Supermarkets have become a vital feature of modern society. However, they have significant impact on the environment due to the large amount of refrigerants needed in the refrigeration system, and due to the large energy use in the supermarket, they are the commercial buildings with highest energy intensity. The largest energy-user in the supermarket is typically refrigeration systems; these systems consume and emit a large amount of high global warming potential (GWP) refrigerants. The impacts of the supermarket refrigeration systems on the environment has been under investigation, mainly in the recent decades. The solution to mitigate these two major impacts of high GWP refrigerant emissions, and high energy use is by building more energy efficient refrigeration systems that use environmentally friendly refrigerants. Refrigeration systems using CO2 as a refrigerant has been emerged and applied as a solution in the recent two decades.

This PhD thesis explores methods to increase the energy efficiency of CO2 refrigeration systems in supermarkets. The objective is to present and evaluate technical solutions that make the system competitive with conventional systems in terms of energy, environment, and economics. This thesis focuses on design modifications and energy systems’ integration. This is based on computer simulations and field measurement analysis of a number of CO2 systems installed in Sweden. The conventional HFC solutions, as reference, and alternative cooling and heating systems are included in the comparative performance studies. 

As the starting point of this PhD thesis, the first study was to benchmark and compare the performance of emerging CO2 systems with conventional HFC systems, which was a completion of results from a previous project. To fulfil this objective, the field performance of five CO2 systems are compared with three HFC-based systems, all installed in Swedish supermarkets. The results show that the newer generation of CO2 systems are more, or as efficient as advanced HFC system solutions. Key system parameters that have the highest impact on CO2 system’s energy efficiency are studied by computer simulations, and a CO2 baseline system is defined as the basis for this thesis. This baseline system is used in later studies to examine design and efficiency improvements and, eventually, to define the state-of-the-art CO2 system.    

The second study evaluates modifications in the design and integration of heating and air conditioning into the CO2 baseline system. This integration concept is investigated primarily by analysis of the field performance of a CO2 integrated system. The system is installed in a Swedish supermarket and applied several features to increase the energy efficiency and functionality of the CO2 baseline system. These include space and tap water heating, air conditioning, and parallel compression. This integrated system is also modelled and compared to stand-alone HFC-based cooling and heating systems. The results show that the integrated solution can provide heating, with heating COP values ranging from 4 to 6, comparable to commercial heat pumps. The system can also provide the entire air conditioning demands of the supermarkets. The efficiency of the system AC performance, while assisted by parallel compression, is comparable to or higher than the HFC solutions. Considering all the thermal functions of the system (refrigeration, heating, AC), the results prove that while the integrated solution is an efficient all-in-one unit in cold to moderate climates, it requires efficiency improvements to be a potent candidate in warm climates.

Energy efficiency improvement of the integrated CO2 system, both in cold and warm climates, is the subject of the third study. Design features, and integration with heating and air conditioning systems are evaluated to identify the most promising solutions in terms of energy efficiency. The outcomes of the parametric study led to defining the state-of-the-art (SotA) CO2 system. 

State-of-the-art integrated CO2 system is defined as an energy efficient, environmentally friendly, and all-in-one compact solution able to meet all the thermal demands of supermarkets in cold and warm climates. This system includes flooded evaporation, parallel compression, and heat recovery at two temperature levels. This system is compared to conventional and alternative refrigeration systems in supermarkets. The comparison shows that the SotA CO2 system offers at least 15% annual energy savings compared to the standard CO2 system, and at least 25% compared to conventional systems with HFC’s in Stockholm, Sweden, making the system the most efficient that can be installed in Sweden today. SotA CO2 system is also one of the most efficient system in warm climates.     

Integration of geothermal storage into SotA CO2 system is the subject of the fourth study. This integration gained interest in the recent years in Northern Europe. The ground thermal storage can be used as a heat sink in summer, and a heat source in winter, to improve the overall performance of the CO2 system. Three scenarios of integration, including stand-alone, integrated, and hybrid energy systems in the supermarket building are evaluated. The results of the study shows that annual operating cost of a separate supermarket and district heating consumer for space heating can be decreased by 20-30% if the systems are coupled, geothermal storage is applied, and the supermarket provides heating for the consumer. This integration is advantageous for supermarket with very high heating demands, or supermarkets that share heating systems with a neighbouring building.

Some major contributions are made in this PhD thesis. First, detailed field measurements analysis of the modern CO2 system is presented. This has been missing in the literature to a great extent. Second, a comprehensive screening of the most promising solutions is carried out by computer simulations, which guarantees the CO2 system operates at the highest efficiency possible. This improves and accelerates the decision-making process of supermarket stakeholders on choosing the most energy efficient solutions. Last but not least, this thesis highlights the availability and competitiveness of environmentally friendly refrigeration technologies for supermarkets.

Stormarknader har blivit ett viktigt inslag i det moderna samhället. De har emellertid betydande miljöpåverkan på grund av den stora mängden köldmedier som behövs i kylsystemet, och på grund av den stora energianvändningen i stormarknader; de är de kommersiella byggnader som har högst energiintensitet. Den största energianvändaren i stormarknader är vanligtvis kylsystemet; dessa system förbrukar och förlorar en stor mängd köldmedier med hög global uppvärmningspotential (GWP). Effekterna av kylsystemen i stormarknader på miljön har undersökts, främst under de senaste decennierna. Lösningen för att minska dessa två stora effekter, av utsläpp av köldmedium med hög GWP och hög energianvändning, är att bygga mer energieffektiva kylsystem som använder miljövänliga köldmedier. Kylsystem som använder CO2 som köldmedium har utvecklats och använts som en lösning under de senaste två decennierna.

Denna doktorsavhandling undersöker metoder för att öka energieffektiviteten i CO2-kylsystem i stormarknader. Målet är att presentera och utvärdera tekniska lösningar som gör systemet konkurrenskraftigt med konventionella system när det gäller energi, miljö och ekonomi. Denna avhandling fokuserar på designändringar och integration i energisystemet utanför butiken. Detta baseras på datasimuleringar och fältmätningsanalyser av ett antal CO2-kylsystem installerade i Sverige. Konventionella HFC-lösningarna (som referens) och alternativa kyl- och värmesystem ingår i de jämförande prestandastudierna.

Som utgångspunkt för denna doktorsavhandling var den första studien att jämföra prestandan hos nyutvecklade CO2-system med konventionella HFC-system, vilket var en komplettering av resultat från ett tidigare projekt. För att uppnå detta mål jämförs fältprestanda för fem CO2-system med tre HFC-baserade system, alla installerade i svenska stormarknader. Resultaten visar att den nyare generationen CO2-system är mer, eller lika, effektiva som avancerade HFC-systemlösningar. Viktiga systemparametrar som har störst inverkan på CO2-systemets energieffektivitet studeras genom datorsimuleringar och ett CO2-baseline-system definieras som grund för denna avhandling. Detta system används i senare studier för att undersöka design- och effektivitetsförbättringar och slutligen för att definiera det senaste koldioxid-systemet.

Den andra studien utvärderar modifieringar i design och integration av värme och luftkonditionering i CO2-baseline-systemet. Detta integrationskoncept undersöks främst genom analys av fältprestanda för ett CO2-integrerat system. Systemet är installerat i en svensk stormarknad och använde flera funktioner för att öka energieffektiviteten och funktionaliteten i CO2-baseline-systemet. Dessa inkluderar uppvärmning av lokaler och tappvarmvatten, luftkonditionering och parallell kompression. Detta integrerade system är också modellerat och jämfört med fristående HFC-baserade kyl- och värmesystem. Resultaten visar att den integrerade lösningen kan ge uppvärmning, med värmefaktorer från 4 till 6, jämförbara med kommersiella värmepumpar. Systemet kan också fylla stormarknadernas hela krav på luftkonditionering. Effektiviteten hos systemets AC-prestanda, samtidigt som den stöds av parallell kompression, är jämförbar med, eller högre än, HFC-lösningarna. Med tanke på alla systemets termiska funktioner (kylning, uppvärmning, AC), visar resultaten att även om den integrerade lösningen är en effektiv allt-i-ett-enhet i kalla till medelvarma klimat, kräver det effektivitetsförbättringar för att vara en potent kandidat i varma klimat.

Energieffektivisering av det integrerade CO2-systemet, både i kalla och varma klimat, är föremål för den tredje studien. Designfunktioner och integration med värme- och luftkonditioneringssystem utvärderas för att identifiera de mest lovande lösningarna när det gäller energieffektivitet. Resultaten av den parametriska studien ledde till definitionen av State of the Art CO2-systemet (SotA).

Ett SotA integrerat CO2-system definieras som en energieffektiv, miljövänlig och allt-i-ett-kompakt lösning som kan möta alla termiska krav i stormarknader i kalla och varma klimat. Detta system inkluderar flödande förångare, parallell kompression och värmeåtervinning vid två temperaturnivåer. Detta system jämförs med konventionella och alternativa kylsystem i stormarknader. Jämförelsen visar att SotA CO2-systemet ger minst 15% årliga energibesparingar jämfört med standard CO2-systemet och minst 25% jämfört med konventionella system med HFC i Stockholm, vilket gör systemet till det mest effektiva som kan installeras i Sverige idag. SotA CO2-systemet är också ett av de mest effektiva systemen i varma klimat.

Integrering av geotermisk lagring i SotA CO2-systemet är föremål för den fjärde studien. Denna integration har blivit intressant för norra Europa under de senaste åren. Markvärmelagret kan användas som kylsänka på sommaren och värmekälla på vintern för att förbättra CO2-systemets totala prestanda. Tre scenarier för integration, inklusive fristående, integrerade och hybridenergisystem i stormarknaden utvärderas. Resultaten av studien visar att den årliga driftskostnaden för en separat stormarknad och fjärrvärmekonsument för uppvärmning kan minskas med 20-30% om systemen kopplas ihop, geotermisk lagring tillämpas och stormarknaden tillhandahåller uppvärmning för konsumenten. Denna integration är fördelaktig för stormarknader med mycket höga värmebehov, eller stormarknader som delar värmesystem med en närliggande byggnad.

Några viktiga bidrag ges i denna doktorsavhandling. Först presenteras detaljerade fältmätningsanalyser av det moderna CO2-systemet. Detta har saknats i litteraturen i stor utsträckning. För det andra utförs en omfattande screening av de mest lovande lösningarna med datasimuleringar, vilket garanterar att CO2-systemet fungerar med högsta möjliga effektivitet. Detta förbättrar och påskyndar beslutsprocessen för stormarknadens intressenter när det gäller att välja de mest energieffektiva lösningarna. Sist men inte minst belyser denna avhandling tillgången till och konkurrenskraften hos miljövänliga kyltekniker för stormarknader. 

Nyckelord:

Koldioxid (CO2), Stormarknad, Butikskyla, Transkritisk cykel, Fältmätningar, Datorsimulering, Systemintegration, State-of-the-Art, Värmeåtervinning, Luftkonditionering, Referens HFC-system, Lagring av geotermisk energi