Energy and entropy optimization of solar domestic hot water heating systems

Abstract

Bu araştırmanın amacı; güneş enerjili su ısıtma sistemlerinin modellenmesi, analizi ve termodinamiğin birinci ve ikinci kanunu ve istatistik olarak evlerden alınan ölçümlere dayanarak bulunmuş olan günlük sıcak su kullanma profillerini ve gerçek güneş enerjisi verilerini kullanarak, optimizasyonunun yapılmasıdır. Güneş enerjili klasik bir su ısıtma sistemi; bir güneş kollektörü, bir tank, bir enerji kaynağı, bir pompa, bunları bağlayan borular ve bir kontrol sisteminden oluşur. Burada incelenecek sistemde, bunlara ek olarak, bir karıştırma vanası kullanılmıştır. Ek enerji kaynağı elektrikli bir ısıtıcı olup tankın içine monte edilmiştir. Bu sistem elemanlarının öncelikle matematik modelleri çıkarılmıştır. Buna ek olarak, verilen günlük sıcak su kullanma profiline ve günlük toplam sıcak su ihtiyacına göre sistemin optimum tank hacmi ve kollektör alanı bulunmuştur. Bu optimizasyon çalışmasında amaç, toplam entropi üretimini ve ek elektrik enerjisi kullanımını minimum yapacak sistemi bulmaktır. The objective of this research is to model, simulate and optimise a typical solar hot water heating system on the basis of the first and the second laws of thermodynamics, using statistically obtained daily hot water use profiles and actual data for İstanbul. A typical solar hot water heating system includes a solar collector, a storage tank, an auxiliary energy source, a pump, related piping and control elements. The system to be investigated here includes an additional mixing valve. Auxiliary heating source is electrical heater and it is placed in the storage tank. Mathematical models of the sub-systems were derived. Optimum storage tank volume and collector size were obtained for a given daily hot water use profile based on the minimisation of total entropy production and auxiliary energy consumption.