Comparative analysis of modern energy systems for ice rinks

Abstract

[ES] Las pistas de hielo son edificios comerciales que consumen mucha energía, con un consumo medio anual de 1,000 MWh, la mayor parte de la cual se utiliza para cubrir las demandas simultáneas de calefacción y refrigeración. El objetivo de esta tesis es encontrar el sistema energético más eficiente para las pistas de hielo evaluando diferentes modificaciones del sistema y refrigerantes. Se ha realizado un análisis comparativo de los sistemas energéticos de amoníaco, CO2 y propano basado en una pista de hielo representativa de los climas nórdicos. Una pista de hielo de amoníaco integrada tradicional consume unos 340 MWh al año para cubrir las demandas térmicas. Las medidas de eficiencia energética más prometedoras para el amoníaco son el uso de aqua amoníaco como fluido secundario y la utilización de una bomba de calor auxiliar para ayudar a cubrir las demandas de calefacción. Gracias a estas medidas, se puede conseguir un ahorro energético del 12.9%. Un sistema de CO2 transcrítico de última generación que utiliza compresión paralela consume aproximadamente un 42.6% menos de energía que un sistema de amoníaco convencional, lo que lo convierte en la solución más eficiente desde el punto de vista energético para pistas de hielo con un SPF de 7.5. El buen rendimiento está ligado en gran medida a la posibilidad de operar los sistemas de CO2 como sistemas directos, eliminando la necesidad de transferencia indirecta de calor y minimizando el consumo de energía de los equipos auxiliares. El propano, que aún no se ha investigado como refrigerante en pistas de hielo, se evaluó y comparó con el amoníaco y el CO2. Un sistema moderno integrado de propano que utiliza compresión paralela y una bomba de calor auxiliar es más eficiente energéticamente que un sistema tradicional de amoníaco, pero requiere más energía que los sistemas modernos de amoníaco o CO2. El propano demostró ser viable y representa una posible solución alternativa en las pistas de hielo. La recuperación del calor residual es beneficiosa en todos los sistemas y debería ser una característica clave en los sistemas energéticos de las pistas de hielo. Todos los sistemas utilizan refrigerantes respetuosos con el medio ambiente y su impacto ambiental es casi exclusivamente indirecto y causado por el consumo de electricidad.

[EN] Ice rinks are highly energy-intensive commercial buildings with an average annual energy consumption of 1,000 MWh, most of it being used to cover the simultaneous heating and cooling demands. The aim of this thesis is to find the most energy efficient energy system for ice rinks by evaluating different system modifications and refrigerants. A comparative analysis of ammonia, CO2 and propane energy systems based on a representative ice rink for northern climates has been conducted. A traditional integrated ammonia ice rink consumes about 340 MWh per year to cover the thermal demands. The most promising energy efficiency measures for ammonia are using aqua ammonia as the secondary fluid and using an auxiliary heat pump to aid with covering heating demands. Thanks to these measures, energy savings of 12.9% can be achieved. A state-of-the-art trans-critical CO2 system using parallel compression consumes approximately 42.6% less energy than a conventional ammonia system, making it the most energy efficient solution for ice rinks with an SPF of 7.5. The good performance is largely linked to the possibility of operating CO2 systems as direct systems, eliminating the need for indirect heat transfer and minimizing auxiliary equipment energy consumption. Propane, which has not been investigated as a refrigerant in ice rinks yet, was evaluated and compared against ammonia and CO2. A modern integrated propane system using parallel compression and an auxiliary heat pump is more energy efficient than a traditional ammonia system but requires more energy than modern ammonia or CO2 systems. Propane proved to be feasible and represents a potential alternative solution in ice rinks. Waste heat recovery is beneficial in every system and should be a key feature in ice rink energy systems. All systems use environmentally friendly refrigerants and their environmental impact is almost exclusively indirect and caused by electricity consumption.