Industrial refrigeration - technological overview and energy-efficiency methodologies

Abstract

A eficiência energética tornou-se um dos assuntos/temas mais emblemáticos das políticas energética e ambiental da União Europeia, sendo o elemento-chave para se atingirem os objetivos do “Programa 20-20-20”, até 2020. A atividade relacionada com a aplicação da refrigeração para a transformação e conservação de alimentos corresponde a um sector industrial com elevada representatividade em termos de volume de negócios, seja em Portugal, na União Europeia ou mesmo a nível mundial. Neste contexto, as instalações e sistemas de refrigeração têm sido identificados como sendo as áreas com maior potencial para a implementação de medidas de eficiência energética e de poupança de energia.Para ultrapassar a falta de regulamentação aplicável à predominância das pequenas e médias empresas, têm sido implementados alguns programas de eficiência energética. No entanto, têm-se mostrado insuficientes na transferência dos resultados e recomendações à indústria agroalimentar. Neste sentido, é expectável que o uso de ferramentas de simulação energética aplicadas às instalações, sistemas de refrigeração e outros sistemas de energia, possa fornecer informações fidedignas e úteis para este setor industrial. A metodologia de simulação dinâmica requer uma validação apropriada, comparando os resultados com a desagregação de consumos e análise energética, obtidos a partir de auditorias energéticas detalhadas. Por outro lado, o modelo de simulação e, em particular, os modelos dos sistemas energéticos têm de ser parametrizados corretamente, de forma a obter uma convergência precisa para o consumo anual de energia. Contudo, a parametrização e caracterização técnica dos sistemas de refrigeração, bem como as técnicas de simplificação utilizadas em programas de simulação dinâmica, exigem um conhecimento aprofundado das soluções tecnológicas existentes no mercado, consolidado na fundamentação teórica dos ciclos termodinâmicos que dentro deles ocorrem.Desta forma, é apresentada uma revisão tecnológica, fundamentada na análise teórica do ciclo de compressão de vapor (entre outros, sumariamente analisados), juntamente com seus componentes e configurações mais comuns, tendo sempre em perspetiva a eficiência energética e as questões ambientais. É igualmente elaborada uma análise dos sistemas, configurações, tipos de equipamentos e fluidos refrigerantes mais utilizados a nível global, e em particular em Portugal, sendo esta última constituída de acordo com a informação de um projeto de investigação nacional sobre a utilização de energia e o consumo energético dos sistemas de refrigeração no sector agroindustrial.Finalmente, é apresentado um breve registo histórico da evolução dos programas de simulação energética, ferramentas essenciais na avaliação de medidas de eficiência energética, culminando com a análise da viabilidade técnica do software EnergyPlus, para modelação de sistemas de refrigeração industrial. Nesta perspetiva, identificam-se os procedimentos e caminhos a seguir em trabalhos futuros para a realização de exercícios detalhados de simulação energética de instalações industriais de refrigeração, que permitam evidenciar a sua mais-valia no estudo de medidas de eficiência energética.

Energy efficiency has become one of the most iconic issues/themes from the European Union’s energy and environmental policies, being the key element to reach the goals of the “20-20-20 Programme” by 2020. Regarding the turnover, the activity related to the use of refrigeration equipment for food processing and cold storage corresponds to a high representative industry sector, either in Portugal, in the European Union, or even worldwide. In this context, both facilities and refrigeration systems have been identified as being areas having the greatest potential for the implementation of energy-efficiency and energy-saving measures.Overcoming the lack of regulations applicable to the predominance of small and medium-sized enterprises, some energy-efficiency programmes have been implemented. However, they have proven to be insufficient on transferring results and recommendations to the agro-food industry. In this context, it is expected that the use of energy simulation tools applied to the refrigeration systems and facilities, and to other energy systems, would be able to provide reliable and useful information for this industrial sector. The dynamic simulation methodology demands an appropriate validation, comparing results with consumption breakdowns and energy analysis, obtained from detailed energy audits. On the other hand, the simulation model, and particularly the energy systems models must be correctly parameterized, in order to achieve an accurate convergence for the annual energy consumption. Nevertheless, the parameterization and technical characterization of the refrigeration systems, as well as simplification techniques commonly-used in dynamic simulation, require a thorough knowledge on the existing technological solutions, supported by theoretical fundamentals from the thermodynamic cycles taking place in it.Thus, a technological overview is presented, based on the theoretical analysis of the vapor compression cycle (among others, briefly analyzed), along with its components and most-common configurations, regarding always the energy efficiency and the environmental issues. An analysis of the most widely used systems, configurations, equipment types and refrigerants is also carried out at a global level, and then in Portugal, in particular, being the latter supported by the information from a national research project on the energy-use and energy consumption of the refrigeration systems in the agro-industry sector.Finally, a brief historical remark is presented aiming the evolution of the energy simulation programs, essential tools in the evaluation of energy-efficiency measures, culminating in the analysis of the technical feasibility on using the EnergyPlus software for modelling industrial refrigeration systems. Following this perspective, procedures and paths to be taken in future works, to perform detailed exercises on energy simulation of industrial refrigeration systems and facilities, are identified in order to demonstrate their added value for the study of energy-efficiency measures.