Energy-efficient and environmentally friendly integrated CO2 vapour compression units for supermarkets

Målet med prosjektet er å redusere enhetskostnadene for kjølemaskindelen inkludert kapasitet for AC og dermed øke implementering av energieffektive og miljøvennlige CO2 kjølemaskiner i supermarketsektoren. En gruppe av standardiserte, godkjente og "klar for bruk' design oppsett, som dekker det meste av mulige supermarked applikasjoner, ble utviklet sammen med ledende industriaktører. Et Modelica-basert simuleringsverktøy for transiente simuleringer av supermarkeds energisystemer ble oppgradert til nye design av integrerte kompressorenheter utstyrt med multi-ejektorer for ekspansjonsarbeidutvinning, væskeejektorer inkludert. En full 3D CFD-modell ble oppgradert ved validering av turbulensmodeller som er mest tilpasset tofase transonisk strømningsfenomener. De numeriske modellene i Dymola-Modelica-miljøet for simulering av kjølesystemer for supermarked med integrerte laster og systemer for reduksjon av strømforbruk (parallelle kompressorer, ejektorer, etc.) er videreutviklet. Disse modellene har blitt brukt til å bestemme de optimale standardiserte konfigurasjonene av kjølesystemene, med tanke på kravene (belastninger, design omgivelsestemperaturer etc.) av prosjektpartnerne i prosjektet, dvs. Norgesgruppen og Rema1000. Kompressoranlegg som ble levert av Advansor AS som donasjon, mottatt ved utgangen av forrige år 2016, har blitt brukt til eksperimentelle tester. Forskjellige eksperimentelle tester ble gjennomført i 2018: (i) Kartlegging av termisk ytelsen til kompressorpakken for å måle strømforbruket i kuldeanlegg for ulike konfigurasjoner av CO2-transkritiske kjølesystemer med forskjellige driftsforhold ved utløpet av gass kjøleren, utladningstrykk, trykk i væskemottakeren og lastprosentene. (ii) Tester for Rema 1000 og Norgesgruppen for å måle strømforbruket til de foreslåtte systemsopplegene for partnerne i prosjektet Rema 1000 og Norgesgruppen. (iii) Trykkfall og ytelse av den nye designen til multiejektorblokken av Danfoss med forstørret samlestokk og integrert partikkelfilter. En POD-RFB redusertgrad modell av R744 ejektor ble utviklet og validert for å dekke et bredt spekter av ejektordriftsforhold for typiske supermarketanlegg. Hybrid ROM modell av hver ejektorpatron ble implementert i simuleringsverktøy for kjølesystemer Cooleselector av Danfoss. Påvirkning av varmeovergang gjennom ejektorblokkveggene på ejektorytelsen ble vurdert ved bruk av CFD verktøy validert med eksperimentelle tester i SINTEFs lab. Reguleringssystemer for supermarketkjøleanlegg ble utviklet, i samarbeid med Danfoss og skal testes i feltet etter prosjektavslutning.

The achieved effects: - development of Modelica-libraries of ejector geometries (4 high-pressure-lift and 4 low-pressure-lift cartridges for vapor compression, 2 cartridges for liquid pumping) that will enable easier system modelling of CO2-ejector supported systems, - development of advanced CFD codes for modelling/dimensioning of CO2 two-phase ejectors, enabling precise design of ejector geometries and enabling numerical performance mapping for off-design conditions in a broad operational envelope, - system analysis & layout optimisation of compressor racks for Norwegian supermarket chains, enabling future pack adaptation for any climate and load profile. The effects achieved should release further development of CO2-ejector technology, crucial for energy-performance boost in CO2 transcritical systems in warmer climates. The saving potential in the European Retail Sector only of substituting current HFC units with efficient CO2 systems accounts for approximately 9 TWhel/a.

It has already been verified experimentally that the integrated-planning approach to supermarket refrigeration and HVAC systems yields up to 30% reduction in the electricity consumption compared to a classic design. In order to reduce the unit costs and facilitate the uptake of the energy efficient and environmentally friendly integrated CO2 vapour compression racks in the supermarket sector, a group of standardized, 'ready-to-be-applied' design layouts, covering most of the possible supermarket applications, are deeply required. The main research problem addressed in SuperSmart-Rack involves combining the existing components (compressors, heat exchangers, fittings, etc.) and the components that still must be developed (ejector geometries, automation equipment, hardware and software for the controlling system, etc.) into a series of technically and economically optimized standard solutions for integrated CO2 vapour compression units. The optimization, comprising theoretical work and experimental testing of the prototype units, will be performed for a set of load profiles and ambient conditions that are specified by the supermarket chains as typical and are thus worth of having in the newly created portfolio of the ready-to-apply design layouts. A list of research activities comprise: - Development/upgrade of numerical simulation tools. - Development of standardized expansion work recovery modules based on the multi-ejector concept. - Optimization of design layouts for selected cases of integrated CO2 vapour compression units for supermarkets equipped with expansion work recovery system. The benefits for supermarket chains will result from the reduction in investment costs, electricity bills and space occupied by the machinery room as the integrated racks will be more compact than standard solutions due to the elimination of separate HVAC components. The contractors of commercial refrigeration and HVAC systems will gain new market possibilities outside Norway.