Till innehåll på sidan

State-of-the-art Integrated Refrigeration Systems in Supermarkets

An Energy Efficiency Evaluation Based on Field Measurements Analysis and Computer Simulations

Tid: Fr 2021-05-28 kl 13.00

Plats: Publikt via Zoom, Stockholm (English)

Ämnesområde: Energiteknik

Respondent: Mazyar Karampour , Tillämpad termodynamik och kylteknik

Opponent: Dr. Silvia Minetto,

Handledare: Associate Professor and Docent Samer Sawalha, Tillämpad termodynamik och kylteknik; Professor Björn Palm, Tillämpad termodynamik och kylteknik

Abstract

Stormarknader har blivit ett viktigt inslag i det moderna samhället. De har emellertid betydande miljöpåverkan på grund av den stora mängden köldmedier som behövs i kylsystemet, och på grund av den stora energianvändningen i stormarknader; de är de kommersiella byggnader som har högst energiintensitet. Den största energianvändaren i stormarknader är vanligtvis kylsystemet; dessa system förbrukar och förlorar en stor mängd köldmedier med hög global uppvärmningspotential (GWP). Effekterna av kylsystemen i stormarknader på miljön har undersökts, främst under de senaste decennierna. Lösningen för att minska dessa två stora effekter, av utsläpp av köldmedium med hög GWP och hög energianvändning, är att bygga mer energieffektiva kylsystem som använder miljövänliga köldmedier. Kylsystem som använder CO2 som köldmedium har utvecklats och använts som en lösning under de senaste två decennierna.

Denna doktorsavhandling undersöker metoder för att öka energieffektiviteten i CO2-kylsystem i stormarknader. Målet är att presentera och utvärdera tekniska lösningar som gör systemet konkurrenskraftigt med konventionella system när det gäller energi, miljö och ekonomi. Denna avhandling fokuserar på designändringar och integration i energisystemet utanför butiken. Detta baseras på datasimuleringar och fältmätningsanalyser av ett antal CO2-kylsystem installerade i Sverige. Konventionella HFC-lösningarna (som referens) och alternativa kyl- och värmesystem ingår i de jämförande prestandastudierna.

Som utgångspunkt för denna doktorsavhandling var den första studien att jämföra prestandan hos nyutvecklade CO2-system med konventionella HFC-system, vilket var en komplettering av resultat från ett tidigare projekt. För att uppnå detta mål jämförs fältprestanda för fem CO2-system med tre HFC-baserade system, alla installerade i svenska stormarknader. Resultaten visar att den nyare generationen CO2-system är mer, eller lika, effektiva som avancerade HFC-systemlösningar. Viktiga systemparametrar som har störst inverkan på CO2-systemets energieffektivitet studeras genom datorsimuleringar och ett CO2-baseline-system definieras som grund för denna avhandling. Detta system används i senare studier för att undersöka design- och effektivitetsförbättringar och slutligen för att definiera det senaste koldioxid-systemet.

Den andra studien utvärderar modifieringar i design och integration av värme och luftkonditionering i CO2-baseline-systemet. Detta integrationskoncept undersöks främst genom analys av fältprestanda för ett CO2-integrerat system. Systemet är installerat i en svensk stormarknad och använde flera funktioner för att öka energieffektiviteten och funktionaliteten i CO2-baseline-systemet. Dessa inkluderar uppvärmning av lokaler och tappvarmvatten, luftkonditionering och parallell kompression. Detta integrerade system är också modellerat och jämfört med fristående HFC-baserade kyl- och värmesystem. Resultaten visar att den integrerade lösningen kan ge uppvärmning, med värmefaktorer från 4 till 6, jämförbara med kommersiella värmepumpar. Systemet kan också fylla stormarknadernas hela krav på luftkonditionering. Effektiviteten hos systemets AC-prestanda, samtidigt som den stöds av parallell kompression, är jämförbar med, eller högre än, HFC-lösningarna. Med tanke på alla systemets termiska funktioner (kylning, uppvärmning, AC), visar resultaten att även om den integrerade lösningen är en effektiv allt-i-ett-enhet i kalla till medelvarma klimat, kräver det effektivitetsförbättringar för att vara en potent kandidat i varma klimat.

Energieffektivisering av det integrerade CO2-systemet, både i kalla och varma klimat, är föremål för den tredje studien. Designfunktioner och integration med värme- och luftkonditioneringssystem utvärderas för att identifiera de mest lovande lösningarna när det gäller energieffektivitet. Resultaten av den parametriska studien ledde till definitionen av State of the Art CO2-systemet (SotA).

Ett SotA integrerat CO2-system definieras som en energieffektiv, miljövänlig och allt-i-ett-kompakt lösning som kan möta alla termiska krav i stormarknader i kalla och varma klimat. Detta system inkluderar flödande förångare, parallell kompression och värmeåtervinning vid två temperaturnivåer. Detta system jämförs med konventionella och alternativa kylsystem i stormarknader. Jämförelsen visar att SotA CO2-systemet ger minst 15% årliga energibesparingar jämfört med standard CO2-systemet och minst 25% jämfört med konventionella system med HFC i Stockholm, vilket gör systemet till det mest effektiva som kan installeras i Sverige idag. SotA CO2-systemet är också ett av de mest effektiva systemen i varma klimat.

Integrering av geotermisk lagring i SotA CO2-systemet är föremål för den fjärde studien. Denna integration har blivit intressant för norra Europa under de senaste åren. Markvärmelagret kan användas som kylsänka på sommaren och värmekälla på vintern för att förbättra CO2-systemets totala prestanda. Tre scenarier för integration, inklusive fristående, integrerade och hybridenergisystem i stormarknaden utvärderas. Resultaten av studien visar att den årliga driftskostnaden för en separat stormarknad och fjärrvärmekonsument för uppvärmning kan minskas med 20-30% om systemen kopplas ihop, geotermisk lagring tillämpas och stormarknaden tillhandahåller uppvärmning för konsumenten. Denna integration är fördelaktig för stormarknader med mycket höga värmebehov, eller stormarknader som delar värmesystem med en närliggande byggnad.

Några viktiga bidrag ges i denna doktorsavhandling. Först presenteras detaljerade fältmätningsanalyser av det moderna CO2-systemet. Detta har saknats i litteraturen i stor utsträckning. För det andra utförs en omfattande screening av de mest lovande lösningarna med datasimuleringar, vilket garanterar att CO2-systemet fungerar med högsta möjliga effektivitet. Detta förbättrar och påskyndar beslutsprocessen för stormarknadens intressenter när det gäller att välja de mest energieffektiva lösningarna. Sist men inte minst belyser denna avhandling tillgången till och konkurrenskraften hos miljövänliga kyltekniker för stormarknader. 

Nyckelord:

Koldioxid (CO2), Stormarknad, Butikskyla, Transkritisk cykel, Fältmätningar, Datorsimulering, Systemintegration, State-of-the-Art, Värmeåtervinning, Luftkonditionering, Referens HFC-system, Lagring av geotermisk energi

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-293852