Reklama

Analýza potřeby chladu pro prodej a uchovávání potravin v supermarketech I.

Potenciál energetických úspor při prodeji a skladování chlazených potravin v supermarketech

Ing. Tomáš Adamec, Ing. Miroslav Urban, Ph.D.

Recenzovaný

Cílem článku je poukázat na problematiku energetické náročnosti potravinových řetězců, resp. definování jednotlivých složek tepelné zátěže a stanovení bilance potřeby chladu vnitřního vybavení referenčního supermarketu, na jejímž základě lze stanovit energeticky úsporná opatření.

Reklama

Článek je zaměřen na oblast energetických potřeb strojního chlazení v supermarketech. V první části článku je věnována pozornost přiblížení problematiky spotřebičů chladu v supermarketech, mezi které patří chladicí a mrazicí boxy a prodejní distribuční nábytek. Jsou uvedeny teoretické výpočtové vztahy popisující provoz těchto spotřebičů a charakterizován denní provozní profil potřeby chladu.

Ve druhé části článku je na základě výpočtových vztahů vytvořen idealizovaný výpočet a následně provedena případová studie referenčního supermarketu z hlediska potřeb chladu. Výstupem této části je denní energetická bilance a procentuální rozložení potřeby chladu pro všechny složky tepelné zátěže a stanovení potenciálu nízkonákladových energetických úspor.

Úvod

V současnosti, pokud se hledá potenciál energetických úspor u supermarketů, pozornost se vztahuje na tepelně technické vlastnosti obálky budovy, parametry osvětlení, způsoby větrání, apod. Nicméně značný potenciál úspor se může skrývat právě v technologii chlazení potravin, která je jednou z hlavních složek spotřeby energie v supermarketech. Příkladem jsou data roční spotřeby elektrické energie pro provoz chladicího systému supermarketu (o návrhovém chladicím výkonu 62 kW) naměřená za rok 2014. Roční potřeba elektrické energie na provoz systému činí v celkovém součtu 223 MWh [7]. To potvrzuje i graf monitorované spotřeby energie jednoho řetězce, kde podíl spotřeby elektrické energie potřebné pro systém technologii chlazení k uchovávání potravin činí až 23 %.

Obr. 1 Rozložení nejvýznamnějších spotřeb energie supermarketu pro prodej potravin

Pro dosažení energetických úspor v této oblasti je nutno pochopit problematiku potravinářského chlazení. Nejprve na úrovni vlastních spotřebičů chladu, kde je nutné definovat jejich chování a provést analýzu potřeb chladu. Následně lze stanovit vhodné provozní optimalizace spotřebičů a nízkonákladová řešení, kterým je tento článek věnován.

Chladicí technologie – spotřebiče

K uchovávání a distribuci zboží dochází v supermarketech dvěma základními způsoby. V první řadě se jedná o umístění zboží v chladicích (respektive mrazicích) boxech, které se nacházejí v zázemí, a jsou přístupné pouze personálu. Jejich úlohou je skladování zboží při nízkých teplotách, čímž je udržena kvalita produktů. Z těchto prostorů je poté zboží průběžně doplňováno na prodejní plochu v množství závislém na denním odběru (dáno zákazníkem).

Na prodejní ploše se nachází distribuční nábytek, který představuje druhý způsob uchovávání zboží. Nábytek je buď volně přístupný zákazníkovi, který si odtud bere zvolené zboží, anebo je zákazník obsloužen personálem. Stejně jako u boxů lze rozlišovat nábytek podle teplot chlazeného prostoru na chladicí a mrazicí. Dále pak ještě dle konstrukce, na regálového typu nebo pultové a současně na otevřené, nebo uzavíratelné s prosklenými dveřmi.

Tepelná bilance chlazených prostorů

Pro zajištění technologie chlazení je rozhodující znát tepelně vlhkostní požadavky a potřebu chladu pro jednotlivé prostory (boxy a distribuční nábytek). Vnitřní teplota vzduchu a relativní vlhkost jsou stanoveny podle druhu uchovávaného zboží [2].

Potřebu chladu je nutné modelovat v denní periodicitě s hodinovým, nebo podrobnějším krokem, viz případová studie níže. Průběh potřeby chladu musí být stanoven výpočtem, jenž uvažuje veškeré tepelné toky chlazeného prostoru. Tyto tepelné toky jsou obdobné pro prostory boxů i nábytku, ale liší se dominancí jednotlivých složek a způsobem výpočtu. Výpočtově je snadnější popsat chování boxů, protože se jedná o uzavřené prostory, jejichž chování je lépe definovatelné. Oproti tomu nábytek je velmi často otevřený do prostoru prodejní plochy, viz. např. nábytek regálového typu bez dveří. Má specifickou konstrukci, aby umožnil přehledné uložení zboží a svým designem dobře působil na zákazníka, dále je ovlivněn prouděním vzduchu ze systému vzduchotechniky, obtížně definovatelným chováním lidí, apod [11], [14].

Z těchto důvodů byl proveden přesnější výpočet pro popis chování boxů, u nábytku byl zvolen výpočet zjednodušený, který je v tomto případě dostačující. Pro chlazené prostory boxů lze určit výsledný návrhový a bilanční výkon podle tepelné bilance [13]:

Q = Q_st + Q_zm(chl) + Q_vz + Q_ve + Q_l + Q_os + Q_od (1) [W]

kde je

Q_st: tepelný zisk prostupem tepla [W].
Q_zm: potřeba chladu pro zmrazení zboží [W].
Q_chl: potřeba chladu pro zchlazení zboží [W].
Q_vz: tepelný zisk od výměny vzduchu při vstupech do boxu [W].
Q_ve: tepelný zisk od větrání [W].
Q_l: tepelný zisk od činnosti vykonávané lidmi [W].
Q_os: tepelný zisk od osvětlení [W].
Q_od: tepelný zisk od odtávání [W].

V závislosti na konstrukčních parametrech řešeného prostoru a teplotním rozdílu uvnitř chlazeného prostoru a mimo něj dochází k ziskům tepla prostupem konstrukcí Q_st dle vztahu

Q_st = A ‧ U ‧ (t_e − t_i) (2) [W]

kde je

A: plocha konstrukce [m²].
U: součinitel prostupu tepla [W/(m².K)].
t_e: teplota mimo chlazený prostor [°C].
t_i: teplota uvnitř chlazeného prostoru [°C].

Personál vstupuje do prostoru boxu, aby naskladnil nové zboží nebo zboží vyskladnil. Vyskladněné zboží je doplňováno v průběhu dne do distribučního nábytku při denním odběru. Zboží má bilanční vlastnosti podle uvedené literatury [2], [9]. Potřeba chladu pro mrazicí boxy Q_zm a chladicí boxy Q_chl je vynaložena na

snížení teploty zboží vstupujícího na požadovanou teplotu,
u chladicích boxů na odvedení tepla, které vzniká při metabolických procesech u některých druhů produktů (například ovoce a zelenina).

Q_zm = m ‧ c_p1 ‧ (t_v − t_i) / (3600 ‧ t_s) (3) [W]

kde je

m: denní obrat zboží [kg].
c_p1: měrná tepelná kapacita zboží pod bodem mrazu [J/(kg.K)].
t_v: teplota vstupujícího zboží [°C].
t_i: teplota uvnitř chlazeného prostoru [°C].
t_s: požadovaná doba vychlazení [h].

Q_zchl = m ‧ c_p1 ‧ (t_v − t_i) / (3600 ‧ t_s) + R₂ ‧ (M − m) / (24 ‧ 3600) + ((R₂ + R₁) / 2 ‧ m) / (24 ‧ 3600)
(4) [W]

kde je

M: maximální kapacita množství chlazeného zboží [kg].
c_p2: měrná tepelná kapacita zboží nad bodem mrazu [J/(kg.K)].
R₁: celková produkce tepla zboží při vstupní teplotě [J/(kg.den)].
R₂: celková produkce tepla zboží při vstupní teplotě [J/(kg.den)].

Další složka tepelné zátěže Q_vz vzniká při výměně vzduchu, ke které dochází zejména při otevírání dveří a vstupu personálu. Kromě tepla může do prostoru vnikat i vodní pára, která výrazně ovlivňuje možnost vzniku námrazy.

Q_vz = n ‧ V ‧ ρ ‧ (h_i − h_e) / (x ‧ t_s) (5) [W]

kde je

n = 70 / V^½: četnost vstupů do chlazeného prostoru [–]
V: objem chlazeného prostoru [m³]
ρ: hustota vzduchu [kg/m³]
h_i − h_e: rozdíl entalpií vzduchu interiéru a exteriéru prostoru [J/kg]
x: počet vstupů personálu za typický den

Při vstupu osob do chlazeného prostoru je uvažována složka tepelné zátěže od činnosti osob Q_l. Při vstupu osob je současně v provozu osvětlení, které přináší další tepelnou zátěž Q_os.

Q_l = n_l ‧ q_l (6) [W]

kde je

n_l: počet osob [ks]
q_l: tepelná zátěž osoby při vykonávané činnosti [W]

Q_os = n_os ‧ P_os (7) [W]

kde je

n_os: počet svítidel [ks]
P_os: elektrický příkon svítidel [W]

Poslední složkou je tepelná zátěž od odtávání Q_od. V případě, že je zde možnost vzniku námrazy, tak je využíván proces odtávání pomocí elektrických topných tyčí, horkých par chladiva nebo ventilátorů výparníku. Tím dochází k odstranění vzniklé námrazy především na výparníku, která zhoršuje provozní parametry technologie.

V případě distribučního nábytku jsou obdobné tepelné toky jako u boxů, ale výpočet průběhu potřeby chladu je těžko definovatelný. Z tohoto důvodu udává výrobce chladicí výkon nábytku na základě experimentálně naměřených hodnot a tyto hodnoty lze zjistit z technických listů [1].

Případová studie

Referenční supermarket, ke kterému se vztahuje studie, je určený pro skladování a prodej chlazených a mražených potravin. Na základě vnitřní dispozice je vypracována studie nízkonákladových úsporných opatření. Referenční supermarket je typickým příkladem středně velkého supermarketu s chladicím výkonem na straně uchovávání potravin do 100 kW.

Nízkonákladová řešení se uvažují na úrovni míry ovlivnění chladicího výkonu chováním personálu a denním režimem chladicího zařízení. Tato řešení mohou sloužit jako osnova pro vytvoření provozního manuálu pro provozovatele supermarketu, který by na jeho základě pochopil procesy, odehrávající se při chladicím procesu skladování zboží. Tím by bylo možné pomocí snadných řešení, i když ne zásadních z hlediska energetiky, dosáhnout nižších energetických potřeb a zároveň investičních úspor z důvodu menších chladicích výkonů.

Dispoziční řešení referenčního supermarketu

Vnitřní prostory supermarketu popisuje obr. 2. Jsou rozděleny na dvě oblasti, část prodejní plochy, kde se nachází distribuční nábytek, a část zázemí, kde jsou boxy.

Obr. 2 Dispozice referenčního supermarketu

Tab. 1 popisuje okrajové podmínky řešených boxů a nábytků včetně návrhových chladicích výkonů jednotlivých chlazených pozic. Dispoziční podklady jsou použity ze zdroje [7]. Referenční typ distribučního nábytku je podle podkladů výrobce [1]. Spotřebiče chladu na prodejní ploše i v zázemí jsou navrženy podle okrajových podmínek odpovídajících klimatické třídě 3. To znamená, že pro návrhový stav je teplota vzduchu uvažována +25 °C a relativní vlhkost 60 %. Ve výpočtu je zohledněno použití dveří a zatahovacích rolet u distribučního nábytku.

Tab. 1 Řešené boxy a distribuční nábytek
Poz.	Popis	`t`_i [°C]	Produkty	Počet [ks]	Plocha [m²]	`U` [W/m²K]	`Q`_DN/`Q`_B [W]
1.18	Chladicí box	+6/+8	Ovoce a zelenina	1	7,44	0,25	3 628
1.20	Chladicí box	+3/+5	Uzeniny	1	5,5	0,25	1 704
1.21	Chladicí box	+2/+4	Maso a drůbež	1	9,11	0,25	2 021
1.22	Chladicí box	+3/+5	Lahůdky	1	7,37	0,25	1 893
1.24.1	Chladicí box	+4/+6	Mléčné výrobky	1	8,09	0,25	1 879
1.24.2	Chladicí box	+4/+6	Mléčné výrobky	1	11,44	0,18	2 128
1.31	Mrazicí box	−18/−21	Mražené produkty	1	9,4	0,18	2 117
1.32	Mrazicí box	−18/−21	Mražené produkty	1	9,4	0,18	2 098
A1	Přístěnná vitrína	+4/+6	Zelenina	1	6,53	–	2 820
C1	Přístěnná vitrína	+2/+4	Drůbež	1	6,53	–	2 950
P	Přístěnná vitrína	+4/+6	Mléčné výrobky	1	3,27	–	1 410
B1, 2	Přístěnná vitrína	+4/+6	Mléčné výrobky	2	6,53	–	2 820
B3	Přístěnná vitrína	+4/+6	Mléčné výrobky	1	9,8	–	4 230
D1, 3	Přístěnná vitrína	+2/+4	Uzeniny	1	9,8	–	4 425
D2	Přístěnná vitrína	+2/+4	Uzeniny	2	6,53		2 950
E1, 2	Přístěnná vitrína	+2/+4	Lahůdky, zákusky	2	6,53	–	2 950
F1	Přístěnná vitrína	0/+2	Uzeniny	1	9,8	–	4 425
G	Přístěnná vitrína	+2/+4	Lahůdky, zákusky	3	9,8	–	4 425
H	Přístěnná vitrína	+2/+4	Lahůdky, zákusky	1	3,27	–	1 410
F2	Prodejní vitrína	+4/+6	Sýry	1	6,53	–	2 820
J	Mrazicí skříň	−18/−21	Mražené potraviny	4	6,03	–	1 180

kde je

t_i: výpočtová teplota uvnitř chlazeného prostoru
U: součinitel prostupu tepla konstrukcí boxu.
Q_DN: návrhový chladicí výkon 1 ks distribučního nábytku
Q_B: návrhový chladicí výkon boxů dle výpočtu pomocí tepelných toků (1) až (8)

English Synopsis

Cooling demand for preservation of food in retail food stores and the potential of energy savings

The paper is focused on the energy needs for preservation of food in retail food stores, which means cooling and freezing of food. The first part of the article is devoted to the issue of cold appliances in supermarkets, which include refrigeration and freezer boxes and furniture for distribution and sales. The second part of the article is based on the calculation of a refrigeration load and cooling demand for case study of a reference retail food store. The article aims to highlight the issue of energy need for preservation of food and defining of approach for design of general food refrigeration equipment of reference retail food store and to create conditions to establish energy-saving measures.