ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΚΑΙ ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΧΡΗΣΗΣ ΗΛΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΣΤΑ ΚΤΙΡΙΑ - ΜΠΕΛΛΟΣ, ΕΥΑΓΓΕΛΟΣ (Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών, 2016)
Σκοπός αυτής της εργασίας είναι η μελέτη διαφόρων ηλιακών θερμικών συστημάτων με έμφαση την εφαρμογή τους στο κτιριακό τομέα. Μελετώνται διάφορα είδη συλλεκτών, επίπεδων και συγκεντρωτικών, τα οποία παράλληλα βελτιστοποιούνται. Η ανάλυση βασίζεται στη χρήση υπολογιστικών πακέτων αλλά και πειραματικών δεδομένων. Επίσης δοκιμάζονται συμβατικές και καινοτόμες εφαρμογές θέρμανσης, ψύξης, παραγωγής ζεστού νερού χρήσης αλλά και ηλεκτροπαραγωγής με τη χρήση θερμικών ηλιακών συστημάτων. Όλες οι αναλύσεις αφορούν στη περιοχή της Αθήνας. Στο πρώτο κεφάλαιο της παρούσας εργασίας παρουσιάζεται η αναγκαιότητα της χρήσης των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και ιδιαίτερα της ηλιακής ενέργειας για τη κάλυψη των αναγκών της σύγχρονης κοινωνίας. Τα βασικά αίτια για την ανάγκη αυτή πηγάζουν από την εξάντληση των φυσικών πόρων, την συνεχή αύξηση της τιμής του ηλεκτρικού ρεύματος και από τα περιβαλλοντικά προβλήματα τα οποία ολοένα και επηρεάζουν περισσότερο την ζωή του σύγχρονου ανθρώπου. Το δεύτερο κεφάλαιο είναι μια εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση των διαφόρων ηλιακών συλλεκτών που χρησιμοποιούνται. Αρχικά δίνονται οι βασικές αρχές της ηλιακής ακτινοβολίας και στη συνέχεια μελετώνται οι επίπεδοι συλλέκτες και οι συλλέκτες με σωλήνες κενού. Η βιβλιογραφική ανασκόπηση συνεχίζεται με τους συγκεντρωτικούς συλλέκτες με έμφαση στον παραβολικό επιμήκη συλλέκτη και στο σύνθετο παραβολικό συλλέκτη. Στη συνέχεια μελετώνται οι συλλέκτες Fresnel, οι συλλέκτες με παραβολοειδές κάτοπτρο (πιάτο) καθώς και τα ηλιοστατικά πεδία με καθρέφτες καθώς και η διάταξη του ηλιακού πύργου. Για κάθε συλλέκτη αναλύονται οι βασικές αρχές λειτουργίας και παρουσιάζονται καινοτόμες ιδέες και πρωτοτυπίες που συναντώνται στη διεθνή βιβλιογραφία τα τελευταία έτη. Το τρίτο κεφάλαιο περιέχει σημαντικές βιβλιογραφικές σχέσεις για υπολογισμούς μετάδοσης θερμότητας, ενεργειακών και εξεργειακών προσομοιώσεων. Γίνεται εκτενής βιβλιογραφική ανασκόπηση σχέσεων μετάδοσης θερμότητας εντός αγωγών διότι αυτό είναι προαπαίτηση για τη κατάλληλη προσομοίωση των ηλιακών συλλεκτών. Άλλωστε, οι ηλιακοί συλλέκτες είναι εναλλάκτες θερμότητας οι οποίοι εκμεταλλεύονται την ηλιακή ακτινοβολία για παραγωγή θερμότητας. Επίσης σε αυτό το κεφάλαιο αναλύεται η εξέργεια της ηλιακής ακτινοβολίας, της οποίας ο ορισμός της είναι ένα σημαντικό επιστημονικό ζήτημα. Πιο συγκεκριμένα, ο ήλιος είναι ένα θερμοδοχέιο ακτινοβολίας και όχι θερμοκρασίας και γι αυτό άλλοι παράγοντες, όπως το σχήμα του, επιδρούν στο ρεύμα εξέργειας που φτάνει στον εκάστοτε ηλιακό συλλέκτη. Στο κεφάλαιο 4 παρουσιάζονται οι προσομοιώσεις των ηλιακών συλλεκτών, οι οποίες πραγματοποιήθηκαν στη παρούσα εργασία. Οι αναλύσεις αυτές έγιναν κατά κύριο λόγο με το λογισμικό Solidworks Flow Simulation, ενώ παράλληλα αναπτύχθηκαν αριθμητικά μοντέλα για την επαλήθευση της θερμικής απόδοσης των συλλεκτών. Πιο συγκεκριμένα, αναλύεται ο επίπεδος συλλέκτης, ο συλλέκτης με σωλήνες κενού, ο επιμήκης παραβολικός συλλέκτης, ο σύνθετος παραβολικός συλλέκτης με σωλήνα κενού και κάλυμμα, καθώς και ένας καινοτόμος συλλέκτης με παραβολοειδές κάτοπτρο και σφαιρικό δέκτη. Επίσης στο ίδιο κεφάλαιο αναλύονται βελτιώσεις και βελτιστοποιήσεις των εξεταζόμενων ηλιακών συλλεκτών με στόχο την αύξηση του θερμικού βαθμού απόδοσης. Πιο συγκεκριμένα, γίνεται οπτική βελτιστοποίηση του κατόπτρου ενός σύνθετου παραβολικού συλλέκτη μέσω της παραμετροποίησης της γεωμετρίας του με πολυώνυμα Bezier. Επίσης εξετάζεται η χρήση νανοσωματιδίων εντός του εργαζόμενου μέσου για βελτίωση της μετάδοσης θερμότητας από τον απορροφητή προς το ρευστό. Τέλος παρουσιάζεται μια πλήρης σύγκριση των συλλεκτών που αναλύθηκαν, η οποία περιλαμβάνει ενεργειακά, εξεργειακά και οικονομικά κριτήρια. Το κεφάλαιο 5 αποτελεί τη συνέχεια του προηγούμενου κεφαλαίου αλλά τώρα παρουσιάζεται η σύγκριση πειραματικών και αριθμητικών αποτελεσμάτων. Ένας συλλέκτης Fresnel ο οποίος βρίσκεται στις εγκαταστάσεις του Ε.Κ.Ε.Φ.Ε «Δημόκριτος» μελετήθηκε πειραματικά και τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν με προσομοίωση στο λογισμικό Solidworks Flow Simulation. Παράλληλα αναπτύχθηκε ένα εύχρηστο μοντέλο προσομοίωσης της θερμικής του απόδοσης με τη βοήθεια του λογισμικού EES (Engineering Equation Solver). Επίσης μελετήθηκε ένας επίπεδος συλλέκτης με λαμπτήρες που προσομοιώνουν τον ήλιο για να προσδιοριστεί η θερμική του απόδοση και προσδιορίστηκαν λοιπά χαρακτηριστικά του ολοκληρωμένου συστήματος το οποίο συμπεριλαμβάνει ένα μονωμένο δοχείο αποθήκευσης. Τέλος αναπτύχθηκε ένα μοντέλο που περιγράφει τη δυναμική συμπεριφορά του συλλέκτη και τα αποτελέσματα του ήρθαν σε πλήρη συμφωνία με τα αντίστοιχα πειραματικά. Στα κεφάλαια 6 και 7 εξετάζεται η χρήση της ηλιακής ενέργειας στα κτίρια. Το κεφάλαιο 6 αποτελεί μια ολοκληρωμένη βιβλιογραφική ανασκόπηση η οποία περιλαμβάνει τον ενεργειακό σχεδιασμό του κτιρίου, καθώς και τα συνήθη συστήματα θέρμανσης και ψύξης. Αναφέρονται βασικά σημεία από τους κανονισμούς του Τ.Ε.Ε.-Κ.Ε.Ν.Α.Κ. τα οποία είναι απαραίτητα να ληφθούν υπόψη για το σχεδιασμό ενός ενεργειακά αποδοτικού κτιρίου. Περιγράφονται τεχνολογίες ηλιακής θέρμανσης και ηλιακής ψύξης, οι οποίες οδηγούν σε μείωση της κατανάλωσης ηλεκτρικού ρεύματος. Έμφαση δίνεται στην υποβοηθούμενη αντλία από ηλιακά για παραγωγή θέρμανσης και στον μονοβάθμιο ψύκτη απορρόφησης με LiBr-H2O. Το κεφάλαιο 7 αποτελείται από τις προσομοιώσεις των διαφόρων συστημάτων αξιοποίησης της ηλιακής ενέργειας στα κτίρια. Αρχικά εξετάζεται το κτιριακό κέλυφος και ο τρόπος με τον οποίο οι διάφορες παράμετροι αυτού επιδρούν στα φορτία θέρμανσης και κλιματισμού. Η ανάλυση αυτή είναι απαραίτητη για να τις επόμενες αναλύσεις που ακολουθούν. Στη συνέχεια παρουσιάζεται μια οικονομοτεχνική σύγκριση διαφόρων ηλιακών συλλεκτών για παραγωγή ζεστού νερού χρήσης. Το επόμενο στάδιο είναι η μελέτη των συστημάτων ηλιακής θέρμανσης. Αναλύεται η χρήση υποβοηθούμενης αντλίας θερμότητας από ηλιακούς συλλέκτες, η χρήση Fan coils μαζί με συλλέκτες, η χρήση ενδοδαπέδιου συστήματος θέρμανσης και τέλος η χρήση της συμβατικής αντλίας αέρα έτσι ώστε να πραγματοποιηθεί μια ολοκληρωμένη σύγκριση. Να σημειωθεί πως τα συστήματα συγκρίνονται ενεργειακά αλλά και οικονομικά έτσι ώστε η σύγκριση να είναι πολύπλευρη. Η μελέτη συστημάτων ηλιακής ψύξης είναι το επόμενο στάδιο. Διάφορες συγκρίσεις πραγματοποιούνται δοκιμάζοντας όλους τους ηλιακούς συλλέκτες σε διαφορετικές συνθήκες ώστε να προσδιοριστεί η βέλτιστη λύση σε κάθε περίπτωση και να εξαχθούν γενικά συμπεράσματα που θα είναι χρήσιμα για μελλοντικές εγκαταστάσεις. Σημαντική καινοτομία είναι η χρήση του εργαζόμενου μέσου LiCl-H2O σε μηχανή απορρόφησης συζευγμένη με επίπεδους συλλέκτες. Η σύγκριση του με το συμβατικό μέσο LiBr-H2O αποδεικνύει ότι η συλλεκτική επιφάνεια μπορεί να μειωθεί με τη χρήση του νέου εργαζόμενου ζεύγους κατά 8% περίπου. Τέλος αναλύεται ένα σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας 1MWel με χρήση παραβολικών συλλεκτών και οργανικού κύκλου Rankine (ORC). Η εγκατάσταση αυτή είναι ικανή να παρέχει ηλεκτρικό ρεύμα για περίπου 100 μικρά κτίρια. Τα συμπεράσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής παρουσιάζονται στο κεφάλαιο 8. Πιο συγκεκριμένα, αποδείχτηκε ότι η απόδοση ενός ηλιακού συλλέκτη μπορεί να βελτιωθεί με πολλούς τρόπους. Η χρήση νανοσωματιδίων στο εργαζόμενο μέσο μπορεί να αυξήσει την θερμική απόδοση του συλλέκτη κατά 5% περίπου. Ίδιας τάξης μεγέθους αύξηση μπορεί να επιτευχθεί με τη χρήση κυματοειδούς γεωμετρίας στην εσωτερική επιφάνεια του απορροφητή, σε ένα σωλήνα κενού. Στο κομμάτι της οπτικής βελτιστοποίησης, για πρώτη φορά δοκιμάστηκε η χρήση πολλαπλών κατόπτρων σε ένα συλλέκτη τύπου CPC και τελικά αποδείχτηκε βελτιωμένη ετήσια θερμική απολαβή σε σύγκριση με το συμβατικό συλλέκτη. Επίσης, ένας καινοτόμος συλλέκτης με σφαιρικό δέκτη και παραβολοειδή ανακλαστήρα σχεδιάστηκε και προσομοιώθηκε. Η καινοτομία αυτού του συλλέκτη έγκειται στην δυνατότητα αποθήκευσης θερμότητας εντός του σφαιρικού δέκτη. Στο επόμενο κομμάτι των προσομοιώσεων της χρήσης της ηλιακής ενέργειας στα κτίρια, αποδείχτηκε πως οι υποβοηθούμενες αντλίες θερμότητας από ηλιακά συστήματα, είναι δυνατόν να μειώσουν αρκετά την κατανάλωση ενέργειας. Επίσης μελετήθηκε η χρήση ενός εναλλακτικού εργαζόμενου ζεύγους, του LiCl-H2O, σε ψύκτη απορρόφησης και τελικά παρατηρήθηκε αύξηση στην απόδοση του συστήματος σε σχέση με τη λειτουργία με το συμβατικό εργαζόμενο μέσο (LiBr-H2O)