Ανάλυση υποβοηθούμενης αντλίας θερμότητας συζευγμένης με θερμικό φωτοβολταϊκό συλλέκτη με χρήση νανόρευστου

Νικολάου, Νικόλαος; Nikolaou, Nikolaos

dc.contributor.author	Νικολάου, Νικόλαος	el
dc.contributor.author	Nikolaou, Nikolaos	en
dc.date.accessioned	2018-09-05T09:48:44Z
dc.date.available	2018-09-05T09:48:44Z
dc.date.issued	2018-09-05
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47527
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15783
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	Νανορευστά	el
dc.subject	Nanofluids	en
dc.subject	Ηλιακή ενέργεια	el
dc.subject	Υποβοηθούμενη αντλία θερμότητας	el
dc.subject	Solar power	en
dc.subject	Assisted heat pump	en
dc.title	Ανάλυση υποβοηθούμενης αντλίας θερμότητας συζευγμένης με θερμικό φωτοβολταϊκό συλλέκτη με χρήση νανόρευστου	el
dc.title	Analysis of a solar assisted heat pump coupled with thermo-photovoltaic collector using nanofluids	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ηλιακή ενέργεια	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/e7b90a6ad212d31a3951b11cab47fa22956e9b7a
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-06-29
heal.abstract	Στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη, η βελτιστοποίηση και η αξιολόγηση ενός συστήματος συμπαραγωγής με ενεργειακά, εξεργειακά και οικονομικά κριτήρια. Το εξεταζόμενο σύστημα αποτελείται από θερμοφωτοβολταϊκούς συλλέκτες συζευγμένους με δοχείο αποθήκευσης που τροφοδοτούν θερμικά μία αντλία θερμότητας για θέρμανση χώρου και έναν μετατροπέα (inverter) για παραγωγή ηλεκτρικής ισχύος. Η καινοτομία αυτής της μελέτης έγκειται στην πολυστοχική βελτιστοποίηση του συστήματος (multi-objective optimization), καθώς και στη χρήση νανορευστού στο ηλιοθερμικό πεδίο. Πιο συγκεκριμένα, για την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας μελετήθηκε η εγκατάσταση 20 m2 θερμοφωτοβολταϊκών συζευγμένων με ένα δοχείο χωρητικότητας 1 m3 που τροφοδοτούν τον ατμοποιητή μίας αντλίας θερμότητας ονομαστικής ισχύος 5 kW. Επιπλέον, η παραγόμενη ηλεκτρική ισχύς από τους συλλέκτες μεταφέρεται στον μετατροπέα (inverter) προκειμένου να τροφοδοτήσει τις ανάγκες του συμπιεστή της αντλίας θερμότητας. Η πλεονάζουσα ηλεκτρική ισχύς μετά τον μετατροπέα παρέχεται μέσω net metering στο δίκτυο. Τα εξεταζόμενα νανορευστά έχουν ως ρευστό βάσης νερό, ενώ τα εξεταζόμενα νανοσωματίδια είναι τα εξής: Cu, Al2O3, SiO2, TiO2. H ανάλυση πραγματοποιείται με ένα θερμικό – θερμοδυναμικό μοντέλο το οποίο αναπτύχθηκε στο εμπορικό πακέτο Engineering Equation Solver (EES). Για τη μελέτη των συλλεκτών αναπτύχθηκε αρχικά ένα μοντέλο που είχε ως εργαζόμενο ρευστό το νερό και επικυρώθηκε με πειραματικά αποτελέσματα από τη βιβλιογραφία. Από τη μελέτη αυτή προέκυψε ότι το νανορευστό νερού/Cu έδωσε μέση βελτίωση 4.9% στον θερμικό βαθμό απόδοσης και 0.84% στον ηλεκτρικό, το νανορευστό νερού/Al2O3 έδωσε μέση βελτίωση 3.9% στον θερμικό βαθμό απόδοσης και 0.65% στον ηλεκτρικό, το νανορευστό νερού/ΤiO2 έδωσε μέση βελτίωση 0.90% στον θερμικό βαθμό απόδοσης και 0.11% στον ηλεκτρικό, ενώ το νανορευστό νερού/SiO2 έδωσε μέση βελτίωση 0.82% στον θερμικό βαθμό απόδοσης και 0.1% στον ηλεκτρικό. Μόνο τα δύο πρώτα μελετήθηκαν για ολόκληρο το σύστημα. Η βελτιστοποίηση του συστήματος έγινε με τα κριτήρια του ενεργειακού βαθμού απόδοσης, του εξεργειακού βαθμού και της χρηματοροής. Η βέλτιστη θερμοκρασία ατμοποιητή υπολογίστηκε στους 17°C, όπου ο μέσος ετήσιος ενεργειακός βαθμός απόδοσης για τη χρήση νερού είναι 54.2%, ενώ ο μέσος ετήσιος εξεργειακός βαθμός απόδοσης ίσος με 11.1%. Με τη χρήση του νανορευστού νερού/Cu παρατηρείται αύξηση κατά 4.8% του ενεργειακού βαθμού απόδοσης και κατά 0.66% του εξεργειακού, ενώ με τη χρήση του νανορευστού νερού/Al2O3 αύξηση 4.3% και 0.6% αντίστοιχα. Η οικονομική ανάλυση του συστήματος με εργαζόμενο μέσο το νερό έδωσε περίοδο αποπληρωμής τα 6.77 έτη, ενώ σε χρονικό ορίζοντα 25 ετών ο εσωτερικός συντελεστής απόδοσης (IRR) της επένδυσης είναι 16.2% και η καθαρή παρούσα αξία (NPV) 16934 €. Κατά την περιβαλλοντική ανάλυση προέκυψε ότι λόγω της χρήσης του συστήματος με εργαζόμενο μέσο το νερό μπορούν να αποφευχθούν ετησίως 3.51 tn CO2 ετησίως, με εργαζόμενο μέσο νανορευστό νερού/Cu 3.63 tn CO2 ετησίως, ενώ με εργαζόμενο μέσο νανορευστό νερού/Al2O3 3.62 tn CO2 ετησίως.	el
heal.abstract	The objective of this dissertation is the investigation and the optimization of a solar assisted heat pump heating system driven by nanofluid-based thermal photovoltaic collectors. The examined system includes also a storage tank for sensible thermal storage and an inverter. The total collecting area is 20 m2, the storage tank volume is 1 m3 and the nominal heat pump power is 5 kW. The produced electricity feeds the heat pump compressor and also is partially given to the grid. The main innovation of this work is the use of four water-based nanofluids (Cu, Al2O3, SiO2, TiO2) in the solar-thermal system, as well as the followed multi-objective optimization procedure. The analysis is contacted with a developed and validated thermal – thermodynamic in Engineering Equation Solver (EES). According to the final results, the use of water/Cu leads to 4.9% thermal efficiency enhancement and 0.84% electrical efficiency enhancement. Moreover, the use of water/Al2O3, water/TiO2 and water/SiO¬2 leads to 3.9%, 0.90%, 0.82% thermal efficiency enhancement respectively while the electrical efficiency enhancement was 0.65%, 0.11% and 0.10% respectively. So, the Cu and Al2O3 are the most efficient nanoparticles in the solar system and thus they further investigated in the total system. The optimization of the total system was performed using the energy efficiency, exergy efficiency and cash flow criteria using a multi–objective procedure. The optimum evaporating temperature was found to be 17°C and in this case, the mean energy efficiency was 54.2% and the mean exergy efficiency was 11.1% with the pure water as working fluid. It is found that the water/Cu leads to 4.8% energy efficiency enhancement and to 0.66% exergy efficiency enhancement while the Al2O3 to 4.3% and 0.60% respectively. The financial evaluation with pure water proved that the payback period is 6.77 years, the internal rate of return (IRR) is 16.2% and the net present value (NPV) 16934 €. Moreover, the environmental evaluation of the system indicates that the yearly CO2 avoidance is 3.51 tn for pure water, 3.62 tn for water/Al2O3 and 3.63 tn for water/Cu.	en
heal.advisorName	Τζιβανίδης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Αντωνόπουλος, Κίμων	el
heal.committeeMemberName	Τζιβανίδης, Χρήστος	el
heal.committeeMemberName	Κορωνάκη, Ειρήνη	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	162 σ.
heal.fullTextAvailability	true