Prozessberechnungen für eine CO₂-Anlage zur Kälte- und Wärmeerzeugung für Supermärkte. Teil 1: Weitestgehende CO₂-Abkühlung durch Umgebungsluft

Zusammenfassung

In Supermärkten werden CO₂-Prozesse für die Normal- und Tiefkühlung sowie inzwischen auch durch Abwärmenutzung (Wärmerückgewinnung) für die Beheizung und Brauchwassererwärmung eingesetzt. Die Grenzen der Abwärmenutzung einer CO₂-Kälteanlage sowie ihr Einfluss auf die Kälteerzeugung und das Gesamtsystem werden beispielhaft für einen Supermarkt mit einer Normalkühl-Kälteleistung von 100 kW mittels systematischer thermodynamischer Prozessberechnungen ermittelt. Der Schwerpunkt dieser Untersuchungen liegt auf der Energieeffizienz der zur Erfüllung der Heizaufgabe erweiterten CO₂-Anlage. Durch die Verwendung der Normalkühl-Kälteleistung als Bezugsgröße können die Ergebnisse für Umgebungstemperaturen zwischen − 15 °C und + 10 °C direkt auf Supermärkte anderer Größe übertragen werden.

Im Teil 1 wird eine Anlage mit einem Verhältnis von Tiefkühl- zu Normalkühl-Kälteleistung von 0,2 bei weitestgehender CO₂-Abkühlung durch Umgebungsluft untersucht. Die Beiträge der Kälte- und der Wärmeerzeugung werden getrennt für verschiedene Werte des Hochdrucks sowohl bei unterkritischem als auch bei transkritischem Betrieb der CO₂-Anlage aufgeführt. Mit den angegebenen Werten des bereitgestellten Heizwärmestroms (bezogen auf die Normalkühl-Kälteleistung), der Kälteleistungszahl, der Leistungszahl der Kälte-Wärme-Kopplung sowie des exergetischen Wirkungsgrads der Kälteerzeugung und der Kälte-Wärme-Kopplung werden wichtige Angaben für die Auslegung und den Betrieb der CO₂-Anlage zur Verfügung gestellt. Damit lassen sich für den untersuchten CO₂-Kälteprozess mit Abwärmenutzung abhängig von der Umgebungstemperatur günstige Betriebsbedingungen auswählen. Außerdem kann mit diesen Informationen in der Planungsphase entschieden werden, ob für die untersuchte Kühlungsvariante ein ergänzendes Heizsystem erforderlich ist oder die Abwärmenutzung der Kälteanlage alleine zur Deckung des Wärmebedarfs ausreicht. Im folgenden zweiten Teil wird auf weitere Ergebnisse bei geringerer CO₂-Abkühlung mit Umgebungsluft eingegangen.

Abstract

CO₂ processes are used in supermarkets for medium- and low-temperature refrigeration and by now even for room heating and hot tap-water preparation via heat recovery. Through systematic thermodynamic process calculations, the limits of the heat recovery from a CO₂ plant and its influence on the refrigeration process as well as the complete system are investigated for a supermarket with 100 kW medium-temperature refrigeration capacity. This investigation focuses on the energy efficiency of the heat supply by the extended CO₂ plant. By using the medium-temperature refrigeration capacity as a reference, the results for ambient temperatures between − 15 °C and + 10 °C are applicable for other supermarket sizes as well.

In part 1, a plant is investigated with a ratio between low- and medium-temperature refrigeration capacity of 0.2 and CO₂ cooling via the ambient air as far as possible. The contributions of refrigeration and heat supply are specified separately for a range of high-pressure values for sub-critical and for trans-critical operation of the CO₂ plant. Relevant data for design and operation of the CO₂ plant are made available: the supplied heating capacity (relative to the medium-temperature refrigeration capacity), the coefficients of performance of refrigeration and of combined refrigeration and heating, and the exergy efficiencies of refrigeration and of combined refrigeration and heating. With this knowledge, preferred operation parameters for the CO₂ process can be chosen depending on the ambient temperature. Moreover, the decision is prepared, whether an additional heating system is required or the heat recovery from the refrigeration plant is sufficient. In the following second part, results for limited CO₂ cooling via ambient air will be considered.