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 KF Svenska Detaljhandeln, ICA Handlarna AB, Birka Energi AB, Asarums Industri AB, Hydro Chemical AB och Sveriges Provnings- och Forskningsinstitut med finansiering från Energimyndigheten. Detta arbete är en fortsättning på projektet Den energieffektiva butiken i teori och praktik som bedrevs under förra forskningsprogrammet Klimat 21. I följande rapport presenteras resultat från programmet Cybermart som simulerar olika systemlösningar, redovisas resultat från mätningar som har pågått under året i tre olika livsmedelsbutiker, Gröna Konsum i Sala, Gröna Konsum i Farsta Centrum och ICA Supermarket i Hedemora, och redogörs uppdatering av de ekvationer och samband som används för olika köldbärare. BAKGRUND Livsmedelsbutiker är stora användare av energi. Den totala elanvändningen i svenska butiker är ca 1,8 TWh/år. Av den används ungefär 47 % för kyloch frysändamål, 27% för belysning, 13% för fläkt och klimat, 3% för kök, 5% för utomhus och 5% övrigt. Kyl och frys, inomhusklimat och belysning är de områden där det existerar stora möjligheter för energibesparingar. Det kan röra sig om effektivare kylmaskiner, värmeåtervinning, komfort kyla, anpassning av belysning, nattäckning av diskar, bättre styrning, kondensorkylning med returvatten från fjärrkyla etc. Nya lösningar för kylanläggningar har utvecklats under de senaste åren för att minska köldmediemängden i kylsystemet. Fullständigt indirekt system, Delvis indirekt system och Kaskad system är några av de systemlösningar som används mest i livsmedelsbutiker idag. Under förra forskningsprogrammet Klimat 21 bedrevs ett projekt med titel Den energieffektiva butiken i teori och praktik för att klarlägga energieffektiva systemlösningar för livsmedelsbutiker. Huvudmålet med projektet var att ta fram en väl fungerande simuleringsmodell för livsmedelsbutiker där olika systemlösningar kunde jämföras. I modellen simuleras kylsystemet i detalj med fokus på energianvändning, inverkan på miljön, genom TEWI beräkning, och LCC bedömning. Beta - testning av programvaran med arbetsnamnet "Cybermart" startades under höst 1. I programmet Cybermart finns det olika moduler som simulerar värmeväxlarna, vätskekylaggregaten, kyldiskarna, frysdiskarna, kylrum, frysrum, mm. Validering av modellen har utförts med hjälp av fältmätningar som genomfördes i fyra olika livsmedelsbutiker, Gröna Konsum i Hjo, Prix i Sala, Gröna Konsum i Farsta Centrum och ICA Supermarket i Hedemora. Vid simulering används utetemperaturen, butikstemperaturen och luftens relativa fuktighet i butiken som indata. Dessa ges f. n. från mätningar men i fortsättningen kommer de att simuleras. Projektet den energieffektiva butiken ett helhetsgrepp på energianvändning, ekonomi och miljökonsekvenser är en fortsättning på detta arbete. Målet med projektet är att ta fram ett modellverktyg för datorsimulering av inomhusklimat för olika butiker där inverkan från diskar, belysning, personer, värmeåtervinning, komfortkyla och utomhusklimat ska simuleras. Värmeåtervinning och komfort kyla är två faktorer som påverkar energiförbrukning i livsmedelsbutiker. Diskussionen om värmeåtervinning mot lägre kondenseringstemperatur under vinter eller komfortkyla mot högre inomhustemperatur och luftens relativa fuktigheten under sommar fortsätter även idag. Under projektet ska Åke Melinder uppdatera de ekvationer och samband som genom Kyltekniska Föreningens handböcker och inom IIR blivit något av en standard för olika köldbärare. Detta är särskilt intressant då beräkningar för många komponenter måste hanteras för köldbärare som de ej testats med RESULTAT Inom detta avsnitt kan vi indela resultatet i tre stora områden, mätningar, simuleringar och köldbärare. Alla tre områdena presenteras var för sig. Simuleringar Beta - testing av programmet Cybermart pågår fortfarande. I figur 1 presenteras resultat från simuleringar och mätningar av kompressoreffekt på
kylsidan under ett år från butiken i Hjo samt skillnader i procent mellan dem. Skillnaden mellan mätningar och simuleringar på kompressoreffekt varierar mellan % till %. Energiberäkningen visar en differens på 6,8% mellan mätningar och simuleringar. Skillnaden kan bero på att simuleringar genomförs dygn per dygn. En noggrannare modell behövs där energianvändning beräknas timme per timme. kompressoreffekt [kw] 5 3 1 Hjo Mätningar och simuleringar mätningar simuleringar procent skillnad 1 8 6 procent [%] 5 1 15 25 3 35 tid Figur 1: Mätningar och simuleringar från butiken i Hjo I Cybermart är det möjligt att jämföra olika systemlösningar. I figur 2 presenteras resultat från simuleringar av den totala kompressoreffekten för kaskadsystem och parallellsystem med underkylning. Diagrammet visar att parallellsystem med underkylning är mer energieffektiv än kaskadsystem. Orsaken till detta är att köldbärare på kylsidan används för att underkyla köldmediet på fryssidan i parallellsystem med underkylning. Ungefär 3% av kyleffekten på fryssidan kommer från underkylningen när köldmediet är R4A [1]. Det vill säga att 3% av kyleffekten på fryssidan kommer från kylsidan som har bättre verkningsgrad. Vätskekylaggregat på kylsidan har en nominell COP 2 på 2,5 mellan vätskekylaggregat på fryssidan har en nominell COP 2 på 1,3. 35 Total kompressoreffekt Kaskad och parallell system med underkylning Kaskad Underkylning Kompressoreffekt [kw] 3 25 15 1 5 8 1 16 2 28 3 36 tid Figur 2: Jämförelse mellan kaskad och parallell system med underkylning I många livsmedelsbutiker optimeras energianvändning genom att kondersorvärme från kylanläggningar utnyttjas för uppvärmning av byggnaden. Detta kräver en returtemperatur på kylmedel efter kondensor på ungefär 38 C som i sin tur ökar kondenseringstemperatur och energianvändning för kompressordrift. Med hjälp av Cybermart har kompressoreffekt beräknats för tre olika fall: flytande kondensering, kylmedeltemperatur efter kondensor på ungefär 16 C under vinter perioden och kylmedeltemperatur efter kondensor på ungefär 38 C året runt. Butiken som
simuleras är Gröna Konsum i Sala som har ett kylsystem typ kaskad. I resultaten från simuleringar som visas i figur 3 kan den höga energianvändningen från kompressorerna vid höga kylmedelstemperaturer året runt ses. Ett alternativ till detta kan det vara att låta kondenseringstemperatur flyta efter uppvärmningssäsongen. Kompressoreffekt vid tre olika kylmedelstemperaturer 6, 5, effekt [kw], 3,, 1, Flytande kondensering kylmedelstemperatur 16 C kylmedelstemperatur 38 C, 5 1 15 25 3 35 Tid Figur 3: Kompressoreffekt vid olika kylmedelstemperaturer. En annan intressant fråga är hur mycket värme som kan återvinnas från kondensorerna. Det finns olika åsikter och erfarenheter om återvinning som varierar mellan 7% till % av den nominella kondensoreffekten. Detta beror på att kylanläggningar inte arbetar kontinuerligt och att kylmedeltemperaturen efter kondensor kan variera beroende på ingående temperatur till kondensor. En annan orsak till detta kan vara att värmeåtervinningsanläggningar ligger på gränsen mellan VVS - och Kylentreprenörer. Samarbetet mellan dem är inte alltid det bästa. Det händer ganska ofta att spetsvärme hamnar i kylmedelkylare eller att ingående temperatur till kondensor är högre än utgående på grund av fel styrning eller dåligt samråd mellan entreprenörer. För att undersöka lite närmare hur mycket värme som kan återvinnas från butiken i Sala har kondensoreffekt och värmebehovet beräknats med hjälp av Cybermart och en enkel modell utvecklad av Isfält [2] för bedömning av byggnadens energibehov för uppvärmning (värmebehovet kan variera stort på grund av de antaganden som har gjorts för att förenkla modellen). Från butikens fjärrvärmeförbrukning för år 1999 och år och med kondensoreffekten och värmebehovet kan återvinning från kondensorerna i butiken räknas ut. Resultaten, som presenteras i tabell 1, visar att användning av kondensorvärme varierar under uppvärmningssäsong från 11% till %. Procentsatsen är ganska låg med tanke på värmetillgången. Detta kan bland annat beror på värmebehovsberäkningen. Ett examensarbete, sponsrat av ICA Handlarnas, har startat på Mälardalens högskola för att studera möjligheterna med värmeåtervinningen. värmebehov Fjärrvärme kondensorvärme utnyttjad 1999 - kwh kwh kwh kwh % okt 1675 4691 95915 159 13 nov 28333 72 85223 931 25 dec 3677 8516 88527 28191 32 jan 443 7572 8821 36831 42 feb 99 1176 8637 29923 37 mars 35773 787 888 27966 32 april 4 5529 898 14875 17 Tabell 1: Värmebehovet, kondensorvärme och fjärrvärmeförbrukning under uppvärmningsperiod Från figur 3 växer frågan fram om det är rimligt att använda värmeåtervinning med tanke på den höga kompressordriften som orsakas av den höga kylmedelstemperaturen. I tabell 2 presenteras resultat från simuleringar med en anläggning med värmeåtervinning (våv) och en annan utan värmeåtervinning under uppvärmningsperioden. Resultaten visar att driftkostnaderna för anläggningen med värmeåtervinning är ungefär 3 % lägre än driftkostnaderna för anläggningen utan värmeåtervinning. utan våv med våv Fjärrvärme[kWh] 222468 51693 Fjärrvärmepriset[kr/kWh],5,5 Fjärrvärmekostnad [kr] 111234 25847 kompressor [kwh] 141222 317 elpriset [kr/kwh],5,5 elkostnad [kr] 7611 11554 Totalkostnad [kr] 181845 127 Tabell 2: Driftkostnad för en anläggning med våv och utan våv.
Mätningar Under året har mätningar pågått i tre olika livsmedelsbutiker, Gröna Konsum i Sala, Gröna Konsum i Farsta Centrum och ICA Supermarket i Hedemora. Mätningarna har i huvudsak varit inriktad mot kylsystemet för att kunna validera modellen Cybermart. Det är också möjligt att dra några slutsatser från dessa mätningar när det gäller inomhusklimat. Från mätningar från Gröna Konsum i Farsta Centrum och med temperaturer och luftens relativa fuktighet från Stockholm hämtad från hemsida för Miljöförvaltning i Stockholm [3] beräknades luftens entalpier och vatteninnehållet inomhus och utomhus. I figur 4 visas utetemperaturen och skillnaden i vatteninnehållet och entalpi inomhus och resp. utomhus under ett år i Farsta Centrum. Resultaten i figur 4 visar att skillnaden i vatteninnehållet i luften är försumbar och att vatteninnehållet i luften vanligtvis inte ökar i livsmedelsbutiker[4]. temp[ C], X[grH2O/kgtorrluft], ent[kj/kgk] 3 1-1 Farsta Centrum 1 Maj - 3 April 1 utetemperatur Vatteninnehållet Entalpi skillnad - mar- maj- jun- aug- okt- nov- jan-1 feb-1 apr-1 jun-1 Tid Figur 4: Utetemperaturen och skillnaden i vatteninnehållet och entalpi mellan inomhus och utomhus. Mätningar från Hedemora, som presenteras i figur 5, visar att en klimatanläggning för komfortkyla är nödvändigt för varornas temperatur. Temperaturer upp till 28,5 C i butiken i början på juli i år orsakade otillåtna temperaturer i diskarna och i varorna. I figuren kan utetemperaturen, butikstemperaturen och returtemperaturerna i tre olika sektioner i en frysdisk ses. Alla tre lufttemperaturerna i disken ligger över C och en av de över 15 C under stor del av dagarna. Hedemora 3-7 juli 1 3 temp [ C] 1-1 butikstemp utetemp Fdsek1 Fdsek2 Fdsek3 - -3 : 12: : 12: : 12: : 12: : Tid Figur 5: Utetemperaturen, butikstemperaturen och returtemperaturerna i tre olika sektioner i en frysdisk. Köldbärare Under projektet har Åke Melinder uppdaterat de ekvationer och samband som genom Kyltekniska Föreningens Handbok Nr 12 och motsvarande IIRpublikation har blivit något av en standard för termofysikaliska data för olika köldbärare. Detta är särskilt intressant då beräkningar för många komponenter måste hanteras för köldbärare som de ej testats med. Här följer en kort bakgrund och beskrivning till detta arbete.
Behovet av tillförlitliga termofysikaliska data Vid tekniska beräkningar av kyl- och värmepumpsystem 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, temperaturdifferenser 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) [5]. Samma år gavs publikationen även ut av International Institute of Refrigeration, IIR (engelsk/fransk, 122 sidor) [6]. Den innehåller över 9 sidor med tabeller och diagram som främst ger termofysikaliska egenskaper för elva olika typer av vattenlösningar, flytande CO 2 samt sex icke-vattenbaserade 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 värmepumpsystem. 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 redan data för ytterligare en typ av vattenlösning, kaliumformiat-vatten som ett tillägg. Just nu pågår nu en större uppdatering av hela handboken. Här följer en kort beskrivning av de förbättringar som görs. En stor del av arbetet består i att gå igenom Tabellerna D1-12 och att ta med data för ett antal relativt låga koncentrationer (Data i Tab. F1-12 erhålls då automatiskt) Dessa data för låga koncentrationer är av värde för den alltmer intressanta ice-slurry tillämpningen samt för att polynomkoefficienter och polynomekvationer skall kunna gälla även för låga koncentrationer. Jfr [7]. Se tabell D2 nertill med värden för låga koncentrationer av propylenglykol - vatten. D2. PROPYLENGLYKOL - VATTEN (C 2 H 8 O 2 ;M = 76,9) Frys- Vikts- Temp. Densitet Specifik Värmel.- Dynamisk Kinematisk Prandtlpunkt Procent värmekap. förmåga viskositet viskositet tal. t ρ c p k µ ν Pr C % C kg/m3 J/kg,K W/m,K mpa s mm2/s - -1,3 5 995,5 415,598,76,76 5,3 3 999 415,585,94,94 6,7 12 415,571 1, 1, 8,7 1 14 416,556 1,58 1,57 11,8 14,2 418,541 2,23 2,22 17,2-1,3 14,2 4185,539 2,37 2,36 18,4-2,77 1 999, 411,568,88,88 6,4 3 13,1 4115,556 1,11 1,11 8,2 15,4 41,543 1,41 1, 1,7 1 18,3 413,529 1,94 1,92 15,1 19,3 4145,515 2,78 2,75 22,4-2,77 19,4 415,511 3,1 3,7 25,2-5, 15 12,3 7,538 1,3 1,3 7,8 3 16,8 7,527 1,32 1,31 1,2 11,3 7,516 1,71 1,69 13,5 1 112,7 75,54 2,37 2,34 19,2 114,1 9,492 3,42 3,37 28,4-5, 114,3 41,486 4,25 4,19 35,9-7,22 16, 35,513 1, 1,19 9,4 3 11,5 3,52 1,55 1,53 12,4 114,5 25,492 2,7 2,4 16,9 1 117,3 35,482 2,9 2,85 24,3 119,6 5,472 4,25 4,17 36,5-7,22 1,5 6,464 5,9 5,8 51,6 Dessutom ges data för något högre temperaturer än tidigare. Som exempel ges värden för de olika salterna upp till + C mot +3 C tidigare. En intention är även att polynomekvationerna för t.ex. propylenglykol - vatten skall kunna sträcka sig till högre temperaturer som hjälp vid solfångartillämpningar. Förhoppningen är också att kunna utföra mätningar av främst specifik
värmekapacitet för etylalkohol - vatten för att se om tidigare valda värden behöver revideras. Jfr sid. 34 i [8]. Textdelen av Handbok Nr. 12 är också under uppdatering vilket oftast innebär en utökning av texten som nu även görs tvåspaltig (som den här texten) för att vara mer lättläst. Dessutom införs underrubriker och en lista med symboler. Som exempel på utökningen av texten ges i kap. 1 en mer nyanserad formulering om ett indirekt systems energiförbrukning än vad som gjordes i den tidigare utgåvan: "Vid ett indirekt system med köldbärarkrets introduceras extra kostnader för vätskepump och värmeväxlare liksom en extra temperaturdifferens. Energiförbrukningen vid indirekta system behöver dock i praktiken ej bli större än vid direkta system i t.ex. kyldiskar eller frysgondoler. I väl byggda indirekta system blir energiförbrukningen över ett år ofta mindre än vid traditionellt byggda direkta system då man bl.a. får jämnare temperaturfördelning i disken och behöver färre avfrostningar". Kap. 2 "Köldbärartypernas egenskaper" utökas med lite mer allmän information om glykoler, kloridsalter och organiska kaliumsalter och dessutom införs en kortfattad lista med namn på kommersiella produkter. Exemplen i kap. 5 utökas och anpassas för att underlätta förståelsen. Större flexibilitet och mindre låsningar av parametrar eftersträvas vid behandlingen och vid exempel som belyser värmetransportförmåga samt värmeövergång och tryckfall för systemens olika delar. 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 vara klart under våren 2 för distribution. En tredje version där användare kan välja mellan olika värmeväxlar, kompressorer och köldmedier är under utveckling. Modulerna för beräkning av inomhusklimat, utomhusklimat, värmeåtervinning och komfort kyla, timme per timme, ska också vara klar under året 2. När det gäller mätningar har ett examensarbete tillsammans med ICA Handlarna och Mälardalenshögskolan startat för att studera värmeåtervinning i en butik i Västerås. Mätningar i två andra butiker i Stockholm tillsammans med KF kommer att startas nästa år för validering av de nya modulerna i modellen. När det gäller köldbärare består arbetet av att slutföra kompletteringen av tabellerna med grunddata (till tabellerna D1 - D12), anpassa många av diagrammen C1a C22c samt att ta fram nya koefficienter till tabellerna E1 - E12 för att ekvationerna i kap. 6 skall spänna över ett bredare område med lägre koncentrationer och högre temperaturer. Dessutom 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] Arias Jaime, Lundqvist Per, 1, Comparison of recent refrigeration systems in supermarkets, VI Ibero-american Congress of Air Conditioning and Refrigeration. [2] Isfält Engelbrekt, 1976, Beräkning av byggnadens energibehov för uppvärmning, Tekniska Meddelanden Nr 13, Uppvärmning och Ventilationsteknik, KTH. [3] Hemsida för Miljöförvaltning i Stockholm. http://www.slb.mf.stockholm.se/slb/. [4]Peterson Folke, Ventilationsbehov, Kompendium II:1, Uppvärmning och Ventilationsteknik, KTH. [5] Melinder Åke, 1997, Termofysikaliska egenskaper för köldbärarvätskor - Diagram och tabeller, Handbok Nr.12, (engelsk/svensk), Svenska Kyltekniska Föreningen, Stockholm [6] 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 [7] Melinder Åke, 1, Accurate Thermophysical Property Values of Water Solutions are Important for Ice Slurry Modeling and Calculations, 3 rd Workshop on Ice Slurries, Lucern, Switzerland [8] 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