Ανάπτυξη μοντέλου ψύκτη απορρόφησης στη Matlab για δυναμική προσομοίωση συστήματος ηλιακού κλιματισμού με το λογισμικό TRNSYS - Τζίννης, Ευστράτιος - Στυλιανός (Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Ψύξης και Κλιματισμού, 2016)
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.