Design of a Solar Thermal Powered Cooling System

Abstract

Abstract

The main objective of the thesis was to design a mechanical structure for a desiccant evaporative cooling, to apply solar thermal powered air conditioning systems in detached houses. The work was based on a process which was already proven thermally efficient by experimental tests of a prototype. The thesis was carried out in the group “Solar Systems” which belongs to the “Corporate Research” unit of the company Robert Bosch GmbH.

In southern Europe, to maintain comfortable inside air conditions, inefficient electronically driven cooling methods are used in a large scale during the relatively hot summers. Simultaneously with high cooling demands, usually intensive solar radiation is present. The desiccant evaporative cooling is a sensible way to utilize the available solar thermal energy in the air conditioning systems, when an electrical cooling coefficient of performance of over 20 can be reached.

The most critical factors of the design were pressure loss and size which are related to each other. In general, the desiccant evaporative cooling systems were already in industrial use, but downscaling of the system led to several problems such as unacceptably high internal leakage and pressure drop. Thus, new solutions were needed for the small applications.

As an introduction, was an orientation to the thermal process behind the desiccant evaporative cooling. Then, the mechanical design was started with several estimations. During the design process, new construction concepts and mechanical solutions were invented. At the same time, besides the pressure loss, components such as heat exchangers, valves, fans, filters and water spray nozzles were optimized. During the optimization, various engineering tools were used and with each step the estimations of the variables became more precise.

The design outcome is a conceptual 3D model of a construction that contains the optimized components of the desiccant evaporative cooling process in the required size. The pressure loss in the construction is calculated comprehensively. Due to that, the most mentionable design result is the proven competitiveness of the desiccant evaporative cooling system for detached house use. Additionally, a noteworthy invention is a simple and effective valve mechanism to control the adsorption and desorption phases, which can be used in nearly every open cycle desiccant evaporative cooling system.

Tiivistelmä

Kuudessa tunnissa aurinko säteilee maailman aavikoille enemmän energiaa kuin koko ihmiskunta kuluttaa vuodessa. Kesäisin samainen energialähde aiheuttaa epämiellyttävän kuumuuden asuintiloihin esimerkiksi Etelä-Euroopassa. Huolimatta epämiellyttävän kuumuuden ja käytettävissä olevan aurinkoenergian samanaikaisuudesta, asuintiloja jäähdytetään pääasiassa matalahyötysuhteisilla sähköteknologioilla. Globaalien ympäristöongelmien, kuten ilmastonmuutoksen torjunnassa sähkönkulutuksen pienentäminen on avainasemassa. Ilmastoinnin osalta mahdollinen tulevaisuuden ratkaisu kesäisen sähkökuorman alentamiseen on aurinkojäähdytys.

Saksassa Robert Bosch GmbH:n tutkimusyksikössä tehdyn opinnäytetyön aiheena oli aurinkoenergiaa hyödyntävän ilmastointikoneen omakotitalosovelluksen suunnittelu. Aurinkojäähdytys perustuu kuivaushaihdutusjäähdytykseen (DEC), joka käyttää auringon lämpöenergiaa kuivausaineen regenerointiin. Aurinkoenergian suoman hyödyn ansiosta tehokas ilmastointi on mahdollista toteuttaa minimaalisella sähkönkulutuksella.

Opinnäytetyön suurin haaste oli DEC-prosessia kunnioittavan ja kooltaan omakotitaloon sopivan ilmastointikoneen suunnittelu. Keskeinen ongelma oli vaatimusten mukainen toisistaan riippuvien rakenteen ja painehäviön optimointi. Itse optimointi perustui jäähdytysprosessin ja ilmastointikoneen komponenttien teorian ohella fyysisen rakenteen ideointiin, sekä toiminnallisten komponenttien suunnitteluun koneenrakennuksen ja virtausdynamiikan keinoin.

Suunnittelutyön tuloksia ovat ensisijaiset vaatimukset täyttävät 3D-mallit omakotitalosovelluksesta, sekä järjestelmän optimoidut toiminnalliset komponentit. Suunnitellun järjestelmän painehäviö on määritetty kattavasti, jonka perusteella aurinkojäähdytyksellä voidaan saavuttaa sähköinen hyötysuhde noin 29. Lisäksi tuloksena täytyy mainita keksintö venttiilimekanismista, joka mahdollistaa matalahäviöisen ilmavirtojen kontrolloinnin jokaisessa avoimessa DEC-sovelluksessa. Opinnäytetyön tulosten nojalla voidaan aurinkojäähdytys omakotitalosovelluksissa todeta järkeväksi. Lisäksi järjestelmän yksinkertaista rakennetta ja työssä käytettyjä suunnittelulinjoja voidaan käyttää tukevana pohjana varsinaiselle tuotekehitykselle kohti energiatehokasta ilmastointia.