Supermarkeder spiller en afgørende rolle i vores samfund på flere fronter. De giver adgang til en bred vifte af essentielle varer, bidrager til fødevaresikkerhed, fremmer fællesskabsforbindelser og stimulerer økonomisk aktivitet både direkte gennem ansættelse i butikken og indirekte gennem hele kæden af leverandører, distributører og serviceudbydere. Ikke desto mindre ligger der bag de fyldte gange og pænt arrangerede hylder en stor energiudfordring
Artiklen har været bragt i HVAC Magasinet nr. 6, 2025 og kan læses uden illustrationer herunder (læs originalartiklen her)
Af Francesco D’Ettore, Teknologisk Institut, Lars Larsen og Torben Green, Danfoss, og Rasmus Gøttsch, AK Centralen
Ifølge et studie af Zhang & Eikevik er supermarkeder i gennemsnit ansvarlige for cirka 3-4 procent af elforbruget i industrialiserede lande. En undersøgelse af Karampour, Sawalha & Arias viser, at op mod 50 procent af dette forbrug er relateret til kølesystemer, der bruges til at køle salgskølemøbler og kølerum, hvor der opbevares mad. Opvarmning, ventilation og aircondition (HVAC) sammen med belysning udgør resten. Herudover bidrager supermarkeder direkte og indirekte til udledning af drivhusgasser.
Direkte udledninger stammer fra lækager fra HVAC- og kølesystemer, mens indirekte udledninger er relateret til supermarkedets elforbrug. Når der bruges syntetiske kølemidler i stedet for CO2, som for eksempel HFC, udgør deres høje drivhuseffekt en betydelig miljømæssig bekymring.
Det er derfor tydeligt, at en stræben efter større energieffektivitet i supermarkeder ikke kun er et økonomisk spørgsmål, men også et afgørende skridt mod at mindske deres miljømæssige påvirkning og i overensstemmelse med det stigende fokus på en mere bæredygtig og miljøbevidst forretningspraksis.
Data skal omdannes til viden, der kan handles på
Digitalisering kan ikke ignoreres, hvis miljøbelastningen skal reduceres. Vi er vidne til en eksponentiel vækst i mængden af virksomhedernes data, der er katalyseret af den hurtige udvikling af digitalisering og tekniske fremskridt inden for informations- og kommunikationsteknologier. Ikke desto mindre er evnen til at udnytte denne voksende datamængde til at skabe værdi stadig begrænset – cirka 70 procent af disse oplysninger forbliver uudnyttede (data fra Seagate Technology).
Digitale tvillinger er opstået som en stærk teknologi, der er i stand til at omdanne data til viden, der kan handles på. Som navnet antyder, er det en virtuel repræsentation af fysiske systemer eller processer baseret på avancerede modelleringsalgoritmer, der spejler adfærden hos deres virkelige modparter over i en digital verden. Og når de integreres med realtidsdata, tilbyder de digitale tvillinger en omfattende simuleringsplatform til overvågning, analyse og optimering af driften af kommercielle kølesystemer.
Bedre forståelse af dynamiske driftsbetingelser
Finansieret af EUDP har projektet “Digital Twin for large-scale heat pumps and refrigeration systems” haft til formål at realisere potentialet i data og digitalisering til at udvikle tilpasningsdygtige, modulære og genanvendelige digitale værktøjer, der kan styrke supermarkedskølebranchen ved at tilbyde avancerede overvågningsmuligheder, effektiv fejldetektion og -diagnose samt energioptimeret drift.
Projektets vigtigste resultater for kommercielle kølesystemer viser, hvordan digitale tvillinger kan hjælpe med at forstå de dynamiske driftsbetingelser for komplekse termodynamiske systemer, som for eksempel CO2-booster-systemer, og på baggrund af dette identificere omkostningsoptimale driftsbetingelser.
Digitale tvillingers potentiale i supermarkedskøling
Energiforbruget til køleanlæggets kompressorer er en væsentlig del af supermarkeders energiforbrug. Det udgør cirka 25 procent af det samlede energiforbrug, og det påvirkes kraftigt af de trykforskelle, som kompressorerne skal overvinde. Ifølge Larsen et al. er et højere sugetryk en af de mest effektive måder at reducere trykforskellen på og dermed øge energi- og omkostningseffektiviteten.
I moderne kølesystemer justerer automatikken kompressorkapaciteten efter sætpunktet for sugetrykket som følge af variationen af kølebelastningen. Driftsdata viser imidlertid, at når temperaturen på supermarkedets kølemøbler er termostatisk styret, så svinger dette tryk markant på grund af den dynamiske interaktion mellem kølemøblernes termostater og anlægsstyringen. Dette mistænktes for at føre til et øget energiforbrug og et øget antal af kompressorstart og -stop.
På baggrund af dette gik projektet i gang med at bruge en digital tvilling af et kommercielt CO2-kølesystem for at undersøge de gensidige interaktioner mellem disse to styringer ved at afprøve forskellige kontrolløsninger og vurdere virkningen på tryksvingningerne og på kompressorernes energiforbrug, og baseret på dette at identificere anbefalinger til bedre kontrolløsninger.
Udvikling af model for digital tvilling
Modellen blev udviklet på basis af supermarkedet Fakta i Otterup (DK). Dette valg bygger på den store mængde data, der var tilgængelig for dette supermarked til modeludvikling og validering på grund af analyse af supermarkedet foretaget i et tidligere forskningsprojekt.
Kompressorerne for medium temperatur (MT) til køling af ferskvarer består af en regulerbar og en ureguleret kompressor. Den maksimale kapacitet af den variable hastighedskompressor er cirka 80 procent af kapaciteten af den faste hastighedskompressor, hvilket kun sikrer en kontinuerlig kapacitetsregulering i en del af arbejdsområdet.
Omvendt består kompressorerne for lav temperatur (LT) til køling af frostvarer af to uregulerede kompressorer, der giver trinvis kapacitetsstyring. På trods af muligheden for en mere jævn regulering lider MT-kompressorerne af et effektivitetstab under dellast og start/stop af den første kompressor. Hvad angår kølemøblerne, så består MT og LT af henholdsvis syv og fire fordampere, der er i drift nat og dag ved en konstant fordampningstemperatur på henholdsvis -8°C og -30°C.
Vurdering af præstationer i simuleringsværktøjer
En digital tvilling – en analytisk/numerisk model – blev udviklet i Modelica ved hjælp af TIL Suite, et eksternt bibliotek fra TLK-Thermo, som indeholder et bredt udvalg af modeller til modellering af termodynamiske systemer. Disse modeller er fuldt ud baseret på fysiske love, dvs. kontinuitet, bevægelsesmængde og energiligninger, og de har den fordel, at deres parametre er fuldt ud fortolkelige.
Dette betyder, at de kan identificeres ud fra ekspertviden og fabrikantens datablade. På grund af begrænset information om kølemøblerne blev disse modelleret ved hjælp af såkaldte “grey box”-modeller, som estimerer de ukendte parametre i en defineret modelstruktur (udledt fra tidligere fysisk viden) direkte fra data ved hjælp af statistiske metoder. Til sidst blev den samlede model eksporteret som en funktionel mock-up enhed og integreret i MATLAB, hvor den blev koblet med en Simulink-model af anlæggets Danfoss-styring for CO2-kølesystemer. Kombinationen af de to modeller muliggjorde en analyse af den dynamiske interaktion mellem kontrolaktionerne og systemresponsen.
Med hjælp af denne model blev der derefter foretaget sammenligninger mellem de oprindelige kabinetter og anlægskontrolstrategier (baseline) og forbedrede strategier, der sigtede mod at opretholde et højere og mere stabilt fordampningstryk for at vurdere det relative besparelsespotentiale. Præstationer blev vurderet i form af et årligt strømforbrug for kompressorerne, effektiviteten (COP) og antallet af kompressorstart/stop. De undersøgte kontrolindstillinger blev til sidst testet og demonstreret i et fysisk supermarked.
Simuleringsresultater viser forbedringsmuligheder
Skift fra termostatisk til modulerende kontrol førte til en forbedring i årlig effektivitet (COP) på cirka 2-2,5 procent for LT-kompressorerne og cirka 7 procent for MT-kompressorerne. Der blev også vist en betydelig reduktion i det gennemsnitlige antal af kompressorstart/stop.
Den lavere præstation af de uregulerede kompressorer (LT) skyldtes dellast-betingelser, der opstod om natten, hvilket tvang den første kompressor til hyppige start/stop. I den forbindelse er det værd at bemærke, at for at undgå hyppige cyklusser stopper den første kompressor kun efter en pump-down-fase, der sænker fordampningstrykket og øger energiforbruget af kompressorgruppen. Der blev imidlertid ikke observeret nogen signifikant forbedring, når driftstilstanden for kølemøblernes termostater blev skiftet fra termostatisk til modulerende.
Hvad angår MT-kompressorerne, blev det bemærket, at under modulerende temperaturkontrol var den variable kompressor i stand til at køre inden for sine nominelle driftsbetingelser og dermed minimere stop/startdrift under dellast det meste af tiden. Termostatisk temperaturkontrol resulterede derimod i lavere præstation på grund af dellast, som fremtvang hyppige kompressorstop og pump-down-perioder, som det var tilfældet med LT-kompressorerne.
Det konkluderes derfor, at de mest omkostnings- og energieffektive driftsforhold for et supermarkedskølesystem kan opnås ved at anvende hastighedsregulerbare kompressorer og modulerende regulering af temperaturen på kølemøblerne. Dette sikrer en mere stabil belastning og dermed en mere stabil og effektiv drift af kompressorerne. Det er dog værd at understrege, at dette skal følges af en korrekt dimensionering af kompressorerne, så den variable hastighedskompressor kan køre tæt på sin nominelle hastighed det meste af tiden. Omvendt, hvis der kun anvendes få og uregulerede kompressorer, har driftsstanden for termostaten på kølemøblerne ikke en signifikant indvirkning på systemets præstation.
Feltprøver og håndgribelige energibesparelser
Feltprøver bekræftede simuleringsresultaterne og demonstrerer effektiviteten af digitale tvillinger til at optimere køleanlægget. Foto 2 viser variationen af fordampningstrykket for LT- og MT-kompressorerne før og efter ændringen i styringen, som bestod i at skifte kølemøblernes kontroltilstand fra termostatisk til modulerende temperaturregulering (MTR-Modulating Temperature Regulation).
Under MTR viser fordampningstrykket en højere stabilitet med udsving, der er halvt så store som for termostatisk tilstand både nat og dag. De resterende svingninger skyldes sandsynligvis styringens neutralzone, som har til formål at undgå for hyppige skift i reguleringstilstand. Det bør også bemærkes, hvordan ændringer fra termostatisk til MTR påvirkede det gennemsnitlige fordampningstryk positivt, hvor det for MT-kompressorerne steg fra -7,3°C til -3,9°C om dagen og fra -11,3°C til -2,9°C om natten. En lignende ændring kan bemærkes for LT-kompressorerne, selvom stigningen i det gennemsnitlige sugetryk var mindre udtalt, idet det skiftede fra -30,9°C til -29,1°C om dagen og fra -29,4°C til -27,4°C om natten.
Overgangen fra termostatisk til modulerende temperaturkontrol har ikke kun stabiliseret systemets drift, men har også ført til betydelige reduktioner i kompressorernes strømforbrug. Faktisk er kompressorernes strømforbrug i MTR-tilstand i gennemsnit 5-6 procent lavere på tværs af hele driftsområdet end ved termostatisk kontrol. Det kan derfor argumenteres for, at det årlige energiforbrug måske kan reduceres tilsvarende.
Innovation for bedre køleanlæg
De empiriske resultater er et godt eksempel på effekten af digitale tvillinger med henblik på at opnå energibesparelser og driftsforbedringer i supermarkedskølesystemer. Da supermarkeder stræber efter at begrænse miljøpåvirkningen, reducere driftsomkostninger og forbedre køleanlæggets pålidelighed, understreges vigtigheden af at anvende digitale tvillinger.
Dertil vil digitale tvillinger, sammen med avanceret analyse, maskinlæringsalgoritmer og IoT-sensorer, bane vejen for autonome og selvregulerende styringer, der kan tilpasse sig systemudformninger og dynamiske driftsfaktorer og dermed muliggøre, at supermarkeder opnår højere effektivitet, lavere driftsomkostninger og kommer et skridt nærmere bæredygtighed.
