71
Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions in Supermarkets Effsys2 project final report Samer Sawalha and Yang Chen 20100630

Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

  • Upload
    others

  • View
    4

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

 

 

 

   

Royal Institute of Technology (KTH)

Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions in Supermarkets Effsys2 project final report 

Samer Sawalha and Yang Chen 2010‐06‐30  

Page 2: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

2

Table of Contents 1  Introduction ........................................................................................................................ 4 

1.1  Background .................................................................................................................. 4 

1.2  Objectives .................................................................................................................... 4 

1.3  Methodology ................................................................................................................ 5 

1.4  Project partners and acknowledgment ......................................................................... 5 

2  Description of refrigeration and heat recovery systems ..................................................... 6 

2.1  Energy use in supermarkets and typical heating requirements .................................... 6 

2.2  Refrigeration system solutions .................................................................................... 8 

2.2.1  Conventional R404A system and CO2 pump circulation .................................... 8 

2.2.2  Cascade systems with CO2 .................................................................................. 9 

2.2.3  CO2 trans-critical systems ................................................................................. 11 

2.3  Heat Recovery System Solutions .............................................................................. 12 

2.3.1  Fixed head pressure (FHP) ................................................................................. 13 

2.3.2  De-superheater (DSH) ........................................................................................ 13 

2.3.3  Heat pump cascade (HPC) ................................................................................. 14 

2.3.4  Heat pump cascade for sub-cooling (HPSC) ...................................................... 14 

3  Field measurements .......................................................................................................... 16 

3.1  Calculations of heat recovery .................................................................................... 16 

3.2  CO2 trans-critical system 1 ........................................................................................ 16 

3.2.1  System design and operation .............................................................................. 16 

3.2.2  Existing mode of operation and selection of operating conditions for heat recovery with heat pump .................................................................................................. 17 

3.2.3  Recoverable heat with heat pump solution ........................................................ 20 

4.2  CO2 trans-critical system 2 ........................................................................................ 21 

3.2.1  System design and operation .............................................................................. 21 

3.2.2  Total heat recovery ............................................................................................. 23 

3.2.3  Performance analysis of medium temperature unit (KA3) ................................ 25 

4.2.4  Performance of booster unit (KAFA1) ............................................................... 27 

3.3  Conclusions ............................................................................................................... 28 

4  Computer simulation modelling ....................................................................................... 30 

4.1  System performance in floating condensing-No heat recovery ................................. 31 

4.2  System performance in fixed head pressure (FHP) heat recovery ............................ 33 

4.3  System performance in heat pump cascade (HPC) heat recovery ............................. 34 

Page 3: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

3

4.4  System performance in heat pump cascade for sub-cooling (HPSC) heat recovery . 36 

4.5  System performance in de-superheater (DSH) heat recovery ................................... 37 

4.6  Annual energy consumption calculations .................................................................. 46 

4.7  Conclusions ............................................................................................................... 48 

5  Experimental measurements of CO2 heat pump test rig .................................................. 48 

5.1  System Layout ........................................................................................................... 50 

5.2  Working principle ...................................................................................................... 50 

5.3  Methodology .............................................................................................................. 51 

5.4  Testing results ............................................................................................................ 54 

5.4.1  Operating conditions .......................................................................................... 54 

5.4.2  Overall system performance ............................................................................... 54 

5.4.3  Results for the compressor part .......................................................................... 56 

5.4.4  UA value with the flow rate ............................................................................... 64 

5.5  Comparison with other studies .................................................................................. 65 

5.5.1  Case study 1 ....................................................................................................... 66 

5.5.2  Case Study 2 ....................................................................................................... 66 

5.5.3  Case Study 3 ....................................................................................................... 68 

5.6  Conclusions ............................................................................................................... 69 

6  Discussions and conclusions ............................................................................................ 70 

7  References ........................................................................................................................ 71 

 

    

Page 4: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

4

1 Introduction  

1.1 Background  

Supermarkets  are  intensive  energy  consumers with  constantly  increasing  number  of  installations. About 50% of the energy consumption in the supermarket is absorbed by the refrigeration system to cover  the  cooling  demands,  simultaneously;  heating  is  needed  in  the  supermarket  where  the rejected  heat  from  the  refrigeration  system  is  usually  higher  than  the  needs.  It  is  an  interesting possibility  to utilize  the  rejected heat  from  the  refrigeration  system  to cover  the heating needs  in supermarkets. 

The  environmentally  friendly  natural  refrigerants  are  seen  to  be  a  long  term  solution  in  many refrigeration applications as well as in supermarkets. The new solutions provide interesting potential for  reclaiming heat  from  the  refrigeration  system.  Solutions  such  as parallel,  centralized,  cascade, direct, indirect, single‐, two‐, or multiple‐stage exist  in supermarkets today where each solution will have different  temperature  levels at which heat  is  rejected.  It will also have different capacities at different  temperature  levels  depending  on  the  design  of  the  plant,  refrigeration  loads,  ambient conditions, and the type of compressor. 

Previous  research  conducted  at  the  Energy  Technology  Department  at  KTH  shows  that  when comparing  cooling  efficiencies  in  supermarkets,  solutions which  are  based  on  natural  refrigerants have  good  potential  in  energy  savings  compared  to  conventional  systems.  Additionally,  certain systems,  such  as  trans‐critical  CO2,  have  good  heat  rejection  characteristics  with  relatively  high efficiency  when  used  in  certain  heat  pump  mode.  However,  the  system  is  sensitive  to  the conditions/requirements under which it operates. Therefore, it is important to study its performance under the supermarket heating requirements. 

This project investigates the heat recovery performance of the new system solutions that are mainly based on natural  refrigerants  in  supermarket  refrigeration. The new  system  solutions with natural refrigerants provide  fresh possibilities  for heat  recovery due  to  the different  temperature  levels at which  certain  heat  capacities  are  rejected.  Thus,  the  investigated  system  modifications  and optimizations  will  take  into  account  not  only  the  cooling  efficiency  but  also  the  efficient  heat recovery according to the needs in the supermarket. 

1.2 Objectives The objective of this project is to investigate the heat recovery performance of the new refrigeration system solutions in supermarket applications. The focus is on environmentally friendly systems with natural working fluids, mainly CO2 trans‐critical systems. The project analyzes the temperature levels and capacities of rejected heat from different system solutions and investigates its matching with the heating needs in supermarkets. 

Using simulation tools this project also aims at defining the system solution/s which has good energy efficiency for simultaneous cooling and heat recovery.  

In order to verify the theoretical analysis experimental/field tests are planned for selected systems.  

Page 5: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

5

1.3 Methodology The work  in this project  is conducted based on the previous knowledge  in refrigeration engineering developed  at  the  Energy  Technology  Department  in  projects  dealing  with  energy  efficiency  and alternative  refrigeration  system  solutions  in  supermarket  as  well  as  heat  pump  applications. Experience  in  developing  computer  simulation  tools  and  the  development  of  a  state‐of‐the‐art experimental  test  rig  are  important  guide  and  resource  in  conducting  the  system  analysis.  Field measurements  of  selected  systems  are  used  to  evaluate  its  performance  and  to  have  input parameters to the simulation models. 

The work in this project is divided in three main work packages: 

Field measurements 

Two supermarkets operating with CO2 trans‐critical refrigeration systems have been selected for the analysis. The systems have different heat recovery methods. The evaluation of the systems focused on  analyzing  the  performance  of  the  system  in  both  refrigeration  and  heat  recovery  modes. Computer  simulation modelling has been used  in validating  the  results of  the  field measurements and  to evaluate  the  system performance under different cooling and heating  requirements, which would not be possible to change/control in real installations.  

Computer simulation modelling 

Computer models have been developed to simulate the performance of each system solution under investigation.  The  refrigeration  system  solutions  include,  CO2  trans‐critical  (parallel  and  booster), NH3/CO2 cascade, R404A/CO2 cascade, and R404A conventional. Most of  the assumptions  for  the computer  simulation  models  have  been  extracted  from  the  field  measurements  data  and  the simulation models then has been used to evaluate the performance of the selected systems under different operating conditions.   

Experimental investigations 

A test‐rig has been built up at KTH,  in the  laboratory of Applied Thermodynamics and Refrigeration division,  the  test  rig  is used  in  the project  to validate  computer  simulations and  it  is also used  to evaluate various components  such as heat exchangers, compressors, expansion valves and control systems for CO2 system. Different system configurations are evaluated to optimally match the heat rejection of the refrigeration system to the various possible heat sinks for best possible efficiency. 

1.4 Project partners and acknowledgment The project has been conducted by the Energy Technology Department at KTH  in cooperation with the  following  companies:  AlfaLaval,  Ahlsell, Nibe,  IVT,  SRM, Danfoss, Green  and  Cool,  RANOTOR, Climacheck, ICA Sverige AB, and Huurre Sweden AB. The project is co‐financed by the Swedish Energy Agency (STEM). 

Through the project close cooperation has been maintained with IUC Sveriges Energi‐ & Kylcentrum AB (IUC‐SEK).  

I would  like to thank all the project partners for their contributions to this work and Jaime Arias at KTH who helped in providing some data.   

Page 6: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

6

2 Description of refrigeration and heat recovery systems  

2.1 Energy use in supermarkets and typical heating requirements In Sweden, approximately 3% of the national electricity consumed is used in supermarkets (Sjöberg, 1997). A typical supermarket in Sweden uses between 35‐50% of its total electricity consumption for refrigeration equipment (Lundqvist, 2000). Figure 2‐1 shows the energy use in a typical supermarket in Sweden, as can be seen in the figure, considerable portion of energy is consumed in refrigeration, lighting and HVAC, while refrigeration system rejects considerable amount of heat. The recovery of heat from the refrigeration system presents potential to reduce or recover heating needs for HVAC and service water. 

 

 Figure 2‐1: Typical energy use in a supermarket in Sweden (Arias, 2005) 

Common heating  applications  in  a  supermarket  consist of  floor heating, heater  for HVAC  system, service  water  heater  and  in  some  applications,  defrosting  of  evaporator  coils.    Some  heating applications and temperature requirements are listed in the following table. 

 Table 2‐1: Temperature requirements in heating applications (Wulfinghoff D. R, 1999) 

Applications  Temperature level (oC) 

Floor heating  About 27 

HVAC dimensioning temp  33 

Service hot water  54 

Hydronic system  70‐40 

 

Theoretically, in refrigeration system heat can be recovered from compressor oil, de‐superheater and condenser.  Potential  of  heat  recovery  depends  on  the  quality  and  quantity  of  heat  required  and 

Energy usage in a supermarket

Refrigeration, 47%

Lighting, 27%

HVAC, 13%

Kitchen, 3%

Outdoors, 5%

Others, 5%

Page 7: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

7

experience  varies  on  the  percentage  of  high  temperature  that  can  be  recovered.  In  an  industrial ammonia  vapour  compression  system  only  11%  of  the  total  system  heat  rejection  is  available  in superheat  region  and  the  remaining  is  rejected  at  lower  quality  (Reindl D.  T &  Jekel  T. B,  2007). Minea V. suggested that up to 30% heat can be recovered at the superheat region (Minea V, 2007). Therefore  the  percentage  of  heat  can  be  recovered  depends  on  the  refrigerants  and  the  system solution.  

Heat recovery system solutions  in supermarket are used mainly to heat the space air. The practical experience  indicated  that  though  seemingly  high  quantity  of  heat  is  rejected  by  supermarket refrigeration systems, only 40‐70% of the necessary heat can be recovered (Arias, 2005). Arias also suggested  that  refrigeration  system  not  operating  continuously  to  be  the  likely  reason  for  less recovery  of  heat.  In  a  typical  Swedish  supermarket  HVAC  system  and  refrigeration  system  are installed  and  operated  by  different  companies.  Therefore  HVAC  and  refrigeration  systems  are separated  from each other by heat exchanger which has been cited as another reason  for  the  low heat recovery percentage.  

An important parameter in the analysis of the heat recovery potential for refrigeration system is the match  between  the  heating  and  cooling  demands.  At  low  outdoor  temperatures  the  relative humidity is low and so is the cooling capacity of the system, at the same time the heating demand in the  supermarket  increases. Therefore,  the  relative  size/capacity of  the  refrigeration  system  to  the size/heating needs  in  the  supermarket  is an essential parameter  to  investigate  in order  to achieve efficient simultaneous cooling and heating. 

 

The  regulations  on  synthetic  refrigerants  have  forced  major  changes  in  the  refrigeration,  air conditioning, and heat pump industries. Generally, the new situation required the old refrigerants to be replaced, systems to be tighter and new system solutions which require less refrigerant charge to be  introduced.  Nevertheless,  the  energy  consumption  of  the  systems  should  be  kept  as  low  as possible. 

HFC refrigerants were expected to be an acceptable replacement for the phased out CFC and HCFCs but  they became  subject  to  regulations  in  some  countries due  to  their Global Warming  Potential (GWP). In Sweden, R404A, which has GWP value of 3784, has been intensively used in supermarket installations as a replacement for the environmentally harmful refrigerants, mainly R22.  In order to reduce the refrigerant charge, systems that use an indirect solution were applied. Systems’ tightness has been improved due to taxes enforced on leaking HFC refrigerants. 

Natural refrigerants are seen as a potentially permanent solution where CO2 is the one that fits best in supermarket applications, mostly due to safety reasons, as it can be directly used in public areas. CO2 was  first used as a  secondary working  fluid  in  indirect  system  solutions,  the  first CO2  indirect system plant was implemented in Sweden in 1995.  

The knowledge and experience gained from early research work on CO2 and the early installations of CO2 in commercial applications promoted its wider application in supermarkets with different system solutions. Cascade  systems with CO2  in  the  low  stage and  trans‐critical  solutions where CO2  is  the only working fluid have been applied in Sweden in many installations.  

Page 8: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

8

Different solutions have been applied  in the CO2 cascade and trans‐critical concepts which resulted in an interesting wide variety of conventional and new refrigeration system solutions in Sweden. The different refrigeration system solutions will then have different performance in heat recovery mode, it  also  provide  fresh  possibilities  for  heat  recovery  which  is  different  than  the  conventional techniques.  

The following sections describe the main categories of the refrigeration system solutions in Swedish supermarkets and the main techniques for heat recovery. 

2.2 Refrigeration system solutions In  general,  two  temperature  levels  are  required  in  supermarkets  for  chilled  and  frozen  products. Product  temperatures of around +3°C and –18°C are  commonly maintained.  In  these applications, with  a  large  difference  between  evaporating  and  condensing  temperatures,  the  cascade  or  other two‐stage  systems  become  favourable  and  are  adaptable  for  the  two‐temperature  level requirements of the supermarket. The following sub‐sections describe the conventional and the main CO2‐based solutions in supermarkets. 

2.2.1 Conventional R404A system and CO2 pump circulation Systems using R404A are referred to as conventional technologies where  it  is used as replacement for harmful synthetic refrigerants. The R404A system consists of two separate circuits; DX at the low temperature unit and with brine at the medium temperature  level. A heat exchanger  is connecting the medium and the low temperature stages of the system to further sub‐cool the liquid coming out of the low temperature condenser or sub‐cooler.  

Due  to  the  steepness  of  the  isentropic  compression  lines  for  R404A  two‐stage  compression with inter‐cooling has  very  little  influence on  improving  the COP of  the medium  and  low  temperature levels. Therefore, two‐stage compression is not a conventional solution with R404A.  

The following figure is a simple schematic of the system. 

 

Figure 2‐2: Schematic diagram of a conventional R404A system  

Due to the regulations on the HFC charges in the refrigeration systems the use of indirect system at the low stage has been applied in order to avoid the use of R404A in DX solutions. CO2 has been used 

Page 9: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

9

in many installations as the secondary working fluid where the operating pressure is reasonable (11 bars at ‐37°C). Figure 2‐3 is a simple schematic of the R404A‐CO2 indirect refrigeration system. 

 

Figure 2‐3: Schematic diagram of R404A system with CO2 pump circulation at the low temperature level 

From gaining experience in operating CO2 at freezing temperature levels, the same concept has been applied  to  medium  temperature  levels,  as  reported  by  Madsen  et  al.  (2003).  The  temperature required for chilled food is usually around +3°C and should not go higher than 7°C for long periods of time. Assuming 7K of temperature difference in the display cabinet results in CO2 operating at –4°C, which  corresponds  to  around  31  bars.  In  this  case,  components  that  can  withstand  40  bars (corresponding  to  saturation  temperature of 6°C)  can handle CO2 with  acceptable  safety margins. However, such system solution is not applied in Sweden. 

Only the conventional system solution will be analyzed in this study because of the similarity on the heat rejection side between the two systems. 

2.2.2 Cascade systems with CO2 Cascade systems with CO2  in  the  low‐temperature stage have been applied  in several supermarket installations in Sweden. Two main possible arrangements are the following: 

R404A‐CO2 cascade 

In  this  system  arrangement, which exists  in  several  installations  in  Sweden,  the  refrigerant  in  the high‐temperature stage is R404A. The medium temperature circuit uses a conventional single phase secondary working fluids. CO2 is the working fluid in the low‐temperature circuit where it rejects the heat to the brine at the medium temperature level. The following plot is a simple schematic of such system. 

 

Page 10: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

10

 

Figure 2‐4: Schematic diagram of R404A‐CO2 cascade system with brine at the medium temperature level 

NH3‐CO2 cascade  

A  solution  which  is  based  on  natural  refrigerants  and  an  alternative  candidate  to  conventional systems is the NH3/CO2 cascade concept. Figure 2‐5 is a schematic diagram of such a system solution which has been built and tested in a laboratory environment (Sawalha, 2008). In this system concept CO2  pressure  levels  are  acceptable; when  condensing  at  ‐3°C  pressure  is  about  32  bars.  At  this temperature level, as can be seen in Figure 2‐5, the cooling load in the medium temperature level is provided by circulating CO2 that accumulates in the tank. 

 

Figure 2‐5: Schematic diagram of NH3‐CO2 cascade system with CO2 as the refrigerant for the medium temperature level 

Page 11: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

11

This system has not been  installed  in supermarkets  in Sweden yet but has been  included  in part of the analysis  in  this study  in order  to demonstrate  its  relative performance  in heat  recovery mode. However,  it  has  been  demonstrated  that  this  system  has  very  good  performance  in  refrigeration mode, 40‐50% higher COP compared to conventional solutions (Sawalha, 2008). 

2.2.3 CO2 trans­critical systems Due  to  the widespread  interest  in CO2 as an alternative  to synthetic  refrigerants  in  the  two major refrigerant  consuming  applications,  i.e.  mobile  air  conditioning  and  commercial  refrigeration, components which  are  specially  designed  to  handle  CO2  have  become  increasingly  available  and competitive  in price. This made  it possible to build CO2 trans‐critical systems for supermarkets, the main two arrangements applied in Swedish supermarkets are: 

Parallel arrangement 

In this system two separate parallel CO2 circuits operating between the ambient temperature on the high side and the intermediate and freezing temperature levels on the other sides. In order to obtain reasonable  efficiency,  the  CO2  circuit  that  operates  between  ambient  and  freezing  temperatures should have two‐stage compression with an intercooler. The following figure is a simple schematic of the parallel system solution. 

 

Medium Temperature Freezer

 

Figure 2‐6: Schematic diagram of CO2 parallel system solution with two‐stage compression on the low temperature level 

Booster system solution 

In  this  system  solution  the  refrigerant  is  expanded  in  two  different  pressure/temperature  levels, medium  and  low.  As  can  be  seen  in  Figure  2‐7,  the  low  stage  compressor  (booster)  rejects  the discharge gas into the suction line of the high stage compressor mixing with the superheated return vapour from the medium temperature level.  

Page 12: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

12

 

Figure 2‐7: Schematic diagram of CO2 booster system solution (TR2) 

 

2.3 Heat Recovery System Solutions A refrigeration system without control to recover heat will operate in floating condensing where the condensing temperature follows the ambient temperature to a minimum condensing  level which  is usually 10°C. In this case, the heating needs in the supermarket are covered by district heating (DH) or a separate heat pump system (SHP). Figure 2‐8 is a schematic of system with floating condensing (FC) that rejects heat directly to the ambient.  In case of R404A system  it  is most common that the condenser  rejects  heat  to  a  coolant  loop  instead  of  directly  to  the  ambient  due  to  the  charge minimization requirements. 

 

Figure 2‐8: Schematic of the heat rejection side of a system with floating condensing arrangement‐ No heat recovery arrangement 

Heat  recovery  system  solutions  in  supermarkets  are  used mainly  to  heat  the  space  air. Different system solutions for heat recovery are presented in the following sub‐sections. 

Page 13: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

13

2.3.1 Fixed head pressure (FHP) Figure 2‐9 shows the layout of FHP heat recovery. In this heat recovery solution the system operates in floating condensing and when heating is required the condensing pressure is elevated in order to provide  the proper  temperature  for  the heating  system. As can be  seen  in  the  figure,  the coolant extracts  heat  from  the  condenser  of  the  refrigeration  system  and  rejects  the  heat  to  the  HVAC system before entering the dry cooler. 

 

Figure 2‐9: Schematic diagram of the fixed head pressure heat recovery system 

2.3.2 De­superheater (DSH) Figure 2‐10  is a simple schematic of a system running with heat recovery  in the de‐superheater.  In this  system  solution  heat  is  rejected  in  a  de‐superheater which  is  installed  before  the  air  cooled condenser. Depending on  the  temperature  level  that can be  reached  in  the heating system supply fluid, the system can provide heat to HVAC system or floor heating which requires  lower operating temperature. The condensing pressure  in  the system  is controlled according  to  the heating needs; the  regulating valve, after  the condenser  in  the  schematics, controls  the discharge pressure  in  the system according to the required capacity from the de‐superheater. 

 

Figure 2‐10: Schematic diagram of the heat recovery at the de‐superheater 

This  heat  recovery  solution  is  viable  in  the  systems  operating  with  refrigerants  that  have  high discharge temperatures. CO2 and NH3 systems have rather high discharge temperature compared to 

Page 14: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

14

R404A  (50°C and 67°C compared  to 30°C  respectively, assuming  isentropic compression between  ‐5°C evaporation and 25°C condensing).  

2.3.3 Heat pump cascade (HPC) Another concept of heat recovery from refrigeration system is the use of heat pump to extract heat from  the  condenser  coolant  at  low  temperature  and  transfer  it  to  the  HVAC  system  at  high temperature  levels.  This  system  enables  the  use  of  rejected  heat  at  the  same  time  allows  the refrigeration system to operate at relatively low condensing pressure.  

 

Figure 2‐11: Schematic diagram of heat pump cascade heat recovery system 

2.3.4 Heat pump cascade for sub­cooling (HPSC) Similar  arrangement  to  the  cascade  heat  pump  solution  is  to  connect  the  heat  pump  after  the condenser  in  the  refrigeration  system  so  the  refrigeration  system  operates  at  low  condensing pressure when the ambient temperature  is  low and heating  is needed. The heat pump at the same time  recover  the  heat  from  the  refrigeration  system  and  provide  further  sub‐cooling  to  the refrigeration system and  improve  its efficiency. Figure 2‐12  is a schematic of a refrigeration system with heat pump at sub‐cooling. 

 

Page 15: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

15

Figure 2‐12: Schematic diagram of heat pump at sub‐cooling heat recovery system 

 

   

Page 16: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

16

3 Field measurements  Refrigeration  systems  in  two  supermarkets with CO2  trans‐critical  systems have been analysed  for heat recovery. The data from these supermarkets have been collected through the online  interface IWMAC  (Iwmac,  2009).  The  electric  power  consumption  of  the  compressor,  pressure  and temperatures at key points are recorded every 5 minutes. The important performance indicators are thereby calculated. Microsoft Excel have been used for data analysis and NIST reference properties have  been  used  to  calculate  the  properties  of  refrigerants  through  the  REFPROP  7.0  (Eric  W. Lemmon, Mark O. McLinden, & Marcia L. Huber, 2002).  

Analyses of data from the field measurements have been used to generate assumptions and develop the different computer simulation models. Some of the parameters have been either taken directly or derived using the figures in the literature. 

3.1 Calculations of heat recovery The  supermarket  is  installed with measurements  of  temperature  and  pressure  on  the  refrigerant circuits. Temperatures are also measured on  the  coolant  loop. The main measurement points are indicated  in  Figure  3‐1.  Power  consumption  of  the  compressors  in  the  four  units  is  measured separately. The estimation of heat recovery capacity is based on the parameters on the refrigeration side.  

The  mass  flow  of  the  refrigerant  is  estimated  from  the  compressor  manufacturer  data  at  the measured conditions in the supermarket. The heat transferred across the evaporator, the condenser and  the  intercooler  is  then  calculated  as  the  product  of mass  flow  rate  of  refrigerant  and  the enthalpy difference across the heat exchangers. 

Heat  loss  in the oil cooler  is calculated as the difference between the measured electrical power of the compressor and the calculated shaft power using the refrigerant mass flow rate and the enthalpy different across the compressor. Heat  loss from the compressor body to the ambient  is assumed as 7% of the measured electrical power input. 

Total heat  rejected  from  the  refrigeration  system  is  the  sum of  the condensers’,  the  inter‐coolers’ and the oil coolers’ capacities when connected to heat rejection loop. 

3.2 CO2 trans­critical system 1 The  measurement  is  carried  out  on  a  supermarket  located  in  the  far  north  of  Sweden.  The refrigeration system  is a parallel CO2 trans‐critical and the heat recovery arrangement  is by using a heat pump  in cascade to the refrigeration system. The system  is a combination of the refrigeration system in Figure 2‐6 and the heat recovery system in Figure 2‐11. The system solution is referred to as trans‐critical system 1 (TR1).  

3.2.1 System design and operation Figure 3‐1  is a  schematic diagram of  the  system TR1. The  refrigeration  system  is a parallel  system with two circuits for low temperature level and two circuits for medium temperature level. The Low temperature  units  designated  as  FA1  and  FA2  have  two  two‐stage  compressors  each.  Medium temperature units KA1 and KA2 have four single‐stage compressors each. The compressors are from Dorin; TCDH 372B‐D for the low temperature and TCS373‐D for the medium temperature. 

Page 17: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

17

Oil cooler

Inter-CoolerOil cooler

+ -

Heat pump COP= 3.6

Q_max =300kW T_hp in= 13o C

- Pressure

-TemperatureKA1/KA2

FA1/FA2

T_con,b,o =18oC

45oC

-10oC-35oC

dTapp=5K

dTapp=5KdTapp=5K

dTsc=2K

dTsc=2K

dTsc=2K

Qoilcooler=15%

Qoilcooler=15%

dTsh=10KdTsh,ex=10K

dTsh,ex=15K

dTsh=10K

Figure 3‐1: Schematic diagram of the trans‐critical system 1 (TR1) 

All  four  circuits  reject  heat  to  the  common  coolant  loop  which  is  cooled  by  dry  cooler.  The compressor oil cooler also reject heat to the same coolant loop. A heat exchanger is connected to the coolant loop before the dry cooler to recover heat. This heat exchanger is connected to 300kW heat pump, which  is meant  to  deliver  heat  to  the  HVAC  system  of  the  supermarket.  At  the  time  of investigation the heat pump is not in operation, so all the heat is reject through the dry cooler. 

It can be observed  in the schematic that the coolant system at the condensers side rejects heat to the  heat  pump  system  via  an  additional  heat  exchanger  and  not  directly  to  the  heat  pump evaporator. The decision of connecting the refrigeration system to the heat pump was taken at later stage of the project and  it was technically easier to establish the connection via an additional heat exchanger.  It might  be  also  related  to  the  separate  legal  responsibilities  of  the  refrigeration  and HVAC  systems;  so  the  systems  are  treated  as  two  separate  envelopes  connected  by  a  heat exchanger. 

3.2.2 Existing mode of operation and selection of operating conditions for   heat recovery with heat pump 

At the time when the system has been analyzed the heat recovery system was not in operation due to technical problems which were not related to the solution concept. Therefore, the performance in the system has been analyzed  in  the refrigeration mode and  then  the system performance  in heat recovery mode was possible  to  speculate  and  evaluate using  the  system performance  and design data. 

Page 18: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

18

Figure 3‐2 shows the plot of total cooling capacity, average condensing temperature (T_condensing), common supply temperature of coolant brine (T_com,b,o) and total heat rejected in the system. The top line is the curve of total heat rejected by the system. This includes heat rejected from oil cooler and  the  inter‐cooler of  the  two‐stage units  at  the  low  temperature  level. Oil  cooler  capacity was found  to be  rather constant over  the year at about 8kW and  intercooler capacity was  found  to be about 13kW. 

 

Figure 3‐2: Monthly average of cooling capacity, compressor power, and heat rejected based on the measurements of trans‐critical system 1(TR1) 

The common brine temperature of the heat rejection loop for the months of January and February in 2008 was  not  recorded.  The  brine  temperatures  are monthly  averages.  In  the  existing mode  of operation the brine temperature is above 18oC only in July and August. The design inlet temperature of brine to the heat pump is 13°C. This requires that the minimum supply temperature of brine from the  refrigeration  system  to  be  18oC;  this  is  assuming  5K  temperature  difference  across  the  heat exchanger.  In order  to operate  the heat pump during  the heating season,  the  refrigeration system would have to operate at discharge pressure corresponding to that of August (58 bar). This point of selection is highlight in Figure 3‐2.  

The selection criteria of operating conditions  for  individual units are also pointed out  in Figure 3‐3 and Figure 3‐4.  

0

50

100

150

200

250

Jan_

08

Feb_0

8

March_

08

April_0

8

May_0

8

June

_08

July_

08

Aug_0

8

Sept_0

8

Oct_08

Nov_0

8

Dec_0

8

Jan_

09

Feb_

09

March_

09

Month

Q,E

(KW

)

-10

-5

0

5

10

15

20

25

T (C

)

Cooling capacity Compressor power T_ambient T_com,b,o T_condensing

Page 19: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

19

 

Figure 3‐3: Existing mode of operation of medium temperature unit (KA1) and selection of operating condition for heat recovery in TR1 

From Figure 3‐3,  the operating conditions  for medium  temperature unit  to  run  the system  in heat recovery mode is selected as pointed out by the ellipse in the figure. Corresponding to common brine outlet temperature of 18oC, condensing pressure is selected at 58 bars and the corresponding cooling COP of 3.2 in the heat recovery mode. 

 

Figure 3‐4: Existing operating conditions of low temperature unit (FA1) and selection of operating conditions for heat recovery in TR1 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Jan_

08

Feb_0

8

March_

08

April_0

8

May_0

8

June

_08

July_

08

Aug_0

8

Sept_0

8

Oct_08

Nov_0

8

Dec_0

8

Jan_

09

Feb_0

9

March_

09

Month

Q(k

W),T

(C)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

CO

P

Cooling capacity Total heat rejected T_cond T_com,b,o COP

0

5

10

15

20

25

30

35

40

Jan_

08

Feb_0

8

March_

08

April_0

8

May_0

8

June

_08

July_

08

Aug_0

8

Sept_0

8

Oct_08

Nov_0

8

Dec_0

8

Jan_

09

Feb_0

9

March_

09

Month

Q(k

W),T

(C)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

CO

P

Cooling capacity Total heat rejected T_com,b,o T_cond COP

Page 20: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

20

From  the  above  figure, operating  conditions  for heat  recovery mode  is  selected  corresponding  to common brine outlet temperature of 18oC. Therefore low temperature units need to be operated at condensing  temperature  of  at  least  20oC  at  COP  of  1.7.  These  operating  conditions  have  been assumed to calculate the heat that can be recovered if operated in heat recovery mode. 

3.2.3 Recoverable heat with heat pump solution From the above selections, the refrigeration system  is set to operate at condensing temperature of 20oC on the heat recovery mode. The COP of medium and low temperature units are set to 3.2 and 1.7  respectively during  the heat  recovery mode. Using  these values,  compressor power, oil  cooler capacity, and the total heat rejected is calculated.  Total heat rejected is used as the heat source for the  heat  pump. Using  the  design  COP  of  the  heat  pump, which  is  obtained  from  the  heat  pump manufacturing data  (CIAT, 2010),  total heat  that  is provided by  the heat pump  is  calculated. This potential is compared with the maximum capacity of the heat pump, thus heat potential is limited to maximum capacity of the heat pump. Power consumption of the heat pump is estimated by dividing the total heat supplied by the heat pump by its COP.  

Total heat recovery as calculated  is presented  in Figure 3‐5. To compare  the heating potential and the maximum capacity of the heat pump, heat recovery was considered even for the warm months of  June,  July  and  August.  Presented  in  the  plot  from  bottom  to  top  of  the  curve  are  power consumption  of  the  compressors  of  the  refrigeration  system  while  operating  without  any  heat recovery (E_ref_ref only mode), the power consumption of the compressors of refrigeration system when operating on heat recovery mode (E_ref_HR mode), total power consumption in heat recovery mode  (E_tot_HR mode), Cooling  capacity of  the  refrigeration  system, COP of heating  and heating capacity of  the heat pump. The  total power on heat pump mode  (E_tot_HR mode)  is  sum of  the power consumed by the compressors of the heat pump and the refrigeration system.  

 

Figure 3‐5: Estimated heat recovery potential with heat pump system. 

0

50

100

150

200

250

300

Jan_

08

Feb_0

8

March_

08

April_0

8

May_0

8

June

_08

July_

08

Aug_0

8

Sept_0

8

Oct_08

Nov_0

8

Dec_0

8

Jan_

09

Feb_0

9

March_

09

Month

Q,E

(kW

)

0

1

2

3

4

5

CO

P

E_ref_ref only mode E_ref_HR mode E_tot_HR modecooling capacity heat pump capacity COP heating

Maximum capacity of heat pump= 301kW

Page 21: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

21

 

The flat curve for heat pump capacity from April to October is due to reaching the maximum capacity of the heat pump. The upper limit of COP of heating is limited by COP of the heat pump.  

As  it has been pointed out earlier,  the  results are an estimate  combining  the measurements with system requirements and manufacturer data. Since the heat pump was not  in operation  it was not possible  to obtain  the heating demand  in  the  supermarket;  therefore,  the potential heat  recovery was used instead of the real heating demand. However, the heating COP can be used from the above figures as a good indication of the system performance. 

4.2 CO2 trans­critical system 2  This supermarket is located near the city of Goteborg, which is at the western coast of Sweden. 

3.2.1 System design and operation 

Oil cooler

Ground heat source

+ +

Floor heating

-Pressure

-Temperature

Desuperheater Desuperheater

KAFA1/KAFA2

KA3

Figure 3‐6: Schematic diagram of trans‐critical system 2 (TR2) 

This is a CO2 trans‐critical system with two booster units for the low and medium temperature levels (KAFA1&KAFA2)  and  a  separate medium  temperature  circuit  (KA3).  Compressors  in  the medium temperature circuit, and high stage of booster units, are of TCS373‐D model from Dorin with swept volume of 12.6m3/h at 2900rpm. The booster compressors are of SCS362‐D model from Dorin with swept volume of 10.7m3/h at 2900rpm.  

On the heat rejection side, all three units are connected with a de‐superheater before the air cooled condenser/gas cooler. The de‐superheaters are connected to a common brine loop which is used to transfer  the  recovered heat. The  recovered heat  is used  for  floor heating and HVAC system of  the building. The compressors’ oil in this system is cooled by a separate air cooler. 

Page 22: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

22

The heat recovery system operates so as to maintain a certain supply temperature of the brine to the heating system, in the field measurement the average heating system supply temperature was about 35oC.  The heat recovery capacity of individual unit is maintained by opening or closing the electronic valve connected  to  the  refrigerant  line after  the gas cooler. This  raises or decreases  the discharge pressure thereby controlling the de‐superheater capacity. The supply temperature of the brine is also controlled by controlling  the  flow  rate of brine  to  the de‐superheater. Supply of brine  to each de‐superheater  is controlled with  the variable speed pump. The refrigerant  line  is also externally sub‐cooled from the borehole before the supply to the cabinets. 

To  calculate  the heat  recovery  capacity on  the  refrigerant  side  the measurements of  temperature and pressure before and after the de‐superheater is necessary. While measurements of pressure and temperature  for  key  points  on  the  refrigerant  line  were  available  from  September  2008,  the measurement of temperature at the exit of de‐superheater was available only from March 2009. The temperature measurement of brine  in  and out of  the de‐superheater was available  from October 2008. The average difference between the temperature of hot gas out of de‐superheater and that of the temperature of brine at the  inlet of the de‐superheater for March  is used to back‐calculate the hot gas temperature for the past months. The average temperature difference between hot gas and the brine  inlet  for  the heat  exchanger of  the medium  temperature unit  KA3 was  4K, but  for  low temperature unit KAFA1 was 1K. Since the approach temperature of 1 and 0  is considered too  low, which  could  be  attributed  to  measurement  inaccuracy,  both  values  have  been  discarded  and approach  temperature  of  4K  was  used  for  all  the  de‐superheaters.  Therefore  the  temperature difference of 4K is added to the common brine inlet temperature to get the temperature of hot gas exiting  the de‐superheater  for  the missing measurements.  The procedure  can  also be  followed  in Figure 3‐7. 

 

 

Figure 3‐7: schematic diagram of de‐superheater showing the assumed parameter in the heat recovery calculation in TR2. 

Page 23: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

23

3.2.2 Total heat recovery Table  3‐1  presents  monthly  average  values  of  power  consumption,  cooling  capacity,  COP  of refrigeration, total heat rejected, heat recovered and sub‐cooling with borehole. The heat recovered is the heat rejected in the de‐superheater. The percentage of heat recovery is calculated as the ratio of heat  recovered  in de‐superheater  to  that of  the  total heat  rejected by  the  refrigeration system.  The percentage of heat recovered through de‐superheating varies from 24 % to 35 %.  

The  sub‐cooling with  the  borehole  is  expressed  as  the  percentage  of  cooling  capacity  to  indicate improvement due to the sub‐cooling with borehole. The total heat rejected in the system is equal to the sum of cooling capacity and compressor power minus oil cooler capacity, borehole capacity and heat  loss from the compressor body. The heat  loss from compressor body  is assumed as 7% of the total electric compressor power. 

The heat recovery capacity from the refrigerant side has been compared to measurements from the HVAC side and the difference has been found to be about 4%, which is marginal for a system of such size. 

Table 3‐1: Monthly average values of heat recovery with the supply temperature of brine to the heating systems of 35oC in TR2 

 

Page 24: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

24

 

The  relationship  between  cooling  capacity,  heat  recovery  and  condensing  temperature  can  be observed  in Figure 3‐8. Since heat recovery  is only  in the de‐superheater,  in the plot heat recovery capacity is the de‐superheater’s (Q_desuperheater). 

Description Oct‐08 

Nov‐08 

Dec‐08 Jan‐09  Feb‐09 Mar‐09 

Apr‐09 

Average    outdoor temperature (o C) 

10  6  4  3  2  5  11 

Compressor power (kW)  57  59 57 54 55 56  55

Cooling capacity(kW)  183  177 174 163 165 168  176

Total COP  3.34  3.10 3.04 3.00 3.00 3.02  3.27

Total heat rejected (kW)  211  201 179 166 164 170  187

Q_desuperheater  (heat recovered) (kW) 

50  55  56  55  57  56  46 

Q_borehole  (sub cooler)(kW) 

9  12  29  30  33  32  24 

Q_oilcooler (kW)  11  11 12 11 12 11  10

%  of  Heat  recovery  = (Q_desuperheater/total heat rejected) 

24%  27%  31%  33%  35%  33%  25% 

Q_borehole  as percentage  of    cooling capacity 

5%  7%  17%  19%  20%  19%  13% 

Page 25: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

25

 

Figure 3‐8: Total cooling capacity, heat recovered and borehole capacity in TR2 

The oil cooler capacity doesn’t change much over time. The evaporation temperatures are found to be rather constant over time; for low temperature unit at ‐35oC and medium temperature at ‐10oC. It is  seen  that  the heat  recovery  capacity  is  increased during  colder months of December  to March compared  to warmer months of October, November and April. Therefore condensing  temperature during the colder months is slightly higher by 3oC and COP of the system drops slightly; 3 compared to 3.3 during the warmer months.  

The  capacity  is  increased  by  raising  the  condensing  pressure,  which  is  achieved  by  closing  the electronic  valve  in  the  refrigerant  line  after  the  condenser.  The  temperature  of  the  brine  is maintained by  regulating  the  flow  rate of brine  into  the de‐superheater.  It  is more  convenient  to understand  these  controls  on  individual  units  over  shorter  period  and  has  been  discussed  in  the following sub‐sections. 

3.2.3 Performance analysis of medium temperature unit (KA3) Figure  3‐9  presents  the monthly  average  of  cooling  capacity,  COP,  condensing  temperature,  heat recovered and the borehole capacity. 

0

10

20

30

40

50

60

Oct-08 Nov-08 Dec-08 Jan-09 Feb-09 Mar-09 Apr-09

Month

Q, (

kW),

T(C

)

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

CO

P

T_ambient Q_desuperheater Q_borehole T_cond COP

Page 26: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

26

 

Figure 3‐9: Monthly performance in averages of medium temperature unit (KA3) in TR2 

The  heat  recovery  capacity  increases, while  the  cooling  capacity  decreases.  The  increase  in  heat recovery capacity and increase in condensing temperature are directly proportional. This reduces the COP of  the  refrigeration  system. The borehole  sub‐cooling  capacity  is  low during  the period  from October to January, while condensing temperature has been  increasing during these months.   Sub‐cooling  from  the ground source  reduces  the compressor power consumed and  therefore  increases COP. The increase in COP due to sub‐cooling can be observed in the months of February and March.  

Heat recovery and control of medium temperature unit for 24 hours is presented in Figure 3‐10. The top  curve  is  the  percentage  opening  of  the  electronic  valve  in  the  refrigerant  line  after  the condenser. The middle curve is the discharge pressure. The bottom curve is the heat recovered in the de‐superheater.  It  is seen that heat recovery starts at about 7 AM and stops at around 10 PM. The discharge pressure is increased after 7 AM to meet the heating demand. The pressure is increased by partially closing the electronic valve. The valve is almost 100% during the night time when there is no heating demand. 

 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Oct-08 Nov-08 Dec-08 Jan-09 Feb-09 Mar-09 Apr-09

Month

Q,E

(kW

),T(C

)

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

CO

P

T_cond Cooling capacity Q_desuperheater T_ambient Q_borehole(subcooling) COP

Page 27: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

27

 

Figure 3‐10: Operation of medium temperature unit over a period of 24 hours in TR2 

 

4.2.4 Performance of booster unit (KAFA1) The monthly  average  of  cooling  capacity,  COP  and  heat  recovery  capacity  are  presented  in  the following plot. 

 

Figure 3‐11: Average monthly performance of (booster system) (KAFA1) in TR2 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

00:00 02:25 04:30 06:55 08:40 10:20 12:10 13:55 16:00 17:50 20:35 23:00

Tiime (march 24,2009)

Q(k

W),

P(ba

r), C

apac

ity(%

)

Electronic valve opening 2 per. Mov. Avg. (Discharge Presure) 2 per. Mov. Avg. (Q_desuperheater)

0

10

20

30

40

50

60

Oct-08 Nov-08 Dec-08 Jan-09 Feb-09 Mar-09 Apr-09

Month

Q,E

(kW

),T(C

)

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

CO

P

T_cond Q_desuperheater Q_borehole(subcooling) cooling capcacity COP

Page 28: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

28

As can be seen in the plot, it is necessary to maintain condensing temperature of about 23oC in the colder months to recover the same or less amount of heat to that of October and April. This may be due to the drop  in cooling capacity  in colder months. The decrease  in cooling capacity is due to the decrease  in  cooling  demand  in  the  medium  temperature  unit.  The  cooling  capacity  of  low temperature unit is found to be rather constant. 

The control of the booster system over a day period and heat recovery capacity is presented in Figure 3‐12. It can be seen that the discharge pressure is controlled within smaller range of variation than in the case of KA3. This could be accounted for the fact that the heat recovery capacity in the booster system is higher than in case of the medium temperature level system.  

 

Figure 3‐12: Operation of booster unit (KAFA1) over a period of 24 hours. 

 

3.3 Conclusions With the drive to reduce net energy consumption, heat recovery is gaining popularity in supermarket refrigeration  systems.  In  Sweden most  of  the  new  supermarkets  are  installed with  heat  recovery systems. Field measurements of TR1 and TR2 did give  insight on the performance of the systems  in heat recovery mode. The work in this project also demonstrated the control of the system, especially TR2, and provided better understanding of the system behaviour. 

In case of TR1, actual field measurements on the heat recovery system would have provided more information on the performance of the system, unfortunately, for technical reasons the heat pump system was not in operation.  

For TR1,  if  the  refrigeration  system was operated without heat  recovery,  condensing  temperature was  as  low  as  13°C, where  as  to  operate  in  heat  recovery mode with  heat  pump  the minimum 

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

00:00 01:40 03:20 05:05 06:45 08:25 10:05 11:45 13:25 15:05 16:45 18:25 20:05 21:45 23:25

Time (March 24, 2009)

Q(k

W),P

(bar

), C

apac

ity (%

)

Electronic valve opening 2 per. Mov. Avg. (Discharge pressure) 2 per. Mov. Avg. (Q_desuperheater)

Page 29: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

29

condensing  temperature has  to be 20°C. This puts burden on  the  refrigeration system by  reducing the COP of refrigeration system. But on the other hand, large capacity of heat is available. The power consumption  as  calculated  is  for  the  maximum  capacity;  therefore,  the  high  values  of  power consumption by  the heat pump may be misleading.  In  reality  the heat pump should be  running  in part load thus lower power consumption than presented.  

From the field measurement of TR2,  it was found that up to 30% of the total heat rejected can be recovered  at  a  temperature  of  35°C.  The  rest  of  heat  is  rejected  to  the  ambient  through  the  air cooled  condenser.  It  is however  seen  that  the amount of heat  recovered  is  less  compared  to TR1 where the condensing temperature has to be raised above 20°C, which  increases the pressure ratio thus  the  COP  of  refrigeration  drops.  The  TR2  has  higher  efficiency mainly  because  there  is  the external sub‐cooling from the ground source. 

One of the problems faced in this project was to get the reading at the point of interest in both the refrigeration  side  and  on  the  heat  recovery  side.  The  comprehensive  field  measurement  that provides information on the available heat on refrigeration system side and on the heating demand side is necessary to give better indication of system performance.  

In  reality  the  systems  solutions  vary  in  some  form  or  other.  This makes  it  difficult  to  compare different systems based on a certain performance criteria such as COP refrigeration system, COP of heating,  power  consumption  heating  and  cooling  capacity  etc.  Therefore  computer  simulation modelling is important to develop fair comparison of different systems. 

 

 

   

Page 30: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

30

4 Computer simulation modelling Modelling  is an  important part of  this  study because of  the difficulty  to  compare  systems  in  field measurements. Systems  in real  installations have different settings, operating conditions, capacities and requirements.  It  is more challenging when the comparison  is for the simultaneous heating and cooling,  which  adds  more  variables  to  the  systems  under  investigation.  Also  in  the  computer simulation models it will be possible to compare systems that do not exist in real installations using input variables from existing systems.  

The  assumptions  for  the  different  systems  have  been  kept  as  practically  similar  as  possible; therefore,  the  results  of  the  comparisons  should  be  treated  as  relative  to  the  systems  under comparison. Models are written using EES  software,  its basic  function  is  to provide  the numerical solution  to  a  set  of  algebraic  equations.  It  has many  built‐in mathematical  and  thermo‐physical property functions for refrigerants (Klein, 2006). 

Details of the assumptions used in the models can be found in Freléchox (Freléchox, 2009) and Nidup (Nidup, 2009).  Some of the key assumption is that the cooling capacity of the refrigeration system at the medium temperature  level  is constant below 10°C ambient. Freezing capacity  is assumed to be constant which agrees with data from the field measurements, this may be attributed to the use of covers on the freezing cabinets.  

Below 10°C ambient, heating demand starts (Nidup, 2009) and it has been simulated for an average size  supermarket  in  Sweden using CyberMart  (Arias, 2005) by  Jaime Arias. The  generated heating demand values by CyberMart have been plotted against ambient temperature and the plot in Figure 4‐1: has been generated.  

 

Figure 4‐1: Heating demand in average size supermarket in Sweden at different ambient temperatures 

0

50

100

150

200

250

300

‐40 ‐30 ‐20 ‐10 0 10 20 30 40

Heating

 dem

and (kW)

T,amb (C)

Heating demand in average size supermarket

Page 31: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

31

As can be seen in the plot, heating demand starts when the ambient temperature is lower than 10°C and increases for lower temperatures. The start of the heating is an input variable to the calculations model but the capacities are dependent on the supermarket envelope, requirements and activities, etc.   

4.1 System performance in floating condensing­No heat recovery  Several systems have been analyzed but the main systems that will be presented in this chapter are the parallel  trans‐critical CO2  system  (TR1), conventional R404A and  the booster CO2  system with low pressure receiver (TR3). Simple schematic of the R404A conventional is presented in Figure 2‐2. The booster system (TR3) is similar to the system presented in section 2.2.3 except for the additional receiver after the high stage regulation valve, schematic of the system TR3 is presented in Figure 4‐2. 

 

Figure 4‐2: Schematic diagram of CO2 booster system solution with low pressure receiver (TR3)    

In the TR3 system solution the pressure in the receiver is maintained at level reasonably higher than for the medium temperature/pressure  level. Vapour  is extracted from the receiver and flashed  into heat exchanger which sub‐cools the  liquid on one side and evaporates  liquid droplets on the other. The main  influence  the  receiver has  is  to  improve  the heat  transfer  in  the evaporators due  to  the lower vapour content entering the evaporator and to increase the efficiency of the low temperature circuit.  The  influence of  the  low  temperature  circuit  is highlighted  in  the process plot on  the P‐h diagram in Figure 4‐3.   

Page 32: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

32

 

Figure 4‐3: P‐h diagram of the refrigeration process in the system TR3 

TR1  system  is  similar  to  the  solution  presented  in  Figure  2‐6  in  section  2.2.3 with  an  addition of mechanical sub‐cooling at the low temperature unit by the medium temperature unit, as can be seen in the following figure. 

 

Figure 4‐4: Schematic of TR1 system with mechanical sub‐cooling 

The systems have been simulated for the evaporation temperatures, ‐35°C and ‐10°C at the low and medium  temperature  levels  respectively.  Condensing  is  assumed  to  take  place  in  air  cooled condenser/gas  cooler;  this  is  a  conventional  solution  for  CO2  but  not  for  R404A  systems.  The 

Page 33: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

33

minimum condensing temperature of the systems  is assumed to be 10°C. Figure 4‐5  is a plot of the medium and low temperature COP’s of the three different systems in floating condensing mode. 

 

Figure 4‐5: Medium and low temperature COP of different system solutions for different ambient temperatures. 

As  can be observed  in  the plot,  the CO2  systems, TR1 and TR3, have higher COP  than  the R404A conventional at ambient  temperatures  lower  than 20°C;  this  is mainly due  to  the presence of  the brine  loop  in the R404A system and due to  loss  in COP for the CO2 systems when operating trans‐critically.   

The R404A conventional system has higher low temperature COP than the CO2 systems, especially at high ambient/heat  rejection  temperatures. The TR3  system has  similar  freezer COP  to TR1,  this  is mainly due to the influence of the receiver which is more prominent at high discharge pressures.  

4.2 System performance in fixed head pressure (FHP) heat recovery In this solution for heat recovery the systems will have to operate with a coolant loop connected to the  condenser  and  the  HVAC  system  as  sketched  in  Figure  2‐9. When  heating  is  needed  in  the supermarket, ambient temperature is lower than 10°C, then the system will have to operate at high discharge pressure in order to provide the coolant with a temperature of 45°C to the heating system; accordingly, the system will have low refrigeration system COP’s in the heat recovery mode.  

The COP of the TR1 and R404A conventional system in the FHP is plotted in the following figure. The system TR3 will have comparable COP’s to TR1, as can be observed in Figure 4‐5, therefore it will not be included in some of the following comparison figures. 

 

0

1

2

3

4

5

6

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

CO

P (-

)

Ambient temperature (ºC)

Med & Low COP- Air cooled condenserTR1,med

TR3, med

R404A conv, med

R404A conv, Fr

TR1, Fr with SC

TR3, Fr

Page 34: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

34

 

Figure 4‐6: Medium and low temperature COP of TR1 and R404A conventional system in the FHP heat recovery system solution. 

As can be seen in the plot, the CO2 system will have much lower COP compared to the conventional R404A system, especially for the low temperature COP, due to operating at high discharge pressure. This  indicates that the heating COP of CO2  in such system solution  is quite  low compared to R404A system especially  that  the CO2  systems have  steeper COP  lines  than  the  conventional  system and therefore more sensitive to increase in discharge pressure.  

4.3 System performance in heat pump cascade (HPC) heat recovery When heat pump  is connect  in a cascade arrangement  to  the  refrigeration  system  the system will have  to  provide  the  coolant  to  heat  pump  at  lower  temperature  than  in  the  FHP  arrangement. Applying the conditions for the system TR1 that has been analyzed in the field measurements, Figure 3‐1, the refrigeration system  is required to provide a coolant temperature to heat pump system of 13°C, consequently, it will have to operate at a condensing temperature of about 20°C. 

The COP of the TR1 and R404A conventional systems in the HPC heat recovery mode is plotted in the following figure. 

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

CO

P (-

)

T,amb [°C]

TR1 Med R404A conv. Med TR1 Fr R404A conv. Fr

Page 35: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

35

 

Figure 4‐7: Medium and low temperature COP of TR1 and R404A conventional system in the HPC heat recovery system solution. 

As can be observed  in the plot, TR1 system has higher efficiency at the medium temperature  level than the R404A when the system is operating in the heat recovery mode. However, the freezer COP for the TR1 system is lower for all the temperature range. Since the COP curves in the plot intersect, a clearer indication of the system performance is to calculate the annual energy consumption of each system solution which will presented in later section of this chapter.   

The COP of the heat pump that is connected in cascade to the refrigeration system is obtained from the manufacturer data (CIAT, 2010) and plotted in Figure 4‐8. 

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 35 40

CO

P (-

)

T, amb [°C]

Heat pump cascade-45C TR1 Med

R404A conv. Med

TR1 Fr

R404A conv. Fr

Page 36: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

36

 

Figure 4‐8: COP1 of the heat pump in the TR1 system (CIAT, 2010) 

For coolant outlet  temperature  from  the heat pump evaporator of 7°C and  to provide  the heating system with 45°C supply the heat pump will have a COP of about 3,7.  

The  cooling  capacities profile at  the medium  temperature  level  is 100kW below 10°C and  reaches 200kW at 35°C. The cooling capacity at the low temperature level is constant and equal 35kW. Using the COP’s of the refrigeration system and the heat pump  the annual energy consumption with the ambient  temperature  of  Stockholm  results  in  comparable  energy  consumption  for  both  systems, slightly less for the R404A system.   

4.4 System performance in heat pump cascade for sub­cooling (HPSC) heat recovery 

Figure 4‐9  is a  schematic of a booster  system with heat pump  connected after  the  condenser/gas cooler.  In  this  solution  the  refrigeration  system  operates  in  floating  condensing  and  for  ambient temperature  lower  than 5°C  the  system operates  at  the minimum  condensing pressure.  The heat pump extracts the necessary heat from the refrigeration system and provides sub‐cooling to 7°C. The de‐superheater  capacity  is  also  recovered  without  controlling  the  condensing  pressure,  return temperature from the heating system is assumed to be 30°C.  

0

1

2

3

4

5

6

‐10 ‐5 0 5 10 15

COP1

(‐)

Evaporator water outlet temp (C)

COP1 of a heat pump in HPC system

Cond water outlet temp=35C

Cond water outlet temp=45C

Page 37: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

37

 

Figure 4‐9: Schematic diagram of booster system with heat pump at sub‐cooling for heat recovery 

Compared to the HPC refrigeration/heat recovery arrangement, described in section 4.3, in the HPSC solution  the  refrigeration  system  operates  at  lower  condensing  pressure  due  to  the  direct  heat rejection to the ambient and the heat pump unit will operate at lower evaporation temperature.  

The energetic performance of this system solution in relation the other systems in this study will be presented in the following sections.  

4.5 System performance in de­superheater (DSH) heat recovery Figure  4‐10  is  a  simple  schematic  of  a  booster  system  running  with  heat  recovery  in  the  de‐superheater.  In  this  system  solution heat  is  rejected only  in  the de‐superheater which  is  installed before the air cooled condenser. The discharge pressure of the system is controlled according to the required heat in the supermarket.  

Page 38: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

38

20 or 30C

 

Figure 4‐10: Schematic diagram of a booster system with heat recovery in the de‐superheater 

Figure 4‐11 demonstrates how  the system  is being controlled  in  the de‐superheater heat  recovery mode. As  can be  seen  in  the  figure, when  the discharge pressure  increases  the available heat  for recovery  in  the  de‐superheater  increases.  In  this  case  the  return  temperature  from  the  heating system is assumed to be 20°C and 5K approach temperature difference is assumed between the CO2 in the de‐superheater and the heating system working fluid.   

 

Figure 4‐11: P‐h diagram of the heat recovery process in the DSH heat recovery 

Figure  4‐12  is  a  plot  of  the  system  COP  at  diffenent  ambient  temperatures when  the  system  is controlled  for heat  recovery  in  the de‐superheater. As can be  seen  in  the plot, when  the ambient temperature  drops,  right  side  of  the  pot,  the  COP  increases  due  to  lower  condensing  pressure. Heating demand starts at 10°C ambient and discharge pressure is raised to recover the required heat, consequently, the COP of the refrigeration system drops. 

Page 39: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

39

 

 

Figure 4‐12: Medium temperature level COP and heating demand for different ambient temperatures. Heating system return temperature is 20°C. 

The  range of  flat  line of COP  is due  to  reaching  the condensing  temperature and  the possibility  to reject all the refrigeration system heat in the de‐superheater. The assumed 20°C return temperature from the heating system is rather low, a more realistic value that has would be 30°C and both cases have been investigated in the further calculations. 

The  following plot shows  the energy consumption of  the  refrigeration system at different ambient temperatures  for  heating  system  return  temperatures  of  20  and  30°C.  A  flat  line  in  the  energy consumption curve  is also observed  for the 20°C return  temperature case, however,  in  the case of the  30°C  return  the  line  is  not  flat  due  to  the  shape  of  the  isotherm  over  the  critical  point,  the isotherm for 35°C can be can be observed in Figure 4‐11. 

 

Figure 4‐13: Energy consumption of the refrigeration system at different ambient temperatures. For heating system return temperature of 20°C and 30°C. 

Page 40: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

40

In order to evaluate the system performance in heat recovery mode the heating COP of the system is defined as the ratio between the heating demand, plotted in Figure 4‐1Error! Reference source not found.,  to  the energy  consumed  to provide  the heat, which  is  the difference between  the energy consumption of the refrigeration system in heat recovery mode and floating condensing mode. This can be observed in the difference between the processes in the following plot.  

 

Figure 4‐14: P‐h diagram of two processes; heat recovery and floating condensing modes.  

The heating COP of  the booster system with heat  recovery  in  the de‐superheater  is plotted  in  the following  figure  for  the  cases  of  20  and  30°C  return  temperature  from  the  heating  system.  The straight line in the plot is the heating COP of a conventional heat pump system, about 3,2 according to research work done at IUC‐SEK (Rogstam, 2010).  

 

Figure 4‐15: Heating COP of booster system with heat recovery from de‐superheater. For heating system return temperature of 20°C and 30°C. 

Page 41: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

41

As can be observed in the plot the system with 30°C return temperature from the heating system has lower COP than a conventional heat pump system.  The refrigeration system in these calculations is not  controlled  for  sub‐cooling  in  the  gas  cooler when  the  system  is  running  in  the heat  recovery mode. When the ambient temperature is low the heating demand is high and the discharge pressure is raised to recover heat,  in this case the gas cooler can be operated to further cool the refrigerant before passing the expansion valve.   

Running the gas cooler to cool the refrigerant down in the heat recovery mode has two main effects on  the  system performance,  it  increased  the  system COP which  is  a positive  influence but  it  also reduces the available heat to recovery in the de‐superheater at certain discharge temperature; this is due to the smaller mass flow rate running in the system with sub‐cooling. The sub‐cooling influence is plotted on the P‐h diagram in the following plot. 

 

Figure 4‐16: P‐h diagram of the sub‐cooling influence on system performance 

The influence on system performance per degree of sub‐cooling is plotted in the following figure. 

 

Figure 4‐17: Influence of sub‐cooling on system COP and de‐superheater capacity  

Page 42: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

42

Accordingly,  in order to recover certain heat from the system with sub‐cooling,  it has to operate at higher pressure than without sub‐cooling. For the case of recovering 55kW from the de‐superheater, the  system  with  sub‐cooling  (5°C  condenser/gas  cooler  exit  temperature)  operates  at  higher discharge pressure than without sub‐cooling but still with higher COP due to the positive influence of sub‐cooling. 

 

Figure 4‐18: P‐h diagram of the sub‐cooling influence on system performance, operating the systems to provide 55kW heat from the de‐superheater 

The  positive  influence  on  system  performance  is  more  prominent  at  certain  higher  heating demand/higher discharge pressure range. This is due to the operation being near the flat or semi‐flat isotherm where the system can reject most of its heat in the de‐superheater. For the case presented in the following plot the COP of the system with sub‐cooling is 2,8 compared to 2,1 if the case when gas cooler is not in operation. 

 

Page 43: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

43

Figure 4‐19: P‐h diagram of the sub‐cooling influence on system performance, operating the systems to provide 115kW heat from the de‐superheater 

The  influence of heat demand on the system COP can be seen  in the following plot,  in this plot the system is without sub‐cooling in the gas cooler in the heat recovery mode. The system is controlled to provide the heating demand. 

 

Figure 4‐20: COP of the medium temperature unit in the booster system as a function of heat demands. The case is for the system without sub‐cooling in the gas cooler.  

The further sub‐cooling in the gas cooler will have the positive influence on the system COP up to a point  where  the  heating  demand  will  be  high  and  the  system  will  have  to  operate  at  elevated discharge pressure levels because part of the capacity is rejected in the gas cooler. Therefore, the gas cooler has to be by‐passed in order to have all the heat recovered in the de‐superheater. Figure 4‐21 is a plot of the system’s medium temperature COP for the cases with and without sub‐cooling in the gas cooler.  

Page 44: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

44

 

Figure 4‐21: COP of the medium temperature unit in the booster system as a function of heat demands. The cases are for systems with and without sub‐cooling in the gas cooler. 

Therefore, the system has to be controlled by running the gas cooler up to a certain heating demand level and then the gas cooler is by‐passed otherwise the system will suffer in a COP loss as observed in the above figure. A proper control of the system will result in the COP presented in the following figure. 

 

Page 45: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

45

 

Figure 4‐22: COP of the medium temperature unit in the booster system as a function of heat demands. The system is controlled for sub‐cooling in the gas cooler and then by‐passed at high heating demand.  

The energy consumption of the refrigeration system when controlled to produce the COP’s in Figure 4‐22 is presented in the following figure. 

 

Figure 4‐23: Energy consumption of the refrigeration system at different ambient temperatures. For heating system return temperature of 20°C and 30°C and for 30°C with sub‐cooling in the gas cooler. 

Page 46: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

46

The heating COP of the systems  is then calculated and is presented  in the following plot. One more system has been added to the comparison, it is the system with heat pump at sub‐cooling (HPSC).  

 

Figure 4‐24: Heating COP of booster system with heat recovery from de‐superheater. For heating system return temperature of 20°C and 30°C. 

It can be observed in the plot that the system with heat pump at sub‐cooling has higher heating COP than using a  separate  conventional heat pump  system. However, using  the  sub‐cooling  in  the gas cooler has high heating COP for ambient temperatures higher than about ‐15°C (heating demand of about 150kW).  

The curves trends  in the plot suggest that the system with heat recovery at the de‐superheater will have relatively low energy consumption when the heating demand is rather moderate. Sub‐cooling in gas  cooler  is essential  to  improve  the  system performance  in heat  recovery mode,  controlling  the capacity/operation of the gas cooler could be a good way to control how much heat can be rejected in the system.  

4.6 Annual energy consumption calculations After developing the system performance in floating condensing and heat recovery mode the annual energy consumption for an average size supermarket in Sweden in the climate of Stockholm area is calculated and presented in the following figure. 

Page 47: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

47

 

Figure 4‐25: Annual energy consumption of different system solution for refrigeration and heat recovery for a Swedish average size supermarket in Stockholm climate conditions. 

Additional systems that need to be pointed out are the ones with separate systems for refrigeration and heating. The refrigeration system in this case is operating in floating condensing and the heating is provided either by a separate heat pump system or district heating. The district heating system has been assumed to be equivalent to a heat pump with a COP of 1,8 based on the ratio of the prices of heating and electricity (STEM, 2009).  

The system that is denoted as TR1 alternative is presented in the following schematic. It is a parallel system  that has mechanical sub‐cooling, de‐superheater heat  recovery and heat pump at  the sub‐cooling  of  the medium  temperature  unit.  The  condensing  pressure  is  allowed  to  float  with  the ambient reaching the minimum value of 10°C.  

 

Figure 4‐26: Schematic diagram of TR1 alternative system 

Page 48: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

48

As can be observed in Figure 4‐25, the systems with heat recovery from de‐superheat and with heat pump connected  to  the sub‐cooling has comparable energy consumption  to  the having a  separate heat pump system to provide the necessary heat. The system TR1 Alternative has the lowest energy consumption among all the compared systems.  It can be observed that almost all alternatives have lower energy consumption  (energy cost)  than providing  the necessary heat via  the district heating system. 

4.7 Conclusions Modelling  is an  important part of  this  study because of  the difficulty  to  compare  systems  in  field measurements. Systems  in real  installations have different settings, operating conditions, capacities and requirements.  It  is more challenging when the comparison  is for the simultaneous heating and cooling,  which  adds  more  variables  to  the  systems  under  investigation.  Also  in  the  computer simulation models it is possible to compare systems that do not exist in real installations using input variables from existing systems. 

Calculation models for several refrigeration and heat recovery solutions have been built. The COP’s of the different systems have been compared  in floating condensing and heat recovery modes and the annual energy consumption for the systems have been calculated for the climate of Stockholm.  

A technique used to recover heat in conventional systems is to elevate the condensing pressure to an acceptable heat rejection temperature to recover heat from the refrigeration system. When applying the same technique on CO2 trans‐critical system solutions the COP  in heat recovery mode  is much lower than conventional systems because of the  loss of COP  in case of CO2 when operating at high discharge pressures. 

When connecting a heat pump to the refrigeration system in a cascade arrangement the efficiency of the  CO2  medium  temperature  units  are  slightly  higher  than  conventional  system  in  the  same arrangement;  however,  the  CO2  low  temperature  units  have  lower  COP  than  conventional.  The annual  energy  consumption  of  both  systems  is  comparable,  slightly  lower  for  the  conventional system. 

When  connecting  the  heat  pump  at  the  sub‐cooling  side  of  the  CO2  refrigeration  system  and recovering  heat  from  the de‐superheater,  the  resulting  heating  COP of  the  system  is higher  than using a separate heat pump system, especially at low heating demand. 

Recovering heat from the de‐superheater of the refrigeration system results in high heating COP for moderate  heating  demands  compared  to  conventional  heat  pump.  Proper  control  of  the  system must be applied by running the gas cooler for further cooling of CO2 after the de‐superheater then the gas cooler must be by‐passed when the heating demand reaches high values.  

The systems with the lowest energy consumption in providing the required cooling and heating in an average size supermarket are the systems with recovering heat from the de‐superheater, heat pump at the sub‐cooling side, and what has been defined as TR1 alternative. The systems have similar or lower energy consumption than a refrigeration system running in floating condensing with a separate heat pump to provide the required heating demand.  

The  system with  recovering  heat  from  the  de‐superheater may  have  the  lowest  installation  cost because of the absence of the separate heat pump system. The booster system has a cost advantage 

Page 49: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

49

over  the  parallel  solution  due  to  the  need  to  have  a  single  control  system  package/unit  for  the booster system while two are needed for the parallel system solution.      

Page 50: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

50

5 Experimental measurements of CO2 heat pump test rig  

5.1 System Layout  Division of applied thermodynamics at Energy department KTH has a prototype of CO2 heat pump, this  is vapour compression cycle based water to water heat pump with nominal heating capacity of 30KW. The schematic diagram of the system is shown in the following plot, 

 

Figure 5‐1: Schematics of the heat pump at KTH 

The four main components are the compressor, gas cooler, expansion device and evaporator. All  the  heat  exchangers  (evaporator,  gas  cooler,  internal  heat  exchanger  etc)  utilized  in  this prototype are of plate heat exchangers. As  illustrated  in the above diagram HEx 1, HEx 2 and HEx 3 are  the plate  type gas  coolers and are placed  in  series  configuration. Heat exchanger 1 and 3 are dedicated for tap water heating (high temperature application), while heat exchanger 2  is reserved for the space/floor heating application. With the manipulation of valves any of the heat exchanger can be bypassed, so the system can be operated in various modes.  Internal heat exchanger is located between the gas cooler and the expansion valve. Liquid receiver is placed after the evaporator on the low pressure side. Test rig  is equipped with semi‐hermetic compressor from Dorin having 5.4 m3/hr swept volume at 1450 rpm. Coriolis type flow meter  is used for CO2 mass flow measurement while on the water side Brunata energy meters are adopted. Temperature measurement was done with Pt 1000 element from Danfoss.  

5.2 Working principle After the compressor, CO2 passes through the oil separator where the lubricant oil is removed from CO2 and then it flows through the gas coolers, in the gas cooler portion heat is transferred from CO2 to the city water by virtue of the temperature difference. The CO2 then flows through the  internal heat exchanger, mass flow meter and expansion valve  in  its way to the evaporator. Hot water from the  hot water  tank  is  used  as  heating  load  for  the  evaporator. After  the  evaporator  CO2  passes through the receiver to the compressor and in this way completes the cycle.  

Page 51: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

51

5.3 Methodology Heat pump was operated to heat up the water (to a set temperature) for space/floor heating and tap water heating  application,  system was operated  at  fixed  evaporation  temperature  and  gas  cooler side pressure was varied by changing the compressor speed (from 1050‐1800 RPM) and adjustment of expansion valve. Reading for temperatures, flow rate, pressures were taken when the system get stable. These parameters were then used in Engineering Equation Solver (EES) to evaluate the overall system performance (COP, Heating capacity, mass flow, etc). 

Direct and Indirect mass flow measurement  

The CO2 mass flow was checked with coriolis type mass flow meter, this type of flow meter has bent tubes  for  the  fluid  flow. As  the  fluid  flows  through  the meter  these  tubes get some  twist and  this degree of twist in turns gives the mass flow reading (Wikipedia, 2010).Working principle of this meter suggests some limitations in its application, like when the fluid flow is rapidly varying or at low mass flow rate it becomes hard to have accurate reading from the meter. Sensitivity of such a meter varies with operating region, density change rate etc.  

Density of the CO2 changes  a lot depending upon the gas cooler side pressure and CO2 temperature  at gas cooler outlet. Figure 5‐2 shows the variaton of CO2’s density with the variation of gas cooler outlet temperature at different gas heater pressures. The red retangular shows the region where the flow was measured ( the temperature of CO2 at gas cooler outlet, where the coriolis mass flow meter located). As shown  in  the  figure,  the density of CO2 has  rapid changes  in  the  tested  region, which may cause problem in the readings (accuracy) of coriolis mass flow meter. Therefore, the measured CO2 mass flow was counter checked with other means in the current study as well, namely: 

 

Figure 5‐2 Variation in density of CO2 with gas cooler pressure and gas cooler outlet temperature 

• Heat exchanger energy balance method • CO2 mass flow rate from the compressor manufacturer’s data

Page 52: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

52

HEx 1HEx 2HEx 3

IHEx

Evaporator

Expansion valve

Rec

ieve

r

Com

pres

sor

HWWater Heater

City waterCO2

HW

1246 5 3

ab

cd

ToutTin

7 8

 

Figure 5‐3 Schematics of heat pump with labels 

Mass flow from meter reading 

CO2 mass flow can directly be read from the C‐Type coriolis mass flow meter, mounted before the expansion valve. 

Mass flow from energy balance 

Energy balance on  the gas cooler side  is utilized  to calculate  the CO2 mass  flow  indirectly and  the following expressions are adopted: 

2 Heat lost by co Heat gained by water=  

      ∆ ∆  

     ∆

∆ 

Mass flow from compressor data 

Compressor manufacturer provided us with the information of swept volume of the compressor and with the information of temperature and pressures of CO2 at the compressor suction, mass flow can be indirectly calculated as follows; 

     

Page 53: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

53

2

volumetric

s

in

volumetric efficiency of compressor

V swept volume flow rate of the compressordensity of co at compressor inlet

η

ρ

=

==  

The volumetric efficiency of the employed compressor can be obtained by manufacture data fitting as shown in the following diagram.  

 

Figure 3 compressor data fitting for volumetric efficiency 

20.0081* 0.1593* 1.1243volumetric PR PRη = − +  

where PR pressure ratio across the compressor=  

Furthermore  based  on  the  different  mass  flows  that  calculated  in  above  mentioned  methods, different COPs can be calculated accordingly.  

 

 

 

 

 

 

 

y = 0.0081PR2 ‐ 0.1593PR + 1.1243R² = 0.9776

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

0 1 2 3 4 5 6

η volum

etric

Pressure ratio

Page 54: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

54

5.4 Testing results 

5.4.1 Operating conditions Heat  pump  was  operated  to  heat  up  the  city  water  from  13  oC  to  60  oC  at  an  evaporation temperature of 0 oC, the CO2 temperature at the gas cooler outlet was maintained at about 33 oC. 

5.4.2 Overall system performance Figure 4 shows the variation of CO2 mass flow rate with the variation of the gas cooler pressure, the results shows a good agreement between the direct (from corilois meter) and indirect (from energy balance and compressor data) reading. 

 

Figure 5‐4 Variation of CO2 mass flow rate plus water and CO2 temperatures with gas cooler pressure 

Figure  5‐5  shows  the  variation  flow  rates  (for water  and  CO2) with  the  gas  cooler  side  pressure. Water flow rate increases with the increase in the gas cooler side pressure. 

 

Figure 5‐5 Variation of water and CO2 flow rates with gas cooler side pressure 

Approach  temperature  (difference  in  CO2  and  water  temperatures  at  gas  cooler  inlet)  is  an important parameter, the high temperature glide  in the gas cooler helps  in achieving  low approach value (Nekså, 2000). With the prototype at KTH the approach temperature was in the range from 15‐25 oC and its variation is shown in Figure 5‐6 with gas cooler side pressure.  

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

0.16

7500 8000 8500 9000 9500

co2 mass flow rate

Gas cooler side pressure (KPa)

co2 mass flow rate v/s gas cooler side pressure

co2 mass flow direct reading

co2 from compressor data

co2 from energy balance

00,10,20,30,40,50,6

7500 8500 9500

Water / CO2 flo

w rate

Gas cooler side pressure (KPa)

Water and CO2 flow rates  

water flow rate

co2 flow rate

Water m3/hrCO2  kg/sec

Page 55: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

55

 

Figure 5‐6 Variation of approach temperature with gas cooler pressure 

 

Figure 5‐7 shows how the heating capacity and the compressor power vary with the variation of gas cooler side pressure at constant evaporation pressure. As it is clear from the results heating capacity initially increases with the increase in gas cooler side pressure and eventually reaches to a maximum value, once  this maximum point  is crossed,    the  further  increase  in pressure no  longer adds  in  the heating capacity. 

 

Figure 5‐7 Variation of heating capacity and compression work 

 

The effectiveness of the gas cooler is calculated from the ratio between the actual enthalpy drop of the CO2 and the maximum possible enthalpy drop. Figure 5‐8 shows the variation of the gas cooler effectiveness with  the variation  in gas  cooler pressure. The  following expression was used  for  the calculation, 

   1 6

1 6   

Where h6water in

 is the enthalpy of CO2 with water inlet temperature. 

10

15

20

25

30

7500 8000 8500 9000 9500Approach Tem

perature (C)

Gas cooler side pressure (KPa)

Approach temperature v/s Gas cooler sider pressure 

Approach temperature

Linear (Approach temperature)

0

5

10

15

20

25

30

7500 8000 8500 9000

capacity, w

ork (KW)

Gas cooler side pressure (KPa)

heating capacity and compressor work

Compressor work

heating capacity

Page 56: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

56

 

Figure 5‐8 Gas cooler effectiveness v/s gas cooler side pressure 

Figure 5‐9  shows  the  trend  for  the COP with  the  variation of  gas  cooler  side pressure  at  contant evaporation  temperautre  (0°C).  COP  incresases  initially  with  the  gas  cooler  sider  pressure  and reaches a maximum value and then decreases again.  

 

Figure 5‐9 Variation of COP with the gas cooler side pressure 

 

5.4.3 Results for the compressor part Flow scheme and energy losses associated with compression process 

CO2 enters  the compressor  from  the suction side and  first  flows  through  the motor portion  (cools down the motor, refrigerant absorbs heat), after flowing through the motor CO2 passes through the compressor and get compressed. After the compressor, oil separator removes the lubricant oil from CO2, this oil is cooled down by the oil cooler, which cools by water, and used again. 

00.10.20.30.40.50.60.70.80.91

8000 8500 9000

Gas cooler effectiveness

Gas cooler pressure (KPa)

Gas cooler effectiveness

Gas cooler effectiveness

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

7500 8000 8500 9000 9500

COP

Gas cooler side pressure (KPa)

COP v/s gas cooler pressure

COP direct reading

COP compressor data

Page 57: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

57

 

Figure 5‐10 Flow Scheme in semihermetic compressor for transcritical operation (Fornasieri E, 2010). 

During  its  flow  through  the motor CO2 gains  some heat  (by  cooling  the motor) and  this energy  is recovered by CO2. Water  is used as a cooling media for oil cooler to cool down the compressor oil and then the cooled compressor oil is pumped back to compressor, which creates heat losses. This is called oil cooler  losses  in the current study. Furthermore, there  is also a heat  loss from compressor case  to  the  surroundings  as  well  and  these  two  are  the  overall  losses  associated  with  the compression process. 

The energy balance across the compressor can be expressed in the following equation accordingly.  

Electricity consumed by compressor = Energy used in the real compression work + Oil cooler losses + Heat losses from the compressor body+ Energy gain by CO2 in motor 

Isentropic  efficiency of  compressor  

The isentropic efficiency of the compressor is calculated with following expression,  

   

        

 

Where,  hCO2out 

is = Isentropic enthalpy of CO2 at the exit of compressor. 

hCO2 in mid 

= Enthalpy of CO2 at mid position (at compressor suction after motor portion). 

hCO2out  = Actual enthalpy of CO2 at the exit of compressor. 

 Figure  5‐11  shows  the  variation  of  volumetric  and  isentropic  efficiencies  against  the  gas  cooler pressure.  The  results  show  that  volumetric  efficiency  decreases  with  the  increase  in  gas  cooler pressure while  isentropic efficiency  shows almost no variation with gas  cooler  side pressure. High isentropic efficiency may be due to low pressure ratio and   

Page 58: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

58

 

Figure 5‐11 Volumetric and isentropic efficiencies with gas cooler pressure 

 

Figure 5‐12 Compressor power consumption 

Figure 5‐12  shows  the  variation  in  the  compressor work with  the  gas  cooler  side pressures while Figure 5‐13 shows the temperatures and mass flow for the CO2 across the compressor. The pressure fo the CO2 on the gas cooler side was regulated by varying the compressor speed and adjustment in expansion valve, the highest value was obtained at maximum speed of 1800 RPM. 

 

Figure 5‐13 CO2 mass flow rate and temperatures v/s gas cooler side pressure 

Heat losses in the oil cooler 

Energy lost by oil= Energy gained by cooling water 

0%20%40%60%80%100%

65 75 85 95Volum

ertic efficiency

Gas cooler side pressure (bar)

volumetric efficiency

0%20%40%60%80%100%

65 85 105

Isen

trop

ic efficiency

Gas cooler side pressure (bar)

Isentropic efficiency

0

2

4

6

8

65 75 85 95

Power con

sumption (KW)

Gas cooler side pressure (bar)

compressor work

compressor work

Page 59: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

59

 

 

 

Figure 5‐14 Oil cooler water flow rate and temperatures v/s gas cooler side pressure 

Water  flow  rate  in  the oil cooler along with  the  tmeperatures are shown  in Figure 5‐14, while  the energy losses in the oil cooler are shown in Figure 5‐15. Energy losses are represneted in in terms of energy value (in KW) and as a percentage of total electric power consumption of the compressor. 

 

Figure 5‐15 Oil cooler losses with gas cooler side pressures 

 

Energy gain by CO2 in the motor portion 

Temperature  sensors measures  temperature  of  CO2  at motor  inlet  and  after  the motor  portion, while mass flow meter provides readings for the flow rate of CO2. Energy gained by the refrigerant in the motor portion was calculated by using the following expression,  

 

Where, hCO2 in mid

= Enthalpy of CO2 after the motor portion. 

hCO2 in = Enthalpy of CO2 at entry to the motor. 

Page 60: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

60

 

Figure 5‐16 Energy gained by CO2 in the motor portion v/s gas cooler side pressure 

Heat losses from the compressor body 

Radiation heat  losses from the compressor body are  investigated  indirectly with the  information of electric power consumption, oil cooler losses and energy gain by CO2 in motor portion by using the following relationship. 

 

Where, Pel= Electrical power consumed by the compressor, and 

is the real compression work. 

Figure  5‐17  shows  the  trend  for  the  heat  losses  from  the  compressor  body  (both  in  KW  and  as percentage of electric power consumption). This  scatter  is not having good  trend and most of  the points  are  even  indicating negative heat  losses  from  the  compressor body which may due  to  the influence of the cold part of the compressor body, who is gaining heating from surrounding instead.  

 

Figure 5‐17 Heat losses from compressor body with the gas cooler pressure 

 

The computer simulation model and the heat exchanger performance evaluation  

Page 61: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

61

In parallel with the experimental work, a computer model of the test rig is also built in EES for  

• Analyzing the CO2 heat pump’s performance 

• Evaluating the heat exchanger performance 

• Discussing system design issues 

• Evaluating compressor performances  

The operating window of the computer model is shown in figure 18.  

 

Figure 18 operating window of EES computer model 

As  shown  in  the  figure  above,  the  testing  results  from  the  experimental work on  the  test  rig  are adopted as  inputs to the computer model. The heat exchanger performance, heat balance and the thermodynamic performance of the heat pumps are then calculated. Furthermore the temperature profile of the water heating process in the gas cooler side will be plotted accordingly in a T‐h diagram for every testing condition as shown in figure 19. 

Page 62: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

62

 

Figure 19 T‐h diagram of one testing condition 

The thermophysical properties of supercritical carbon dioxide heat pump and  its heat exchangers UA value  calculation.  

The  thermophysical  properties  of  supercritical  carbon  dioxide will  have  sharp  variations  near  its critical point, which  is  also  the working  region of  heat pump’s  heat  recovering process  for water heating.  Therefore,  the  thermophysical  properties  of  supercritical  carbon  dioxide  needs  to  be carefully examined when one analyzing  the performance of heat exchangers  in  the heat  recovery process of a CO2 heat pump, due to  its significant  influence on the behavior of both the gas cooler and the internal heat exchanger (IHX) in the heat transfer process.  

The  specific  heat  (Cp), which  is  the main  factor  that  influences  the  supercritical  carbon  dioxide’s temperature profile in heat pump’s gas coolers and IHX, is plotted as a function of the temperature for different pressures in the following figure (Fig. 20). 

Page 63: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

63

 

 

Figure 20 Specific heat of supercritical carbon dioxide vs. temperature at different pressures  

It can be noticed from the figure that the specific heat of the supercritical carbon dioxide has more obvious  changing  dramatically  with  a  peak  value,  when  the  pressure  gets  close  to  the  critical pressure.  Furthermore,  it may  also  be  noticed  that  the  temperature  corresponding  to  the  peak specific heat value is increasing with increasing pressure. 

As a comparison the Cp values of water from 15 °C to 90 °C (1 bar) are also plotted in the following figure.  

 

Figure 21 Specific heat of water vs. temperature  

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

10 20 30 40 50 60 70

Temperature (ºC)

CP(

kJ/k

g•K

)

P=7.4 Mpa

P=7.5 Mpa

P=8.0 Mpa

P=9.0 Mpa

P=10.0 Mpa

P=11.0 Mpa

P=12.0 Mpa

10 20 30 40 50 60 70 80 900

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

Twater

cpw

ater

(kJ/

kg K

)

1bar water Cp1bar water Cp

Page 64: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

64

It can be noticed from the figure that the specific heat of the water is almost “constant”, compared to  the  specific  heat  changing  of  supercritical  carbon  dioxide  near  its  critical  point.  Due  to  the variation  in  specific  heats,  the  shape  of  the  temperature  profiles  in  the  heat  exchangers will  be greatly influenced. It may also cause pinching1 in the heat exchanger. Therefore, this effect should be carefully  examined  when  one  evaluating  the  heat  exchangers  of  carbon  dioxide  heat  pumps. Furthermore,  the  traditional  LMTD  method  and  ε‐NTU  method  may  not  applicable  for  heat exchanger dimensioning.  

In  the  computer model,  the  gas  cooler  are  divided  into  small  sections  and  the  thermodynamic property of CO2 for every section is assumed to be constant. The LMTD method is therefore applied for every small section of heat exchangers to calculation the UA value for the section. The total UA value of the whole heat exchanger is then the integrated result of the results of all the small sections. 

Figure 21 shows the change of calculated UA value against  the number of divided sections of heat exchangers  for one  testing condition.  It can be noticed  from  the  figure  that calculated UA value  is changing with the increase of number of calculated heat exchanger section until the division of heat exchanger  calculated  section  reaches  a  certain  number  (i.e.  when  the  thermophysical  values  of supercritical CO2 can be assumed to be constant).  

 

Figure 22 calculated heat exchanger UA values vs. number of divided heat exchanger sections  

5.4.4 UA value with the flow rate The UA value of the gas cooler have also been tested by Wilson plot method, so  fluid  flow on one side (CO2 or water) was kept constant, while the other fluid is varied to see the effect of UA value. As we know the temperatures on both ends of the heat exchanger so we can calculate the LMTD, we know the heat capacity of the heat exchanger which helps in the calculation of the UA value. 

The overall thermal conductance is calculated by following expression, 

* ________________________________________________(10)mQ UA θ=  

                                                            1 Pinching is the minimum temperature difference inside a heat exchanger , which limited the heat exchanger

kW/K

Page 65: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

65

1 2

1

2

___________________________________________(11)ln

mT T

TT

θ Δ − Δ=

⎛ ⎞Δ⎜ ⎟Δ⎝ ⎠

 

 

Figure 5‐23 UA v/s water volume flow rate 

Figure 5‐23 shows the variation  in the UA value with variation  in the water flow rate, the scatter  is drawn for various compressor speeds and water flow was varied in each individual set while CO2 flow rate was held as constant.   

 

Figure 5‐24 UA value v/s CO2 mass flow rate 

 

Figure 5‐24 shows the variation of UA value with the variation of the CO2 mass flow rate, the scatter shows a good linear trend between the two plotted parameters. 

5.5 Comparison with other studies Different  researchers evaluated CO2 heat pump performance  in various modes and with different arrangement  of  the  components;  however  the  main  objectives  were  to  optimize  the  system performance  for  tap water  heating  and  space  heating  application. Most  of  the  previous  studies utilized counter flow type tube in tube type heat exchangers or shell and tube type heat exchangers for gas cooler and evaporator.   Different researchers used different operating conditions, different system  layouts and operating conditions makes  the comparison  task  really difficult. Following case studies are use for the performance comparison of KTH heat pump. 

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

UA (KW/K)

V . (m3/hr)

At 1450 RPM

At 1400 RPM

At 1350 RPM

At 1300 RPM

UA value v/s water flow rate at various speeds

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0.05 0.07 0.09 0.11 0.13 0.15

UA value v/s co2 flow rate

UA value v/s flow rate

m_dot CO2 (kg/sec)

UA (KW/K)

Page 66: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

66

5.5.1 Case study 1 Title: A  carbon dioxide domestic hot water heat pump with double wall plate heat exchanger gas cooler (Fornasieri E, 2010).  Objective of the study Heat  pump  system  was  operated  to  test  the  heat  exchanger  performance  and  overall  system performance. 

Component details 

• Semihermetic piston type compressor with swept volume of 4.3 m3/hr. • Double wall plate heat exchanger used as gas cooler. • Plate type heat exchanger was used as evaporator. • Liquid receiver placed after the evaporator. • Electronic expansion valve controlled with stepper motor was used as expansion device.

Results 

For heating up water from 14.7 oC to 60 oC at evaporation temperature of 1.8 oC and with gas cooler outlet  temperature  (for  CO2)  of  22.4  oC  the  COP was  quoted  as  3.8.  The  heating  capacity  of  the system was 20.6 KW. 

Figure 5‐25  shows  the variation of  thermal conductance  (UA) with  the variation of CO2 mass  flow while water flow was kept constant.  

 

Figure 5‐25 UA value v/s CO2 mass flow rate (Fornasieri E, 2010). 

5.5.2 Case Study 2 Residential CO2 heat pump system for combined space heating and hot water heating (Stene, 2005). 

Goal: performance investigation for space heating and tap water heating application. 

System capacity 6.5 KW. 

 

Page 67: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

67

 

Figure 5‐26 Schematic diagram of the prototype 

Components detail 

• Compressor Hermetic two-stage rolling piston • Lubricant—polyalkylene glycol (PAG) • Evaporator Counter-flow single-pass tube-in-tube HX—stainless steel • Tripartite gas cooler Counter-flow single-pass tube-in-tube HX—stainless steel • Suction gas heat exchanger Counter-flow single-pass tube-in-tube HX—stainless steel 

 

Results 

The  system was  tested  for  only  space  heating,  only  district water  heating  and  for  the  combined application of  space heating and hot water heating cases.  In  the combined mode  the evaporation temperature was  ‐5 oC,  tap water was heated  from 6.5  to 60 oC  and with  various percentage of district heating capacity ratios. The results with various settings for hot water temperatures and with different  space  heating  temperature  ranges  are  summarized  in  the  figure  below.  The measured overall  isentropic efficiency  for the prototype rolling piston compressor ranged  from about 0.52 to 0.55 at 6000 rpm. 

 

Figure 5‐27 Variation of COP with hot water temperature and DHW capacity ratio 

  

Page 68: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

68

5.5.3 Case Study 3 CO2 Heat pump water heater: Characteristics system design and experimental results (Nekså, 2000). 

Goal: Performance evaluation of CO2 heat pump for tap water heating application. 

Nominal heat capacity of 50KW and study was done during 1998. 

 

Figure 5‐28 Detail of the prototype heat pump 

Component details 

• Old sabroe compressor from 1927 (one cylinder open type reciprocating). • Co-axial tube in tube counter flow heat exchanger was used as gas cooler. • Heat exchanger and tubing was made from stainless steel. • Evaporator was a plate in shell type heat exchanger • Expansion valve was regulated pneumatically by a computer according the required

conditions.  

Results 

 

Figure 5‐29 Variation of COP with the variation of evaporation temperature 

Tap water was heated from 8 to 60 oC and at evaporation temperature of 0 oC and COP value of 4.3 was achieved. COP varies with the evaporation temperature and at evaporation temperature of ‐20 oC it was 3. 

Page 69: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

69

5.6 Conclusions In  the current study, a CO2 heat pump with  three gas coolers  is built at  the  laboratory of Applied Thermodynamics and Refrigeration Division at KTH. All the heat exchangers of the test rig are plate heat exchangers. The test rig has a nominal heating capacity of 30 kW and it is built to  

o Study the heat recovery performance of the heat pump gas coolers o Study the compressor performances o Provide  experimental  data  and  correlations  to  improve  the  computer  simulation 

model  

 A coriolis type mass flow meter is used to measure the CO2 mass flow, due to the dramatic change of CO2  thermophysical properties  in  the  test  region,  the accuracy of direct mass  flow metering  is double  checked with  two  indirect methods, namely heat exchanger heat balance and  compressor data. 

In general, the  indirect method shows a good agreement with direct method  in mass flow reading. The gas cooler effectiveness is increasing with increasing gas cooler pressure.  

At certain evaporation temperature, both heating capacity and compressor work are increasing with increase gas cooler pressure, therefore, the heat pump COP shows an optimum at certain gas cooler pressure for a certain operating condition. 

At 0°C  evaporation  temperature  for  instance,  the  test  rig  achieves  an optimum heating COP of 4 (water is heated from 13°C to 60°C). 

The compressor test shows: 

Both volumetric efficiency and isentropic efficiency of the tested compressor (Dorin) are around 80%, while  volumetric  efficiency  is  decreasing  with  increase  of  gas  cooler  pressure  and  isentropic efficiency is approximately constant.  

Oil  cooler  losses  are  increasing with  increasing  gas  cooler  pressure  (compressor work), while  the percentage of oil cooler losses in total compressor power consumption is decreasing.   

In  general  the  oil  cooler  losses  are  account  for  about  4%  of  the  total  compressor  energy consumption. The heat gain of the refrigerant due to the compressor motor accounts for about 15% of the total compressor energy consumption.  

Based  on  the  experimental  data,  a  computer  simulation model  is  built  to  calculate  and  further analyze the test rig performance. The simulation results of the heat exchanger UA value shows that due to the thermophysical property change of supercritical carbon dioxide  in contrast with relative constant value of water, the traditional LMTD or e‐NTU method are not suitable for calculating the heat exchanger UA value.  Instead, the heat exchanger should be divided  into several small sections to integrate its overall UA value.  

The simulation results also show the importance of getting right dimension relation among the three gas coolers to ensure a good heat pump performance, this should be further investigated. 

Page 70: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

70

6 Overall conclusions Three  work  packages  have  been  fulfilled  in  this  project:  field measurements  analysis,  computer simulation modelling and experimental evaluation. Two supermarket installations have been studied in  the  field measurements work package,  several  combinations of  refrigeration and heat  recovery arrangements have been tested in the computer simulation modelling, and a simplified system with key components and complete instrumentation have been built and tested in the laboratory. 

The  field  measurements  demonstrated  the  performance  of  the  system  and  gave  better understanding of  the system’s behaviour and  its control.  It also provided key  input parameters  for the  computer  simulation modelling.  The  difficulty  in  estimating  the  heating  demand  in  the  real installations  and  the  difficulty  in  comparing  real  installations  stressed  the  need  to  use  computer simulation modelling to evaluate and compare the different system solutions. 

The experimental evaluation  tested key components and control of  the CO2  system  in heat pump mode, overall system evaluation has been also performed. The methods used to estimate the mass flow rate in the field measurements have been verified, the compressor is key components where an extensive  analysis  have  been  performed.  Good  agreement  between  the  actual  mass  flow measurements  in the test rig and the estimation from the compressor manufacturer data has been observed. 

In the computer simulation modelling , the systems with the lowest energy consumption in providing the  required  cooling and heating  in an average  size  supermarket are  the  systems with  recovering heat from the de‐superheater, heat pump at the sub‐cooling side, and what has been defined as TR1 alternative.  The  systems  have  similar  or  lower  energy  consumption  than  a  refrigeration  system running in floating condensing with a separate heat pump to provide the required heating demand.  

The CO2 trans‐critical system with heat recovery from the de‐superheater showed good cooling COP and high heating COP at moderate heating demands  in an average size supermarket  in Sweden.  It may have lower installation cost than the systems with comparable energy consumption due to the absence of the heat pump  in the system and the need only for a single control package/unit  in the system. 

 

   

Page 71: Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat …/Menu... · Royal Institute of Technology (KTH) Investigations of Heat Recovery in Different Refrigeration System Solutions

71

7 References  

Arias,  J.  (2005).  Energy  Usage  in  Supermarkets Modelling  and  Field Measurements.  Unpublished Doctoral thesis, Royal Institute of Technology, Stockholm. 

CIAT. (2010). CIAT Water‐cooled chillers. Available: www.ciat.com [2010, June]. Eric  W.  Lemmon,  Mark  O.  McLinden,  &  Marcia  L.  Huber.  (2002).  REFPROP:  Reference  Fluid 

Thermodynamic and Transport Properties (Version 7). Fornasieri E.  (2010). A corbon dioxide domestic hot water heat pump with double wall plate heat 

exchanger gas cooler. Paper presented at the 9th IIR Gustav Lorentzen conference  Freléchox, D.  (2009).  Field measurements and  simulations of  supermarkets with CO2  refrigeration 

systems. Unpublished MSc, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm. Iwmac.  (2009).  Centralised  operation  and  surveillance,  by  use  of  WEB  technology 

(http://www.iwmac.no/english/). Klein, S. A. (2006). Engineering Equations Solver (EES). Madison, USA: F‐Chart Software. Lundqvist, P.  (2000). Recent Refrigeration Equipment Trends  in Supermarkets: Energy Efficiency as 

Leading Edge. Bulletin of the International Institute of Refrigeration(5). Madsen,  K.  B.,  Villumsen,  J., &  Nielsen,  J.  (2003,  August  2003).  Implementation  of  CO2/Propane 

Walk‐In  Storage  Rooms  in  a  McDonald's  Restaurant.  Paper  presented  at  the  21st  IIR International Congress of Refrigeration, Washington, D.C., USA. 

Minea  V.  (2007).  Energy  Efficiency  of  a  Supermarket  Refrigeration/Heat  Recovery  System  with Secondary  Fluids.  Paper  presented  at  the  International  Congress  of  Refrigeration,  Beijing, China. 

Nekså, P. (2000). CO2 heat pump systems. International  Journal of refrigeration. Nidup,  J.  (2009).  Investigation  of  Heat  Recovery  in  Different  Refrigeration  System  Solutions  in 

Supermarkets. Unpublished MSc, Royal Institute of Technology (KTH), Stockholm. Reindl D. T, & Jekel T. B. (2007). Heat Recovery in Industrial Refrigeration. ASHRAE Journal, 49(08). Rogstam, J. (2010). Personal communication, www.iuc‐sek.se. Stockholm: IUC‐SEK. Sawalha, S. (2008). Carbon Dioxide in Supermarket Refrigeration. Unpublished Doctoral thesis, Royal 

Institute of Technology, Stockholm. Sjöberg,  A.  (1997).  Covering  of  a  Cabinet  in  Supermarkets.  Unpublished MSc,  Royal  Institute  of 

Technology, Stockholm, Sweden. STEM.  (2009).  Energy  Indicators  2009,  Follow‐up  of  Sweden’s  energy‐policy  objectives:  Swedish 

Energy Agency. Stene,  J.  (2005).  Residential  CO2  heat  pump  system  for  combined  space  heating  and  hot water 

heating. International Journal of Refrigeration, 28(8), 1259‐1265. Wikipedia. (2010, June). Mass flow meter. Available: http://en.wikipedia.org/wiki/Mass_flow_meter. Wulfinghoff D. R. (1999). Energy Efficiency Manual. Energy Institute Press, Maryland, USA.