Energy Saving Solutions for Cooling and Ventilation System at CERN
Abstract
Denne rapporten oppsummerer arbeidet utført som en del av masteroppgaven i Bærekraftig Energi ved Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet (NTNU). Prosjektet, som gjøres i samarbeid med CERN, har som mål å skape energieffektive løsninger for HVAC-systemet ved CERN ved å utforske forskjellige naturlige kjølemedier, kontrollmekanismer, ventilasjonsstrategier og systemkonfigurasjoner. I første omgang ble en digital tvilling av kontrollsystemet til Luftbehandlingsenheten ved CERNs anlegg opprettet for å vise systemets respons på varierende varme- og kjølebehov. Dette ble oppnådd ved å kontrollere kjøle- og varmebatteriene sammen med spjeldstyringssystemet for nødvendig friskluftinntak.
Det eksisterende R134a-baserte kjølesystemet ble også simulert og sammenlignet med R290 og R744 kjølesystemer ved bruk av kjølt vann som sekundær væske. Videre ble direkte ekspansjonskonfigurasjoner av R134a sammenlignet med R744-systemer som brukte parallell kompresjon og ejektor konfigurasjoner. Forskjellige kontrollstrategier ble også brukt for å kontrollere temperaturene i forskjellige rom med varierende kjølebelastninger og innstillingstemperaturer. De optimale designparametrene for disse systemene ble analysert basert på varierende omgivelsesforhold. De dynamiske simuleringene ble utført på Dymola-programvare utviklet av Dassault Systèmes med bruk av et spesialisert bibliotek for HVAC-systemer kjent som TIL-biblioteket. Oppgaven oppnådde sitt mål ved å presentere løsninger som er både miljømessig og økonomisk bærekraftige og som potensielt kan erstatte det eksisterende R134a-baserte kjølesystemet.
Nøkkelord: HVAC, digital tvilling, naturlig kjølemedium, direkte ekspansjon, parallell kompresjon, ejektorkonfigurasjon, R744, R134a, R290, dynamiske simuleringer This report summarizes the work done as part of the Thesis for the Master’s in Sustainable Energy at the Norwegian University of Science and Technology (NTNU). The project being done in collaboration with the European Council for Nuclear Research (CERN) aims to create energy efficient solutions for the HVAC system at CERN by exploring different natural refrigerants, control mechanisms, ventilation strategies, and system configurations. Initially, a digital twin of the control system of the Air Handling Unit at CERN’s facility was created showcasing the system response to varying heating, and cooling requirements. This was achieved by controlling the cooling and heating coils along with the damper management system for the required fresh air intake.
The existing R134a based chiller system was also simulated and compared with R290 and R744 chillers using chilled water as a secondary fluid. Furthermore, direct expansion configurations of R134a was compared with R744 systems which used parallel compression and ejector configurations. Furthermore, different control strategies were used for controlling the temperatures in different rooms with varying cooling loads and setpoint temperatures. The optimum design parameters for these systems were analyzed based on varying ambient conditions. The dynamic simulations were performed on Dymola software developed by Dassault Systèmes with the use of a specialized library used forHVAC systems known as the TIL library. The thesis successfully achieved its aim by presenting solutions that are both environmentally and economically sustainable and can potentially replace the existing R134a based chiller system.
Keywords: HVAC, digital twin, natural refrigerant, direct expansion, parallel compression, ejector configuration, R744, R134a, R290, Dynamic simulations