Analýza potřeby chladu pro prodej a uchovávání potravin v supermarketech II.
Potenciál energetických úspor při prodeji a skladování chlazených potravin v supermarketech
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.
První díl článku naleznete ZDE.
Energetická analýza boxů
Energetická analýza boxů byla provedena na základě teoretických výpočtových vztahů podle (1) až (7), a slouží pro stanovení návrhové potřeby chladu (viz tab. 1) a zároveň pro vytvoření denního profilu potřeby chladu. Výpočet uvažuje parametry konstrukce chlazených prostorů (rozměry boxu, izolace, konstrukční řešení, apod. podle zdroje [3]), elektrické odtávání, volbu typu výparníků podle [8], [10] a denní režim supermarketu podle [7]. Jedná se o idealizované chování technologie na základě podkladů [4], [5], [6], [12].
Výstup energetické analýzy chladicích a mrazicích boxů lze rozdělit na dvě části. První část, na obr. 3, popisuje vypočítanou spotřebu elektrické energie na provoz ventilátorů výparníků a odtávání elektrickými topnými tyčemi v průběhu typického dne pro všechny boxy. Zde je nutné uvést, že volba způsobu odtávání a technologie motorů výparníků může znamenat nezanedbatelné provozní náklady. Zároveň tak stanovení denního režimu odtávání, aby skutečně odpovídal potřebě odtávání a nevnášelo se přebytečné množství tepla do chlazeného prostoru. V této studii je uvažován standardní cyklus odtávání a to čtyřikrát denně vždy po dobu třicet minut. Druhá část poté popisuje denní profil potřeby chladu pro chladicí a mrazicí boxy.
Obr. 3 Předpokládaný denní průběh potřebného elektrického příkonu pro boxy
Během dne dosahuje spotřeba elektrické energie pro provoz ventilátorů 7,2 kWh a pro odtávání 8 kWh. Na obr. 4 je poté vykreslen celkový průběh potřeby chladu pro chladicí a mrazicí boxy.
Obr. 4 Předpokládaný průběh potřebného chladicího výkonu pro boxy
Z průběhu potřebného chladicího výkonu je patrné, že během dne lze předpokládat výrazné zvýšení potřebného chladicího výkonu v provozních hodinách supermarketu a jeho snížení během noci. Rozdíl v potřebě chladu mezi těmito dvěma režimy činí z hlediska výkonu až 8 kW. Maximální hodnoty chladicího výkonu jsou zobrazeny skokově a nastávají v době po odtávacích cyklech. Celková potřeba chladu během typického dne je 137,1 kWh, přičemž téměř 80 % připadá na provozní dobu supermarketu.
Na základě provedeného výpočtu je vytvořen graf procentuálního rozložení potřeby chladu na jednotlivé složky tepelné bilance podle (1) až (8) Grafický výstup je rozdělen zvlášť pro chladicí část na obr. 5 a mrazicí část na obr. 6.
Z grafů je následně patrné, které složky jsou dominantní a na které je efektivní se zaměřit při hledání úsporných opatření. Z pohledu chladicích boxů jsou dominantními složkami:
- Zchlazení skladovaného zboží
- Tepelná zátěž
- Výměna vzduchu při vstupech personálu
Celkově je pro chladicí část nutno dodat 99 kWh chladu. Zásadní vliv na energetickou bilanci má druh skladovaného zboží. V případě, že se jedná o boxy, kde dochází k uchovávání tzv. živých produktů (typicky ovoce a zelenina) [9], tak se toto zboží stává dominantní složkou tepelné zátěže. To je patrné i z tab. 1, kde box se zbožím ovoce a zelenina vykazuje největší návrhový chladicí výkon.
Obr. 5 Rozložení potřeby chladu pro jednotlivé složky tepelné zátěže chladicích boxů
U mrazicích boxů se jedná o stejné dominantní složky jako v případě chladicí části, ale v odlišném pořadí. Nejvýraznější složkou z hlediska potřeby chladu je tentokrát tepelná zátěž prostupem. To je logicky způsobeno tím, že se interiérové teploty chlazeného prostoru pohybují v porovnání s chladicími boxy výrazněji níže. Zároveň je vidět snížený vliv tepelné zátěže od skladovaného zboží, protože v teplotách pod bodem mrazu nedochází k produkci tepla od zboží při metabolických procesech [9]. Pro tyto dva řešené boxy je denně potřeba dodat 38 kWh chladu.
Obr. 6 Rozložení potřeby chladu pro jednotlivé složky tepelné zátěže mrazicích boxů
Pokud se porovnají chladicí a mrazicí boxy z hlediska denní potřeby chladu, tak na jeden chladicí box připadá hodnota okolo 12 kWh, což je zhruba 60 % potřeby chladu na jeden mrazicí box. Výjimkou je pouze chladicí box s ovocem a zeleninou, kde je denní potřeba chladu 32 kWh a je tedy nejdominantnější složkou.
Energetická analýza distribučního nábytku
Distribuční nábytek je analyzován jednodušším výpočtem [7], který nepopisuje rozložení potřeby chladu na jednotlivé složky jako v případě boxů, ale zohledňuje všechny složky tepelné zátěže jako celek. Distribuční nábytek má v porovnání s boxy, které lze v tomto případě zařadit do kategorie menších chlazených prostorů (5 až 15 m2 plochy), větší energetické nároky. To je dáno jednak větším počtem kusů nábytků v řešeném referenčním supermarketu, ale zároveň větší vypočtenou potřebou energie na provoz. Potřebu elektrické energie na provoz ventilátorů výparníků a proces odtávání popisuje obr. 7.
Obr. 7 Předpokládaný průběh potřebného elektrického příkonu pro distribuční nábytek
Během typického dne je předpokládána spotřeba 6,3 kWh elektrické energie na provoz ventilátorů a téměř 41 kWh na proces odtávání. Toto je v případě odtávání v porovnání s boxy téměř pěti násobný nárůst. Na obr. 8 je vykreslen průběh potřebného chladicího výkonu chladicího a mrazicího nábytku.
Obr. 8 Předpokládaný průběh potřebného chladicího výkonu pro distribuční nábytek
Celková potřeba chladu je denně 865 kWh, což je v porovnání s boxy výrazné navýšení. Toto navýšení je způsobeno většími energetickými provozními nároky distribučního nábytku (viz tab. 1), ale zároveň více než dvojnásobným počtem chlazených pozic distribučního nábytku oproti počtu boxů v řešeném supermarketu.
Zhodnocení energetické analýzy
Pokud se provede porovnání energetické analýzy popisující chování boxů a distribučního nábytku, tak boxy vykazují nižší nároky jak na celkovou potřebu chladu, tak na potřebu elektrické energie pro provoz ventilátorů a odtávání.
U nábytků jsou nároky na potřebu chladu daleko větší, protože jsou na ně kladeny jiné požadavky než na samotné boxy. Zejména jde o design a přístupnost pro zákazníky, jak již bylo zmíněno dříve. Největším problémem nábytku je, že se většinou jedná o otevřené typy (bez dveří), což s sebou přináší značnou ztrátu chladu, která se projevuje na vyšších provozních výkonech v porovnání s boxy. Řešením je využívání typů, jež umožňují buď na noc uzavřít prostor pomocí stahovacích rolet, nebo z energetického pohledu ještě lépe používat nábytek s již osazenými dveřmi. Zde se úspora potřeby chladu pohybuje okolo 48 % oproti otevřené variantě bez dveří [7]. Dalšími možnostmi je využívání úsporné EC technologie motorů ventilátorů nebo LED osvětlení. Zároveň je nutné dodržovat provozní podmínky prodejní plochy a to teplotu vzduchu a relativní vlhkost, jež jsou udány klimatickou třídou, na kterou je dimenzován distribuční nábytek. Při překročení těchto podmínek dochází ke zvýšené potřebě chladu zařízení a k možnému znehodnocení zboží vlivem nedostatečného chladicího výkonu.
U boxů je situace odlišnější, protože se nejedná o kompaktní technologii jako u nábytků, ale o technologii, která je složena z velkého množství komponent s možností optimalizace (samotná konstrukce boxu, optimalizace volby výparníku, umístění, provozní teploty, apod.), jejichž volba a návrh mohou výrazně ovlivnit samotný chladicí systém.
Z výsledků energetické analýzy, která byla popsána v předešlé kapitole, lze dospět rozborem jednotlivých složek k nízkonákladovým řešením. Celková denní potřeba elektrické energie na provoz ventilátorů a odtávání je 47,3 kWh pro distribuční nábytek a 15,2 kWh pro boxy. Denní potřeba chladu pro pokrytí tepelné zátěž distribučního nábytku činí 865 kWh, pro boxy 137,1 kWh.
Složky, které nejvíce vstupovaly do energetické bilance boxů, jsou uvedeny v tab. 2. Tepelné zisky prostupem jsou závislé především na vlastnostech konstrukce a teplotních podmínkách mimo chlazený prostor. Zlepšení této složky bilance je možné zvětšením tloušťky nebo vlastností stěny. Zde se ovšem naráží na problém ceny konstrukce, proto při hledání nízkonákladových řešení je vhodné zaměřit se na okolní teplotu.
| Složka tepelné zátěže | Procentuální rozložení | |
|---|---|---|
| Tepelné zisky prostupem | CHB 24 % | MB 37 % |
| Výměna vzduchu | CHB 23 % | MB 28 % |
| Tepelná úprava zboží | CHB 28 % | MB 13 % |
Možností je snižovat teplotu okolo boxů v zázemí nacházející se v odděleném prostoru než prodejna pomocí vzduchotechnického systému, který by udržoval optimální klimatické podmínky. Jedná se zejména o letní období, kdy je tepelná zátěž vnitřních prostorů značná a dochází k velkému nárůstu potřebného chladicího výkonu. Důležité je dispoziční umístění boxů tak, aby se nenacházely v části budovy, kde lze předpokládat zvýšenou tepelnou zátěž vlivem slunečního záření. Optimální je jejich umístění ve shluku, kdy jsou jeden s druhým v kontaktu, čímž je dosaženo pro daný prostor nízkých okolních teplot. Pokud dojde ke zvýšení teploty vzduchu v okolí boxu o 1 °C, pak dochází ke zvýšení tepelné zátěže prostupem tepla o 13 %.
Druhá složka podle tab. 2 (výměna vzduchu) souvisí s tepelně vlhkostními podmínkami. Při výměně vzduchu dochází k úniku chladného vzduchu z boxů a zároveň vniknutí teplého vzduchu z okolního prostoru. To s sebou přináší zhoršení stavu zboží a větší spotřebu energie chladicího zařízení, které nemusí být schopno prostor vychladit na požadovanou teplotu. Kromě zvýšení tepelné zátěže dochází i k nárůstu měrné vlhkosti. Abychom zabránili úniku chladu, tak je vhodné volit tzv. zástěnu, která funguje prakticky jako závěs z vnitřní strany boxu, případně uvažovat použití vzduchové clony, která by proudem vzduchu oddělovala oba prostory.
Potřeba chladu pro úpravu zboží je dána způsobem jeho zpracování, přičemž zásadní možností ovlivnění je též způsob nakládání se zbožím. Tj. pokud je zboží před uskladněním do boxu uloženo mimo skladovací prostory, tak se zvýší jeho teplota a následně chladicí zařízení nebude schopné pokrýt vzniklou vnesenou tepelnou zátěž, protože na to není navrženo (zvláště u živého zboží, kde dochází k produkci tepla při metabolickým procesům a s rostoucí teplotou roste i toto teplo). Proto je nutné instruovat personál a striktně dodržovat pravidla provozu a obsluhy zboží. Zároveň je potřeba dodržovat definovaný denní odběr, protože stejně jako při překročení teploty zboží, tak i při překročení jeho množství může nastat případ, kdy chladící systém není schopen prostor uchladit.
Další složkou tepelné zátěže, která není na předních místech, ale poměrně snadno se může stát jednou z dominantních, je možnost odtávání. V případě ideálního procesu odtávání by bylo do chlazeného prostoru přivedeno právě takové množství tepla, jež je potřebné pro odstranění námrazy. V reálném provozu k tomuto ovšem nedochází a do chlazeného prostoru je kromě potřebného tepla pro odtávání přiveden i nadbytek tepla, který musí být následně odstraněn. Toto představuje dvojitý provozní náklad.
V současné době je nejvíce energeticky výhodným způsobem využívání pro odtávání horkých par. Toto systémové řešení je technicky složitější a ne vždy možné. Výhodou je, že pro odstranění námrazy využíváme teplo, které se již v okruhu nachází a není tedy potřeba dodávat další energii od jiného zdroje. V případě užití elektrických topných tyčí se jedná o jednoduché řešení, ale náročné na spotřebu elektrické energie (viz energetická analýza referenčního supermarketu). Dalším možným řešením je využití odtávání pomocí prodlouženého chodu ventilátorů. Toho lze využít pro prostory boxů, kde se teploty pohybují od cca 4 °C a výše. Všechny předešlé zmíněné možnosti uvažují s pravidelným odtáváním pomocí časového harmonogramu. Poslední možností je využití tzv. adaptivního odtávání. Efektivní řešení a zároveň snížení dvojitého provozního nákladu může spočívat v adaptivním odtávání, jež využívá monitorování skutečné potřeby odtávání. Toho lze dosáhnout pomocí sledování tlakové ztráty průtoku vzduchu přes výparník nebo pomocí sledování změny vypařovací teploty, jež jsou ovlivněny vzniklou námrazou na ploše výparníku.
Závěr
Supermarketové aplikace mají poměrně vysoké energetické nároky na chladicí technologie. K tomu, aby bylo dosaženo úspor, je nejprve potřeba pochopit chování těchto technologií na úrovni vlastních spotřebičů chladu (chladicí boxy, mrazicí boxy a distribuční nábytek). Z analýzy spotřebičů je vidět, jaké parametry ovlivňují výslednou energetickou bilanci a během rozboru jednotlivých složek jsou stanovena možná nízkonákladová řešení. Tato řešení sice nemají dominantní efekt z energetického pohledu, ale přinášejí optimalizaci pro zlepšení provozu, slouží k porozumění celé problematiky a zároveň jako základ pro hledání dalších možných řešení, tentokrát související s vlastním systémem chlazení.
Jako samozřejmost se zde považuje též provádět pravidelný servis a údržbu každého chladicího systému (čisté výměníky, správný tlak chladiva v okruhu atd.).
Návrh chladicího systému pro uchovávání potravin vychází ze správného stanovení výkonových charakteristik koncových spotřebičů. Bez pochopení chování těchto technologií nemůže být systém správně navržen, čímž dojde k neefektivnímu a poměrně nákladnému provozu chladicího zařízení.
Použité zdroje
- ARNEG [online], firemní podklady, dostupný z WWW: http://www.arneg.it/en
- ASHRAE, Refrigeration, ISBN 1-931 862-87-7 (ISBN 1930-7217), 2006
- Bratři Horákové s r.o., firemní podklady, dostupný z WWW: http://www.horak-bros.com
- Breidenbach, Karl Heinrich, Der Kälteanlagenbauer I, ISBN 3-7880-7375-6
- Breidenbach, Karl Heinrich, Der Kälteanlagenbauer II, ISBN 3-7880-7371-3
- Breidert, Hans-Joachim, Formeln, Tabellen und Diagramme für die Kälteanlagentechnik, 1996, ISBN 3-7880-7561-9
- CTS Engineering, firemní podklady
- Dvořák Zdeněk, Chladicí technika, nakladatelství technické literatury SNTL, Praha 1971, L 13-C3-IV-41/28271/VIII
- Güntner [online], dostupný z WWW:
http://www.guentner.eu/en/know-how/product-calculator-gpc/gpc-software/ - Gutkowski Kazimier, Chladicí technika- vybrané řešené problémy, SNTL Praha 1982, L12-B3-IV-41/22595
- KOLEKTIV AUTORŮ, Chladicí a klimatizační technika, učební texty svazu CHKT, 1. vydání, Praha 2012
- Ullrich, Hans-Jürgen, [překlad Ing. František Smutný], Chladicí technika II, svaz CHKT s.r.o., Praha 2000, ISBN 80-238-5889-0
- Venkrbec Vít, Základy chladicí techniky IV – výpočet chladicích zařízení, CHEPOS, oborový podnik Brno, závod Frigera Kolín, 1967
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.