Den energieffektiva butiken ett helhetsgrepp på energianvändning, ekonomi och miljökonsekvenser Fas 2 inomhusklimat, parasitförluster och värmeåtervinning. SAMMANFATTNING I projektet den energieffektiva butiken ett helhetsgrepp på energianvändning, ekonomi och miljökonsekvenser samarbetar Institutionen för Energiteknik tillsammans med företagen COOP Sverige AB, ICA Butiksteknik AB, Fortum AB, Asarums Industri AB, Hydro Chemical AB och Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut med finansiering från Energimyndigheten. I följande rapport presenteras mätresultat från fem olika livsmedelsbutiker, ICA Grytan i Västerås, ICA Supermarket i Hedemora, COOP Konsum i Sala, COOP Konsum i Täby Centrum och COOP Konsum i Kista Centrum. Det redovisas resultat från programmet CyberMart som simulerar olika kylsystem samt en redogörelse för uppdateringen av de ekvationer och samband som används för olika köldbärare. BAKGRUND Flera faktorer, som ökning av försäljningen av dagligvaror, ersättning av CFC och HCFC köldmedier och energieffektivisering, har påverkat energiförbrukningen i livsmedelsbutiker under de senaste åren. Förra året ökade försäljningen av livsmedel med 1,7% i volym och 4,7% i löpande priser i jämförelse med året innan [1]. Även försäljningen av djupfrysta livsmedel ökade förra året med 6% i jämförelse med år [2]. Dessa ökningar kräver flera diskar, kylrum och kylanläggningar vilket ökar energikonsumtionen från livsmedelsbutiker. Ersättningen av CFC och HCFC köldmedier har också påverkat energiförbrukningen i livsmedelsbutiker. Nya kylanläggningar har utvecklats för att minska köldmediemängden i kylsystemet. Fullständigt indirekt system, och delvis indirekt system är några av de systemlösningar som används mest i livsmedelsbutiker idag. Det finns stora potentialer för energieffektivisering i livsmedelsbutiker. Det kan röra sig om effektivare kylmaskiner, värmeåtervinning, komfortkyla, anpassning av belysning, nattäckning av diskar, bättre styrning, effektivare pumpar och fläktar, kondensorkylning med returvatten från fjärrkyla etc. Projektet den energieffektiva butiken ett helhetsgrepp på energianvändning, ekonomi och miljökonsekvenser har som mål att ta fram ett modellverktyg för datorsimulering av inomhusklimat för olika butiker där inverkan från diskar, belysning, personer, värmeåtervinning, komfortkyla och utomhusklimat ska simuleras. Modellen ska sammankopplas med CyberMart där olika kylsystem simuleras i detalj med fokus på energianvändning och inverkan på miljön, genom TEWI beräkning och LCC bedömning. Under projektet gång ska Åke Melinder uppdatera de ekvationer och samband som genom Kyltekniska Föreningens handböcker och inom IIR blivit något av en standard för olika köldbärare RESULTAT Inom detta avsnitt kan vi indela resultatet i tre stora områden, mätningar, simuleringar och köldbärare. Alla tre områdena presenteras var för sig. Mätningar Under året har mätningar startats i två nya butiker COOP Konsum i Täby Centrum och COOP Konsum i Kista Centrum. Målet med dessa mätningar är att lite närmare studera inomhusklimatet och värmeåtervinningen. ICA Butiksteknik AB har bidragit till projektet med mätningar som två studenter från Mälardalens Högskola genomförde i butiken ICA Grytan i Västerås och som var grunden till deras examensarbete[3]. Inomhusklimatets inverkan på kyleffektbehovet från kyldiskar och frysdiskar är väl känd från tidigare mätningar[4] och studier[5]. Det finns också ett samband mellan utomhustemperaturen och den relativa fuktigheten inomhus som mätningar genomförda i butikerna ICA Supermarket i Hedemora och COOP Konsum i Sala visar, vilket presenteras i figur 1. Ett sätt att optimera energianvändningen i livsmedelsbutiker är genom återvinning av kondensorvärme för uppvärmning av byggnaden. Vid låga utomhustemperaturer minskar kyleffektbehovet från kyldiskar, frysdiskar och kylrum på grund av de låga relativa fuktigheterna som förekommer i butikerna vilket i sin tur påverkar kondensorvärmen och värmeåtervinningen. Kyleffektbehovet kan minska med 5 % till 6 % i jämförelse med den dimensionerade kyleffekten
under de kalla dagarna på vintern när värmebehovet är störst. temp[ C], RH[%] 8 7 6 5 - Sala - Hedemora Aug - Feb 1 Indoor Temp. Hedemora RH. Hedemora RH. Sala - a- a- s- o- o- n- n- d- j-1 j-1 f-1 Time Figur 1: Utomhus- och inomhustemperatur, rel. fuktigheten inomhus i Sala och Hedemora. Det finns tre olika värmeåtervinningssystem som är de mest representativa i livsmedelsbutiker idag. Det första värmeåtervinningssystemet presenteras i figur 2, där kylmedelkretsen kopplas till ventilationssystemet genom en extra värmeväxlare s.k. entreprenadgränsväxlare. Den används för att säkerställa driften på kylmaskinerna vid ett fel i ventilationssystemet och för att åtskilja ansvar mellan entreprenad vid felaktiga ingrepp i samband med reparation. Spetsvärme tillkommer från en elpanna som är kopplad efter värmeväxlaren. Framledningstemperaturen från kondensorn är cirka 36 C och returtemperaturen cirka medan framledningstemperaturen till ventilationssystemet efter värmeväxlaren är cirka och returtemperaturen cirka 28 C. Air System Supply air Supermarket 28 C Auxiliary heating recovery System 1 Figur 2: Värmeåtervinningssystem 1. Outdoor temp. Hedemora Indoor Temp. Sala Outdoor Temp. Sala Dry cooler 36 C Chiller När värmen från kondensorerna inte räcker till för att täcka värmebehovet, eller när framledningstemperaturen är för låg, startar elpannan. Det händer ganska ofta att värmen från elpannan hamnar i kylmedelskylaren genom värmeväxlaren när den önskade tillufttemperaturen är nådd. Ett annat problem med systemet är den extra värmeväxlaren som minskar framledningstemperaturen till ventilationssystemet. Systemet kräver ett komplext styrsystem för att undvika att spetsvärmen bortförs i kylmedelskylaren. Air System Supply air Supermarket 28 C recovery System 2 Auxiliary heat Dry cooler 36 C Chiller Figur 3: Värmeåtervinningssystem 2. Det andra värmeåtervinningssystemet visas i figur 3. I systemet kopplas också kylmedelskretsen till ventilationssystemet genom en entreprenadgränsväxlare. Spetsvärme tillkommer från en elpanna (eller fjärrvärme) som är kopplat direkt till ventilationssystemet genom ett batteri. Framledningstemperaturen från kondensorn är cirka 36 C och returtemperaturen cirka medan framledningstemperaturen efter värmeväxlaren är cirka och returtemperaturen cirka 28 C. Det tredje värmeåtervinningssystemet visas i figur 4. I systemet kopplas kylmedelkretsen direkt till ventilationssystemet genom ett värmeåtervinningsbatteri. Spetsvärme tillkommer från en elpanna (eller fjärrvärme) som också är kopplat direkt genom en värmeväxlare till ventilationssystemet. Framledningstemperaturen från kondensorn är cirka 36 C och returtemperaturen cirka. I butiken ICA Grytan finns värmeåtervinningssystemet 2 installerat. Kylsystemet är av typ fullständigt indirekt system på kylsidan och av delvis indirekt system på fryssidan. Kylanläggningen består av två vätskekylaggregat med gemensamma köldbärar- och kylmedelskretsar
på kylsidan och tre parallelkoplade frysaggregat med gemensam kondensor på fryssidan. R4A är köldmediet på båda sidorna Air System recovery System 3 Dry cooler 35 Figur 5 visar att det höga trycket från båda kompressorerna och framledningstemperaturerna är ganska jämna under mätperioden. Det höga trycket är ungefär 19 bar som är ekvivalent med en kondenseringstemperatur på ungefär 41 C. ICA Grytan 2-2-21 36 C temp [ C], tryck [bar] 25 15 Supply air Auxiliary heat Chiller 5 Kylmedelframled. komp 1 Kylmedelframled. komp 2 Kylmedelframled. gemens. Trycket komp. 1 Trycket komp. 2 9:57 :4 :12 :19 :26 :33 : :48 :55 11:2 Tid Supermarket Figur 6: Kylmedelframledningstemperaturer och högt tryck från båda vätskekylaggregaten, vintertid Figur 4: Värmeåtervinningssystem 3. Under sommartid, när båda vätskekylaggregaten på kylsidan är i drift, blir kylmedelframledningstemperaturen ungefär 38 C vilket är den dimensionerade temperaturen för värmeåtervinningen. Kylmedelkretsarna från båda kylmaskinerna går samman till en krets vilket kopplas till entreprenadgränsväxlaren och kylmedelkylaren. I figur 5 presenteras kylmedelframledningstemperaturen från båda vätskekylaggregaten och den gemensamma kretsen samt det höga trycket från båda kompressorerna. Mätningarna genomfördes den 11 juli 2. Temp [ C], tryck [bar] 45 35 25 15 5 ICA Grytan 2-7-11 Kylmedelframled. komp 1 Kylmedelframled. komp. 2 Kylmedelframled. gemens. Trycket komp 1 Trycket komp 2 14:52 15: 15:7 15:14 15:21 15:28 15:36 15:43 15:5 15:57 16:4 Tid Figur 5: Kylmedelframledningstemperaturer och högt tryck från båda vätskekylaggregaten, sommartid. Under vintertid, när kyleffektsbehovet minskar på grund av de låga relativa fuktigheterna i butiken, minskar kondenseringstemperaturerna till ungefär 38 C när kompressorerna är i drift. Detta påverkar kylmedelframledningstemperaturen som minskar till ungefär 35 C. I figur 6 presenteras kylmedelframledningstemperaturen från både vätskekylaggregat och den gemensamma kretsen samt det höga trycket från båda kompressorerna. Mätningarna genomfördes den 21 februari 2. Figur 6 visar att när båda vätskekylaggregaten är i drift blir den gemensamma framledningstemperaturen ungefär 35 C och att när båda vätskekylaggregaten är avstängda blir den gemensamma framledningstemperaturen ungefär 29 C. När en av kompressorerna är avstängd, blir den gemensamma framledningstemperaturen ungefär och inte 35 C som det borde vara.. Detta kan förklaras med hjälp av figur 7. Framledningstemperaturen från det avstängda vätskekylaggregatet kommer att vara det samma som kylmedelreturtemperaturen, det vill säga ungefär 29 C. Kylmedlet från det avstängda vätskekylaggregatet kommer att blandas med kylmedlet från vätskekylaggregatet som är i drift och som har en framledningstemperatur på ungefär 35 C. Den gemensamma framledningstemperaturen efter blandningspunkten blir ungefär. Skärbo och Zanghnaeh [3] föreslår individuella kretsar med egen cirkulationspump och shuntventil för varje vätskekylaggregat. Liknade problem inträffar på köldbärarsidan vid minskning av kylbehovet.
Chiller 1 Refrigeration System in Supermarkets Dry Cooler Mix point Chiller 2 Recovery System hälften av frysdiskarna blåser ut kondensorvärmen direkt i butiken för att undvika utkylningen från diskarna. Figuren 8 visar också inverkan från diskarna i luftens relativa fuktighet där det går att se avfrostningar som sker två gånger per dag. Samma fenomen sker i butiken i Täby Centrum. I figur 9 visas resultat från mätningar av inomhustemperatur och luftens relativa fuktighet genomfördas i två olika punkter i butiken. Första punkten ligger ungefär,4 m från golvet och 2 m från frysdiskar (cold zone), den andra punkten ligger ungefär 1,8 m från golvet och 7 m från diskarna (warm zone). Täby Centrum 6-7 Oct 2 6 Mix point 5 Display cabinets Figur 7: Blandningspunkter i kylsystemet Mätningar i COOP Konsum i Täby Centrum och COOP konsum i Kista Centrum är fokuserade på inomhusklimatet. I Kista Centrum mättes inomhustemperaturen och luftens relativa fuktighet vid tre olika punkter i butiken. Första punkten ligger ungefär,4 m från golvet och 2 m från frysdiskar (cold zone low). Den andra punkten ligger ungefär 1,8 m från golvet och 2 m från frysdiskarna (cold zone high). och den sista punkten ligger ungefär 1,8 m från golvet och 7 m från diskarna (warm zone high). Resultat från mätningarna visas i figur 8. 5 Kista Centrum 6-7 Oct 2 temp[ C], RH [%] Temp cold zone RH cold zone Temp warm zone RH warm zone : 6: 12: 18: : 6: 12: 18: : time Figur 9: Inomhustemperatur och relativa fuktigheten i butiken i Täby Centrum Simuleringar En ny systemlösning, som presenteras i figur, har utvecklas i CyberMart som simulerar lösningen med delvis indirekt system. I den nya systemlösningen finns det möjlighet att välja mellan direkt eller indirekt system på kylsidan. System Design 3: Partialy Indirect System temp [ C], RH [%] 45 35 25 15 Indirect system Et2 Indirect system Indirect system Et1 Temp Cold zone Low RH Cold zone Low 5 Temp Cold zone Hight RH Cold zone Hight Temp Warm zone Hight RH Warm zone Hight : 6: 12: 18: : 6: 12: 18: : time Figur 8: Inomhustemperatur och relativa fuktigheten i butiken i Kista Centrum. Direct system Deep-freeze display cabinet Display cabinet Som det går att se i figuren 8 är temperaturerna väldigt låga i den kalla zonen med tanke på att Figur : Systemlösning med Delvis indirekt system
compressor power [kw] Programutvecklingen har fortsatt med modellering av utomhusklimat, byggnad och ventilationssystemet. I modellering av utomhusklimat ingår, utomhustemperatur, luftens relativa fuktighet utomhus och solstrålning för olika städer i Sverige. Byggnadsmodell är en anpassning från en modell utvecklad av Tor Helge Dokka som används i energiberäkningsprogram Energi i Bygninger (EiB) i Norge. I modellen simuleras värmeströmmen mellan insida och utsida av en byggnad som en elektrisk modell med kapacitanser och motstånd som ger en första ordningens differentialekvation. I modellen kommer att finnas möjlighet att välja mellan värmeåtervinning, flytande kondensering och komfort kyla. Flytande kondensering har förespråkats som ett alternativ till värmeåtervinning och de höga kondenseringstemperaturerna och energianvändningen för kompressordrift som åstadkommer med det. Med hjälp av Cybermart har kompressoreffekt beräknats för fyra olika fall: a) flytande kondensering, b) kylmedeltemperaturen efter kondensor på ungefär 16 C under vinterperioden, c) flytande kondensering under sommarperioden och kylmedeltemperaturen efter kondensorn på ungefär 38 C under vinterperioden. och d) kylmedeltemperaturen efter kondensorn på ungefär 38 C året runt. Butiken som simuleras är Gröna Konsum i Sala som har ett kylsystem typ kaskad. Värmebehovet i butiken är ca 2 kwh [6]. Resultaten från simuleringar visas i figur 11. 6 5 Compressor Power Case 1: Floating condensation, no heat recovery Case 2 :Cond. coolant temp. minimum 16 C, no heat rec. Case 3 :Coolant temp. 38 C winter, floating summer, heat rec. Case 4 :Condenser coolant temperature 38 C, heat rec. 5 15 25 35 day Figur 11: Kompressoreffekt vid olika kylmedelstemperaturer. I tabell 1 presenteras resultat av energiförbrukning från 3 fall, a) flytande kondensering, c) flytande kondensering under sommar perioden och kylmedeltemperatur efter kondensor på ungefär 38 C under vinter perioden. och d) kylmedeltemperatur efter kondensor på ungefär 38 C året runt. Resultaten visar att fallen c) med värmeåtervinning under uppvärmningsperioden och flytande kondensering under sommar perioden är den mest energieffektiva lösningen med våv aug 1999 - jul utan våv med våv flytande. kond. sommar Fjärrvärme[kWh] 2 5 5 Fjärrvärmepriset[kr/kWh],5,5,5 Fjärrvärmekostnad [kr] 1115 26 26 kompressor [kwh] 426 378 elpriset [kr/kwh],5,5,5 elkostnad [kr] 15 2 189 Totalkostnad [kr] 2635 239 215 Tabell 1: Systemlösning med Delvis indirekt system Köldbärare Under året som gått har Åke Melinder arbetat med att uppdaterat de ekvationer och samband som genom Kyltekniska Föreningens Handbok Nr 12 och motsvarande IIR-publikation har blivit något av en standard för termofysikaliska data för olika köldbärare. Behovet av tillförlitliga termofysikaliska data Vid tekniska beräkningar av kylsystem och vid val av köldbärarvätska är det viktigt att för olika koncentrationer av en vattenlösning ha tillgång till tillförlitliga data för fryspunkt, densitet, viskositet, specifik värmekapacitet och värmeledningsförmåga. Dessa termofysikaliska grunddata behövs för tekniska beräkningar, t.ex. att bestämma kylkapacitet vätskehastighet och volymflöde, Reynoldstal och typ av strömning, värmeövergång, temperatur-differenser och tryckfall i systemet. För att fylla detta behov togs publikationen Termofysikaliska egenskaper för köldbärarvätskor - Tabeller och diagram fram och gavs ut 1997 som Svenska Kyltekniska Föreningens (SKTF s) Handbok Nr.12 (engelsk/svensk, 132 sidor) [7]. Samma år gavs publikationen även ut av International Institute of Refrigeration, IIR (engelsk/fransk, 122 sidor) [8]. Den innehåller bl.a. tabeller och diagram med termofysikaliska egenskaper för elva olika typer av vattenlösningar, flytande CO 2 samt sex ickevattenbaserade kommersiella vätskor. Värden från tabellerna i handboken har överförts till polynomekvationer. Koefficienter ges i tabellform för var och en av vattenlösningarna för att kunna införas i datorprogram och användas för tekniska beräkningar av kyl- och värmepump-system. Handboken innehåller även en diskett med ett Excel-program där jämförelse av vätskorna och vissa datorberäkningar kan göras. Uppdatering av SKTF s Handbok Nr 12 Vid en nytryckning av SKTF s Handbok Nr. 12 våren 1 inkluderades data för kaliumformiat-
vatten som ett tillägg. Just nu pågår en större uppdatering av hela handboken. Här följer en kort beskrivning av de förbättringar som görs. Dessutom ges data för högre temperaturer än tidigare. Som exempel kommer värden att ges för vattenlösningar av etylen- och propylenglykol upp till + C, för etylalkohol och glycerol upp till +6 C och de olika salterna minst upp till + C. Mätningar av bl.a. specifik värmekapacitet för propylenglykol och etylalkohol utförs för att se om tidigare valda värden behöver revideras. Jfr sid. 34 i min Lic. avhandling [9]. Kap. 2 "Köldbärartypernas egenskaper" utökas med mer allmän information om de olika köldbärartyperna och dessutom införs en kortfattad lista med namn på kommersiella produkter. Exemplen i kap. 5 utökas och anpassas för att underlätta förståelsen. Ett samband (Gnielinski s) införs som hjälp att bättre beräkna värmeövergångstal och temperaturdifferens vid värmeväxlarytor även inom övergångsområdet mellan turbulent och laminär strömning. FORTSATT ARBETE När det gäller simuleringar ska andra versionen av Cybermart, med modulerna för beräkning av inomhusklimat, utomhusklimat, värmeåtervinning och komfort kyla, timme per timme, vara klart under våren 3 för distribution. En tredje version där användare kan välja mellan olika värmeväxlar, kompressorer och köldmedier är under utveckling. Mätningar kommer att fortsätta i COOP Konsum i Täby Centrum och COOP konsum i Kista Centrum för validering av de nya modulerna i modellen. När det gäller köldbärare består arbetet av att slutföra kompletteringen av tabellerna med grunddata, anpassa många av diagrammen samt att ta fram nya koefficienter till tabellerna för att ekvationerna i kap. 6 skall spänna över ett bredare område med lägre koncentrationer och högre temperaturer. Att arbeta med ekvationer och exempel i kap. 5 för att underlätta förståelsen och göra det lättare att använda materialet i publikationen och Excel-programmet samt göra allt i publikationen klart för tryckning. REFERENSER [1] Supermarket Tidning, 2, Detaljhandeln växte, ICA Förlaget AB, number5-6. [2] Djupfrysningsbyrån, 2, Press meddelande: fortsatt uppåt för djupfrys 1, (www.djupfrysningsbyran.se), April 9 2, [3] Skärbo N., Zanghnaeh J., 2, Utvärdering av butikskyla och värmeåtervinning på ICA Grytan, Examensarbete vid Mälardalens Högskola. [4] Arias, J., Lundqvist, P.,, Field Experiences in three supermarkets in Sweden, Workshop Annex 26, Stockholm, Oct.. [5] Fahlén, P.,1999, Butikskyla, Arbetsrapport, SP Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut, SP AR 1999:9, Energiteknik, Borås. [6] Arias, J., Melinder Å., Lundqvist, P., 2, Den energieffektiva butiken ett helhetsgrepp på energianvändning..., 1:a eff-sys-dagen 2, Stockholm, (www.eff-sys.org), [7] Melinder Åke, 1997, Termofysikaliska egenskaper för köldbärarvätskor - Diagram och tabeller, Handbok Nr.12, (engelsk/svensk), Svenska Kyltekniska Föreningen, Stockholm [8] Melinder Åke, 1997, Thermophysical Properties of Liquid Secondary Refrigerants - Tables and Diagrams for the Refrigeration Industry (English/ French), International Institute of Refrigeration, IIF/IIR, Paris [9] Melinder Åke, 1998, Thermophysical Properties of Liquid Secondary Refrigerants. A Critical Review on Literature References and Laboratory Measurements, Engineering Licentiate Thesis, Dept. of Energy Technology, Div. of Applied Thermodynamics and Refrigeration, KTH, Stockholm