Modellering og optimering af flaskekøleskab

104 Pages·2008·6.5 MB·Danish

Modellering og optimering af flaskekøleskab
P3 PROJEKT, EFTERÅR 2008
GRUPPE ET3-301
STUDIENÆVNET FOR ENERGITEKNIK

StudienævnetforEnergiteknik
Pontoppidanstræde101
Telefon[phone]
Fax[phone]
http://nsn.aau.dk/
Titel:Modelleringogoptimeringafflaskekø-
leskab
Tema: Modellering og analyse af energitek-
Synopsis:
niskesystemer
Projektperiode:P3,efterårssemesteret2008
Projektgruppe:ET3-301 Detmestenergieffektiveflaskekøleskabharetelforbrug,
Deltagere: derermereenddobbeltsåstortsomdebedstealminde-
lige husholdningskøleskabe. Flaskekøleskabe er derfor
et område, som der stadigvæk kan optimeres, således
energiforbruget kan sænkes. Dette projekt omhandler
TroelsBartholinBertelsen
modelleringogoptimeringafetflaskekøleskab.
Den samlede model for flaskekøleskabet er delt op i tre
MortenEgestrand områder; kølekreds, køleskabsisolering samt motor og
styring. Principperne for hvert af disse områder bliver
gennemgået, således der skabes grundlag for at opstille
modeller for hvert område. Disse modeller simuleres,
MortenAalbækKristensen
hvilket giver et samlet energiforbrug på 4,3 kWh/døgn,
nårdriftstrategienerON/OFF.
DanielOlason
Detteudgangspunktlederfremtilatundersøge,hvorstor
indflydelseforskelligeløsningsforslagharpåatnedsætte
det modellerede flaskekøleskabs energiforbrug. Ved at
JonasLundstedPoulsen ændredriftstrategien,såledeskompressorenkørermedet
variabelt omdrejningstal i stedet for ON/OFF, nedsættes
energiforbruget med 11 %. Ved yderligere at kombinere
denne drift med LED-lysrør og bedre isolering, kan
HenrikRahn
energiforbruget reduceres til 1,9 kWh/døgn. Ydermere
analyseres der på resultaterne ved at tillade, at flaskekø-
leskabet kører ved en højere driftstemperatur, og at der
Vejledere: HenrikSørensen bliverslukketforflaskekøleskabetomnatten.
UnnurStellaGuðmundsdóttir
DesudenbliverdenopstilledemodelforDC-motorenva-
Oplagstal:9 lideretigennemetforsøgforetagetilaboratoriet.
Sidetal:104
Afsluttet:18.december2008

Forord
Denne rapport er udarbejdet i P3-perioden på uddannelsen til Bachelor i Energiteknik ved studienævnet for
EnergiteknikpåAAU.Projekteterenintegreretdelafstudieordningenforuddannelsen,ogprojektetindehol-
dersåledeselementerfraprojektenhedskursernedererblevetafholdtpådettesemester.
Læsevejledning
Der vil igennem rapporten fremtræde kildehenvisninger, og disse vil være samlet i en kildeliste bagerst i rap-
porten. Der er i rapporten anvendt kildehenvisning efter Harvardmetoden, så i teksten refereres en kilde med
[Efternavn,År].Figurer,tabellerogformlerernummereretihenholdtilkapitel,dvs.denførstefigurikapitel2
harnummer2.1,denandenharnummer2.2osv.Forklarendeteksttilfigurerogtabellerfindesunderdegivne
figurerogtabeller.
Struktur
Rapportensstrukturbyggerpåetproblem,sombliverpræsenteretiindledningen.Udfraindledningenformu-
leres et initierende problem, hvilket leder hen til en beskrivelse af et køleskab. I kapitel 2 beskrives hvilke
komponenteretkøleskaberbyggetopomkring,samthvordandepåvirkerhinanden.Herefterdannesenmodel
af et køleskab i kapitel 3, hvor denne er delt op i to: selve køleskabet og elmotoren, som driver kompressoren
i køleskabets kølekreds. I kapitel 4 simuleres modellerne, desuden valideres modellen for elmotoren med et
forsøg udført i laboratoriet. Disse simuleringer ligger herefter til grund for problemformuleringen i kapitel 5.
Ud fraproblemformuleringenbestemmes enny driftsstrategifor køleskabeti kapitel6, hvorefteren nymodel
opstillesikapitel7.Idettekapitelsimuleresmodellenoverkøleskabetmedvariationerafforskelligeparametre
medhenblikpå,atbestemmederesbetydningforkøleskabetsenergiforbrug.Ikapitel9besvarerkonklusionen
problemformuleringen, og konkluderer på resultaterne opnået fra simuleringerne foretaget i afsnit 7. Til sidst
perspektiveresdertilyderligereverificeringafmodellerikapitel10.
Cd
Til rapporten er vedlagt en cd. Denne cd indeholder en mappe “Internetkilder” med samtlige anvendte in-
ternetkilder i form af PDF-filer. Herudover indeholder cd’en mapperne “Forsøg” og “Simulering”. I mappen
“Forsøg”erresultaternefraforsøgetilaboratorietpræsenteretietregneark.Imappen“Simulering”ermodel-
lernetilsimuleringafkøleskab,kølekredsogDC-motoriMATLABogEESgemt.Dererherudoverudfærdiget
envejledningtilatsimuleremodellerne.Desudenliggerderenelektroniskudgaveafrapportenpåcd’en.
iii

Indhold
1 Indledning 1
1.1 Initierendeproblem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Beskrivelseafkøleskab 3
2.1 Blokdiagramoverdetsamledekøleskabssystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Beskrivelseafkølekreds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.3 Varmetransmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4 Beskrivelseafelmotorogtermostat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
3 Modeldannelseafkøleskab 23
3.1 Referencekøleskab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
3.2 Modelleringafkølekreds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
3.3 Modelleringafkøleskab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3.4 ModelafDC-motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4 Simuleringafmodeller 41
4.1 SimuleringafDC-motor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2 ForsøgsvalideringafDC-motormodel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4.3 Simuleringafkøleskabsmodelvedkendtdriftsstrategi(ON/OFF) . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5 Problemformulering 49
6 Modeldannelseafnydriftsstrategi 51
6.1 Valgafnykompressor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
6.2 Beskrivelseafmodeltilsimuleringafvariabeltomdrejningstal . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
7 Simuleringvednydriftstrategi 59
7.1 Variabeltomdrejningstal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
7.2 Optimeringaflyskilder . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
7.3 Optimeringafisolering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
7.4 Optimeretkøleskab . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7.5 Driftvedslukketlys . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
7.6 Højeredrifttemperatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
7.7 Åbningafkøleskabet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
7.8 Opsummering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
8 Konklusion 75
v
INDHOLD
9 Perspektivering 77
Litteratur 77
10 AppendiksA:T,s-diagramforideelogreelkøleskreds 83
11 AppendiksB:Tilstandsvariablerimodelleringafkølekreds 85
12 AppendiksC:ForsøgsrapportfraforsøgmedPMDC-motor 87
13 AppendiksD:Motor-ogblæserparametre 91
14 AppendiksE:Parametervariation 93
15 Nomenklaturliste 95
vi INDHOLD
1
Indledning
Energibesparelser er en vigtig del af den danske energi- og klimapolitk, der har til formål at fremme en bære-
dygtigudvikling.Idensenesteenergiaftalefra2008,erdetsåledesenmålsætning,atdetsamledeenergiforbrug
skalnedsættesmed4%i2020og2%i2011,iforholdtilforbrugeti2006[Energiminsteriet,2008].
Endelafatopnåenergibesparelsereroplysningomkringogreklameringforenergibesparendeprodukter,som
fxElsparefondengørdet[Elsparefonden,2008a].Ligeledeserderfordeflestehusholdningsprodukterindført
enenergimærkning,derrangererproduktetefterdetsenergiforbrugpåenskalafraAtilG.
Dette gælder for køleskabe, hvor de mest energibesparende idag er mærket som A++. For at et køleskab skal
være anbefalet af Elsparefonden, skal det minimum være i energiklasse A+. De almindelige husholdningskø-
leskabe, der anbefales af Elsparefonden, har et forbrug mellem 1,03 og 3,15 kWh/24h/m3 [Elsparefonden,
2008b]. Retningslinjerne indikerer, at der er et større forbrug pr. m3 i små A+ køleskabe kontra store. Ifølge
[Energistyrelsen,2008]erdetspecifikkeelforbrugforkøleskabeihusholdningenfaldetmed27,7%siden1990.
Men der er ikke tilsvarende fokus på at reducere forbruget for industrielle køleskabe som fx flaskekøleskabe
til sodavand og øl. Disse køleskabe står ofte i supermarkeder og mindre butikker, hvor design og reklame har
høj prioritet. Det mest almindelige køleskab er af en størrelse på 400 L med glasdør [Pedersen, 2006]. Det er
ofte producenten af den solgte drikkevare, der har indkøbt flaskekøleskabet, hvor butikken derefter modtager
det gratis. Derfor er det nærliggende at antage, at producenten af drikkevarerne er mere interesseret i produk-
tionsomkostningernepåkøleskabet,endpådetsenergiforbrug.
Flaskekøleskabes højere energiforbrug kan bl.a. ses ud fra Elsparefondens anbefalinger for flaskekøleskabe.
Det anbefales, at energiforbruget højest må være 7,5 kWh/24h/m3 for skabe på 400 og 600 L og højst 6
kWh/24h/m3 forskabepå1300L.Dettekraversat,såledesca.1/4afprodukternepåmarkedetkanleveoptil
det.Ifølgedenyesteanbefalinger,hardetmestenergieffektivekøleskabetforbrugpå3,14kWh/døgn/m3 for
etskabpå450L[Elsparefonden,2008c].
Selv det allermest energieffektive flaskekøleskab har altså et elforbrug, der er mere end dobbelt så stort som
debedstealmindeligehusholdningskøleskabe.Yderligereerforbrugetfordeandreanbefaledeflaskekøleskabe
endnuhøjere.
Teknologisk Institut vurderer, at der er mindst 70.000 flaskekøleskabe i drift i Danmark [Pedersen, 2006].
Derforvurderesdet,atdereretstortpotentialeforoptimeringafenergiforbrugetafdennetypekøleskabe.
1.1 Initierende problem
Projektet tager udgangspunkt i at finde ud af, hvor potentialet for optimering af flaskekøleskabe er. Dette kan
klarlæggesvedatlaveenmodeloveretkøleskabogudføresimuleringerafdenne.Detinitierendeproblemfor
projektetlyderderfor:
• Hvordanfungereretkøleskaboghvordankanetflaskekøleskabgøresmereenergieffektivt?
1
1.1Initierendeproblem
2 1.Indledning