Δυναμική προσομοίωση ηλιακού συστήματος θέρμανσης με εποχιακή αποθήκευση

Κάλλης, Οδυσσέας; Kallis, Odysseas

dc.contributor.author	Κάλλης, Οδυσσέας	el
dc.contributor.author	Kallis, Odysseas	en
dc.date.accessioned	2022-11-02T07:57:10Z
dc.date.available	2022-11-02T07:57:10Z
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/56064
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.23762
dc.description	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο--Μεταπτυχιακή Εργασία. Διεπιστημονικό-Διατμηματικό Πρόγραμμα Μεταπτυχιακών Σπουδών (Δ.Π.Μ.Σ.) “Παραγωγή και Διαχείριση Ενέργειας”	el
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0/gr/	*
dc.subject	Εποχιακή Αποθήκευση	el
dc.subject	Αποθήκευση	el
dc.subject	Θερμότητα	el
dc.subject	Ηλιακά	el
dc.subject	Ηλιακοί Συλλέκτες	el
dc.subject	Συλλέκτες Κενού	el
dc.subject	Seasonal Storage	en
dc.subject	STES	en
dc.subject	Heating	en
dc.subject	Sollar Collectors	en
dc.subject	ETC	en
dc.subject	SWS	en
dc.subject	Εποχιακή Αποθήκευση Θερμότητας	el
dc.title	Δυναμική προσομοίωση ηλιακού συστήματος θέρμανσης με εποχιακή αποθήκευση	el
dc.title	Dynamic modelling of a solar-driven heating system with seasonal storage	en
heal.type	masterThesis
heal.classification	Engineering	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2022-07-04
heal.abstract	Στην παρούσα μεταπτυχιακή εργασία μελετήθηκε η δυναμική συμπεριφορά ενός ηλιακά τροφοδοτούμενου, καινοτόμου συστήματος εποχιακής αποθήκευσης θερμότητας, το οποίο βασίζεται στην τεχνολογία της προσρόφησης. Το σύστημα, το οποίο μοντελοποιήθηκε στο λογισμικό TRNSYS, αποτελεί προϊόν μελέτης και ανάπτυξης του ευρωπαϊκού προγράμματος SWS-Heating. Ως αποτέλεσμα πολλά από τα δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν στην προσομοίωσή του, δεν παρουσιάζονται για λόγους εμπιστευτικότητας. Τα κύρια μέρη του συστήματος αποτελούν: • Η μονάδα εποχιακής αποθήκευσης θερμότητας (STES) • Οι ηλιοθερμικοί συλλέκτες κενού (ETCs) • Ο λέβητας συμπύκνωσης φυσικού αερίου και • Το δοχείο αποθήκευσης αισθητής θερμότητας κενού Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε με στόχο την κάλυψη των αναγκών σε θέρμανση και ΖΝΧ μίας κατοικίας nZEB, σε ποσοστό τουλάχιστον ίσο με 60%, με κύριους παράγοντες διαστασιολόγησης του συστήματος την συνολική μάζα προσροφητικού υλικού καθώς και τη συνολική συλλεκτική επιφάνεια. Το σύστημα περιλαμβάνει δύο διατάξεις, οι οποίες αφορούν τη μονάδα εποχιακής αποθήκευσης θερμότητας και συγκεκριμένα το τμήμα του συμπυκνωτή/ατμοποιητή της, λόγω των λειτουργικών θερμοκρασιακών περιορισμών που αυτός εμφανίζει. Συγκεκριμένα, η πρώτη διάταξη κάνει χρήση εναλλάκτη αέρα/νερού και μονάδας υλικού αλλαγής φάσης, με τη δεύτερη να αξιοποιεί διάταξη γεωθερμικού εναλλάκτη. Σκοπός και των δύο διατάξεων είναι η παροχή νερού κατάλληλης θερμοκρασίας στο παραπάνω τμήμα της εγκατάστασης, με τον γεωθερμικό εναλλάκτη εν γένει να χρησιμοποιείται σε πόλεις οι οποίες χαρακτηρίζονται από χειμώνες μακράς διάρκειας με θερμοκρασίες υπό το μηδέν. Η αρχική διαστασιολόγηση του συστήματος, επικεντρώνεται σε πόλεις της κεντρικής και βόρειας Ευρώπης, οι οποίες χαρακτηρίζονται από χαμηλά επίπεδα ηλιοφάνειας κατά την χειμερινή περίοδο. Ως κύριες αντιπροσωπευτικές πόλεις, επιλέγονται η Νυρεμβέργη στη Γερμανία και η Στοκχόλμη στη Σουηδία, στις οποίες γίνεται χρήση της πρώτης και δεύτερης διάταξης αντίστοιχα. Το σύστημα εποχιακής αποθήκευσης θερμότητας προσομοιώνεται από διακριτές υπομονάδες, με δεδομένη μάζα προσροφητικού μέσου, οι οποίες εμφανίζουν εκθετικές καμπύλες και φορτία φόρτισης. Στην παρούσα διπλωματική εργασία, η ανάπτυξη του μοντέλου πραγματοποιήθηκε ώστε να επιτρέπει τόσο σειριακή όσο και παράλληλη φόρτιση των υπομονάδων του συστήματος, με απώτερο σκοπό η απαίτηση σε φορτίο να διατηρείται σχεδόν σταθερή, και ικανή να καλυφθεί από τους ηλιακούς συλλέκτες, με παράλληλη αποφυγή μεγάλων θερμοκρασιακών πτώσεων. Ο σωστός προσδιορισμός του συνδυασμού της συνολικής μάζας του συστήματος αποθήκευσης θερμότητας και της επιφάνειας των συλλεκτών κενού, γίνεται ώστε να μειώνεται κατά το δυνατόν η αχρησιμοποίητη μάζα αυτού (dead volume), αποφεύγοντας παράλληλα την ηλιακή υποβοήθηση του συστήματος, που θα είχε ως αποτέλεσμα τη μείωση της επίδρασης της αποθήκευσης θερμότητας στην κάλυψη των απαιτούμενων φορτίων. Παράλληλα, η μείωση απαίτησης φορτίου κατά το τέλος των περιόδων φόρτισης και αποφόρτισης, θέτει ένα άνω όριο στην μέγιστη συλλεκτική επιφάνεια, για την αποφυγή φαινομένων υπερθέρμανσης. Η διαστασιολόγηση του συστήματος στις δύο πόλεις αναφοράς (Νυρεμβέργη και Στοκχόλμη), αποκαλύπτει την χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα που διακρίνει το υπό εξέταση σύστημα εποχιακής αποθήκευσης θερμότητας. Οι αναγκαίες μεγάλες μάζες προσροφητικού υλικού, οι οποίες σε κάθε περίπτωση υπερβαίνουν τους δύο τόνους, για την επίτευξη του επιθυμητού ηλιακού κλάσματος, αντιστοιχούν ωστόσο στο 30%-40% της συνολικής ηλιακής ενέργειας που παρέχεται στο σύστημα. Παράλληλα αυξημένη είναι και η συλλεκτική επιφάνεια η οποία είναι αναγκαία για την φόρτιση του συστήματος (>8 m2), δεδομένου ότι για την επίτευξη αυτού είναι απαραίτητες θερμοκρασίες μεγαλύτερες των 80 οC, . Για την πλήρη κατανόηση λειτουργίας του συστήματος, μελετήθηκε η επίδραση της αλλαγής της τοποθεσίας της εγκατάστασης και συνεπώς των περιβαλλοντικών συνθηκών, στην μονοσήμαντη σχέση που φαίνεται να καθορίζει την συνολική μάζα προσροφητικού υλικού και συλλεκτικής επιφάνειας. Συγκεκριμένα, επιλέχθηκαν πόλεις οι οποίες εκτείνονται σε μεγάλο μέρος της βόρειας και κεντρικής Ευρώπης, τόσο σε ορεινές όσο και σε παραθαλάσσιες γεωγραφικές τοποθεσίες. Πλην των δύο βασικών, μελετήθηκαν επιπλέον η Ζυρίχη στην Ελβετία, το Βουκουρέστι στη Ρουμανία, το Δουβλίνο στην Ιρλανδία και η Βαρσοβία στην Πολωνία. Από τα αποτελέσματα της μελέτης, έγινε φανερή η άμεση συσχέτιση μεταξύ της θερμοκρασίας περιβάλλοντος, η οποία ως επί το πλείστον καθορίζει τις θερμικές απαιτήσεις της οικίας, με την συνολική μάζα προσροφητικού υλικού, η οποία είναι κάθε φορά απαραίτητη για την επίτευξη του επιθυμητού ηλιακού κλάσματος. Αντίστοιχα, όπως ήταν αναμενόμενο, η συλλεκτική επιφάνεια εξαρτάται, κυρίως από τα επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας οριζοντίου επιπέδου, που διακρίνουν κάθε περιοχή, ορίζοντας σχεδόν μονοσήμαντα, την επικράτηση είτε της αποθήκευσης ή είτε της ηλιακής υποβοήθησης, στην λειτουργία του συστήματος. Το υπό μελέτη σύστημα εποχιακής αποθήκευσης θερμότητας, φαίνεται να αποδίδει καλύτερα, σε χώρες της κεντρικής Ευρώπης, που χαρακτηρίζονται από μέσες προς υψηλές ενεργειακές απαιτήσεις, ενώ παράλληλα διακρίνονται από σχεδόν σταθερά, μέσα προς χαμηλά επίπεδα ακτινοβολίας κατά τη διάρκεια του έτους. Κατά αυτόν τον τρόπο αναδεικνύεται σαφώς ο χαρακτήρας εποχιακής αποθήκευσης του συστήματος, με αποφυγή υπερθερμάνσεων στο τμήμα των ηλιακών συλλεκτών και επίτευξη υψηλών ποσοστών αξιοποίησης της χρησιμοποιούμενης μάζας του συστήματος.	el
heal.abstract	In the current master’s thesis, the dynamic behavior, of a solar driven seasonal thermal energy storage system, that utilizes an innovative adsorbent bed is studied. The system that has been modelled in the TRNSYS software, is developed in the scope of the European project SWS-Heating. As a result, many of the data that were used in the simulation, cannot be presented in the current thesis, due to confidentiality issues. The main parts of the system are listed below and include: • The seasonal thermal energy storage unit (STES) • Evacuated tube collectors (ETCs) • A natural gas condensing boiler and • A sensible heat storage tank The main goal of the analysis performed, was to achieve a solar fraction of at least 60%, covering the thermal and DHW needs of an nZEB house, using the total adsorbent’s mass and solar collectors’ aperture area, as the crucial sizing parameters. The system and specifically the seasonal thermal energy storage unit, makes use of two different layouts, for its evaporator/condenser part, to overcome the temperature limitations that the adsorbent material imposes. The first layout, makes use of an air-water HEX and a PCM tank, while the second utilizes a borehole HEX. Their main purpose, is to provide the evaporator/condenser part with water of suitable temperature, with the second layout generally used in areas that experience long term winters with sub-zero temperatures. The initial sizing of the system is focused in central and northern European cities, that are characterized by low solar irradiance levels during the winter period. Nuremberg and Stockholm are selected as the basic representatives, making use of the first and second layout, respectively. The seasonal thermal energy storage system is modelled with discrete sub-units, with a predefined adsorbent mass, characterized by exponential charging and load curves respectively. In the current thesis, the model was programmed to allow both serial and parallel charging of these sub-units, aiming in keeping the load demand steady, while at the same time avoiding high temperature drops in the solar collectors. The correct combination of total adsorbent mass and evacuated solar collectors’ area was performed, so as to decrease as possible the dead volume of the system, without greatly affecting the impact of thermal storage in covering the heating and DHW loads. At the same time, an upper bound is set to the maximum solar collectors’ area that can be used, so as to avoid overheating of the system, given that there is a substantial load demand decrease, at the end of both the charging and discharging periods. The resulted sizing of the system for the base scenarios’ cities (Nuremberg and Stockholm), reveals a low energy density of the STES. The large mass of adsorbent material, necessary to achieve the desired solar fraction, which in any case exceeds two tons, covers however about 30%-40% of the total solar energy that is supplied to demand. At the same time the continuous need for high outlet temperatures from the solar collectors (>80oC) results in equally large aperture areas (> 8 m2). In order for the system’s behavior to be fully understood, the effect of different geographic locations and as a result different weather conditions, on the relationship that governs the sizing of the STES and solar collectors’s area, was studied. Besides the two base scenarios cities, Zurich, Bucharest, Dublin and Warsaw, were selected, to cover a large portion of central and northern Europe, in high altitude and near sea locations. From the results of the study, the direct relationship between adsorbent mass and outdoor temperature was made clear, given that the second parameter dictates the thermal loads of the house. At the same time, as expected, the solar collectors’ area is directly related to the solar irradiance levels of each location, governing also the impact that the STES system has in achieving the desired solar fraction. The current STES system is favored, in cities that are located in central Europe, and are characterized by medium to high energy demands and low to medium irradiance levels that are kept steady throughout the year. In those cases, its impact is highly increased, achieving not only a smooth operation, without overheating of the solar collectors, but also low dead volume levels.	en
heal.advisorName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.advisorName	Karellas, Sotirios	en
heal.committeeMemberName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Κορωνάκη, Ειρήνη	el
heal.committeeMemberName	Κακαράς, Εμμανουήλ	el
heal.committeeMemberName	Karellas, Sotirios	en
heal.committeeMemberName	Koronaki, Irene	en
heal.committeeMemberName	Kakaras, Emmanuel	en
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	143 σ.	el
heal.fullTextAvailability	false