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Design and Thermo Economic Evaluation of Solar Absorption Cooling Systems

Al-Falahi, Adil Fawzi Hamad (2023)
Design and Thermo Economic Evaluation of Solar Absorption Cooling Systems.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00024548
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

Kurzbeschreibung (Abstract)

A large increase in energy demand for building cooling is expected both in Iraq and internationally in the next decades. In Iraq, like in other hot arid countries, the use of conventional electrically driven chillers for air conditioning (AC) is increasing dramatically, thus leading to high costs, power grid overload, and blackouts. Thermally driven refrigeration processes would be an excellent choice for converting solar heat radiation into cooling energy for indoor thermal comfort. This Ph.D. thesis focuses on mathematical modeling and simulation of solar thermal-assisted single effect absorption cooling systems. On the one hand, energy performance, design, and operation of thermally driven refrigeration processes are investigated; on the other hand, optimization and thermos-economic analysis of the different configurations of solar absorption cycles are carried out.

A detailed description of the energic performance analysis of an integrated solar-operated residential-scale cooling system is presented in paper A. The solar fraction and the thermal performance of the solar air-conditioning system are performed for various months in the cooling season under ambient conditions in Baghdad, Iraq. From the parametric analysis of the single effect water-LiBr absorption cycle, the thermal performance of the system is evaluated and the best system design parameters of the solar-driven cooling system are determined. For this purpose, the TRNSYS-based approach has been adopted. Additionally, in paper A, a technology roadmap for solar thermal cooling in Iraq is developed to reduce the summer peak demand for electricity and to achieve energy savings in terms of primary energy, thus limiting greenhouse gas emissions in the residential air conditioning sector.

In papers B and C, the design of the solar absorption cooling system is modified to include the flashing tank subsystem for steam generation to improve and compare the various configurations of absorption refrigeration cycles by different solar thermal collectors. Two types of solar collectors are considered: parabolic trough collectors (PTC) and evacuated tube collectors (ETC). Two types of single-effect absorption cooling cycles are considered: water-LiBr and ammonia-water. The mathematical models were developed based on the energy balance equations and solved in the Matlab/Simulink environment. The proposed model is operated under the design mode of the modeling technique, which calculates unknown parameters such as areas, dimensions, mass flow rates, energy streams, exergy, cost streams, and the entire process temperatures or any other calculated physical properties. The thermo-economic analysis has been performed for different configurations of the absorption cooling cycle. The detailed description of a mathematical model of system configurations is presented in the mentioned papers (B and C) and has been compared. Specifically, in paper B, various configurations of a single-effect water-LiBr absorption cycle have been compared based on the coefficient of performance and exergetic efficiency. The comparison is performed based on energy, efficiency, design, cost, and thermo-economics. In paper C, design and thermo-economic analyses are presented to compare two different collector types (parabolic trough and evacuated tube) with ammonia-water (NH3-H2O) absorption systems and to select the best operating conditions.

Thermo-economics is the branch of engineering that combines energy analysis and economic principles to provide the system designer or operator with information not available through conventional energy analysis and economic evaluations but crucial to the design and operation of a cost-effective system. Based on the analysis presented in papers B and C, the thermo-economic optimization is studied under different operating conditions. The results show that combining a parabolic trough collector with an absorption cycle results in lower design aspects and lower hourly costs. An equation that determines the optimal area and design conditions in thermal systems is formulated. The selection of the module of the collector and the number of collectors in each module are presented. To study whether the implementation of solar thermal cooling in the Iraqi climate is economically feasible. The proposed approach was illustrated through a case study for a sports arena with a 700–800 kW total cooling load, considering the weather data of Baghdad. To achieve the best configuration and accurate thermodynamic models, the mathematical formulation of the different configurations of absorption processes in papers B and C is also thermo-economically analyzed and evaluated in paper D. Here, the analysis is performed to compare two types of absorption cycle water-LiBr and ammonia—water to each other by parabolic trough collectors and evacuated tube collectors under the same operating conditions. Moreover, investment and operating and maintenance cost analyses are performed for each unit (solar field, flash tank, absorption chiller, and pump units). Here, the interest rate is set at 5% and the lifetime of the plant at 20 years.

Finally, the comparison results reveal that the parabolic trough collector combined with H2O-LiBr (PTC/H2O-LiBr) gives lower design aspects and minimum rates of hourly costs (5.2 $/h) than the ETC/H2O-LiBr configuration (5.6 $/h). H2O-LiBr gives a lower thermo-economic product cost (0.14 $/GJ) compared to NH3-H2O (0.16 $/GJ). The absorption refrigeration cycle coefficient of performance ranged between 0.5 and 0.9.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2023
Autor(en): Al-Falahi, Adil Fawzi Hamad
Art des Eintrags: Erstveröffentlichung
Titel: Design and Thermo Economic Evaluation of Solar Absorption Cooling Systems
Sprache: Englisch
Referenten: Epple, Prof. Dr. Bernd ; Alobaid, Dr.-Ing Falah ; Abed, Prof. Dr. Fayad ; Ritvanen, Prof. Jouni
Publikationsjahr: 20 September 2023
Ort: Darmstadt
Kollation: 155 Seiten in verschiedenen Zählungen
Datum der mündlichen Prüfung: 16 Mai 2023
DOI: 10.26083/tuprints-00024548
URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/24548
Kurzbeschreibung (Abstract):

A large increase in energy demand for building cooling is expected both in Iraq and internationally in the next decades. In Iraq, like in other hot arid countries, the use of conventional electrically driven chillers for air conditioning (AC) is increasing dramatically, thus leading to high costs, power grid overload, and blackouts. Thermally driven refrigeration processes would be an excellent choice for converting solar heat radiation into cooling energy for indoor thermal comfort. This Ph.D. thesis focuses on mathematical modeling and simulation of solar thermal-assisted single effect absorption cooling systems. On the one hand, energy performance, design, and operation of thermally driven refrigeration processes are investigated; on the other hand, optimization and thermos-economic analysis of the different configurations of solar absorption cycles are carried out.

A detailed description of the energic performance analysis of an integrated solar-operated residential-scale cooling system is presented in paper A. The solar fraction and the thermal performance of the solar air-conditioning system are performed for various months in the cooling season under ambient conditions in Baghdad, Iraq. From the parametric analysis of the single effect water-LiBr absorption cycle, the thermal performance of the system is evaluated and the best system design parameters of the solar-driven cooling system are determined. For this purpose, the TRNSYS-based approach has been adopted. Additionally, in paper A, a technology roadmap for solar thermal cooling in Iraq is developed to reduce the summer peak demand for electricity and to achieve energy savings in terms of primary energy, thus limiting greenhouse gas emissions in the residential air conditioning sector.

In papers B and C, the design of the solar absorption cooling system is modified to include the flashing tank subsystem for steam generation to improve and compare the various configurations of absorption refrigeration cycles by different solar thermal collectors. Two types of solar collectors are considered: parabolic trough collectors (PTC) and evacuated tube collectors (ETC). Two types of single-effect absorption cooling cycles are considered: water-LiBr and ammonia-water. The mathematical models were developed based on the energy balance equations and solved in the Matlab/Simulink environment. The proposed model is operated under the design mode of the modeling technique, which calculates unknown parameters such as areas, dimensions, mass flow rates, energy streams, exergy, cost streams, and the entire process temperatures or any other calculated physical properties. The thermo-economic analysis has been performed for different configurations of the absorption cooling cycle. The detailed description of a mathematical model of system configurations is presented in the mentioned papers (B and C) and has been compared. Specifically, in paper B, various configurations of a single-effect water-LiBr absorption cycle have been compared based on the coefficient of performance and exergetic efficiency. The comparison is performed based on energy, efficiency, design, cost, and thermo-economics. In paper C, design and thermo-economic analyses are presented to compare two different collector types (parabolic trough and evacuated tube) with ammonia-water (NH3-H2O) absorption systems and to select the best operating conditions.

Thermo-economics is the branch of engineering that combines energy analysis and economic principles to provide the system designer or operator with information not available through conventional energy analysis and economic evaluations but crucial to the design and operation of a cost-effective system. Based on the analysis presented in papers B and C, the thermo-economic optimization is studied under different operating conditions. The results show that combining a parabolic trough collector with an absorption cycle results in lower design aspects and lower hourly costs. An equation that determines the optimal area and design conditions in thermal systems is formulated. The selection of the module of the collector and the number of collectors in each module are presented. To study whether the implementation of solar thermal cooling in the Iraqi climate is economically feasible. The proposed approach was illustrated through a case study for a sports arena with a 700–800 kW total cooling load, considering the weather data of Baghdad. To achieve the best configuration and accurate thermodynamic models, the mathematical formulation of the different configurations of absorption processes in papers B and C is also thermo-economically analyzed and evaluated in paper D. Here, the analysis is performed to compare two types of absorption cycle water-LiBr and ammonia—water to each other by parabolic trough collectors and evacuated tube collectors under the same operating conditions. Moreover, investment and operating and maintenance cost analyses are performed for each unit (solar field, flash tank, absorption chiller, and pump units). Here, the interest rate is set at 5% and the lifetime of the plant at 20 years.

Finally, the comparison results reveal that the parabolic trough collector combined with H2O-LiBr (PTC/H2O-LiBr) gives lower design aspects and minimum rates of hourly costs (5.2 $/h) than the ETC/H2O-LiBr configuration (5.6 $/h). H2O-LiBr gives a lower thermo-economic product cost (0.14 $/GJ) compared to NH3-H2O (0.16 $/GJ). The absorption refrigeration cycle coefficient of performance ranged between 0.5 and 0.9.

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In den nächsten Jahrzehnten wird sowohl im Irak als auch international ein starker Anstieg des Energiebedarfs für die Klimatisierung von Gebäuden erwartet. Im Irak, wie auch in anderen heißen trockenen Ländern, nimmt der Einsatz konventioneller, elektrisch betriebener Kältemaschinen für die Klimatisierung (AC) drastisch zu, was zu hohen Kosten, Überlastung des Stromnetzes und Stromausfällen führt. Thermische Kühlprozesse bieten eine perfekte Alternative, um die solare Wärmestrahlung in Kühlenergie umzuwandeln und so den Komfort in Innenräumen zu erhöhen. Diese Doktorarbeit befasst sich mit der mathematischen Modellierung und Simulation von solarthermisch unterstützten Absorptionskältesystemen mit einfachem Effekt. Zum einen werden die Energieleistung, die Auslegung und der Betrieb thermisch angetriebener Kühlprozesse untersucht, zum anderen werden Optimierungen und thermo-ökonomische Analysen der verschiedenen Konfigurationen von Solarabsorptionskreisläufen durchgeführt.

Eine detaillierte Beschreibung der energetischen Leistungsanalyse von integrierten solarbetriebenen Kühlsystemen für Wohngebäude findet sich in Ausarbeitung A. Der Solaranteil und die thermische Leistung des solaren Klimatisierungssystems werden für mehrere Monate in der Kühlsaison unter Umgebungsbedingungen in Bagdad, Irak untersucht. Anhand der parametrischen Analyse des einfach wirkenden Wasser-LiBr-Absorptionskreislaufs wird die thermische Leistung des Systems bewertet und es werden die besten Parameter für die Gestaltung des solarbetriebenen Kühlsystems ermittelt. Hierzu wird der TRNSYS-basierte Ansatz verwendet. Darüber hinaus wird in Ausarbeitung A ein Strategieplan für die solarthermische Kühlung im Irak entwickelt, um Stromspitzen im Sommer zu reduzieren und Energieeinsparungen in Bezug auf die Primärenergie zu erzielen, wodurch die Treibhausgasemissionen im Bereich der Wohnraumklimatisierung verringert werden.

In den Ausarbeitungen B und C wird das Design des solaren Absorptionskühlsystems so verändert, dass es das Flash-Tank-Subsystem für die Dampferzeugung einschließt, um die verschiedenen Konfigurationen von Absorptionskühlkreisläufen mit verschiedenen solarthermischen Kollektoren zu optimieren und zu vergleichen. Es werden zwei Arten von Solarkollektoren betrachtet: Parabolrinnenkollektoren (PTC) und Vakuumröhrenkollektoren (ETC). Dabei werden zwei Arten von Absorptionskühlkreisläufen mit einfacher Wirkung untersucht: Wasser-LiBr und Ammoniak-Wasser. Die mathematischen Modelle wurden auf der Grundlage der Energiebilanzgleichungen entwickelt und in der Matlab/Simulink-Umgebung berechnet. Das vorgeschlagene Modell wird im Entwurfsmodus der Modellierungstechnik verwendet, bei der unbekannte Parameter wie Flächen, Abmessungen, Massendurchsätze, Energieströme, Exergie, Kostenströme und die gesamten Prozesstemperaturen oder andere errechnete physikalische Eigenschaften berechnet werden. Die thermo-ökonomische Analyse wurde für verschiedene Konfigurationen des Absorptionskühlkreislaufs durchgeführt. Die detaillierte Beschreibung des mathematischen Modells der Systemkonfigurationen ist in den genannten Ausarbeitungen (B und C) enthalten und wurde dort verglichen. In Ausarbeitung B wurden verschiedene Konfigurationen eines einfachwirkenden Wasser-LiBr-Absorptionskreislaufs anhand der Leistungszahl und des exergetischen Wirkungsgrads verglichen. Der Vergleich wird auf der Grundlage der Begriffe Energie, Exergie, Konstruktion, Kosten und Thermoökonomie durchgeführt. In Ausarbeitung C werden konstruktive und thermo-ökonomische Analysen vorgestellt, um zwei verschiedene Kollektortypen (Parabolrinne und Vakuumröhre) mit Ammoniak-Wasser-Absorptionssystemen (NH3-H2O) zu vergleichen und die besten Betriebsbedingungen zu ermitteln.

Die Thermo-Ökonomie ist ein Fachgebiet des Ingenieurwesens, das Exergie-Analysen und ökonomische Prinzipien kombiniert, um dem Systementwickler oder Betreiber Informationen zur Verfügung zu stellen, die durch herkömmliche Energieanalysen und ökonomische Bewertungen nicht verfügbar sind, jedoch für die Planung und den Betrieb eines kosteneffizienten Systems entscheidend sind. Auf der Grundlage der in den Ausarbeitungen B und C vorgestellten Analyse wird die thermo-ökonomische Optimierung unter verschiedenen Betriebsbedingungen untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass der Parabolrinnenkollektor in Kombination mit dem Absorptionszyklus niedrigere Gestaltungsaspekte und minimale Betriebskosten pro Stunde aufweist. Es wird eine Gleichung formuliert, die die optimale Fläche und die Auslegungsbedingungen in thermischen Systemen bestimmt. Die Auswahl der Kollektormodule und die Anzahl der Kollektoren in jedem Modul werden dargestellt. Es wird untersucht, ob der Einsatz von solarthermischer Kühlung im irakischen Klima wirtschaftlich umsetzbar ist. Der vorgestellte Ansatz wurde anhand einer Fallstudie für eine Sportarena mit einer Gesamtkühllast von 700-800 kW unter Berücksichtigung der Wetterdaten von Bagdad dargestellt. Um die beste Konfiguration und genaue thermodynamische Modelle zu erhalten, wird die mathematische Berechnung der verschiedenen Konfigurationen der Absorptionsprozesse in den Ausarbeitungen B und C auch thermoökonomisch analysiert und in der Ausarbeitung D bewertet. Hierbei werden die beiden Absorptionskreisläufe Wasser-LiBr und Ammoniak-Wasser mit Parabolrinnenkollektoren und Vakuumröhrenkollektoren unter den gleichen Betriebsbedingungen miteinander verglichen. Darüber hinaus werden Investitions-, Betriebs- und Wartungskostenanalysen für jede Einheit (Solarfeld, Flash-Tank, Absorptionskältemaschine und Pumpeneinheiten) durchgeführt. Dabei wird der Zinssatz auf 5% und die Lebensdauer der Anlage auf 20 Jahre festgelegt.

Die Ergebnisse des Vergleichs zeigen, dass der Parabolrinnenkollektor in Kombination mit H2O-LiBr (PTC/H2O-LiBr) weniger gestalterische Merkmale und minimale stündliche Kosten (5,2 $/h) aufweist, gefolgt von der ETC/H2O-LiBr-Konfiguration (5,6 $/h). H2O-LiBr ergibt geringere thermoökonomische Produktkosten (0,14 $/GJ) im Vergleich zu NH3-H2O (0,16 $/GJ). Der Koeffizient des Absorptionskältekreislaufs lag zwischen 0,5 und 0,9.

Deutsch
Status: Verlagsversion
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-245487
Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC): 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 16 Fachbereich Maschinenbau
16 Fachbereich Maschinenbau > Institut für Energiesysteme und Energietechnik (EST)
Hinterlegungsdatum: 20 Sep 2023 12:35
Letzte Änderung: 21 Sep 2023 05:00
PPN:
Referenten: Epple, Prof. Dr. Bernd ; Alobaid, Dr.-Ing Falah ; Abed, Prof. Dr. Fayad ; Ritvanen, Prof. Jouni
Datum der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 16 Mai 2023
Export:
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