Анализ энергетической эффективности системы охлаждения с солнечным коллектором двойного действия в условиях климата Мали тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Камара Сумаила

• Камара Сумаила
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Камара Сумаила

Реферат

Synopsis

Введение

Глава 1. Возобновляемые источники энергии в современных системах охлаждения

1.1 Технологии солнечных систем охлаждения

1.2 Солнечные электрические системы охлаждения

1.2.1 Парокомпрессионные системы

1.2.2 Твердотельные системы

1.3 Солнечные тепловые системы охлаждения

1.3.1 Термомеханические системы охлаждения

1.3.2 Системы охлаждения сорбцией

1.4 Системы сорбции открытого цикла

1.5 Системы сорбции замкнутого цикла

1.5.1 Абсорбционные системы охлаждения

1.5.2 Адсорбционные системы охлаждения

1.5.3 Эжекторные системы охлаждения

1.6 Радиационные системы охлаждения

1.6.1 Ночная радиационная система охлаждения

1.6.2 Дневная радиационная система охлаждения

1.7 Адиабатическое охлаждение

1.8 Сравнительный анализ солнечных систем охлаждения

1.9 Текущее состояние возобновляемых источников энергии в системах охлаждения

1.10 Перспективы развития систем охлаждения на солнечной энергии

1.11 Преимущества и недостатки солнечных систем охлаждения

1.12 Постановка задачи исследования

1.13 Выводы по главе

ГЛАВА 2. Исследование коллектора двойного действия

2.1 Типы солнечных коллекторов

2.2. Математическая модель коллектора двойного действия в составе системы охлаждения

2.2.1. Общее описание системы и принципа действия

2.2.2 Математическая модель коллектора двойного действия

2.3 Анализ эффективности коллектора двойного действия

2.4 Годовой анализ эффективности ^ДД

2.5 Выводы по главе

ГЛАВА 3. Абсорбционная система охлаждения на базе коллектора двойного действия

3.1 Цикл одноступенчатого абсорбционного трансформатора теплоты

3.2 Моделирование суточного режима работы системы

3.2.1 Дневной режим

3.3.2 Ночной режим

3.3 Моделирование режимов работы элементов системы

3.3.1 Моделирование резервуара для хранения

3.3.2 Моделирование одноступенчатой абсорбционной холодильной установки

3.3.3 Моделирование насоса

3.4 Анализ эффективности и экономические показатели сисемы

3.4.1 Анализ эффективности системы

3.4.2 Экономический анализ

3.4.3 Расчетные параметры солнечной системы охлаждения

3.4.4 Показатели энергоэффективности

3.4.5 Годовая производительность системы

3.4.6 Экономические показатели системы

3.5 Выводы по главе

Глава 4. Режимы работы системы охлаждения в условиях климата Мали

4.1 Режим работы водоохлаждающей градирни

4.2 Температурный режим в баках-аккумуляторах

4.3 Потери воды через мокрую градирню

4.4 Режимные параметры системы охлаждения в годовом цикле

4.5 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Список рисунков

Тексты публикаций

Реферат

Общая характеристика диссертации

Актуальность темы

Наша энергетическая цивилизация в ХХ1-ом веке созрела до твёрдого понимания того, что природные ресурсы, связанные с использованием органических веществ типа угля, нефти и природного газа, истощаются, а традиционные энергетические технологии, связанные с обработкой и использованием этих ресурсов, имеют вредное воздействие на экологию. Кроме того, эти ресурсы часто являются причинами вооруженных конфликтов. Например, в последние годы потребление энергии в мире резко возросло из-за роста населения, качества жизни и промышленной деятельности. Рост спроса на комфорт в строительном секторе составляет более 35 % от общей доступной энергии, рост глобального спроса на энергию и выбросы CO2, как ожидается, увеличатся почти на 60 % к 2030 году по сравнению с началом века. Этот растущий спрос на электроэнергию приводит к увеличению потребления первичной энергии и выбросам парниковых газов из-за производства электроэнергии из первичных источников энергии, таких как ископаемое топливо. В связи с этим становятся более востребованными возобновляемые источники энергии, среди которых существует практически не истощаемый источник энергии. Это, прежде всего, солнечная энергия. В регионах с жарким климатом, например, в подавляющем большинстве стран Африки, солнечная активность максимальна. Таким образом, в таких регионах складываются наиболее благоприятные условия для применения энергоустановок на базе преобразования солнечной радиации для отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, охлаждения и т.д. Этим и определяется актуальность данной темы, и связанного с ней исследования.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ энергетической эффективности системы охлаждения с солнечным коллектором двойного действия в условиях климата Мали»

Цель работы

Целью работы является создание и исследование энергоэффективной гелиоиспользующей системы охлаждения с коллектором двойного действия для применения в условиях регионов с жарким климатом.

Задачи работы

Для достижения выше указанной цели, следует выполнить следующие задачи.

1) Выполнить анализ технических решений систем охлаждения на солнечной энергии.

2) Обосновать техническое решение и разработать математическую модель комбинированного коллектора двойного действия.

3) Выполнить анализ энергетической эффективности коллектора двойного действия для климатических условий Мали.

4) Обосновать техническое решение и разработать математическую модель абсорбционной системы охлаждения на базе коллектора двойного действия.

5) Выполнить анализ энергетической эффективности и экономических показателей предложенной системы охлаждения в годовом цикле работы для климатических условий Мали.

Научная новизна работы

Разработана энергоэффективная гелиоиспользующая система охлаждения на базе комбинированного коллектора двойного действия.

Теоретическая и практическая значимость работы

1) Разработаны математические модели и методики расчета компонентов и системы охлаждения на базе коллектора двойного действия.

2) Определены энергетические и экономические показатели системы охлаждения на базе коллектора двойного действия в годовом цикле для климатических условий Мали.

3) Обоснована возможность экономии охлаждающей воды за счет потенциала ночного радиационного охлаждения при эксплуатации системы в регионе с жарким засушливым климатом.

Положения, выносимые на защиту

1) Принцип действия и схемное решение гелиоиспользующей абсорбционной системы охлаждения на базе коллектора двойного действия.

2) Математическая модель и методика расчета гелиоиспользующей абсорбционной системы охлаждения на базе коллектора двойного действия.

3) Расчетные зависимости среднегодовых энергетических и технологических показателей гелиоиспользующей абсорбционной системы охлаждения на базе коллектора двойного действия для климатических условий Мали.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

1) Казахстан-Холод 2020: Алматы: АТУ, 2020.

2) IX Конгресс молодых ученых университета ИТМО: Санкт-Петербург,

ИТМО. 2020.

3) X Конгресс молодых ученых университета ИТМО: Санкт-Петербург, ИТМО. 2021.

4) X Международная научно-техническая конференция «Низкотемпературные и пищевые технологии в XXI веке»: Санкт-Петербург, ИТМО. 2021.

5) 12-я Международная научно-техническая конференция «Техника и технология нефтехимического и нефтегазового производства»: Омск, ОмГТУ. 2022.

6) Казахстан-Холод 2022: Алматы, АТУ, 2022.

7) XI Конгресс молодых ученых университета ИТМО: Санкт-Петербург, ИТМО. 2022.

8) Пятьдесят второй (LII) научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО: Санкт-Петербург, ИТМО. 2023.

Достоверность научных достижений

Достоверность и обоснованность научных положений, выводов и результатов подтверждается тем, что в диссертации использованы научные подходы к математическому моделированию, которые хорошо апробированы и подтверждены практическим использованием. При выполнении диссертационной работы использовано такое программное обеспечение как Matlab, Wolfram Mathematica, Origin Pro, Microsoft Excel.

Внедрение результатов работы

Результаты диссертации используются в учебном процессе в Университете ИТМО в Санкт-Петербурге и в Центральной школе промышленности, торговли и менеджмента (ECICA) в Бамако, Республика Мали.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 10 научных работы, в том числе: 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ, а также в международную базу Scopus и Web of Science - 2; 5 публикаций в материалах международных научно-практических конференций

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка перечня условных обозначений, списка литературы из 129 наименований. Общий объем работы составляет 292 страниц, в том числе 162 страницы основного текста, 58 рисунков и 21 таблиц.

Содержание работы

Введение

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, научные положения диссертации, выносимые на защиту, практическая ценность работы. Изложена структура диссертации и краткая характеристика ее основных разделов.

Глава 1

В первой главе рассматриваются различные технологии солнечных систем охлаждения и области их применения. На рисунке 1 приведена структурированная информация по технологиям систем охлаждения с использованием солнечной энергии. Отметим, что известны два направления развития данных технологий:

системы, использующие электрическую энергию от солнечных батарей, и системы, использующие тепловую энергию от солнечных коллекторов.

Рисунок 1 - Технологии солнечных систем охлаждения

Наиболее распространенными системами охлаждения с использованием возобновляемых источников энергии в настоящее время являются системы сорбционного охлаждения на солнечной энергии, системы пассивного радиационного охлаждения и системы адиабатического охлаждения.

Сравнение коэффициентов преобразования и первоначальных затрат для различных технологий охлаждения на солнечной энергии показано на рисунке 2. В последних трех столбцах показана удельная стоимость солнечных фотоэлектрических панелей, удельная стоимость солнечных тепловых коллекторов, удельная стоимость двигателя и охладителя соответственно.

Рисунок 2 - Производительность и стоимость различных солнечных систем

охлаждения.

В период с 2004 по 2015 год по всему миру было установлено около 1350 солнечных систем охлаждения. Около трех четвертей установок солнечного охлаждения в мире находятся в Европе, особенно в Испании, Германии, Италии и Греции. Большинство этих установок оснащены коллекторами с плоской поверхностью и высокоэффективными вакуумными трубками. На сегодняшний день наиболее широко используемой технологией солнечного охлаждения в мире является абсорбционная технология (72 %), за ней следуют адсорбционная технология (17 %) и твердотельные осушители (10 %). Рисунок 3 показывает динамику развития технологий солнечного охлаждения в Европе и мире.

Гелиоиспользующее охлаждение начнет вносить значительный вклад после 2030 года, поскольку предполагается, что затраты на технологию солнечного охлаждения будут быстро снижаться, в то время как затраты на электроэнергию будут постоянно расти. На рисунках 4 и 5 приведены ожидаемые показатели доли

Рисунок 3 - Оценка установок солнечного охлаждения в Европе и в мире

солнечной энергетики в холодильной технике. На региональном уровне Китай и другие развивающиеся азиатские страны к 2050 году будут иметь долю солнечной энергии для целей охлаждения порядка 30 %. В Африке и на Ближнем Востоке гелиоиспользующее охлаждение в 2050 году будет составлять до 23 % от энергии, используемой для охлаждения. Ожидаемые показатели других регионов, таких как Латинская Америка, выглядят скромнее, но это связано с меньшими показателями их экономики. В этих регионах гелиоиспользующее охлаждение будет составлять порядка 16 % от спроса на энергию для охлаждения.

В диссертационной работе рассмотрены преимущества и недостатки, а также качественные показатели систем охлаждения на основе солнечной энергии. Представлен анализ современного состояния возобновляемых источников энергии в системах охлаждения, формальная и содержательная постановка задачи.

Рисунок 4 - Перспективы развития солнечного охлаждения.

Рисунок 5 - Доля солнечной энергии в потреблении энергии.

Глава 2

Во второй главе изучены различные типы солнечных коллекторов и их применение. Созданы структурные схемы солнечного коллектора с селективным покрытием на его поверхности для дневного солнечного нагрева и ночного

радиационного охлаждения в Космос (рисунки 6 и 7). На рисунке 8 представлена структура селективного покрытия, нанесенного на поверхность плоского солнечного коллектора, а в таблице 1 представлены оптические характеристики покрытия.

Рисунок 6 - Схема коллектора двойного действия (дневной режим)

Рисунок 7 - Схема коллектора двойного действия (ночной режим)

Ti based solar absorbing coating

Aluminum substrate

Рисунок 8 - Схема коллекторной пластины TPET

Таблица 1 - Оптические характеристики покрытия TPET

Длина волны, цм 0,3 - 3 3-8 8-13 13 - 25

Коэффициент поглощения 0,92 0,55 0,55 0,55

Коэффициент излучения 0,55 0,55 0,80 0,55

В диссертации разработана математическая модель рассмотренного коллектора двойного действия. для применения в абсорбционной системе охлаждения в условиях региона с жарким климатом. В модели использованы закономерности тепловых процессов на поверхности коллектора и в потоке теплоносителя. Основными базовыми уравнениями системы для коллектора двойного действия являются:

- уравнение теплового баланса ветрозащитного экрана:

hwa(Ta ^ш) + hws(Tsky ^ш) + hwg-conv(Tg ^ш) Qwg-rad + * С 0, (1)

- уравнение теплового баланса прозрачного остекления:

^-^(Тш - Tg) + hgp(Tp - Tg) + ag * С - Qrad-net = 0, (2)

- уравнение теплового баланса собирающей пластины:

hwg-conv(Tw - Tg) + Ц?Р(ТР - ^ + О? * С - Qrad-net = 0 (3)

- уравнение для температуры жидкости внутри труб в дневное время:

Tfo = Ta + Qs/Ul + (тfi-Ta-Qs/Ul)eXp(-HLmЩ:) (4)

- уравнение для температуры жидкости внутри труб в ночное время:

Tfo = Ta - + (тfi -Ta + ^аУиь) ехр ( ■ (5)

Накопительные баки служат буферным резервуаром для обеспечения поступления нагретого и охлажденного теплоносителя. Предполагая, что внутри резервуара происходит идеальное перемешивание, а скорость добавления и отвода тепла в течение разумного периода времени Дt считается постоянной, температуру резервуара для хранения можно оценить для каждого временного интервала с помощью уравнения

Tт,i+1 = Ъд + —— (Qu - Qт,L - Qт) , (6)

тТср

где QT,L - потери тепла из резервуара, QT - извлеченная энергия из резервуара для хранения, Ттд - основная температура хранения за рассматриваемый период, а тт -масса теплоносителя в резервуаре для хранения.

На рисунке 9 представлена динамика температуры воды, нагретой в баке объемом100 литров, при различных массовых расходах воды по результатам моделирования. Отметим, что при массовом расходе 0,02 кг/с температура воды в баке горячей воды достигает 355 К (82°С) около 13:00, динамика температуры воды при массовом расходе 0,02 кг/с показана на рисунке 10.

1100 375

Время

—О—Gt ^/т2] —Л—'ТЮ [К], т=0.008 —О—'ТЮ {К], т=0.012 —Ж—'ТЮ [К], т=0.02 — —Та [К]

Рисунок 9 - Динамика температуры воды, нагретой в баке 1, при различных

массовых расходах в дневном режиме

1200 1100

2 1000

JE

£Ü 900 ou s

5 800

T

cu o

X T

OJ

X

^

o и

700

600

500

400

300

380 370 360 350

340 a

i-

П!

330

320 310 300 290

06:52 07:52 08:52 09:52 10:52 11:52 12:52 13:52 14:52 15:52 16:52 17:52

Время

■ Solar irradiance [W/m2

■Ambient temperature- Ta [K]

■ Outlet Temperature- Tfo [K]

Рисунок 10 - Динамика температуры воды, нагретой в баке 1, при массовом расходе воды 0,02 кг/с в в дневном режиме.

Для более экономичной работы КДД для его применения в абсорбционной системе охлаждения был выбран расход 0,02 кг/с. При этом расходе температура в баке для хранения в первый день работы достигает 82 °С около 12:52. Эта температура достаточна для запуска одноступенчатой абсорбционной холодильной машины.

На рисунке 11 показано динамика температуры воды в баке 2 объемом 100 литров при различных расходах воды в коллекторе в ночном режиме.

310

308

306

304

с 302

о.

£

< 300

о.

с 1 298

I-

296

294

292

290

18:52 19:52 20:52 21:52 22:52 23:52 00:52 01:52 02:52 03:52 04:52 05:52

ВРЕМЯ

Т10 [К], т=0.004 к^Б

Та [К]

■Т10 [К], т=0.005 к§/Б

Tfo [К], т=0.006 к§/Б

Рисунок 11 - Температура воды в баке 2 при различных расходах воды,

в ночном режиме

Производительность коллектора двойного действия днем и ночью представлена в таблице 2.

Таблица 2 - Результаты исследования коллектора двойного действия

Параметр Режим нагрева Режим охлаждения

Солнечное излучение (Вт/м2) 764 0

Температура воды входа (°С) 28 28

Расход воды (кг/с) 0,02 0,004

Тепловая эффективность (%) 73,4 -

Мощность охлаждения (Вт/м2) - 59

Глава 3

В третьей главе разработана схема абсорбционной системы охлаждения с приводом от коллектора двойного действия, показанная на рисунке 12. Она состоит из коллектора, двух резервуаров для хранения горячей и холодной воды, абсорбционного холодильного агрегата, градирни и вспомогательных компонентов. В дневное время КДД нагревает воду в баке 1 за счет тепловой энергии, генерируемой солнечным излучением, а в ночное время снижает температуру воды в баке 2 за счет теплового излучения в космос в диапазоне длин волн атмосферного окна (8-13 мкм). Резервуары для хранения горячей и холодной жидкости обеспечивают работу АБХМ. В дневное время вода, нагретая в КДД, подается в бак для горячей воды, а затем в генератор АБХМ. В ночное время вода, охлажденная в КДД, хранится в баке для холодной воды, а затем в дневное время используется для охлаждения абсорбера и конденсатора. Жидкость, охлажденная в испарителе, подается в систему кондиционирования воздуха в помещении. Градирня запускается, когда температура холодной воды в баке-2 становится недостаточной для охлаждения абсорбера и конденсатора.

Рисунок 12 - Схема абсорбционной системы охлаждения с коллектором двойного

действия

В диссертационной работе выполнено моделирование ежедневной работы системы в зависимости от погодных условий в городе Бамако. Система изучается в термодинамическом, энергетическом и экономическом аспектах.

Основными уравнениями для солнечного коллектора являются следующие.

Солнечная энергия, доступная в каждый момент времени, рассчитывается как произведение интенсивности потока солнечной энергии (С^ на рабочую площадь коллектора (Лс).

& = . (7)

Производительность (фц) определяется выражением:

& = , (8)

где Лс - площадь КДД, м2; - глобальное солнечное излучение, Вт/м2, а ^ -тепловая эффективность, определяемая уравнением (9):

Т?- — Т

= 0.734-4.51 ипс а . (9)

Тепловой КПД КДД при нулевой разности температур достигает 0,734 ; величина 4.51 Ж. т-2.^-1 — общий коэффициент теплопередачи; 7УдП — температура жидкости на входе в коллектор, К; Гат — температура окружающей среды, К ; и — глобальное солнечное излучение, Вт/м2.

Массовый расход теплоносителя в КДД рассчитывается следующим образом:

тс = 0.02 *ЛС , (10)

где тс - массовый расход, кг/с и Лс - площадь поверхности КДД, м2. Общая площадь коллектора в данном исследовании принята равной 60 м2. Основные параметры КДД представлены в таблице 2 в главе 2.

Основные уравнения для моделирования резервуара для хранения являются следующими.

Общий энергетический баланс резервуара для хранения определяется по формуле:

= & — ^ — й055 (11)

Запасенная тепловая энергия ) рассчитывается как разница между расходом тепла на входе и расходом тепла на выходе. Входным параметром является тепловая производительность коллектора ), в то время как выходными параметрами являются тепловые затраты в генераторе ) и тепловые потери в резервуаре ). Накопленное тепло ) выражается с использованием

энергетического баланса в рабочей жидкости как показано ниже:

= . (12) Тепловые потери резервуара для хранения ) рассчитываются как: ^5=^70^ — Т-а) . (13)

Площадь резервуара (Лт) может быть рассчитана с помощью формулы (14). Объем резервуара для хранения (V) является единственным необходимым параметром, при этом предполагается, что диаметр резервуара равен высоте резервуара.

Ат = 5.536У2/3 , (14)

где V и Ат имеют размерность м3 и м2 соответственно. Тепловая мощность генератора определяется по формуле :

(15)

Для достижения надлежащей теплопередачи в генераторе предполагалось, что минимальная разница температур в генераторе составляет 10 К:

ТьМ.ОШ — Тд + 10К ,

(16)

Массовый расход в контуре источника (т5) устанавливается на то же значение, что и в коллекторе (тс).

Исходными данными для моделирования одноступенчатой абсорбционной холодильной машины являются следующие.

Расчет одноступенчатой бромисто-литиевой холодильной машины выполняется в соответствии с термодинамическим циклом, приведенном на рисунке 13.

° Га Гг Гг

Рисунок 13 - Цикл одноступенчатой абсорбционной бромистолитиевой

холодильной машины в £ - Ь диаграмме.

Основные процессы цикла следующие: 1 - 3 - нагрев слабого раствора в теплообменнике растворов; 3 — 3sat - адиабатно-изобарная десорбция пара рабочего вещества; 3sat — 4 - кипение раствора в генераторе; 4 - 6 - охлаждение крепкого раствора в теплообменнике растворов; 6 - 1 - абсорбция пара рабочего вещества в абсорбере; 8' - 8 - отвод теплоты перегрева и конденсация пара рабочего вещества в конденсаторе; 10 - 10' - кипение рабочего вещества в испарителе.

Энергетические и экономические характеристики системы оцениваются по следующим уравнениям.

Энергетическая эффективность системы оценивается с использованием коэффициента преобразования системы (SCOP), который определяется следующим образом.

SCOP = jr = COP. nth , (17)

Vs

где — холодопроизводительнось, кВт; —мощность солнечного излучения, кВт.

Эксергетическая эффективность системы определяется следующим образом:

(T^-1)

In

Пех = SCOP-—0-т- , (18)

(1—( )

° 1sun ° 41suny

здесь температура охлажденного теплоносителя (Tref) составляет 298,15 К, а расчетная температура солнца (Tsun) составляет 5770 К.

Капитальные затраты на систему (CO) представляют собой сумму стоимости резервуаров, стоимости плоского пластинчатого коллектора и стоимости охладителя.

CO = Ktank V + Kcol. Acol + Kch Qe + QcT' (19)

где Ktank - удельная стоимость резервуара для хранения, €/м3; V - объем резервуара для хранения, м3; Kcoi - удельная стоимость солнечного коллектора €/м2; Acol — площадь коллектора, м2; Kch — удельная стоимость охладителя, € /кВт ; Qe — холодопроизводительность, кВт ; — удельная стоимость градирни, € /кВт, и QCT —тепловая мошность градирни, кВт .

Годовые эксплуатационные расходы (CF) рассчитываются по следующей формуле

CF = Kref*Eref-(O&M) , (20)

где Eref - годовая выработка холода, кВтч; Kref - стоимость охлаждения. Стоимость электроэнергии (Kei) делится на эквивалентный коэффициент полезного действия в системе охлаждения с механическим сжатием (COPeq). Коэффициент преобразования (COP) современных кондиционеров с механическим сжатием колеблется от 2,5 до 3, а стоимость электроэнергии (Kei) в Бамако составляет около 0,23 €/кВтч.

Kei

ref COPeq

Ежегодные затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание (O&M) приняты 1% от капитальных затрат:

(O&M) = 0.01 * CO , (22)

Чистая приведенная стоимость (NPV) инвестиций определяется как

NPV=-CO + R*CF . (23)

Эквивалентный срок службы проекта определяется выражением.

(1 + r)N-1

R = -++7Г , (24)

где г - коэффициент дисконтирования, а N - срок действия инвестиций. Простой срок окупаемости инвестиций (SPP) определяется следующим образом

CO

SPP = -§ , (25)

Период окупаемости инвестиций (PP) учитывает изменение стоимости с течением времени. Он определяется следующим выражением:

CF

PP = '" , (26)

ln(1 + r) v y

Параметры для экономических исследований приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Экономические показатели

Параметр Значение

Удельная стоимость солнечных коллекторов (Кс) 250 €/м2

Удельная стоимость резервуара для хранения (Ktank) 1000 €/м3

Удельная стоимость абсорбционного охладителя (Кл) 600 €/кВт

Удельная стоимость градирни (Л"сг) 200 €/кВт

Коэффициент дисконтирования (г) 3%

Срок инвестирования (Ы) 25 лет

Эксплуатация и техническое обслуживание (О&М) 1%

Результаты, полученные в результате термодинамического исследования системы, представлены в качестве примера на рисунке 14. Здесь показаны результаты моделирования для коэффициента преобразования (COP) и энергоэффективности системы (SCOP). При фиксированной температуре конденсации, температура в генераторе и испарителе изменяется.

Результаты моделирования позволяют найти значения параметров для максимальных значений COP и SCOP. Для каждого случая, когда температура конденсации фиксирована, КПД уменьшается с увеличением температуры генератора. При постоянных условиях работы генератора и испарителя, но при различных температурах в конденсаторе производительность системы снижается по мере повышения температуры в конденсаторе. Таким образом, более высокая производительность достигается при низкой температуре конденсатора с повышением температуры в испарителе. Для всех изученных сценариев коэффициент преобразования колеблется между 0,7291 и 0,7675. Для оптимальной работы системы в климатических условиях Бамако мы рассмотрели сценарий, при котором температура конденсации составляет 40°C, температура генератора составляет 85°C, а температура испарения рабочей жидкости составляет 8°C.

Тконд Та 35 С

0,770

Te=4°C

Te=4°C

Te=6°C

Te=6°C

Te=8°C

Te=8°C

Te=10°C

Te=10°C

0,740

80 82 84 86 88

Температура генератора (°C)

90

Рисунок 14 - COP и SCOP в функции от температуры генератора при Гс=35°C

Таким образом, были достигнуты КПД 0,75 и энергоэффективность системы 0,55. Для примера на рисунке 15 показано влияние температуры генератора на энергетическую и эксергетическую эффективность системы при различных уровнях температуры в конденсаторе.

T^=35°C

0,566 -

n 0,564 -

О

о 0,562 -

со

0,560 -

<D 0,558 -

о

О 0,556 -

-D

О 0,554 -

<>

X

m ^ 0,552 -

h

<i> 0,550 -

о 0,548 -

о

о 0,546 -

<|)

т

« 0,544 -

0,542 -

82 84 86 88

Температура генератора (°C)

0,062

5

0,060 £

Te=4°C

Te=6°C

Te=8°C

Te=10°C

Te=4°C

Te=6°C

Te=8°C

Te=10°C

0,052 J"

"tT

0,050 t a:

0,048 S о ш

0,046 g i-ш

0,044 ^ ш

0,042

О

0,040

0,058

0,056

0,054

80

90

Рисунок 15 - Эксергетический КПД в функции от температуры генератора

при Tc=35°C

Выполненные исследования показывают, что SCOP увеличивается по мере повышения температуры рабочей жидкости в испарителе при снижении температуры в конденсаторе. Для сценариев Tc=40°C и Te=8°C энергетическая и эксергетическая эффективность системы составляют 0,55 и 0,048% соответственно.

Результаты валидации этого исследования с использованием результатов литературных источников представлены в таблице 4.

Таблица 4 - Результаты валидации исследуемой системы

Тв тс Та Те COPref COPref Отклонение

(°С) (°С) (°С) (°С) Литература Изучаемая система (%)

85 40 40 5 0.75 [120] 0.7478 0.29

85 35 35 8 0.7789 [121] 0.7585 2.62

90 35 35 5 0.77 [122] 0.7490 2.73

90 35 35 5 0.74 [123] 0.7490 -1.20

90 40 40 5 0.76 [124] 0.7455 1.91

90 40 40 5 0.75 [122] 0.7455 0.60

Рисунки 16 и 17 показывают ежемесячную солнечную энергию, получаемую на площади рабочей поверхности КДД и ежемесячную полезную выработку тепла соответственно. Следует отметить, что солнечная энергия наиболее высока с октября по март. Максимум солнечной энергии, вырабатываемой на поверхности КДД, равный 61,4 кВт, достигается в феврале в 13:00, а минимум 42,29 кВт достигается в августе.

оа

70-,

60-

50-

0 гс

ЕЕ 40

^ 30

к

го

1

® 20

с; о

° 10

А = 60 м2

0 Н—■—|—■—|— 024

Янв.

Февр.

Март

Апр.

Май

Июнь

Июль

Авг.

Сент.

Окт.

Нояб.

Дек.

8 10 12 14 Время (час)

-Г

16 18 20 22

Рисунок 16 - Ежемесячное солнечное излучение на зоне КДД площадью 60 м2

50-

А = 60 м2

н

00 ^

О

со ц

с

ф

н

13

о

'40

30

20

л

I

со ф

ц

о 1=

10

Янв.

Февр.

Март

Апр.

Май

Июнь

Июль

Авг.

Сент.

Окт.

Нояб.

Дек.

4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 Время (час)

6

0

0

2

Рисунок 17 - Ежемесячная полезная теплопродукция от КДД площадью 60 м2.

Ежемесячная солнечная энергия на КДД и мощность охлаждения показана на рисунке 18. Можно заметить, что охлаждение максимально с мая по июль, что соответствует летнему периоду в Бамако. Также важно отметить, что в Бамако существует острая потребность в охлаждении в течение всего года. Потребность минимальна только с ноября по январь, что соответствует прохладному периоду в Бамако. Максимальная холодопроизводительность системы составляет 4910 кВт. ч в мае и июле, в то время как минимальная холодопроизводительность системы составляет 3696 кВт • ч в ноябре. Период спроса на более интенсивное охлаждение соответствует снижению потенциала солнечной энергии. Это объясняется тем, что в этот период в городе сезон дождей и облаков. Годовая холодопроизводительность системы составляет 51,11 МВт • ч, а годовая солнечная энергия, получаемая в КДД, составляет 138,78 МВт ч с SCOP 0,38 и эксергетической эффективностью 3%. Ежемесячные результаты для SCOP и эксергической эффективности показаны на рисунке 19. Тенденции для обеих кривых схожи. Это сходство объясняется тем фактом, что эксергетическая эффективность является функцией от SCOP. Максимумы достигаются в июле (SCOP = 0,52, и nex = 0,041).

Солнечная энергия Eref

СО к

ср

Ш X

о

к го

X ■у

ш

X

с; о О

14000 -

12000 -

10000 -

8000 -

6000 -

4000 -

2000 -

- 5000

QQ

- 3000

-4000

Ш

03 ct О

с; о

X

о со

2000 с5 ct о со со s

1000 °

0 Р- Р- Р- Р- Р- Р- Р- Р- Р- Р- Р- Р' 0

Янв. Февр. Март Апр. Май Июнь Июль Авг. Сент. Окт. Нояб. Дек.

Месяц

Рисунок 18 - Солнечная энергия и холодильный продукт в течение всего года

SCOP

| Эксергетическая эффективность

Янв. Февр. Март Апр. Май Июнь Июль Авг. Сент. Окт. Нояб. Дек.

Месяц

Рисунок 19 - SCOP и эксергетическая эффективность за год.

Результаты экономического исследования системы представлены в таблице

Таблица 5 - Данные о стоимости исследуемой системы

Параметр Значение

Капитальные затраты (C0) 40900 €

Годовой денежный поток (CF) 3509,4 €

Стоимость охлаждения (Kref) 0,08 €.кВтч-1

Расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание (O&M) 409 €

Годовая выработка холода (Eref) 51110 кВтч

Чистая приведенная стоимость инвестиций (NPV) 20210,3 €

Простой срок окупаемости (SPP) 11,7 лет

Срок окупаемости инвестиций (PP) 14,6 лет

Глава 4

Климатические условия конкретного региона оказывают определяющее влияние на режим работы системы охлаждения с коллектором двойного действия. В данном разделе диссертации основное внимание уделено режиму работы градирни с учетом наличия охлажденной воды в баке во время ночной работы коллектора двойного действия. Исследование выполнено для погодных условий города Бамако (12,65 ° с.ш., 8 ° в.д.).

На рисунке 20 приведено расчетное изменение температуры в баке горячей воды для случая первого дня работы системы для каждого месяца.

Январь ■Июль

■Февраль ■Августь

Март ■Сентябрь

■Апрель ■Октябрь

Май Ноябрь

Июнь -Декабрь

О

¡к 8 (г к а о 1-й а

5?

1) Н

100 90 80 70 60 50 40 30 20

07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Камара Сумаила, 2023 год

Список литературы

1. J. Asadi, P. Amani, M. Amani, A. Kasaeian, and M. Bahiraei, "Thermo-economic analysis and multi-objective optimization of absorption cooling system driven by various solar collectors," Energy Convers Manag, vol. 173, pp. 715-727, 2018.

2. A. K. Nanda and C. K. Panigrahi, "A state-of-the-art review of solar passive building system for heating or cooling purpose," Frontiers in Energy, vol. 10, no. 3. 2016. doi: 10.1007/s11708-016-0403-0.

3. L. Liu, Z. Li, Y. Jing, and S. Lv, "Energetic, economic and environmental study of cooling capacity for absorption subsystem in solar absorption-subcooled compression hybrid cooling system based on data of entire working period," Energy Convers Manag, vol. 167, 2018, doi: 10.1016/j.enconman.2018.04.102.

4. A. Ghafoor and A. Munir, "Worldwide overview of solar thermal cooling technologies," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 43. 2015. doi: 10.1016/j.rser.2014.11.073.

5. A. Shirazi, R. A. Taylor, G. L. Morrison, and S. D. White, "Solar-powered absorption chillers: A comprehensive and critical review," Energy Convers Manag, vol. 171, pp. 59-81, Sep. 2018, doi: 10.1016/j.enconman.2018.05.091.

6. S. A. Abdul Ameer, "State of the Art of Solar Absorption Cooling Technologies," Int J Res Appl Sci Eng Technol, vol. V, no. III, 2017, doi: 10.22214/ijraset.2017.3017.

7. D. S. Kim and C. A. Infante Ferreira, "Solar refrigeration options - a state-of-the-art review," International Journal of Refrigeration, vol. 31, no. 1. 2008. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2007.07.011.

8. S. S. Jenblat and O. v. Volkova, "Evaluate the radiative cooling system efficiency," in AIP Conference Proceedings, 2021, vol. 2412. doi: 10.1063/5.0074990.

9. X. Lu, P. Xu, H. Wang, T. Yang, and J. Hou, "Cooling potential and applications prospects of passive radiative cooling in buildings: The current state-of-the-art," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 65. 2016. doi: 10.1016/j.rser.2016.07.058.

10. S. N. Bathgate and S. G. Bosi, "A robust convection cover material for selective radiative cooling applications," Solar energy materials and solar cells, vol. 95, no. 10, pp. 2778-2785, 2011.

11. V. K. Firfiris, A. G. Martzopoulou, and T. A. Kotsopoulos, "Passive cooling systems in livestock buildings towards energy saving: A critical review," Energy and Buildings, vol. 202. 2019. doi: 10.1016/j.enbuild.2019.109368.

12. K. Lai, W. Wang, C. Yi, Y. Kuang, and C. Ye, "The study of passive cooling system assisted with separate heat pipe for decay heat removal in spent fuel pool," Ann Nucl Energy, vol. 111, 2018, doi: 10.1016/j.anucene.2017.08.062.

13. M. Magaji and M. Sa'adiya Ilyasu, "Analysing the performance of passive cooling system in Buildings: designing natural solution to summer cooling loads and Architectural Interventions," American Journal of Engineering Research (AJER), vol. 6, no. 10, 2017.

14. M. I. Ahmad, H. Jarimi, and S. Riffat, "Introduction: overview of buildings and passive cooling technique," Nocturnal Cooling Technology for Building Applications, pp. 1-6, 2019.

15. X. Sun, Y. Sun, Z. Zhou, M. A. Alam, and P. Bermel, "Radiative sky cooling: Fundamental physics, materials, structures, and applications," Nanophotonics, vol. 6, no. 5. 2017. doi: 10.1515/nanoph-2017-0020.

16. D. Zhao et al., "Radiative sky cooling: Fundamental principles, materials, and applications," Applied Physics Reviews, vol. 6, no. 2. American Institute of Physics Inc., Jun. 01, 2019. doi: 10.1063/1.5087281.

17. Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives, "Memento sur l'energie, 2018," France, 2018.

18. J. A. Aguilar-Jiménez et al., "Optimum operational strategies for a solar absorption cooling system in an isolated school of Mexico," International Journal of Refrigeration, vol. 112, pp. 1-13, Apr. 2020, doi: 10.1016/J.IJREFRIG.2019.12.010.

19. S. Ahmed, Z. Li, M. S. Javed, and T. Ma, "A review on the integration of radiative cooling and solar energy harvesting," Mater Today Energy, vol. 21, p. 100776, 2021.

20. E. Bellos, I. Chatzovoulos, and C. Tzivanidis, "Yearly investigation of a solar-driven absorption refrigeration system with ammonia-water absorption pair," Thermal Science and Engineering Progress, vol. 23, p. 100885, 2021.

21. E. Bellos, C. Tzivanidis, and K. A. Antonopoulos, "A detailed working fluid investigation for solar parabolic trough collectors," Appl Therm Eng, vol. 114, pp. 374-386, 2017.

22. Camara S. and Sulin A. B., "Analytical review of passive radiative cooling

systems," Journal of International Academy of Refrigeration, no. 2, pp. 37-44, May 2020.

23. H. Chen, Z. Li, and B. Sun, "Performance evaluation and parametric analysis of an integrated diurnal and nocturnal cooling system driven by photovoltaic-thermal collectors with switchable film insulation," Energy Convers Manag, vol. 254, 2022, doi: 10.1016/j.enconman.2021.115197.

24. Y. Chen, X. Li, H. Hua, P. D. Lund, and J. Wang, "Exergo-environmental cost optimization of a solar-based cooling and heating system considering equivalent emissions of life-cycle chain," Energy Convers Manag, vol. 258, p. 115534, Apr. 2022, doi: 10.1016/J.ENC0NMAN.2022.115534.

25. G. Hashem, K. Mahkamov, B. Belgasim, N. Elsharif, and I. Makhkamova, "Development and experimental investigation of a novel solar-powered cooling system," Energy Convers Manag, vol. 244, 2021, doi: 10.1016/j.enconman.2021.114486.

26. M. Hu, G. Pei, Q. Wang, J. Li, Y. Wang, and J. Ji, "Field test and preliminary analysis of a combined diurnal solar heating and nocturnal radiative cooling system," ApplEnergy, vol. 179, 2016, doi: 10.1016/j.apenergy.2016.07.066.

27. M. Hu et al., "Effect of the spectrally selective features of the cover and emitter combination on radiative cooling performance," Energy and Built Environment, vol. 2, no. 3, 2021, doi: 10.1016/j.enbenv.2020.06.008.

28. M. Hu et al., "Feasibility research on a double-covered hybrid photo-thermal and radiative sky cooling module," Solar Energy, vol. 197, 2020, doi: 10.1016/j.solener.2020.01.022.

29. M. Hu, B. Zhao, X. Ao, Y. Su, and G. Pei, "Numerical study and experimental validation of a combined diurnal solar heating and nocturnal radiative cooling collector," Appl Therm Eng, vol. 145, 2018, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2018.08.097.

30. M. Hu, B. Zhao, X. Ao, Y. Su, and G. Pei, "Parametric analysis and annual performance evaluation of an air-based integrated solar heating and radiative cooling collector," Energy, vol. 165, 2018, doi: 10.1016/j.energy.2018.09.127.

31. T. Hu, T. H. Kwan, and G. Pei, "An all-day cooling system that combines solar absorption chiller and radiative cooling," Renew Energy, vol. 186, pp. 831-844, Mar. 2022, doi: 10.1016/J.RENENE.2022.01.058.

32. N. I. Ibrahim, F. A. Al-Sulaiman, S. Rehman, A. Saat, and F. N. Ani, "Economic analysis of a novel solar-assisted air conditioning system with integral absorption energy storage," J Clean Prod, vol. 291, 2021, doi: 10.1016/j.jclepro.2021.125918.

33. M. Liu, Y. Cheng, W. Cheng, and C. Zhan, "Dynamic performance analysis of a solar driving absorption chiller integrated with absorption thermal energy storage," Energy Convers Manag, vol. 247, 2021, doi: 10.1016/j.enconman.2021.114769.

34. M. Mehregan, M. Abbasi, P. Khalilian, S. Majid Hashemian, and A. Madadi, "Energy, economic, environmental investigations and optimization of a combined cooling, heating and power system with hybrid prime mover of gas engine and flat plate solar collector," Energy Convers Manag, vol. 251, 2022, doi: 10.1016/j.enconman.2021.115018.

35. R. Narayanan, G. K. Harilal, and S. Golder, "Feasibility study on the solar absorption cooling system for a residential complex in the Australian subtropical region," Case Studies in Thermal Engineering, vol. 27, p. 101202, Oct. 2021, doi: 10.1016/J.CSITE.2021.101202.

36. G. N. Nwaji, C. A. Okoronkwo, N. v. Ogueke, and E. E. Anyanwu, "Investigation of a hybrid solar collector/nocturnal radiator for water heating/cooling in selected Nigerian cities," Renew Energy, vol. 145, 2020, doi: 10.1016/j.renene.2019.07.144.

37. A. Saleh and M. Mosa, "Optimization study of a single-effect water-lithium bromide absorption refrigeration system powered by flat-plate collector in hot regions," Energy Convers Manag, vol. 87, 2014, doi: 10.1016/j.enconman.2014.06.098.

38. R. Zevenhoven and M. Falt, "Radiative cooling through the atmospheric window: A third, less intrusive geoengineering approach," Energy, vol. 152, 2018, doi: 10.1016/j.energy.2018.03.084.

39. B. Zhao, M. Hu, X. Ao, N. Chen, and G. Pei, "Radiative cooling: A review of fundamentals, materials, applications, and prospects," Applied Energy, vol. 236. 2019. doi: 10.1016/j.apenergy.2018.12.018.

40. S. Camara and A. B. Sulin, "Study of a double-acting solar collector for use in the absorption cooling system in hot regions," Thermal Science and Engineering Progress, vol. 31, p. 101286, Jun. 2022, doi: 10.1016/J.TSEP.2022.101286.

41. A. B. Sulin et al., "Prospects of solar refrigeration machines application," IV

International Scientific and Practical Conference on Innovations in Engineering and Technology (ISPCIET 2021) AIP Conf. Proc. 2486, 040010-1-040010-9; https://doi.org/10.1063/5.0106038 Published by AIP Publishing. 978-0-7354-4269-6/$30.00, vol. 2486, no. 1, pp. 0400101-0400109, Nov. 2022.

42. B. Zhao et al., "Performance analysis of a hybrid system combining photovoltaic and nighttime radiative cooling," Appl Energy, vol. 252, 2019, doi: 10.1016/j.apenergy.2019.113432.

43. P. Soto and W. Rivera, "Experimental assessment of an air-cooled absorption cooling system," Appl Therm Eng, vol. 155, 2019, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2019.03.104.

44. S. Sanaye and A. Sarrafi, "Cleaner production of combined cooling, heating, power and water for isolated buildings with an innovative hybrid (solar, wind and LPG fuel) system," J Clean Prod, vol. 279, 2021, doi: 10.1016/j.jclepro.2020.123222.

45. О. С. Малинина, А. В. Бараненко, and А. В. Зайцев, "Влияние среднесуточной температуры и влажности воздуха на эффективность гелиохолодильных абсорбционных бромистолитиевых машин2," Омский научный вестник. Серия «Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение», vol. 2, no. 2, pp. 40-47, 2018.

46. A. P. Tsoy, A. v. Baranenko, A. S. Granovsky, D. A. Tsoy, and R. A. Dzhamasheva, "Energy efficiency analysis of a combined cooling system with night radiative cooling," in AIP Conference Proceedings, 2020, vol. 2285. doi: 10.1063/5.0026908.

47. Цой А. П., Бараненко А. В., Грановский А. С, Цой Д. А., Корецкий Д. А., and Джамашева Р. А., " Компьютерное моделирование годового цикла работы комбинированной системы хладоснабжения с использованием ночного радиационного охлаждения," Омский научный вестник. Серия «Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение», vol. 4, no. 3, pp. 28-37, 2020.

48. О. С. Малинина and А. В. Бараненко, "Сопоставление эффективности термодинамических циклов абсорбционных бромисто-литиевых холодильных машин. ," Омский научный вестник. Серия «Авиационно-ракетное и энергетическое машиностроение», vol. 4, no. 2, pp. 27-36, 2020.

49. Ю. В. Шипулина, М. Ш. Каримов, and М. Ф. Руденко, "Методика оределения теаловых нагрзок на реактор генератора адсорбера гелиоэергететическовиолодильноййййческовйхологëhenditюn.," Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология , vol. 1, pp. 148-154, 2013.

50. М. Ф. Руденко, Ю. В. Шипулина, М. Ш. Каримов, and А. М. Руденко, "Повышение эффективности работы гелиоэнергетических холодильных установок адсорбционного типа. ," Вестник Дагестанского государственного технического университета. Технические науки., vol. 46, no. 4, pp. 32-41, 2019.

51. Q. Al-Yasiri, M. Szabo, and M. Arici, "A review on solar-powered cooling and air-conditioning systems for building applications," Energy Reports, vol. 8, pp. 28882907, Nov. 2022, doi: 10.1016/J.EGYR.2022.01.172.

52. X. Huang, D. Liu, N. Li, J. Wang, Z. Zhang, and M. Zhong, "Single novel Ca0.5Mg10.5(HP03)8(0H)3F3 coating for efficient passive cooling in the natural environment," Solar Energy, vol. 202, pp. 164-170, May 2020, doi: 10.1016/J.S0LENER.2020.03.103.

53. S. Meng et al., "Scalable dual-layer film with broadband infrared emission for sub-ambient daytime radiative cooling," Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 208, p. 110393, May 2020, doi: 10.1016/J.S0LMAT.2020.110393.

54. D. Lee et al., "Sub-ambient daytime radiative cooling by silica-coated porous anodic aluminum oxide," Nano Energy, vol. 79, p. 105426, Jan. 2021, doi: 10.1016/J.NAN0EN.2020.105426.

55. Y. Cui, X. Luo, F. Zhang, L. Sun, N. Jin, and W. Yang, "Progress of passive daytime radiative cooling technologies towards commercial applications," Particuology, vol. 67, pp. 57-67, Aug. 2022, doi: 10.1016/J.PARTIC.2021.10.004.

56. B. Dudley, "BP statistical review of world energy.," London, UK, Aug. 2018.

57. N. Jabbour, " Intégration des systèmes à absorption solaire de petites puissances aux bâtiments-approche multifonction solaire : chauffage, ECS et rafraîchissement," Doctoral dissertation, Institut National des Sciences Appliquées de Lyon - INSA- de Lyon, Lyon, 2011.

58. A. Shirazi, R. A. Taylor, G. L. Morrison, and S. D. White, "A comprehensive, multi-objective optimization of solar-powered absorption chiller systems for air-conditioning applications," Energy Convers Manag, vol. 132, 2017, doi: 10.1016/j.enconman.2016.11.039.

59. International Energy Agency., "Technology roadmap: solar heating and cooling.," 2012.

60. U. Jakob, "Solar cooling technologies," Renewable Heating and Cooling: Technologies and Applications, pp. 119-136, Jan. 2016, doi: 10.1016/B978-1-78242-213-6.00006-0.

61. P. Coroyannakis, T. Tsoutsos, Z. Gkouskos, S. Rugginenti, and S. Castaldo, "Solar cooling: Overview and Recommendations.," 2009.

62. N. A. Mezaal, K. v. Osintsev, and T. B. Zhirgalova, "Review of magnetic refrigeration system as alternative to conventional refrigeration system," in IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2017, vol. 87, no. 3. doi: 10.1088/1755-1315/87/3/032024.

63. H. Zhang, R. Gimaev, B. Kovalev, K. Kamilov, V. Zverev, and A. Tishin, "Review on the materials and devices for magnetic refrigeration in the temperature range of nitrogen and hydrogen liquefaction," Physica B Condens Matter, vol. 558, 2019, doi: 10.1016/j.physb.2019.01.035.

64. R. Gimaev, Y. Spichkin, B. Kovalev, K. Kamilov, V. Zverev, and A. Tishin, "Review on magnetic refrigeration devices based on HTSC materials," International Journal of Refrigeration, vol. 100. 2019. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2019.01.024.

[65] R. Bj0rk, C. R. H. Bahl, A. Smith, and N. Pryds, "Review and comparison of magnet designs for magnetic refrigeration," International Journal of Refrigeration, vol. 33, no. 3. 2010. doi: 10.1016/j.ijrefrig.2009.12.012.

66. H. Najafi and K. A. Woodbury, "Optimization of a cooling system based on Peltier effect for photovoltaic cells," Solar Energy, vol. 91, pp. 152-160, May 2013, doi: 10.1016/J.S0LENER.2013.01.026.

67. L. K. Tartibu, "Developing more efficient travelling-wave thermo-acoustic refrigerators: A review," Sustainable Energy Technologies and Assessments, vol. 31, 2019, doi: 10.1016/j.seta.2018.12.004.

68. Camara S., Sulin A.B., and Nemtchina I.O, "Current development trends of solar cooling systems development.," in Kazakhstan-Refrigeration 2020: Proceedingsof the Conference (March 4-5, 2020)., Mar. 2020, pp. 99-106.

69. A. Buonomano, F. Calise, and A. Palombo, "Solar heating and cooling systems by absorption and adsorption chillers driven by stationary and concentrating

photovoltaic/thermal solar collectors: Modelling and simulation," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 82, 2018, doi: 10.1016/j.rser.2017.10.059.

70. Р. Р. , Зайнуллин and А. А. Галяутдинов, "Применение абсорбционных холодильных машин. ," МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯНАУКА», vol. 6, no. 2, pp. 90-91, 2016.

71. M. Zeyghami, D. Y. Goswami, and E. Stefanakos, "A review of clear sky radiative cooling developments and applications in renewable power systems and passive building cooling," Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 178, 2018, doi: 10.1016/j.solmat.2018.01.015.

72. Y. Yang, G. Cui, and C. Q. Lan, "Developments in evaporative cooling and enhanced evaporative cooling - A review," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 113. 2019. doi: 10.1016/j.rser.2019.06.037.

[73] International Institute of Refrigeration (IIR) " Solar Cooling: 40th Informatory Note on Refrigeration Technologies," Paris - France-75017, 2020.

74. A. Alahmer and S. Ajib, "Solar cooling technologies: State of art and perspectives," Energy Convers Manag, vol. 214, 2020, doi: 10.1016/j.enconman.2020.112896.

75. X. Li, S. Shao, M. Huang, S. Zhang, and W. Guo, "Integration of daytime radiative cooling and solar heating," iScience, vol. 26, no. 1, Jan. 2023, doi: 10.1016/j.isci.2022.105894.

76. X. Li, W. Xie, and J. Zhu, "Interfacial Solar Steam/Vapor Generation for Heating and Cooling," Advanced Science, vol. 9, no. 6, p. 2104181, Feb. 2022, doi: 10.1002/ADVS.202104181.

77. A. Aili et al., "A kW-scale, 24-hour continuously operational, radiative sky cooling system: Experimental demonstration and predictive modeling," Energy Convers Manag, vol. 186, pp. 586-596, Apr. 2019, doi: 10.1016/j.enconman.2019.03.006.

78. B. Zhao, M. Hu, X. Ao, and G. Pei, "Performance evaluation of daytime radiative cooling under different clear sky conditions," Appl Therm Eng, vol. 155, 2019, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2019.04.028.

79. M. Hanif, T. M. I. Mahlia, A. Zare, T. J. Saksahdan, and H. S. C. Metselaar, "Potential energy savings by radiative cooling system for a building in tropical climate," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 32. 2014. doi: 10.1016/j.rser.2014.01.053.

80. J. Fan, C. Fu, and T. Fu, "Yttria-stabilized zirconia coating for passive daytime radiative cooling in humid environment," Appl Therm Eng, vol. 165, 2020, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2019.114585.

81. N. F. Cunha, A. AL-Rjoub, L. Rebouta, L. G. Vieira, and S. Lanceros-Mendez, "Multilayer passive radiative selective cooling coating based on Al/SiO2/SiNx/SiO2/TiO2/SiO2 prepared by dc magnetron sputtering," Thin Solid Films, vol. 694, 2020, doi: 10.1016/j.tsf.2019.137736.

82. N. Li et al., "Selective spectral optical properties and structure of aluminum phosphate for daytime passive radiative cooling application," Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 194, 2019, doi: 10.1016/j.solmat.2019.01.036.

83. M. A. Kecebas, M. P. Menguc, A. Kosar, and K. Sendur, "Passive radiative cooling design with broadband optical thin-film filters," J Quant Spectrosc Radiat Transf, vol. 198, 2017, doi: 10.1016/j.jqsrt.2017.03.046.

84. D. Liu et al., "A thermally stable cooler for efficient passive radiative cooling throughout the day," Opt Mater (Amst), vol. 92, 2019, doi: 10.1016/j.optmat.2019.04.061.

85. G. Heidarinejad, M. Farmahini Farahani, and S. Delfani, "Investigation of a hybrid system of nocturnal radiative cooling and direct evaporative cooling," Build Environ, vol. 45, no. 6, 2010, doi: 10.1016/j.buildenv.2010.01.003.

86. E. Katramiz, N. Ghaddar, and K. Ghali, "Daytime radiative cooling: To what extent it enhances office cooling system performance in comparison to night cooling in semi-arid climate" Journal of Building Engineering, vol. 28, 2020, doi: 10.1016/j.jobe.2019.101020.

87. M. Matsuta, S. Terada, and H. Ito, "Solar heating and radiative cooling using a solar collector-sky radiator with a spectrally selective surface," Solar Energy, vol. 39, no. 3, 1987, doi: 10.1016/S0038-092X (87) 80026-9.

88. J. A. Duffie and W. A. Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes: Fourth Edition. 2013. doi: 10.1002/9781118671603.

89. B. Zhao, M. Hu, X. Ao, and G. Pei, "Conceptual development of a building-integrated photovoltaic-radiative cooling system and preliminary performance analysis in Eastern China," Appl Energy, vol. 205, 2017, doi: 10.1016/j.apenergy.2017.08.011.

90. M. Hu, B. Zhao, X. Ao, P. Zhao, Y. Su, and G. Pei, "Field investigation of a hybrid photovoltaic-photothermic-radiative cooling system," Appl Energy, vol. 231, 2018, doi: 10.1016/j.apenergy.2018.09.137.

91. E. Erell and Y. Etzion, "Analysis and experimental verification of an improved cooling radiator," Renew Energy, vol. 16, no. 1-4-4 pt 2, 1999, doi: 10.1016/S0960-1481(98)00255-9.

[92] M. Zeyghami, D. Y. Goswami, and E. Stefanakos, "A review of solar thermo-mechanical refrigeration and cooling methods," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 51, pp. 1428-1445, Aug. 2015, doi: 10.1016/j.rser.2015.07.011.

93. U. Eicker and A. Dalibard, "Photovoltaic-thermal collectors for night radiative cooling of buildings," Solar Energy, vol. 85, no. 7, 2011, doi: 10.1016/j.solener.2011.03.015.

94. H. S. Bagiorgas and G. Mihalakakou, "Experimental and theoretical investigation of a nocturnal radiator for space cooling," Renew Energy, vol. 33, no. 6, pp. 12201227, 2008.

95. K. S. Ong, "Thermal performance of solar air heaters: Mathematical model and solution procedure," Solar Energy, vol. 55, no. 2, 1995, doi: 10.1016/0038-092X(95)00021-I.

96. S. A. Kalogirou, Solar Energy Engineering: Processes and Systems: Second Edition. 2014. doi: 10.1016/C2011-0-07038-2.

97. C. G. Granqvist and A. Hjortsberg, "Radiative cooling to low temperatures: General considerations and application to selectively emitting SiO films," J Appl Phys, vol. 52, no. 6, 1981, doi: 10.1063/1.329270.

98. Aghilas Brahimi, "Etude de performances d'un capteur solaire plan a eau ," Mémoire de Master, Université de Lorraine, 2016.

99. J. Allan, Z. Dehouche, S. Stankovic, and L. Mauricette, "Performance testing of thermal and photovoltaic thermal solar collectors," Energy Sci Eng, vol. 3, no. 4, pp. 310-326, 2015.

100. J. Ji, C. Guo, W. Sun, W. He, Y. Wang, and G. Li, "Experimental investigation of tri-functional photovoltaic/thermal solar collector," Energy Convers Manag, vol. 88, 2014, doi: 10.1016/j.enconman.2014.09.030.

101. R. D. Maldonado, E. Huerta, J. E. Corona, O. Ceh, A. I. León, and I. Henandez, "Design and construction of a solar flat collector for social housing in México," in Energy Procedía, 2014, vol. 57. doi: 10.1016/j.egypro.2014.10.182.

102. M. S. A. Khan, A. W. Badar, T. Talha, M. W. Khan, and F. S. Butt, "Configuration based modeling and performance analysis of single effect solar absorption cooling system in TRNSYS," Energy Convers Manag, vol. 157, pp. 351-363, Feb. 2018, doi: 10.1016/j.enconman.2017.12.024.

103 . M. Mortadi and A. el Fadar, "Performance, economic and environmental assessment of solar cooling systems under various climates," Energy Convers Manag, vol. 252, 2022, doi: 10.1016/j.enconman.2021.114993.

104. S. el Marazgioui and A. el Fadar, "Impact of cooling tower technology on performance and cost-effectiveness of CSP plants," Energy Convers Manag, vol. 258, p. 115448, Apr. 2022, doi: 10.1016/J.ENC0NMAN.2022.115448.

105. H. Liang et al., "Experimental investigation on spectral splitting of photovoltaic/thermal hybrid system with two-axis sun tracking based on Si02/Ti02 interference thin film," Energy Convers Manag, vol. 188, pp. 230-240, May 2019, doi: 10.1016/J.ENC0NMAN.2019.03.060.

106. E. Bellos and C. Tzivanidis, "Multi-objective optimization of a solar driven trigeneration system," Energy, vol. 149, pp. 47-62, Apr. 2018, doi: 10.1016/J.ENERGY.2018.02.054.

107. C. Mikovits et al., "Geo-Information A Spatially Highly Resolved Ground Mounted and Rooftop Potential Analysis for Photovoltaics in Austria," 2021, doi: 10.3390/ijgi10060418.

108. E. Muhammed, S. Morsy, and A. El-Shazly, "Building rooftops extraction for solar pv potential estimation using GIS-based methods," in International Archives of the Photogrammetry, Remote Sensing and Spatial Information Sciences - ISPRS Archives, 2021, vol. 44, no. M-3. doi: 10.5194/isprs-archives-XLIV-M-3-2021-119-2021.

109. J. Wang et al., "Robust multi-objective optimization with life cycle assessment of hybrid solar combined cooling, heating and power system," Energy Convers Manag, vol. 232, 2021, doi: 10.1016/j.enconman.2021.113868.

110. Z. Y. Xu and R. Z. Wang, "Simulation of solar cooling system based on variable effect LiBr-water absorption chiller," Renew Energy, vol. 113, 2017, doi: 10.1016/j.renene.2017.06.069.

111. M. S. Khan et al., "A new correlation for performance prediction of small and large capacity single-effect vapor absorption refrigeration systems," Cleaner Energy Systems, vol. 1, 2022, doi: 10.1016/j.cles.2022.100002.

112. R. Porumb, B. Porumb, and M. Balan, "Numerical Investigation on Solar Absorption Chiller with LiBr-H2O Operating Conditions and Performances," in Energy Procedia, 2017, vol. 112. doi: 10.1016/j.egypro.2017.03.1071.

113. A. A. V. Ochoa, J. C. C. Dutra, J. R. G. Henriquez, C. A. C. dos Santos, and J. Rohatgi, "The influence of the overall heat transfer coefficients in the dynamic behavior of a single effect absorption chiller using the pair LiBr/H2O," Energy ConversManag, vol. 136, 2017, doi: 10.1016/j.enconman.2017.01.020.

114. B. Prasartkaew, "Performance test of a small size LiBr-H2o absorption chiller," in Energy Procedia, 2014, vol. 56, no. C. doi: 10.1016/j.egypro.2014.07.183.

115. E. Bellos, C. Tzivanidis, C. Symeou, and K. A. Antonopoulos, "Energetic, exergetic and financial evaluation of a solar driven absorption chiller - A dynamic approach," Energy Convers Manag, vol. 137, 2017, doi: 10.1016/j.enconman.2017.01.041.

116. Camara S., Sulin A. B., and Lysev V. I, "Analyzing the performance of a combined type collector for solar heating and night radiation cooling," Journal of

International Academy of Refrigeration, no. 1, pp. 26-36, Feb. 2022.

117. ] J. Aman, D.-K. Ting, and P. Henshaw, "Residential solar air conditioning: Energy and exergy analyses of an ammonia-water absorption cooling system," Appl Therm Eng, vol. 62, no. 2, pp. 424-432, 2014.

118. Цой Александр Петрович, Грановский Александр Сергеевич, Цой Диана Александровна, and Бараненко Александр Владимирович, "Моделирование работы установки с радиационным охлаждением для кондиционирования воздуха," Вестник Международной академии холода , vol. 3, pp. 3-14, 2019.

119. M. Li, C. Xu, R. H. E. Hassanien, Y. Xu, and B. Zhuang, "Experimental investigation on the performance of a solar powered lithium bromide-water absorption cooling system," International Journal of Refrigeration, vol. 71, 2016, doi: 10.1016/j.ijrefrig.2016.07.023.

120. E. Bellos and C. Tzivanidis, "Energetic and financial analysis of solar cooling systems with single effect absorption chiller in various climates," Appl Therm Eng, vol. 126, pp. 809-821, Nov. 2017, doi: 10.1016/j.applthermaleng.2017.08.005.

121. R. Nikbakhti, X. Wang, A. K. Hussein, and A. Iranmanesh, "Absorption cooling systems - Review of various techniques for energy performance enhancement," Alexandria Engineering Journal, vol. 59, no. 2. 2020. doi: 10.1016/j.aej.2020.01.036.

122. S. Manu and T. K. Chandrashekar, "A simulation study on performance evaluation of single-stage LiBr-H2O vapor absorption heat pump for chip cooling," International Journal of Sustainable Built Environment, vol. 5, no. 2, 2016, doi: 10.1016/j.ijsbe.2016.08.002.

123. O. Kaynakli and M. Kilic, "Theoretical study on the effect of operating conditions on performance of absorption refrigeration system," Energy Convers Manag, vol. 48, no. 2, 2007, doi: 10.1016/j.enconman.2006.06.005.

124. U. Eicker and D. Pietruschka, "Design and performance of solar powered absorption cooling systems in office buildings," Energy Build, vol. 41, no. 1, 2009, doi: 10.1016/j.enbuild.2008.07.015.

125. M. I. Karamangil, S. Coskun, O. Kaynakli, and N. Yamankaradeniz, "A simulation study of performance evaluation of single-stage absorption refrigeration system using conventional working fluids and alternatives," Renewable and Sustainable Energy Reviews, vol. 14, no. 7. 2010. doi: 10.1016/j.rser.2010.04.008.

126. M. Deziani, K. Rahmani, S. J. Mirrezaei Roudaki, and M. Kordloo, "Feasibility study for reduce water evaporative loss in a power plant cooling tower by using air

to Air heat exchanger with auxiliary Fan," Desalination, vol. 406, pp. 119-124, Mar. 2017, doi: 10.1016/J.DESAL.2015.12.007.

127. E. Rezaei, S. Shafiei, and A. Abdollahnezhad, "Reducing water consumption of an industrial plant cooling unit using hybrid cooling tower," Energy Convers Manag, vol. 51, no. 2, pp. 311-319, Feb. 2010, doi: 10.1016/J.ENC0NMAN.2009.09.027.

128. S. Taghian Dehaghani and H. Ahmadikia, "Retrofit of a wet cooling tower in order to reduce water and fan power consumption using a wet/dry approach," Appl Therm Eng, vol. 125, pp. 1002-1014, Oct. 2017, doi: 10.1016/J.APPLTHERMALENG.2017.07.069.

129. J. Song, Y. Chen, X. Wu, S. Ruan, and Z. Zhang, "A Novel Approach for Energy Efficiency Prediction of Various Natural Draft Wet Cooling Towers Using ANN," Journal of Thermal Science, vol. 30, no. 3, 2021, doi: 10.1007/s11630-020-1296-0.

Список рисунков

1. Технологии солнечных систем охлаждения...................................................93

2. Схема парокомпрессионной системы с солнечным приводом.....................94

3. Схематическое изображение процесса магнитного охлаждения[62]...........95

4. Схема термоэлектрической системы охлаждения [66]..................................97

5. Схема термоакустической системы [67].........................................................98

6. Солнечный коллектор [41], [68].......................................................................99

7. Схема солнечной термомеханической системы охлаждения.....................100

8. Схема сорбционной системы охлаждения....................................................101

9. Открытая система: система охлаждения с осушителем..............................102

10. Базовая схема цикла абсорбционного охлаждения [1]................................104

11. Принципиальная схема адсорбционной системы охлаждения [66]...........105

12. Принципиальная схема солнечной эжекторной системы охлаждения......106

13. Схема радиатора ночного пассивного радиационного охлаждения...........108

14. Схема радиатора дневного пассивного радиационного охлаждения.........109

15. Производительность и стоимость различных солнечных систем охлаждения .............................................................................................................................114

16. Количество установок солнечного охлаждения в Европе и в мире [74].... 115

17. Перспективы развития солнечного охлаждения[41]....................................116

18. Доля солнечной энергии в потреблении энергии[41]..................................116

19. Типы солнечных коллекторов с диапазонами температур и.......................123

20. Идеальное распределение коэффициента эмиссии для коллектора комбинированного типа [22]............................................................................124

21. Схема абсорбционной системы охлаждения с коллектором двойного действия.............................................................................................................130

22. Схема коллектора двойного действия (дневной режим).............................131

23. Схема коллектора двойного действия (ночной режим)...............................131

24. Схема коллекторной пластины ТРЕТ [22]....................................................132

25. Геометрические характеристики пластины..................................................139

26. Дневной режим работы коллектора...............................................................144

27. Температура воды в баке при различных расходах воды............................145

28. Ночной режим работы коллектора.................................................................146

29. Ежемесячная производительность КДД по теплу в городе Бамако...........148

30. Ежемесячная производительность радиационного охлаждения КДД в городе Бамако....................................................................................................149

31. Цикл одноступенчатой абсорбционной бромистолитиевой холодильной машины в £ - h диаграмме...............................................................................160

32. COP и SCOP в функции от температуры генератора при Tc=35°C...........172

33. COP и SCOP в функции от температуры генератора при Tc=37,5°C........173

34. COP и SCOP в функции от температуры генератора при Tc=40°C...........173

35. COP и SCOP в функции от температуры генератора при Tc=42,5°C.......174

36. Эксергетический КПД в функции от температуры генератора при Tc=35°C .............................................................................................................................175

37. Эксергетический КПД в функции от температуры генератора при Tc=37.5°C............................................................................................................176

38. Эксергетический КПД в функции от температуры генератора при Tc= 40°C .............................................................................................................................176

39. Эксергетический КПД в функции от температуры генератора при Tc=42.5°C...........................................................................................................177

40. Ежемесячное солнечное излучение на КДД площадью 60 м2....................179

41. Ежемесячная полезная теплопродукция от КДД площадью 60 м2.............180

42. Солнечная энергия и холодильный продукт в течение всего года.............181

43. SCOP и эксергетический КПД за весь год....................................................181

44. Структурная схема мокрой градирни [99]....................................................187

45. Принципиальная схема сухой градирни с естественной тягой (СГЕТ).....188

46. Принципиальная схема гибридной градирни...............................................188

47. Ежегодное изменение коэффициента конвекционных теплопотерь

коллектора двойного действия при его работе в дневное и ночное время . 195

48. изменение температуры воды в резервуаре для хранения 1 в течение

первого дня работы системы...........................................................................196

49. Годовое изменение температуры воды в накопительном баке 2 в течение ночи....................................................................................................................198

50. Снижение температуры воды в баке горячей воды за ночь........................199

51. Изменение температуры воды в баке горячей воды за 24 часа..................200

52. Температура в баке 2 и время работы до включения градирни..................202

53. Процесс обработки воздуха в МГ на диаграмме Кэрриера.........................203

54. Суточное время охлаждения, экономия воды и экономия энергии за каждый месяц....................................................................................................205

55. Режим работы системы в январе....................................................................207

56. Режим работы системы в апреле и в мае ....................................................... 208

57. Режим работы системы в июле и августе ...................................................... 209

58. Режим работы системы в январе в октябре и ноябре...................................210

Тексты публикаций

New Journal and we have not received input yet 31 (2022) 101286

ELSEVIER

Contents lists available at ScienceDirect

Thermal Science and Engineering Progress

journal homepage: www.sciencedirect.com/journalAhermal-science-and-engineering-progress

ÏHERMAI SCtNCE am> Engineering Progress

Study of a double-acting solar collector for use in the absorption cooling system in hot regions

Soumaila Camaraa'b'*, Aleksandi B. Sulin3

1 ¡TMO University, Kronverskiy Prospekt 49, St Petersburg 197101. Russia

b Department of Cold and Air Conditioning, Central School for Industry, Commerce and Admims&ation, Medina Coura, Boulevard du Peuple Street, Bamako 1828, Mali

H)

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Keywords: Absorption cooling Solar collector Radiative cooling Solar heating Solar energy

Solar cooling systems are part of energy-saving technologies aiming to reduce energy consumption and achieving the goals of combating climate change. A mathematical model of a double-acting solar collector (DASC) for daytime solar heating and nocturnal radiative cooling for its application to a single-effect absorption chiller (SEAC) H20-LiBr was developed in this study. The performances of the DASC were studied for all day, and optimization study of the operating parameters for all components of a SEAC applied to the DASC was examined in Bamako weather conditions. Thermal efficiency of the DASC with at zero reduced temperature reached 0.734 with a heat loss of 4.51 W/ (m2K) in daytime, and an average net radiative cooling power of 58.74 W/m in nighttime. A COP of a SEAC H20-LiBr leached 0.87, and a performance of the whole system was 0.64.

Introduction

The energy demand for cooling and air conditioning continue to gl ow due to increased heat loads, changes in the architecture of buildings, and, above all, due to the growing demand for indoor comfort [ 1 ]. However, the environmental problems as global warming and the climate change create constr aints in the use of fossil fuels [2]. Moreover, the consequent increase in the electricity price and the depletion of fossil fuels make inevitable the use of alternative and renewable energy sources [3]. According to the IEA (International Energy Agency), energy consumption for cooling will triple over the next 30 years, namely, from 850 GW in 2016 to 3350 GW in 2050 [4]. It should be noted that the refrigeration sector has changed significantly since the Kyoto Protocol, which proposes the use of solar energy in HVAC systems. Given that the demand for cooling increases with the intensity of solar radiation, solar-powered cooling systems should be considered as a logical solution [5,6]. Solar energy (SE) is abundant, inexhaustible, and has no effect on the environment [2]. Countries with high solar potential have a particular interest in the use of SE such as Mali with a monthly SE potential of 205 kWh/nr2 according to E.U Science Hub PVGIS [7,8].

Over the last few decades, solar absorption cooling (SAC) system composed of low temperature solar collector and SEAC H20-LiBr was popular in research. This system adopts FPC or ETC as heat source and supplies hot water below 100 C to the absorption chiller [9,10]. Thus,

Paluca Porumb et al. [11], studied a numerical investigation on operating conditions and performances of a solar absorption chiller with H20-LiBr based on thermodynamic principles. Ramadas Narayanan et al. [12], investigated the feasibility of implementation SAC technology in student residential building in Australia's subtropical climate legion. Aguilai Jimènez et al. [13], studied the simulation of a H20-LiBr solar thermal absorption air" conditioning system, installed in an isolated primaiy school in the community of Pueitecitos, Mexico. The optimum operational str ategies were determined by simulation, given the conditions to which it will be subjected before the start-up of the plant. P. Soto and W. Rivera [14], presented an experimental assessment of a new SAC system cooled exclusively by air operating with the anrmonia-lithiunr nitrate mixture. The effect of the generation and condensation temperatures, on the cooling power, evaporation temperatures and the coefficient of performance was analyzed. Thus, the literature provides an overview of different solar" cooling systems, then" design and operation technologies, as well as a comparative study in terms of COP, energy efficiency and cost [5,6,15,16]. The combination of thernro-econonric analysis and multi-purpose optimization of a SEAC H2O-NH3 with a capacity of 10 kW was presented in [10]. Studies of SEAC H20-LiBr powered by heat fr om a solar collector are described in [17-19]. By the end of 2018, an estimated 1.800 solar cooling systems had been installed worldwide. Most of them (about 70 %) are in Europe, mainly in Spain, Germany, Italy, and Greece [4].

Further, radiation heat transfer is one of the most frequently used

* Corresponding author at: ITMO Univereity, Kronverskiy Prospekt, 49, St Petersburg 197101, Russia. E-mail addresses: [e-mail] (S. Camara), [e-mail] (A.B. Sulin).

https://doi.Org/10.1016/j.tsep.2022.101286

Received 24 November 2021; Received in revised form 28 March 2022; Accepted 29 March 2022

Available online 1 April 2022

2451 -9049/© 2022 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Nomenclature Subscripts

a ambient air

Ac Collector's area, m2 A absorber

At Outer tarilc area, m2 b insulation backing plate

cP Specific heat capacity, J/(kg K) С condenser

D Diameter, m conv convection

d Distance/thickness, m E evaporator

E Radiation power, W/m2 f working fluid

G Solar irradiance, W/m2 G generator

h Heat tr ansfer coefficient, W/(nr I() S transparent glazing cover

H Height, m i inlet

к Thermal conductivity, W/(m K) о outlet

L Fin's demension, m P collecting plate

m Mass flow rate, kg/s г refrigerant

Nu Nusselt number rad-net net radiation

Q Thermal power, W/nr rad-p radiated by collecting plate

R Themial resistance, K/W I ad sky radiated by sky

Ra Rayleigh number s solar

T Temperature, K SHE solution heat exchanger

t Time, h SS strong solution

U Overall heat-transfer coefficient, W/(m2K) t copper tube

V Volume of storage tank, m3 u useful

Va Wind velocity, m/s WS weak solution

w Gap, m w windscreen

X Lithium bromide mass fraction (kg LiBr/kg solution)

y Length, m Abbreviations

ACS Absorption cooling system

Greek symbols СОР Coefficient of performance

a Absorptivity DASC Double acting solar collector

ß Inclination angle, rad ETC Evacuated tube collector

ДТ Temperature difference in the generator, K FPC Flat plate collector

At Time period, h H20 Water

E Emissivity LiBr Lithium bromide

n Efficiency NH3 Ammonia

в Radiation angle, rad RC Radiative cooling

X Wavelength,/im SAC Solar absorption cooling

p Reflectance SC Solar collector

CT Stefan-Boltzmann constant, W/(m2K4) SE Solar energy

т Transmittance SEAC Single-effect absorption chiller

(та) Transnrittance-absoiptance product SH Solar heating

q> Inclination angle factor ТРЕТ Titanium Polyethylene terephthalate

natural methods of energy transfer [5]. Outside the Earth's atmosphere, the cosmic vacuum has an extremely low temperatur e, close to absolute zero [20,21]. The effective temperature of the upper atmosphere can reach minus 40 C. Passive radiation cooling is a method based on the ability of some structures to dissipate heat by their external surface when then- own temperature decreases. A lot of research has been conducted in this area, where it is shown that day and night passive radiation cooling allow you to reach temperatures significantly below room temperature. Such passive radiators have a high reflection in the range of solar radiation (0.3-4.0 jun) with intense radiation in a transparent "atmospheric window" [22]. In addition, studies of selective materials for day and night use in combined (or hybrid) collectors are known. These selective materials can heat the coolant during the day in the wavelength range of 0.3-4 ^im and provide passive night cooling in the wavelength range of 8-13 |jm [23-30].

Nwaji G.N. et al. [31], studied the investigation of a hybrid solar collector/nocturnal radiator for water heating and cooling in five Nigerian cities. Appropriate climatic models were developed to capture absoiptions and emissions of energy from the sun and the sky during periods of SH and night sky cooling respectively. Hu Mingke et al. [32], did a numerical study and experimental validation of a combined

diur nal SH and nocturnal RC collector, and annual performances of four Chinese cities were also conducted. Mingke Hu, Gang Pei et al. [33], manufactured a type of composite surface for trial to achieve integrated SH and RC functions. A combined system for both SH and RC based on the composite surface was mounted together with a traditional FPC solar heating system. Reviews on the state-of-the-art hybrid heating and cooling systems based on daytime SH and night RC collectors are presented in the following literatures [22,27,28,34,35].

The use of a solar collector for SH and night RC to supply a SEAC is lacking in the current literature. Thus, the aim of this study is to develop a mathematical model of a DASC for diurnal SH and nocturnal RC and investigate the efficient operation of the SEAC H20-LiBr applied to a DASC in hot regions. Designing a system that operates in day mode and night mode is the novelty of this study. Furthermore, SACs are designed to adapt their cooing production to the variable demand of air conditioning applications, determined exactly by the variation of solar radiation [11]. The solution of H2OLiBr ensures values of the COP of the SACs, higher than most of the working solutions available on the market [11,36].

The study is conducted according to weather conditions in Bamako (the capital of Republic Mali, 12.65 N, 8 E, altitude 337 m above sea

Night time Radiative cooling

140 mm

fluid tubes

solar collector enclosure

Fig. 3. Double-acting solar collector (nighttime mode).

Table 1

Optical characteristics of the coating.

Parameter

Symbol Value

Wavelength Absorption

coefficient Emission coefficient

0.3-3um 0.92

3 -8//m 0.55

8-13/<m 13-25/im 0.55 0.55

Table 2

Average values of the DASC parameters.

Symbol

Value

Heating mode

Cooling mode

Wind speed Ambient temperature Water inlet temperature Flow rate Solar irradiation

T»

Tfi

2.7 m/s 35 °C 28 C 0.034 kg/s 746.24 W/m2

2.85 m/s 31.56 C 28 C 0.008 kg/s OW/m2

Table 3

Dimension of the DASC.

Parameter Symbol Value

Length y 1700 mm

Height H 140 mm

Pipe diameter D 6.35 mm

Gap W 84 mm

Number of tubes N 12

Insulation thickness d 50mm

used in radiative cooling devices shows high transmittance in the vast majority of spectral legion, allowing solar inadiance and infrared thermal emission to penetrate [24-26]. A 4 mm-thick ultra-white glass acted as the glazing cover of the DASC. In this study, we will directly use the solar selective absorber already study by M. Hu et al in [32,33,37,38]. It is titanium (Ti) based solar absorbing plate consists of a 400 jam-thick aluminum substrate and a 200 nm-thick Ti-based solar absorbing coating. Composite collecting plate is named TPET collecting plate [33]. The TPET composite surface is a combination of a titanium-based solar selective absorber with polyethylene terephthalate

(polyethylene terephthalate - PET). The collecting plate is a key component to the DASC. The air gap between the windscreen and transparent glazing cover and between the transparent glazing cover and solar selective absorber are 40 mm. The back insulation layer was made of polyurethane foams with a thickness of 50 mm and a conductivity 0.027 W/(m K). The different parameters describing the DASC are presented in Tables 1, 2 and 3.

Table 1 shows that the selective coating absorbs heat well in the solar radiation range (0.3-3 \mi) during the day and radiates heat well in "the atmospheric window" range (8-13 |im) during the night.

Singe-effect absorption chiller (SEAC)

The right part of Fig. 1 shows a cycle corresponding to the SEAC using H2O - LiBr as the working fluid. Hot water from the DASC through the storage tank 1 is used in the generator to boil off water vapor from a weak solution. The water vapor boiled off in the generator to state (7) is cooled and condensed in the condenser to state (8) and then passed through the expansion valve to state (9) on its way to the evaporator. In the evaporator, water evaporates at low pressure, by absorbing heat from the surrounding and providing the required cooling effect to leave at state (10). The hot strong solution leaving the generator at state (4) passes on its way to the absorber, through the solution heat exchanger (SHE), and leaves at state (5) to exchange heat with the cold weak solution leaving the absorber to the generator which passes from state (2) to state (3). In the absorber, the strong solution, entering at state (6), absorbs the water vapor leaving the evaporator at state (10) and becomes a weak solution. The weak solution is pumped from state (1) to state (2) to pass through the solution heat exchanger to enter the generator at state (3).

In this study, the operating mode of a SEAC H2OLiBr (YAZAIC1 brand) of a low capacity 17.6 kW applied to a DASC will be examined. The hot water in the tank 1 to supply the generator of the absoiption chiller and the cold water in the tank 2 is used as the coolant of the condenser and the absorber in addition to the cooling tower.

Mathematical modeling

Mathematical modeling of the SEAC system applied to a DASC requires separate modeling of the absoiption cooling system and the

DASC.

Double acting solar collector modeling

The following hypotheses were made to simplify analysis

[33,37,39,40]:

a. Weather conditions (solar irradiation, ambient temperature, wind velocity as well as relative humidity) aie unchanged in each calculation time-step.

b. The physical parameters of the collector components aie constant, and the air is considered as ideal gas.

c. The temperatures of the collecting surface in the length and width directions are equal, like that of the transparent glazing cover and the windscreen.

d. The collecting plate and transparent glazing cover and windscreen are treated as diffuse emitters so that then spectral absorptivity and emissivity are not angle-related parameters.

e. the thermal inertia in the DASC is ignored.

The model uses the laws of thermal process on the collector surface and in the coolant flow, namely:

- the heat-balance equation of the windscreen,

- the heat balance of the transparent glazing cover,

- the heat-balance equation of the collecting plate,

- flow temperature calculation.

Heat-balance equation of the wirvdscreen

The heat balance equation of the wind screen is expressed as follows:

hwa(Ta-Tw) + hw^Tsky -Tw) + hwg_ccnv(Tg — Tw) -Qwg-rad + aw*G = 0

(1)

where hWa is the convective transfer coefficient between the windscreen and ambient air, W/(m2 K); hws is the radiative heat transfer coefficient between the windscreen and sky, W/(m2K); hwg œnv is the convection heat transfer coefficient between the windscreen and glazing cover, W/ (m2K); Tsky. Tw, Ts, and Tg aie the temperatures of the ambient air, windscreen, sky, and glazing cover, K, respectively; Qwg rad represents the net radiant heat transfer power between the windscreen and glazing cover, W/m2; aw is the total hemispherical absorptivity of the windscreen in the solar radiation band; G refers to the incident solar irradiation per square meter, W/m2.

The sky temperature is computed as follows [39,40].

T^ = 0.0552(Ta)3/2 (2)

The convective heat transfer coefficient of collector with the windshield between the windscreen and surroundings is derived as follows

[41,42]:

hwa = 2.8 + 3va (3)

The radiative heat transfer coefficient between the windscreen and sky is expressed as follows [28,32,43].

hws = ewa(T2sky + T2W) (Tsky + Tw) (4)

where ew is the total, hemispherical emissivity of the windscreen; and a is the Stefan Boltzmann constant.

An approximate formula of the radiative exchange coefficient between the windscreen and the sky is also found in the literature

[28,35,44].

hws = 4epTwaT2a (5)

where tw is the infrared transmittance of the wind screen (if there is no

windscreen, then tw = 1), ep is the infrared emissivity of the collecting plate, and Ta is the ambient temperature, K.

The convective heat transfer coefficient between the windscreen and

glazing cover is expressed as follows [32]. h -Nul^ ™

•Vg-ccnv . w

dwj

where Nu denotes the Nusselt number; ka is the thermal conductivity of air, W/ (m. K) and dwg is the height of the ail" gap between the windscreen and the transparent glazing cover, m.

For collectors with inclination angles varying from 0 to 75', if, Tg >TW, then the Nusselt number is defined as [45,46].

' ^ Racos(p) )[l Racos(P) + \ 5830 ) 1J

(7)

where the + exponent indicates that the negative values for the marked terms are replaced by zero, and p denotes the inclination angle of the apparatus, rad. If Tg < Twthen.

Nu = 1 + ^0.364 jjRa< - lJsin(P) (8)

where, L is the length of the plate, m; d is the vertical distance between the two parallel plates, m.

If Tg = Tw, there is no heat convection between the windscreen and transparent glazing cover. Then the Nusselt number is equal to zero.

The heat balance equation of the transparent glazing cover is written as follows:

hWf!-conv (Tw - Tg ) + hgp (Tp - Tg ) + ag*G - Qrad_nc, = 0 (9)

where hgp is the overall heat transfer coefficient between the transparent glazing cover and solar selective absorber, W/(m2 K); Tp is the temperature of the solar" selective absorber, K; ag is the total, hemispherical absorptivity of the glazing cover in the solar iiradiation band; Qrad net indicates the net outward radiative power of the glazing cover, W/m2.

The heat transfer coefficient between the glazing cover and solar selective absorber is derived as follows in [47], it comprises two parts, namely, irradiation and convection. The heat transfer coefficient can be written as follows:

h_p = h_ „.d + hgp_conv (10)

where eg and ep are respectively the total, hemispherical emissivity of the transparent glazing cover and solar selective absorber.

The net outwar d radiative power of the glazing cover is written as follows.

Qrad-nct Qrad- g Qrad- sg (13)

where Q-a(f g is the outwar d radiative power of the transparent glazing cover, W/m2 and Qr<U| sg indicates the radiation fr om sky to the transparent glazing cover.

Heat balance equation of the transparent cover

thus, the outlet temperature of the DASC is given by expression [29,41]: T,„ = T. - Q,JVl-+ (Tn - T. + Q^ /Uj. )exp i—' ^ } j (29)

In this case, Ta is the night ambient temperature, K and UL is the heat loss coefficient of convection during the night, W/(m2IQ. Accordingly, the working parameters of the collector will be calculated according to Bamako city weather data specially at night in May.

Performance evaluation of the DASC

In daytime, the thermal efficiency is determined by the ratio of the heat gain of the woiiung fluid between the outlet and the inlet of the DASC by the incident solar irradiance and the aperture area, given by the following expression [19].

1» =

riiCp(Tii, - Tn) G\

(30)

Q„ = AtFR(Q. -UL(Tn -T„) = m*Cp(Tro - T„)

where FR is heat removal factor given by [50]. _ iiiCp(T,0 — Tn)

(31)

(32)

Ac[Q,-UL(Tfl-T.)] However, it can also be determined by the following expression [51].

FR = ^l'-eXp

where the intercept Fr is the heat removal factor of the collector, (Ta)e is the effective transmittance-absorptance product, Ul is the overall energy loss coefficient of the DASC. Thus, the diurnal thermal efficiencies of the collector can be plotted as a function of reduced temperatur e, expressed as [51-53].

T ■ — T 1» = Fr(™)= - FRUJ. 'g

(34)

where the intercept FR(ra)e and slope FrUi represent the thermal efficiency of DASC at zero-reduced temperature and the energy loss of the collector, respectively.

In nighttime, the net radiative cooling power of the DASC can be defined as the heat loss of the water between the outlet and inlet of the collector divided by the aperture area of the collector, expressed as [48].

P

riicp(Tii - Tip) K

(35)

To eliminate the effect of variation of temperature difference between the ambient and the water at the DASC inlet and to obtain general conclusions, the similar model is proposed to express the net radiative cooling power of the DASC [48,51].

The intercept .-VnTk'kr t<r:., and slope AcFrUi represent the net radiative cooling power at zero-reduced temperature and energy loss of the DASC, respectively.

The cooled water by the DASC during night mode and stored in the Tank 2 is used for cooling the absorber and the condenser of the SEAC in addition to the cooling tower.

The storage tank serves as a buffer reservoir to have nearly constant heat or cool input. Assuming a perfect mixing within the tank and the rate of heat addition and removal for a reasonable period At are assumed to be constant, storage tank temperature can be estimated for each time interval by [19].

Tt,+i = Tj.i + -^r (Q„ - Qt l ~ Or)

(37)

where m is the mass flow rate of circulation water, kg/s; cp is the specific heat capacity of water, J/(kg K); Tf, and Tf0 are respectively the inlet and outlet water temperatures of the collector, K; Ac is the apertur e area of the collector, m2 and G is the incidence solar irradiance per square meter, W/m2.

To eliminate the effect of solar irradiance variation and temperature difference between the surroundings and water at the collector inlet and to obtain general conclusions, we will apply the model already used in the literatures [49].

The useful heat of the DASC can be expressed [47,49].

where Qrr is the heat losses from the tank, QT is the extracted energy from the storage tank, Tta is the main storage temperature for the period considered and mr is the storage tank mass.

QrL = UTAT(TT-T.) (38)

where Ut is the storage tank thermal losses coefficient, W/(nr2K); At is the outer" tank area, nr and can be calculated by using the next formula according to [54]. TrandTa aie the storage tank temperature and ambient temperature respectively.

AT = 5.536V2'3

(39)

where V is the storage tank volume, it is assumed that the tank diameter is the same as the tank height.