Minimering av energiforbruk i fremtidens supermarkeder

Abstract

SammendragBakgrunn:Dagligvarebutikker er energikrevende bygninger som er ansvarlige for store mengder utslipp av klimagasser. For å redusere både energiforbruk og miljøpåvirkning fra disse bygningene har nye effektive systemløsninger blitt introdusert. Hydrofluorkarbongasser er i dag de mest vanlige arbeidsmediene i kuldeanlegg, men på grunn av høyt globalt oppvarmingspotensial er det nå kommet mange insentiver for å bruke naturlige kuldemedier i stedet. I kjølige klimaer, som i Norge, er det også et stort oppvarmingsbehov i butikker. Varmeintegrasjon mellom kjøle- og ventilasjonsanlegg er en bredt praktisert løsning med et stort potensiale for energisparing. På grunn av de kompliserte termodynamiske interaksjonene mellom de ulike undersystemene i dagligvarebutikker, kan effektiv varmeintegrasjon ofte være vanskelig å få til. Det siste tiåret har sett store forbedringer i prediktive modeller og simuleringsverktøy for supermarkeder og deres systemløsninger. Resultatene fra disse simuleringene er bare så gode som de inndata de er generert fra, noe som er viktig å huske på når man skal trekke konklusjoner.Design og Metode:SINTEF har i samarbeid med butikkjeden REMA 1000 startet byggingen av en ny høyeffektiv og miljøvennlig butikk i Trondheim. Dette er et pilotprosjekt som kan bli den nye standarden for fremtidige butikker. SINTEF-forskere har vært involvert i alle deler av utformingen av butikken med mål om å gjøre den så effektivt og miljøvennlig som mulig. Nøkkelen til å oppnå dette målet er smart varmeintegrering. Kjernen i systemet er et transkritisk CO2-booster-system som gir varme både til en gulvvarmekrets og til ventilasjonsanlegget, samtidig som nødvendig kjøling av varer blir levert. En energibrønn gir frikjøling og kan fungere som en ekstra fordamper for varmepumpefunksjon av kjøleanlegget, mens varmeakkumulasjonstanker sørger for at minimalt med varme går til spille.Det har blitt laget simuleringsmodeller av kjøleaggregatet og ventilasjonsanlegget til dette nye supermarkede. Inndata for begge modeller har blitt generert som del av denne masteroppgaven. Simuleringer av kjøleanlegget har også blitt utført for å undersøke effektiviteten og det årlige energiforbruket ved varierende forhold og kontrollstrategier for anlegget. Dette ble testet mot to tilfeller av årlig oppvarmingsbehov. Den tilgjengelige varmen til gulvvarmekretsen avhenger av returtemperaturen til vannet. Dette er en ukjent verdi og det ble derfor gjennomført simuleringer for tre forskjellige temperaturer. Tre driftsmetoder for kjøleanlegget var mulig i simuleringene. Resultater og diskusjon:Resultatene tyder på at det nye systemet er i stand til å spare 50-60% av det totale energibehovet for kjøling og oppvarming sammenlignet med et system uten varmeintegrering ved det minst gunstige tilfellet av returtemperatur. Ved det mest gunstige tilfellet var energisparingen bare 3% større. Årsaken er at majoriteten av den gjenvunne varmen går til den andre varmeveksleren som er uavhengig returtemperaturen på vannet i gulvvarmekretsen. Resultatene viser også at ved bruk av energibrønnen som ekstra fordamper unngår man behovet for elektrisk oppvarming. Den årlige ytelsesfaktoren er estimert til over 4.6 selv under de minst gunstige forholdene simulert. Hovedårsaken til disse lovende tallene er takket være varmeakkumulasjonstankene som sørger for at så mye som mulig av den tilgjengelige varmen blir brukt. I tillegg blir de gode egenskapene til den transkritiske CO2 prosessen godt utnyttet ved å avgi varme til tre gasskjølere i seriekobling. Dette fører både til stor varmekapasitet og sørger for at arbeidsmediet blir nedkjølt tilstrekkelig før struping noe som gir høy total effektivitetsgrad. De positive resultatene er også påvirket av at simuleringsmodellen antar en nær ideell prosess, men dette er til en stor grad oppveid av det faktum at driften av kjøle- og varmepumpeprosessene er langt fra optimert i simuleringene. Det er derfor grunn til å tro at den faktiske energisparingen kan være i nærheten av de beregnede tallene. Det er allikevel viktig å huske at disse resultatene er produsert i et simuleringsverktøy basert på konstruerte verdier som det alltid vil være knyttet en grad av usikkerhet til. Konklusjon:Denne studien viser at det nye varme- og kjølesystemet designet av SINTEF kan oppnå en betydelig energisparing. Dette er takket være et spesielt godt kjøle- og varmegjenvinningssystem. Simuleringsmodellene bør videreutvikles for å redusere antall forenklinger og antagelser om ideelle termodynamiske prosesser for å styrke resultatenes troverdighet. Det vil også være interessant å optimere driften av anlegget i simuleringene slik at det fulle potensialet til det nye systemet kan undersøkes.