Οικιακή Θερμική Αφαλάτωση με χρήση Ηλιακής Ενέργειας

Abstract

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι να εξεταστεί εάν είναι εφικτό και ανταγωνιστικό να προσαρμοστεί η μέθοδος αφαλάτωσης Multiple Effect Distillation για να λειτουργεί με ηλιακή ενέργεια σε οικιακή κλίμακα. Εξετάζεται η δυνατότητα ενσωμάτωσης της μονάδας στα ήδη υπάρχοντα ηλιακά συστήματα και στο σύστημα αποχέτευσης. Εξετάζεται επίσης ο συγχρονισμός αύξησης της παραγωγικότητας της μονάδας με την αύξηση της ζήτησης κατά την θερινή περίοδο στα νησιά του Αιγαίου. Κατασκευάστηκε μαθηματικό μοντέλο στο MathCAD με το οποίο υπολογίστηκε η θερμοδυναμική απόδοση της μονάδας σε διαφορετικά σημεία λειτουργίας. Εξετάστηκε ο ρυθμός μεταβολής του κόστους και της παραγωγικότητας για τις διαφορετικές ονομαστικές παροχές. Οι υπολογισμοί αυτοί έγιναν στα πλαίσια ενός Case Study για την απόδοση της μονάδας για τα μετεωρολογικά δεδομένα της Σαντορίνης, για τις τιμές των μηνών Ιουλίου και Ιανουαρίου, ώστε να προσδιοριστούν η μέγιστη και η ελάχιστη απόδοση της μονάδας για το δεδομένο γεωγραφικό πλάτος. Η επιλογή του νησιού έγινε με κριτήριο ότι η ηλιοφάνεια και η μέση θερμοκρασία του είναι χαρακτηριστική της ευρύτερης περιοχής που πάσχει από λειψυδρία. Στο 1ο κεφάλαιο της εργασίας αυτής αναπτύσσονται γενικά στοιχεία για το ζήτημα της έλλειψης νερού παγκοσμίως και ειδικότερα για τα νησιά του Αιγαίου. Εξηγούνται επίσης οι ενεργειακές ανάγκες της αφαλάτωσης και οι λόγοι που επιβάλλουν τη χρήση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Στο 2ο κεφάλαιο αναπτύσσεται σε δύο τμήματα. Στο πρώτο πραγματοποιήθηκε μια μελέτη για την ανοχή στην ποιότητα νερού για τις διάφορες ανθρώπινες δραστηριότητες, οικιακές και αγροτικές. Στο δεύτερο προσδιορίζεται η εκτιμώμενη ποσότητα του νερού που απαιτείται για κάθε μια από αυτές τις δραστηριότητες καθώς και οι μέθοδοι εξοικονόμησης νερού σε οικιακή κλίμακα, με σκοπό να προσδιοριστεί καλύτερα η απαιτούμενη παροχή από τη μονάδα αφαλάτωσης. Στο 3ο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι χρησιμοποιούμενες μέθοδοι αφαλάτωσης και εξηγούνται τα κριτήρια για τα οποία επιλέχθηκε η συγκεκριμένη. Στο 4ο κεφάλαιο περιγράφονται τα είδη των ηλιακών συλλεκτών και η απόδοσή τους. Εξηγείται η λειτουργία του συστήματος ηλιακής θέρμανσης. Στο 5ο κεφάλαιο εξηγείται η λειτουργία της προτεινόμενης διάταξης και οι δυνατότητες συνδυασμού μιας συσκευής θερμικής αφαλάτωσης με τις οικιακές δραστηριότητες, τον ηλιακό θερμοσίφωνα και τα συστήματα ηλιακής θέρμανσης, ώστε να εκτιμηθεί η δυνατότητα να μειωθεί το κόστος, προσαρμόζοντας τα συστήματα αυτά να λειτουργούν εν σειρά με τη μονάδα, ανακυκλώνοντας την ίδια θερμική ενέργεια και παροχή νερού. Επίσης αναπτύσσεται το μαθηματικό μοντέλο με το οποίο έγιναν οι υπολογισμοί καθώς και τα αποτελέσματα για την απόδοση και το εκτιμώμενο κόστος κάθε σεναρίου.

The purpose of this thesis is to determine the feasibility and competitiveness of adapting Solar Powered Multiple Effect Distillation to operate on a domestic scale. It examines the ability to merge one such unit on solar powered systems as well as sewage system of an existing home. It also examines the simultaneous increase of its productivity and water demand in the Aegean Islands during summer. A MathCAD simulation model was created and used to calculate the thermal efficiency of such unit in various operation settings. It was also used to determine the variation of specific fiscal and energy cost in function with its capacity. The aforementioned calculations were conducted in a case study using the meteorological data of Santorini Island for its July and January values, in order to determine the unit’s minimum and maximum efficiency for the given latitude. This specific island was selected because solar radiation and average temperature in its position are typical for the rest of the region which suffers of water shortage. In the 1st chapter of this thesis some general data is presented regarding water shortage, both worldwide and specifically regarding the islands of the Aegean Sea. The energy needs of desalination processes and the reasons for covering those using Renewable Energy Sources are also explained. The 2nd chapter is divided into two parts. The first part presents a study of the tolerance in water quality of the various human activities, domestic and agricultural. In the second part the estimated quantity is determined for each domestic activity as well as the domestic water conservation methods, in order to better determine the needed quantity from the desalination unit. The 3rd chapter describes the desalination processes used in the industry along with the reasons for selecting MED for this study. The 4th chapter describes the various types of solar collectors and their performance differences. The function of solar heating in residential buildings is also explained. The 5th chapter describes the proposed desalination unit design, its operation and its potential to function in combination with domestic activities and domestic solar powered systems like water heaters and heating systems, in order to estimate the ability to reduce costs by adapting these systems to work in series with the unit, reusing the same water and thermal energy. It also explains the mathematical model used for calculations as well as the performance results and approximate costs for each scenario of the case study.