Energibruk i supermarkeder er blant de høyeste innefor bygningssektoren i Norge. Norske supermarkeder har typisk et årlig energibehov på mellom 400 og 600 kWh/m^2 . Opp mot 50 % av dette totale energibehovet går til kuldeanlegg for kjøling og frysing av produkter for salg, både til fremvisning og lagring. Samtidig stilles høye krav til ventilasjon og belysning i butikkarealene. Energisystemer i supermarkeder opererer etter strenge krav og kriterier, som ofte er motstridende for kunder og matvarer, når det kommer til temperaturer og luftstrømning. Nye og energieffektive energisystemer for å tilfredsstille både kulde- og varmebehov i supermarkeder kan derfor bidra til å redusere energiforbruket i denne delen av bygningssektoren. Hovedmålet i denne oppgaven er å utføre transiente simuleringer for fullskala kuldeanlegg i supermarkeder, der CO2 benyttes som eneste kuldemedium. Det ble først gjort en litteraturstudie, der ulike systemløsninger for kuldeanlegg i supermarkeder ble vurdert med hensyn på energieffektivitet ved bruk i ulike klima. Et utvalg endringer/utbedringer som kan bidra til økt energieffektivitet for de ulike systemløsningene er vist, og effekten av disse utberingene er vurdert med tanke på COP og kjølekapasitet. Potensialet for bruka av varmegjenvinning fra kuldeanlegg for å dekke oppvarmingsbehov i supermarkeder er presentert, og ulike systemløsninger for bruk av varmegjenvinning er vist. Det er utført transiente simuleringer for tre ulike systemløsninger: 1. Booster-løsning med bypass av flashgass i høytrykkskrets 2. Booster-løsning med parallell kompresjon av flashgass i høytrykkskrets 3. Booster-løsning med bypass av flashgass og bruk av varmegjenvinning fra gasskjøler/kondensator Temperaturdata for europeiske byer er benyttet i de transiente simuleringene. De fire byene er Trondheim, Athen, Moskva og Frankfurt. Det ble gjort simuleringer av perioder på et døgn for de tre systemløsningene, der de døgn med lavest og de døgn med høyest gjennomsnittstemperatur gjennom et år for de fire byene. For å sammenligne energieffektiviteten for de ulike systemløsningene, er det lagt vekt på det totale energibehovet for de ulike døgnsimuleringene. I dette totale energibehovet er energibehov til kompressorer, energibehov til vifte for varmeavgivelse fra gasskjøler/kondensator til omgivelsene og energibehov til oppvarming av ventilasjonsluft inkludert. I de simuleringer der varmegjenvinning ikke benyttes, er elektrisk oppvarming antatt. Resultatene fra simuleringene viste at i de døgn med lav omgivelsestemperatur var det systemløsningen der varmegjenvinning benyttes som resulterte i det laveste energibehovet. For simuleringene med høy omgivelsestemperatur, var det systemløsningen med parallell kompresjon av flashgass som viste det lavest energibehovet, for all de fire byene. Basert på resultatene fra døgnsimuleringene ble årlig energibehov for de tre systemløsningene beregnet for de fire ulike byene. Beregningene viste at systemløsning 3, der varmegjenvinning benyttes, resulterte i lavest årlig energibehov for alle de fire byene. For byene Trondheim, Athen, Moskva og Frankfurt kunne en se en reduksjon i totalt energibehov fra systemløsning 1 til systemløsning 3 på henholdsvis 40 %, 7 %, 36 % og 25 %. Andelen av det totale oppvarmingsbehovet som ble dekket ved varmegjenvinning for systemløsning 3 var da på henholdsvis 85 %, 35 %, 83 % og 71 %. For alle fire byene resulterte systemløsning 2 i en reduksjon i årlig energi behov i forhold til systemløsning 1 på mellom 3,6 % og 5,3 %, og reduksjonen var høyest, der omgivelsestemperaturen var høy i store deler av året. Resultatene fra simuleringene viser høy energieffektivitet for systemløsning 3, der varmegjenvinning benyttes. Ulike faktorer tilsier at forskjellen i totalt energibehov mellom systemløsning 3 og systemløsning 1 og 2 ikke vil være like stor, som det resultatene presentert her viser. Reguleringskurvene for optimalt gasskjøletrykk ved transkritisk drift av modellene viste seg å ikke være nøyaktig nok. Dette medfører et økt energibehov til viftedrift for å oppnå nødvendig nedkjøling av gasskjøleren. Dette kombinert med at gasskjøleren/kondensatoren ikke er detaljmodellert for bruk i de ulike byene, og en økning i luftmengden fra viften resulterer i en stor økning i trykkfall over luftsiden av gasskjøleren, kan være med å bidra til et for stort energibehov til viftedrift i de simuleringene der omgivelsestemperaturene er høye. Totalt sett gir simuleringene og beregningene gjort her viser at potensialet for reduksjon i årlig energibehov for supermarkeder ved bruk av varmegjenvinning er betydelig ved bruk på steder med forholdsvis kjølig klima.

Sammendrag Av mange grunner er det gunstig å operere med et lavt temperaturnivå i fjernvarmesystem. Dette reduserer tapene i nettet, og kan forbedre ytelsen til de varmeproduserende enhetene i fjernvarmesystemet. Det er interessant å undersøke hvordan skjerpede krav til bygningers varmetap påvirker temperaturnivået på primær- og sekundærside. Behovet for varming av ventilasjonsluft og varmt tappevann forventes å endres relativt mindre enn romoppvarming, derfor er det en ide at dette vil påvirke det sekundære temperaturnivået. Det er gjort litteraturstudie av hvor mye redusert temperaturnivå i fjernvarmesystem påvirker kostnadene ved å produsere og distribuere varme og simulert hvilken innvirkning dette har på kapasitet, effektkostnad og temperaturdynamikk på sekundærsiden der varmen leveres. Resultatene viser bl.a. at varmeproduksjonskostnaden[kr/kWh] reduseres mest for varmepumper, men også mye for spillvarme og forbrenningsanlegg som benytter røykgasskondensering ved redusert temperaturnivå. Andre kostnadsposter er også studert, som økt pumpearbeid, dårligere kapasitetsutnyttelse med lavere avkjølning og mindre varmetap fra rørnett med lavere turtemperatur. Resultatet er at et redusert temperaturnivå gir små endringer i varmeproduksjonskostnaden grunnet økt pumpearbeid og mindre varmetap fra rørnett. Et redusert temperaturnivå på primærsiden må gjenspeiles i et redusert sekundært temperaturnivå, siden temperaturnivået på primær- og sekundærside gjensidig påvirker hverandre. Det er undersøkt teori knyttet til hvordan temperaturdynamikken fungerer i abonnentsentralen i forhold til å redusere temperaturnivået. Redusert turtemperatur gir lavere kapasitet på primærsiden og som en konsekvens av dette lavere kapasitet på sekundærsiden. Simuleringer i ChessWin for redusering av turtemperaturen på primærsiden fra 120 – 90 °C, viser at kapasiteten til radiatorsystemet og oppvarmingssystemet som helhet reduseres med ca 1 % per °C redusert turtemperatur. Kapasiteten til varmebatteriet påvirkes også siden den sekundære kapasiteten gjør det, men det viser seg at konstant kapasitet kan oppnås ved å øke varmegjenvinningsgraden til varmegjenvinneren med 5 – 10 %. Effektkostnadene øker omvendt proporsjonalt med kapasiteten, dvs. 1 % økning per °C redusert turtemperatur på primærsiden. Endringen av effektbehovene til oppvarming av rom og ventilasjonsluft gitt av kravene til passivhus og TEK 10 er simulert ChessWin for å avgjøre hvordan den sekundære dynamikken påvirker temperaturnivået på fjernvarmen. Resultatene viser at effektbehovene fra passivhuskravene gir 2 K lavere returtemperatur på sekundær- og primærsiden enn det kravene fra TEK 10 gir. Dette kommer av at returtemperaturen er lavere på varmebatteriet enn radiatorsystemet, og at det er relativt større effektbehov på varmebatteriet i forhold til radiatorene for passivhus i forhold til i TEK 10. Det er tydelig er at det relative forholdet mellom effektbehovet for rom- og ventilasjonsluftoppvarming har liten innflytelse på temperaturnivået både på sekundærsiden og primærsiden. Simuleringene viser at massestrømmen til radiatorsystemet er mye større enn den til varmebatteriet sett i forhold til effektbehovet. Dette kommer av at varmebatteriet utnytter returledningen, noe som påvirker innflytelsen av returtemperaturen fra varmebatteriet på sekundærsiden. Det er også analysert ved å simulere, hvordan et lavere temperaturnivå på radiatorsystemet(70/55 kontra 80/60 °C) påvirkes av et lavere temperaturnivå på fjernvarmen. Dette gir mye større effekt på avkjølningen på primærsiden enn endret effektbehov fra nye energikrav til bygg gir. Særlig ved lavere temperaturer på primærsiden, vil et lavere temperaturnivå på radiatorsystemet gi en mye større avkjølning på primærsiden. Dette verifiserer at et lavt temperaturnivå på primærsiden er avhengig av et lavt temperaturnivå på radiatorsystemet for å oppnå optima returtemperatur på primærsiden. Konklusjonen av simuleringer med litteratursøk er at for å kunne redusere temperaturnivået i fjernvarme må det fokuseres på radiatorsystemets temperaturnivå. Endringen av effektbehov med bakgrunn i nye byggforskrifter som begrenser energibruken vil påvirke temperaturnivået minimalt. Gevinsten av å redusere temperaturnivået er potensielt stor gitt at fjernvarmesystemet benytter varmekilder med stor følsomhet for temperaturnivået og en høy varmeproduksjonskostnad.

This thesis discusses particle resuspension from surfaces caused by particle impaction. The thesis also focuses on particle transport and different transport mechanisms regarding different particle sizes. The transport mechanisms are important both for deposition and impaction, and thereby resuspension. An introductory to turbulent flows, which is important for particle transportation, is included. A comprehensive talk about particle-surface interface such as adhesion forces and elastic deformation is also given in the thesis. Regarding collisions theories, both qualitative and quantitative experiments and models will be presented, discussed and retested through a parameter study. Three models are selected among those presented, recommended for programming, and further implemented as MATLAB-scripts. These models cover a broad range of possible collisions; vertical, oblique and horizontal. A parameter study reviled the relative importance of different model parameters. The turbulent intensity was among the parameter studied. Parallel to the literature survey and model programming, a test rig was build. The candidate participated in the startup period and did calibration experiments regarding the flow speed and flow rates at different fan speeds. In future studies a comprehensive particle fouling experiment will be carried out on this test rig. Suggestions to future studies are given at the end of the thesis.

I denne studien er en forsøksrigg konstruert for å undersøke en ejektorkrets med CO2 som kuldemedie. Disse forsøksdataene blir videre benyttet for å beregne energieffektiviseringspotensialet ved å implementere et ejektorsystem sammen med et kuldeanlegg. Underkjøling av kuldemediet (NH3) ut av kondensatoren til kuldeanlegget, viste seg å være den systemløsningen som gir best energieffektivisering. I dette tilfellet ble COP økt med 2,5% og kompressorarbeidet redusert med 2,6%. Ejektorsystemets begrensende parameter er trykkforholdet Π. Det største trykkforholdet ble målt til 1,23 noe som tilsvarte et temperaturløft på 8,11 °C. Når temperaturdifferansene i varmevekslerene blir medregnet vil dette temperaturløftet reduseres raskt. Det nevnte temperaturløftet ble målt ved lav kuldeytelse i ejektorsystemet (lavt massestrømforhold Φm). Når massestrømforholdet og dermed kuldefaktoren økes, vil temperaturløftet reduseres ytterligere. Dette begrenser i stor grad hvor stor energieffektivisering som kan oppnås med et CO2-ejektorsystem. To datamodeller ble forsøkt verifisert opp mot forsøksresultatene. En enkel en-dimensjonal modell viste seg å være dårlig egnet for å benyttes med CO2 som kuldemedie. En mer omfattende modell utviklet av SINTEF Energi AS ble med små avvik i massestrøm inn på drivdysen, verifisert opp mot forsøksresultatene.

An experimental investigation is presented of unsteady N2-H2 jet flames in a co-flow of hot combustion products of lean premixed hydrogen combustion. The unsteady jet flame is characterized by rapid ignition followed by a gradually blowout of the flame. Audio recordings and Schlieren imaging high speed videos are used to investigate the unsteady flame. The frequency of the blowout-re-ignition event is investigated as a function of nitrogen dilution mole fraction (YN2=0.180-0.566), co-flow equivalence ratio (Phi=0.20-0.27) and jet velocity (Vjet=300-500 m/s). The results from the audio recordings and Schlieren imaging high speed videos indicate that re-ignition of the flame occurs as a result of autoignition. The ignition frequency increases with increasing nitrogen dilution mole fraction until a maximum frequency is reached of about 20-27 Hz. After the maximum frequency is reached the frequency decreases with a further increase of the nitrogen dilution mole fraction until the flame is completely blown out. By increasing the co-flow equivalence ratio the flame becomes unsteady and blown out at increasing nitrogen dilution mole fractions. The range of nitrogen dilution mole fractions over which the flame is unsteady is decreasing with increasing co-flow equivalence ratio. By increasing the jet velocity the flame with low co-flow equivalence ratios (Phi=0.20-0.22) becomes unsteady and blown out for decreasing nitrogen dilution mole fractions. For higher co-flow equivalence ratios (Phi=0.24-0.27) the range of nitrogen dilution mole fractions over which the flame is unsteady increases with increasing velocity. An increase in the velocity at higher co-flow equivalence ratios leads to an unsteady flame for lower nitrogen dilution mole fractions and a blown out flame for higher nitrogen dilution mole fractions. These results suggests that the autoignition phenomena of the N2-H2 jet flame issued into a vitiated co-flow is controlled by both chemistry and turbulent mixing. The results from the audio recordings and the Schlieren imaging high speed videos correspond well. This gives confidence to using audio recordings as a method of diagnostics of unsteady hydrogen jet flames.

Energy from wood biomass is one of the prioritized areas of focus in current Norwegian energy politics. The prevailing perception of bioenergy is that it is climate neutral, making this strategy appear to be an effective measure in combating climate change. Furthermore, bioenergy is considered to be relatively source of energy, and steadily increasing Norwegian forests imply huge amounts of wood available. However, not all of this wood is easily accessible with current technology and market situations (i.e. prices). As wood also is used for many other purposes, mainly construction and paper production, the bioenergy industry will have to compete with these other industries for the access to raw materials. A change in current utilization of our wood resources is in this thesis assessed in an environmental perspective in order to better understand how such a shift would influence the overall environmental impacts. First, a wood flow mapping of the current (2006) situation was carried out and applied in a ‘hybrid life cycle assessment’ model utilizing life cycle inventories which represent the industries within the Norwegian wood products sector. Then, an alternative wood flow scenario where more wood were used for bioenergy purposes, at the expense of reduced domestic paper- and wood panel production, was studied. Besides from being highly representative for Norwegian conditions, the model was developed with the intention of being able to show the breakdown of environmental impacts for both for entire sector as well as for specific products and industries. Furthermore, in contrast to the current dominant perception, recent research has pointed to the fact that the resulting greenhouse gas emissions from combustion of biomass will have a significant climate change impact even if new biomass is replanted immediately, as the gases will spend a considerable time in the atmosphere before being absorbed. This new insight may seriously influence the perceived effectiveness of bioenergy in climate change mitigation efforts. Consequently, it was considered valuable to include estimated climate change impact potentials of biogenic carbon emissions (CO2 and CH4) in this assessment. Although the developed model probably should be further refined before ultimate conclusions are made based on the assessment results, some important observations can be commented. First of all, it was clearly shown that whether or not climate change impacts from biogenic carbon emissions are considered is highly relevant to the overall climate change mitigation effect of bioenergy. Still, even when these are included there are considerable environmental gains when e.g. substituting fossil energy with wood-based bioenergy. Secondly, the results illustrate how impacts from different environmental impact categories are distributed within the wood products sector (pulp & paper production clearly being the dominant industry), within the products’ value chains and for the overall system (characterized by the impacts from paper- and heat production as well as the use of transportation fuels).

Abstract The LNG production plant processing natural gas from the Snøhvit field outside Hammerfest in northern Norway utilizes heat and power produced locally with gas turbines. Building a new production train supplied with electricity from the power grid is being evaluated as a possible solution for reducing CO2 emissions from the plant. Buying electricity from the grid rather than producing it in a combined heat and power plant makes it necessary to find new ways to cover the heat loads at the production plant. A project thesis was written in the fall semester 2010 evaluating the possibility of generating the necessary heat with heat pumps. It was concluded that parts of the required heat could be delivered with reasonable efficiencies using heat pumps. Further, a heat pump delivering heat to the CO2-removal system was analyzed. Simulations showed that the required heat load, reaching approximately 62 MW at full production, could be delivered from a heat pump using butane as working fluid. The electrical power consumption for the compressors would be 23.3 MW, giving the heat pump a COP of 2.66. In this master thesis the heat pump suggested earlier is analyzed, focusing on identifying losses. Several possible changes that will enhance the heat pump’s efficiency are suggested. The use of other workings fluids and mixed refrigerants are analyzed as well, using the process simulation software Pro/II. The simulations indicates that the heat pump should be equipped with a flash tank at middle pressure, thereby reducing throttling losses and required mass flows through the evaporators. In addition, the suction gas should be overheated as much as possible. Using mixed refrigerants lowers the efficiency of the heat pump. Finally, two new systems are suggested: One with butane as workings fluid and one with pentane, both with flash tank at middle pressure and superheated suction gas. The pentane-system gives the highest system COP, but requires much bigger compressors than the butane-system. The table shows the most important results. Working fluid Electrical power consumption [MW] Volume flow suction gas [m3/h] COP Butane (C4H10) 18.6 55000 3.35 Pentane (C5H12) 17.5 150000 3.54 The power grid electricity is assumed to have been produced without any CO2 emissions. Covering the heat required by the CO2 removal system with a gas fired furnace would generate CO2 emissions of approximately 120,000 tons per year. Heat pumps are a good solution because they deliver relatively cheap heat without these CO2 emissions.

Since early the early 20th century the electrical tumble dryer became an appliance to dry clothes. During many years of improvements different configurations to solve issues on decreased drying time and more energy efficient solutions has been performed. Several different configurations have been developed; air vented dryers, condensing dryers and the most recent heat pump dryers. The heat pumps in drying technology became the next solution based on improved drying time and decreased energy consumption. With today’s focus on energy consumption, with energy demanding appliance such as the clothes dryer; new technology that satisfy the customers need must be available. By introducing the heat pump to the drying technology, a suitable refrigerant must be chosen. The choice should be based on several factors; the performance of the heat pump and the refrigerants GWP and ODP values, its toxicity and safety for the consumer. This report is based on a heat pump dryer made for an R134a system. R134a has a global warming potential (GWP) 1300 times the value of R744 (carbon dioxide). This report will present the feasibility of replacing the R134a system with a system designed for carbon dioxide as refrigerant. Carbon dioxide or R744 is a natural refrigerant, and it is in contrast to other commonly used refrigerants operating in the transcritical region. This implies that the heat rejection is performed with gliding temperature exchange, not by condensation as for the R134a. This is due to the low critical temperature of carbon dioxide; a critical pressure of 73.8 Bara and a critical temperature of 31.1˚C. Despite the required high pressures, the heat exchange properties of carbon dioxide in the critical region are very good, and new technology can take advantage of this. By SINTEF developed simulation tool HX SIM Basic 2007, based on results from the R134a cycle, heat exchangers have been designed to reach the optimal solution. The capacity of the heat changers and the compressor will be the same as the R134a system. The system is built with a manual throttling valve in parallel to a capillary tube, during the experiments the system will be tested to find the most optimal set point. Evaporating pressures from 40 to 50 Bara and gas cooler pressures from critical pressures to 120 Bara have been applied in the experiments. The main purpose of the experiments is to find a system design that will fulfil both energy saving requirements and have a simple enough construction for it to be a market product. Based on the experiments on this first prototype and the results obtained; a conclusion is that the dryer with CO2 as refrigerant is using marginally more energy than the R134a system. However this is a first prototype and its potential should be investigated further.

Effekt av overflateruhet på diffusorstrømningMasteroppgave av Roy-Andre Midtgård, med veileder professor Per-Åge Krogstad.Formålet med dette prosjektet er å studere effekten av overflateruhet på et turbulent grensesjikt utsatt for en motvirkende trykkgradient. For å gjøre dette studeres det nedre grensesjiktet i en diffusorstrømning. To strømningstilfeller undersøkes og sammenlignes. I det ene tilfellet er bunnen av diffusoren glatt og jevn. I det andre tilfellet er bunnen dekket med periodiske ruhetselementer. Arbeidsverktøyet i dette studiet er numeriske beregningsverktøy, CFD. Programmene ANSYS Gambit/Fluent benyttes [1].Ved bruk av turbulensmodellene k-ϵ, k-ϵ RNG, standard k-ω og k-ω SST er det funnet konsistente resultater. Disse sammenlignes med forsøksresultater fra dr. Ing rapporten til Per Egil Skåre [2]. Simuleringsresultatene korrelerer til dels godt med forsøksresultatene, men de oppfyller i motsetning til Skåre ikke kravene til likevekt av turbulent produksjon og dissipasjon i grensesjiktet. Turbulensmodellene k-ϵ RNG og k-ω SST benyttes på det andre strømningstilfellet, og resultatene vurderes mot resultatene fra det første strømningstilfellet. Simuleringsresultatene fra k-ω SST indikerer en global separasjon av strømningen i grensesjiktet. Simuleringsresultatene fra k-ϵ RNG indikerer imidlertid ikke global separasjon. Skalert med indre variable finnes stigningstallet i det overlappende området til 0.54, altså 29 % høyere en von Kàrmàn konstanten på 0.418. Forflyttningen ned langs u+-aksen finnes til verdier mellom 12 og 15. Felles for simuleringsresultatene i strømningstilfelle 2 er det at ingen av dem oppfyller kravene til likevekt. Noe av årsaken til de nevnte avvikene mellom turbulensmodellene kan skyldes tilnærmelser i turbulensmodellene eller numerisk diffusjon. Det er også en mulighet for at trykkgradienten i diffusoren ikke er sterk nok til å danne likevekt gjennom måleområdet.

The aim of this study is to define several methods that enable to estimate the heat exchanged in the different components of an air handling unit (AHU), and propose control strategy optimizations. The AHU studied is a part of a low energy office building located in Norway. The focus is especially made on its rotary heat recovery system, its heating/cooling coil and its heating coil. The data of one month recorded by the building energy management system (BEMS) have been used. The heat exchanged estimation methods presented in this paper are based on heat balances, valve positions and heat exchangers number of transfer unit (NTU). Comparison of the results obtained with the different methods outlined a poor quality of the valves positions signals. This fact has also been confirmed using a statistical method, the principal component analysis (PCA). Because of this issue, the methods proposed have not been validated. Regarding control strategy optimization, the use of a heat exchanged estimation method is required. The estimation method based on NTU has been used as reference, since this method does not use the valves positions signals. The goals of control strategy optimization are to reduce the energy costs and the CO2 emission. The proposed improvements are based on a new distribution between components of input heat, regarding the specific energy cost and CO2 emission of components. The tested optimizations gave better results that the current control strategy, but since the method used as reference has not been validated, these conclusions have to be confirmed after a resolution of the valves positions signals problems.