Ανάπτυξη μοντέλου ψύκτη απορρόφησης στη Matlab για δυναμική προσομοίωση συστήματος ηλιακού κλιματισμού με το λογισμικό TRNSYS

Τζίννης, Ευστράτιος - Στυλιανός; Tzinnis, Efstratios - Stylianos

dc.contributor.author	Τζίννης, Ευστράτιος - Στυλιανός	el
dc.contributor.author	Tzinnis, Efstratios - Stylianos	en
dc.date.accessioned	2016-09-08T11:49:54Z
dc.date.available	2016-09-08T11:49:54Z
dc.date.issued	2016-09-08
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/43437
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.12775
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ψύξη	el
dc.subject	Απορρόφηση	el
dc.subject	Ηλιακός κλιματισμός	el
dc.subject	TRNSYS	en
dc.subject	Cooling	en
dc.subject	Absorption	en
dc.subject	LiBr	en
dc.subject	Solar cooling	en
dc.title	Ανάπτυξη μοντέλου ψύκτη απορρόφησης στη Matlab για δυναμική προσομοίωση συστήματος ηλιακού κλιματισμού με το λογισμικό TRNSYS	el
heal.type	bachelorThesis
heal.secondaryTitle	Model development of an absorption chiller in Matlab for dynamic simulation of a solar cooling system with TRNSYS	en
heal.classification	Ηλιακός κλιματισμός	el
heal.classification	Θέρμανση – Ψύξη – Κλιματισμός	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/e28f7158e6b5a7ea8a761c16a60839b122429a60
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2016-07-07
heal.abstract	Η ενεργειακή εξοικονόμηση αποτελεί κύριο πεδίο μελέτης τα τελευταία χρόνια σε όλες τις εφαρμογές, οικιακές, επαγγελματικές ή βιομηχανικές. Η σταδιακή εξάντληση των ορυκτών καυσίμων και το επιβλαβές ενεργειακό αποτύπωμα αυτών έχει οδηγήσει την επιστημονική κοινότητα στην μελέτη της βελτιστοποίησης της εκμετάλλευσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η ηλιακή ενέργεια αποτελεί μία από τις καθαρότερες μορφές ενέργειας και το κατεξοχήν αντικείμενο έρευνας προς αυτήν την κατεύθυνση λόγω της αστείρευτης πηγής της, τον ήλιο. Σε αυτήν τη κατεύθυνση κινούνται και τα συστήματα ηλιακού κλιματισμού τα οποία χρησιμοποιούν τη θερμότητα από την ηλιακή ακτινοβολία για την εξοικονόμηση της καταναλισκόμενης ηλεκτρικής ενέργειας και κατά συνέπεια των συμβατικών καυσίμων μέσω των οποίων η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται. Στην παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύξαμε ένα ολοκληρωμένο σύστημα ηλιακού κλιματισμού επαγγελματικού κτιρίου και μελετήσαμε την συμπεριφορά όλων των στοιχείων του μέσω δυναμικής προσομοίωσης. Η μονάδα ηλιακού κλιματισμού που χρησιμοποιήσαμε είναι ένας ψύκτης απορρόφησης μίας βαθμίδας διαλύματος Βρωμιούχου Λιθίου – νερού. Ο ψύκτης απορρόφησης σε πρώτο στάδιο αναλύθηκε θερμοδυναμικά και καθορίστηκε ο τρόπος λειτουργίας του. Στη συνέχεια αναπτύχθηκε ένας βασικός αλγόριθμος στη γλώσσα προγραμματισμού Matlab για τον υπολογισμό του θερμοδυναμικού κύκλου και εξετάστηκε παραμετρικά η συμπεριφορά του ψύκτη απορρόφησης. Η συμπεριφορά του εργαζόμενου διαλύματος και του ψυκτικού μέσου σε αυτόν τον κύκλο, επίσης μελετήθηκε μέσω αλγορίθμων στη Matlab. Οι ανεξάρτητες μεταβλητές του κύκλου ψύξεως στον ψύκτη απορρόφησης είναι η θερμοκρασία αναγέννησης του διαλύματος στον αναγεννητή, η θερμοκρασία συμπύκνωσης του ψυκτικού μέσου στον συμπυκνωτή, η θερμοκρασία ατμοποίησης του ψυκτικού μέσου στον ατμοποιητή, η θερμοκρασία απορρόφησης του διαλύματος στον απορροφητή και ο βαθμός απόδοσης του εναλλάκτη του διαλύματος. Η εξαρτημένη μεταβλητή του ψυκτικού κύκλου είναι ο βαθμός απόδοσης του ψύκτη απορρόφησης (COP). Τα αποτελέσματα της παραμετρικής μελέτης ως προς την επίδραση των ανεξάρτητων μεταβλητών στον βαθμό απόδοσης μας έδειξαν ότι η θερμοκρασία αναγέννησης σε συνδυασμό με τη θερμοκρασία συμπύκνωσης καθορίζουν το επιτρεπόμενο εύρος λειτουργίας του ψύκτη απορρόφησης και ότι υπάρχουν συγκεκριμένοι επιτρεπόμενοι συνδυασμοί αυτών των θερμοκρασιών που επιτρέπουν τη λειτουργία του ψύκτη απορρόφησης. Ακόμα αποδείχθηκε ότι η αύξηση της θερμοκρασιακής διαφοράς μεταξύ της θερμοκρασίας απορρόφησης και της θερμοκρασίας συμπύκνωσης επιδρά αρνητικά στον βαθμό απόδοσης του ψύκτη απορρόφησης. Στη συνέχεια αναλύθηκε η επικοινωνία του ψύκτη απορρόφησης με τις εξωτερικές πηγές υψηλής (για την τροφοδοσία) και χαμηλής (για την απόδοση της ψυκτικής ικανότητας) θερμότητας. Η σύνδεση του ψύκτη απορρόφησης με τις εξωτερικές πηγές έγινε μέσω εσωτερικών εναλλακτών θερμότητας στον αναγεννητή και τον ατμοποιητή οι οποίοι αναπτύχθηκαν επίσης μέσω αλγορίθμων στη Matlab. Το τελικό μοντέλο του ψύκτη απορρόφησης που αναπτύχθηκε στη Matlab επικοινωνεί με τις πηγές θερμότητας μέσω αυτών των εναλλακτών και παρέχει δυνατότητα μεταβολής των ιδιοτήτων τους. Ακόμα διαθέτει δύο τύπους λειτουργίας για τον ψύκτη απορρόφησης. Ο ένας είναι το μοντέλο μεταβλητής παροχής θερμού νερού, το οποίο μεταβάλει την παροχή θερμού νερού στον αναγεννητή του ψύκτη απορρόφησης κρατώντας σταθερή την θερμοκρασία αναγέννησης για τον υπολογισμό της ισχύος αναγέννησης, και ο άλλος είναι το μοντέλο μεταβλητής θερμοκρασίας αναγέννησης, το οποίο μεταβάλλει τη θερμοκρασία αναγέννησης και δέχεται σταθερή παροχή θερμού νερού. Ο ψύκτης απορρόφησης που αναπτύξαμε στη Matlab συνδυάστηκε με το σύστημα ηλιακού κλιματισμού που σχεδιάσαμε στο λογισμικό TRNSYS. Ο ψύκτης απορρόφησης τροφοδοτείται με θερμό νερό από δοχείο θερμικής αποθήκευσης το οποίο θερμαίνεται με ηλιακούς συλλέκτες σωλήνων κενού. Ακόμα έχει προστεθεί βοηθητική πηγή θερμότητας μεταξύ του δοχείου θερμικής αποθήκευσης και της εισόδου θερμού νερού στον ψύκτη απορρόφησης, η οποία μοντελοποιεί την επιπλέον απαιτούμενη ενέργεια του συστήματος ηλιακού κλιματισμού που καλούμαστε να ελαχιστοποιήσουμε. Το επαγγελματικό κτίριο στο οποίο εφαρμόζεται το σύστημα ηλιακού κλιματισμού είναι διώροφος εκθεσιακός χώρος όγκου 3600 m3 το οποίο λειτουργεί καθημερινά 08:00 – 22:00 και φιλοξενεί 300 ανθρώπους. Το σύστημα κλιματισμού που χρησιμοποιήθηκε αναμιγνύει νωπό αέρα 9030 kg/hr με τον αέρα ανακύκλωσης και ψύχει το ενιαίο ρεύμα αέρα μέσω σωληνοειδούς ψυκτικού στοιχείου στο οποίο παρέχεται ψυχρό νερό από τον ψύκτη απορρόφησης. Ο νωπός αέρας προκλιματίζεται μέσου εναλλάκτη προκλιματισμού από τον απορριπτόμενο αέρα του κτιρίου. Ο θερμοστάτης του χώρου έχει ρυθμιστεί στους 26 ΟC ώστε να καλύπτονται οι συνθήκες θερμικής άνεσης για το καλοκαίρι. Έπειτα από παραμετρική μελέτη του συστήματος, μέσω δυναμικών προσομοιώσεων στο λογισμικό TRNSYS, καθορίστηκε ότι η ελάχιστη επιθυμητή θερμοκρασία εισόδου του θερμού νερού τροφοδοσίας στον ψύκτη απορρόφησης είναι 100 ΟC και η μέγιστη επιτρεπτή 105 ΟC. Η ελάχιστη θερμοκρασία εξασφαλίζεται από τη βοηθητική πηγή θερμότητας και η υπέρβαση της μέγιστης αποτρέπεται μέσω της παράκαμψής του νερού των ηλιακών συλλεκτών από το δοχείο θερμικής αποθήκευσης ώστε να μην θερμανθεί περεταίρω το νερό σε αυτό. Η απαιτούμενη παροχή του αέρα ανακύκλωσης προέκυψε μετά από την παραμετρική μελέτη και είναι 11000 kg/hr, ώστε να μπορεί να παραλάβει τα απαιτούμενα ψυκτικά φορτία. Η βελτιστοποίηση του βαθμού ηλιακής κάλυψης έγινε μέσω προσομοιώσεων του συστήματος για την θερινή περίοδο από Μάιο έως και Σεπτέμβριο και καθορίστηκαν μέσω αυτής ο βέλτιστος όγκος του δοχείου θερμικής αποθήκευσης στα 50 m3 και η συνολική επιφάνεια των ηλιακών συλλεκτών σωλήνων κενού στα 300 m2. Από τα τελικά αποτελέσματα της δυναμικής προσομοίωσης του συστήματος ηλιακού κλιματισμού για το κτίριο κατά την θερινή περίοδο από τον Μάιο έως και τον Σεπτέμβριο προέκυψε βαθμός ηλιακής κάλυψης 89,85%, μέσος βαθμός απόδοσης ηλιακών συλλεκτών 32,99%, μέσος βαθμός απόδοσης COP του ψύκτη απορρόφησης 86,87%, συνολική κατανάλωση βοηθητικής ενέργειας 32,45 GJ και απαιτούμενη ψυκτική ισχύς του ψύκτη απορρόφησης 100 kW.	el
heal.abstract	Energy saving has become a major field of study in recent years in all applications either residential, commercial or industrial. The gradual depletion of fossil fuels and the harmful environmental impact they have has led the scientific community into studying the ways of optimizing the exploitation of renewable energy sources. Solar energy is one of the cleanest forms of energy and the prime subject of research. Solar cooling systems have been developed in this direction in order to reduce the demand of electricity in cooling systems, hence the consumption of conventional fuels by which electricity is produced. In this work we developed a solar cooling system of a commercial building and studied the behavior of its components through dynamic simulation. The solar cooling unit is a single staged water - Lithium Bromide absorption chiller. The absorption cooling process was thermodynamically analyzed and the way of the cooler’s operation was defined. We developed an algorithm in Matlab that calculates the processes of this thermodynamic cycle and conducted a parametric analysis of its element. In particular, we examined the effects of the generation temperature, the condensing temperature, the evaporative temperature, the absorption temperature and the solution’s heat exchanger’s effectiveness on the chiller’s Coefficient Of Performance (COP). The results of this parametric study showed that the generation temperature in conjunction with the condensing temperature determine the allowable operating range of the absorption chiller and that there are limitations on the possible combinations of these temperatures. Moreover, it was proven that the increase of the difference between the absorption and condensing temperatures reduce the absorption chiller’s COP. Furthermore, we examined the chiller’s interaction with the external high temperature heat source and the low temperature heat source of the cooling load. The exchange of heat between these external heat sources was achieved by modelling heat exchangers inside the elements of the generator and the evaporator by developing appropriate algorithms in Matlab and inserting them in the COP calculating model. The final model allows the communication with the external heat sources and also provides the ability of changing these heat exchangers’ properties. Moreover, the final model provides two modes of operations. The first one alters the flow of hot water into the generator and keeps the generation temperature stable in order for the generator to meet the required power that derives from the multiplication of the cooling load with the COP. The second one alters the generation temperature and keeps the flow of hot water steady. The model of absorption chiller was combined with the solar cooling system that was designed in TRNSYS. The absorption chiller is supplied with hot water from a thermal storage tank which is heated by evacuated tube solar collectors. An auxiliary heater has been placed between the tank and the hot water inlet of the absorption chiller, and provides the required auxiliary heat for the hot water’s temperature to be raised to the desired value in case the hot water of the tank is not hot enough. This auxiliary heating rate is the parameter that we will try to minimize in our study. The commercial building is a two-floor exhibition space with a volume of 3600 m3 and is open daily from 08:00 to 22:00 and hosts 300 people. The ventilation system mixes 9030 kg/hr of fresh air with recycled air from the thermal zone. The air mix is then cooled by a cooling coil which is supplied with chilled water from the absorption chiller. The fresh air is preconditioned in an air to air heat recovery device before mixing with the recycled air stream. The preconditioning is being achieved by exchanging heat and moisture with the exhaust air stream. The thermal zone thermostat is set to 26 OC in order for the thermal comfort conditions during the summer period to be maintained. After parametric study of the system, through dynamic simulations in TRNSYS software, it was determined that the minimum desired inlet temperature of the hot water supply to the absorption chiller is 100OC and the maximum permissible temperature is 105 OC. The minimum temperature is ensured by the auxiliary heat source and the transcendence of the maximum is prevented by bypassing the solar collectors’ water from the tank. In this way the water in the tank can no longer be heated above the maximum temperature. The required flow rate of the recycled air resulted from the parametric study and was set to 11000 kg/hr. This value is the minimum air flowrate that can handle the required cooling load. The optimization of the solar coverage degree was accomplished via system simulations for the summer season from May to September. Through these simulation we established the optimum volume of the thermal storage tank to be 50 m3 and the optimum total area of the evacuated tube solar collectors to be 300 m2. From the final results of the dynamic simulation of the solar cooling system of the building during the summer season from May to September we concluded that the total degree of solar coverage is 89.85%, the average COP of the absorption chiller is 86.87% and the average solar collectors’ efficiency is 32.99%. The total consumption of auxiliary energy is 32.45 GJ and the required cooling capacity of the absorption chiller is 100 kW.	en
heal.advisorName	Τζιβανίδης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Αντωνόπουλος, Κίμων	el
heal.committeeMemberName	Τζιβανίδης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Ρογδάκης, Εμμανουήλ	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Ψύξης και Κλιματισμού	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	364 σ.
heal.fullTextAvailability	true