Energy management and control of the thermal environment in bakery premises

Abstract

Due to the large concentration of heat releasing equipment over a relatively small area, non air-conditioned bakery shops usually suffer from high temperatures, which exceed comfort temperature levels, especially during the summer. To provide comfortable shop environment for customers and staff an increasing trend is to air condition bakery shops using cassette type heat pump systems. Retailers are also increasingly adopting an open door policy to attract customers through the open doors. Both the use of air conditioning and open doors lead to a substantial increase in energy consumption and greenhouse gas emissions. This project investigates ways of reducing the energy consumption of bakery shops, maintaining at the same time comfortable conditions for the staff and customers.Measurements in real shop environments and in an environmental test chamber have established the energy consumption and heat release from refrigeration and other electrical equipment in the shop. Annual thermal simulations have shown that passive and low energy environmental control options such as mechanical and night-time ventilation have only a small effect on daytime peak shop temperatures. Am effective method of reducing thermal losses through open doors is the use of air curtains to protect the doorway from wind forces. Investigations using an experimentally validated computational fluid dynamics model (CFD) have shown that the critical jet velocity of the air curtain increases with wind velocity. Inclining the air curtain inwards and increasing the jet width provides increased protection of the doorway. The efficiency of a heated air curtain is lower than an ambient air curtain but heating of the curtain air in winter may be desirable for thermal comfort. A correctly designed and installed air curtain will reduce considerably air infiltration through the open doorway and will lead to substantial savings compared to an unprotected door.Uncontrolled operation of heated air curtains and air conditioning systems in shops can lead to considerable energy wastage. This thesis has demonstrated the development of a control system that ensures integration of the performance of the environmental control systems in the shop. Laboratory and on-site monitoring results indicate that the developed control system can provide accurate control of the space temperature and can prevent interactions between the heat pump and air curtain leading to a more than 10% reduction in the environmental impact of the HVAC system in the shops.

Λόγω της ύπαρξης μεγάλου αριθμού μηχανικού εξοπλισμού, ο οποίος απελευθερώνει θερμότητα, σε σχετικά μικρό χώρο, εγκαταστάσεις αρτοποιείου χωρίς κλιματισμό συνήθως υποφέρουν από υψηλές θερμοκρασίες, οι οποίες υπερβαίνουν κατά πολύ τα όρια θερμοκρασιών άνεσης, ειδικότερα κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού. Προκειμένου να εξασφαλίσουμε ευχάριστο περιβάλλον στους καταναλωτές και στο εργατικό προσωπικό, μια αυξανόμενη τάση στον επιχειρηματικό κόσμο, είναι ο κλιματισμός των αρτοποιείων χρησιμοποιώντας συστήματα θερμικών αντλιών τύπου κασσετίνας. Οι έμποροι-καταστηματάρχες, ακόμη, υιοθετούν όλο και περισσότερο, την τακτική της “ανοικτής εισόδου” για να προσελκύσουν πελάτες. Η παράλληλη χρήση του κλιματισμού και της “ανοιχτής εισόδου” οδηγούν σε ουσιώδη αύξηση στη κατανάλωση ενέργειας και ρύπων που συντελούν στο φαινόμενο του θερμοκηπίου Το παρόν ερευνητικό έργο εξετάζει τρόπους μείωσης της κατανάλωσης ενέργειας σε εγκαταστάσεις αρτοποιείων, διατηρώντας άνετες συνθήκες για το καταναλωτικό κοινό και το εργατικό προσωπικό.Μετρήσεις σε πραγματικές συνθήκες καταστήματος αλλά και σε πειραματικό περιβαντολλογικό θάλαμο προσδιόρισαν την κατανάλωση ενέργειας και την απελευθέρωση θερμότητας από το ψυκτικό και άλλο ηλεκτρολογικό εξοπλισμό μέσα σ' ένα κατάστημα. Ετήσιες μελέτες προσομοίωσης έδειξαν ότι ήπιες και χαμηλής ενέργειας επιλογές ελέγχου περιβάλλοντος όπως μηχανικός και νυχτερινός αερισμός έχουν μόνο μικρή επίδραση στις μέγιστες ημερήσιες θερμοκρασίες. Μια αποτελεσματική μέθοδος μείωσης των θερμικών απωλειών εξ αιτίας της “ανοιχτής εισόδου” είναι η χρήση κουρτινών αέρος, οι οποίες προστατεύουν την εκκάστοτε είσοδο του καταστήματος από τον άνεμο. Έρευνες προσομοίωσης χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο βασισμένο στην μέθοδο υπολογιστικής δυναμικής ρευστών (Υ.Δ.Π), πειραματικά επικυρωμένο, απέδειξαν ότι η κρίσιμη ταχύτητα εκροής αέρα από την κουρτίνα αέρος αυξάνει με την ταχύτητα του ανέμου. Στρέφοντας την κουρτίνα αέρος προς τα μέσα και αυξάνοντας το πλάτος εκροής επιτυγχάνεται αυξημένη προστασία της εισόδου του καταστήματος. Η αποτελεσματικότατα μιας θερμαινόμενης κουρτίνας αέρος είναι μικρότερη από εκείνη της ατμοσφαιρικής κουρτίνας αέρος αλλά η θέρμανση του αέρος της κουρτίνας κατά την διάρκεια του χειμώνα ίσως να είναι επιθυμητή για την επίτευξη θερμικής άνεσης. Μια ορθώς σχεδιασμένη και εγκατεστημένη κουρτίνα αέρος θα μειώσει σημαντικά την διείσδυση αέρα από την είσοδο και θα οδηγήσει σε ουσιώδη εξοικονόμηση, σε σύγκριση με μια απροστάτευτη είσοδο.Μη ελεγχόμενη διαχείριση των θερμαινόμενων κουρτινών αέρος και των συστημάτων κλιματισμού στα καταστήματα, δύναται να οδηγήσει σε αξιοσημείωτο ενεργειακό κόστος. Αυτή η διδακτορική διατριβή παρουσιάζει την διαμόρφωση ενός συστήματος ελέγχου, το οποίο διασφαλίζει την ολότητα της απόδοσης των συστημάτων περιβαντολλογικού ελέγχου στο εκκάστοτε κατάστημα. Αποτελέσματα σε εργαστηριακό χώρο και σε κατάστημα, έδειξαν ότι το διαμορφωμένο σύστημα ελέγχου παρέχει ακριβή διαχείριση της θερμοκρασίας του χώρου και είναι ικανό να αποτρέπει αλληλεπιδράσεις μεταξύ των συστημάτων κλιματισμού και κουρτίνα αέρος, οδηγώντας, έτσι, σε μείωση πάνω από 10% της επίδρασης των συστημάτων κλιματισμού στο περιβάλλον.