Energy benefit assessment of various refrigeration systems integrated with HVAC units in shopping malls

Shopping malls are among the most energy intensive commercial buildings, mainly due to heating, air conditioning and refrigeration plants. In recent years new innovative solutions have been employed in both the building and the plants, in order to reduce as much as possible the energy requirement and to increase the energy conversion efficiency of the systems. This practice has been further motivated by the need for using low environmental impact refrigerants, thus giving place to a widespread renovation of plants. The growing awareness of the environmental protection and the strong push by the European Union towards the use of natural refrigerants has been promoting the spread of carbon dioxide as working fluid. The CO2 refrigeration units operating in cold climates perform better than solutions using synthetic and not environmentally friendly refrigerants, while in mild and warm climates, due to the low critical temperature of the carbon dioxide, transcritical operations in R744 systems can commonly take place, increasing substantially the energy consumption. On the other hand, the high temperatures reached by the CO2 in the high pressure heat exchanger potentially allow recovering a large amount of heat at different temperature levels according to the supermarket needs. This leads to further opportunities for the spread of CO2 as refrigerant in mild and warm climates. Heat recovery and the integration with the heating, ventilating and air conditioning (HVAC) units make the CO2 competitive as refrigerant also in climates characterized by high outdoor temperatures. In this perspective, dynamic simulations of complex systems and control strategies play a crucial role in the performance assessment and system management. This work analyses the energy saving potential generated by the heat recovery from carbon dioxide refrigeration systems in favour of the heating system of the building and by the integration of the refrigeration systems with the supermarket HVAC units in shopping malls located in mild and warm climates. A comprehensive model of the commercial building, the refrigerated food storage equipment, the HVAC units and the refrigeration systems is developed.

I centri commerciali sono tra i servizi più energivori, principalmente a causa degli elevati consumi per il riscaldamento, per il condizionamento dell’aria e per la frigoconservazione. Negli ultimi anni sono state adottate molteplici soluzioni innovative sia negli edifici che negli impianti con lo scopo di ridurre il più possibile la domanda di energia e di aumentare l’efficienza energetica dei diversi sistemi. Ciò è stato inoltre motivato dalla necessità di utilizzare refrigeranti a basso impatto ambientale, dando luogo a un diffuso rinnovamento degli impanti. La crescente consapevolezza ambientale e la forte spinta dell’Unione Europea verso l’utilizzo di refrigeranti naturali hanno promosso la diffusione dell’anidride carbonica come fluido di lavoro. I sistemi di refrigerazione a CO2 in climi freddi forniscono prestazioni migliori rispetto alle tradizionali soluzioni che utilizzano refrigeranti sintetici e non eco-compatibili, mentre in climi miti e caldi, a causa della bassa temperatura critica dell’anidride carbonica, i sistemi a R744 lavorano frequentemente in condizioni transcritiche, aumentando considerevolmente i consumi. D’altra parte, le alte temperature raggiunte dalla CO2 negli scambiatori di alta pressione permettono potenzialmente il recupero di grandi quantità di calore a differenti livelli di temperatura in accordo alle diverse esigenze dei supermercati. Questo genera ulteriori opportunità per la diffusione nei climi miti e caldi dell’anidride carbonica come refrigerante. Il recupero di calore e l’integrazione con le unità HVAC possono infatti rendere competitiva sia energeticamente che economicamente la CO2 come refrigerante anche in climi caratterizzati da elevate temperature esterne. In questa prospettiva, la simulazione dinamica di sistemi complessi e le strategie di controllo giocano un ruolo fondamentale nella valutazione delle performance e nella gestione dei diversi componenti. Questo lavoro analizza i potenziali risparmi energetici ottenibili dal recupero di calore da sistemi di refrigerazione ad anidride carbonica in favore degli impianti di riscaldamento e dall’integrazione di tali sistemi con le unità HVAC per supermercati e centri commerciali situati in climi miti e caldi. A tale scopo sono stati sviluppati modelli di simulazione completi dell’edificio commerciale, degli apparecchi per lo stoccaggio e la conservazione degli alimenti, delle unità per il riscaldamento e la climatizzazione dell’aria e dei sistemi di refrigerazione.