Physikalische Modellierung der Wechselwirkungen zwischen thermischen Systemen in Supermärkten

This thesis contributes to modelling and quantification of interactions between thermal systems in supermarkets. The main goal of this thesis is to describe the interactions between thermal systems in supermarkets by means of physical models and to quantify their energetic impact. To achieve this overall goal, three subgoals are defined. The first subgoal is the breakdown of supermarkets into control volumes and the definition of physical interactions between them. In this work, the usage of physical modelling implies two aspects: Firstly, using first principle models and secondly using physical connections between objects. The second subgoal refers to the analysis of the air exchange between refrigerated display cabinets and the sales area. The focus lays on the quantification of the air exchange and the determination of the influence of door openings on this air exchange. In laboratory tests, an adapted tracer gas method using CO2 is used to determine the air change rates between the display cabinets and the sales room for three typical supermarket cabinets. Additionally, a second way of quantifying the impact of door openings on the air infiltration uses the so-called thermal entrainment factor (TEF). The applications of the developed models are exemplified. The prediction of the energy consumption of a period of 28 days deviates only 3.3% from measurement data. The analysis of the effects of incoming and outgoing customers on fresh air change rates is the third subgoal of this thesis. This air exchange is highly relevant because it affects the thermal loads of the heating and air conditioning system as well as the need for ventilation. In order to estimate the air change rates, a model of the CO2 concentration in the sales room air is developed, which uses the air change rates of the closed and opened entrance door as parameters. The prediction of the CO2 concentration works very well: the mean absolute error of 26ppm is below the accuracy of the measurement data. Additionally, the entire supermarket is simulated with the objective to predict the humidity of the sales room air. The humidity ratio in the test supermarket for a period of 14 day could be predicted with a mean absolute error of 0.3g/kg, which again is below the accuracy of the measurement data. Finally, several of the interactions between thermal systems in a supermarket are quantified exemplarily. The energetic impact of the shopping of one customer is analysed for three scenarios.Ziel dieser Arbeit ist die Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen thermischen Systemen in Supermärkten sowie die Quantifizierung ihres energetischen Einflusses. Hierzu werden drei Teilziele definiert. Das erste Teilziel besteht in der Unterteilung eines Supermarktes in Bilanzräume und der Definition von Schnittstellen zur Beschreibung der Wechselwirkungen. Die typischerweise in einem Supermarkt vorhandenen Systeme Kühlmöbel, Kälteanlage sowie Verkaufsraum werden in dieser Arbeit betrachtet. Das zweite Teilziel bezieht sich auf die Analyse des Luftaustausches zwischen den Kühlmöbeln und dem Verkaufsraum. Dieser ist besonders wichtig, da er einerseits zum Wärme- und Feuchtigkeitseintrag in das Kühlmöbel führt, was den Kühlbedarf erhöht. Andererseits hat dieser Luftaustausch eine Abkühlung sowie Entfeuchtung der Verkaufsraumluft zur Folge. Der Schwerpunkt der Untersuchung liegt auf der Quantifizierung dieses Luftaustausches sowie der Bestimmung des Türöffnungseinflusses. In Laborversuchen wird eine adaptierte Tracergas Methode mit dem Gas CO2 verwendet, um den Luftaustausch typischer Kühlmöbel mit Türen zu untersuchen. Weiterhin wird eine zweite Methode zur Bestimmung des Türöffnungseinflusses vorgestellt, die auf dem als dimensionslose Infiltrationsrate interpretierbaren thermal entrainment factor (TEF) basiert. Die Simulationsmodelle und gemessenen Infiltrationsraten in Kühlmöbeln werden genutzt, um den Strombedarf der Kühlmöbel und der R-744 Verbundkälteanlage eines realen Supermarktes vorauszuberechnen. Die Abweichung des für einen Zeitraum von 28 Tagen vorausberechneten Energiebedarfs beträgt 3.3%. Die Untersuchung des Einflusses von herein- und herausgehenden Kunden auf die Luftwechselraten des Verkaufsraumes stellt das dritte Teilziel dieser Arbeit dar. Hierzu wird ein Modell zur Bestimmung der CO2 Konzentration in der Verkaufsraumluft entwickelt, welches die Luftwechselraten mit geöffneter bzw. geschlossener Eingangstür als Parameter nutzt. Der CO2 Gehalt kann mit einer Abweichung von 26ppm und somit innerhalb der Messungenauigkeit vorhergesagt werden. Eine weitere Anwendung der Simulationstechnik wird vorgestellt: Der gesamte Supermarkt wird simuliert mit dem Ziel die Wasserbeladung im Verkaufsraum vorherzusagen. Dies gelingt mit einer sehr geringen Abweichung (0.3g/kg). Abschließend wird der energetische Einfluss eines einzelnen Kunden und die von ihm verursachten Wechselwirkungen für drei Szenarien (Winter, Frühling, Sommer) bewertet