Implementierung der freien Kühlung wurde hingegen erfolgreich abgeschlossen und das Einsparpotenzial untersucht. Die experimentellen Ergebnisse stehen dabei in guter Übereinstimmung mit den Prognosen des Simulationsmodells. Während des Betriebs der freien Kühlung wurde ein Einsparpotenzial von etwa 47 % gegenüber der Kältemaschine vorausge-sagt, welches mit einem Wert von 50 % der umgesetzten Anlage leicht übertroffen wurde.