Η ανάλυση κύκλου ζωής ως μεθοδολογικό εργαλείο για τη βελτιστοποίηση ηλιακών συλλεκτών ειδικής σχεδίασης

Abstract

LCA methodology studies the environmental impacts throughout the life cycle of a product or system: raw material processing, manufacturing, life time operation and final disposal. In this Phd dissertation, LCA is used as a reference point for the optimal design of special type solar thermal systems: systems with an integrated collector storage (ICS).Initially applications of LCA methodology in solar heating systems are presented and information about the technical design of conventional solar thermal systems are provided. The types of solar collectors used are described, from the simplest to the most complex – i.e. Compound Parabolic Concentrators (CPCs). Two types of ICS systems are mentioned: a) system with an asymmetric CPC reflector and a double wall tank and b) system with a symmetric CPC reflector and two water storage tanks. These systems were the "prototypes" for proposing design solutions and proposals aimed at producing new ICS systems with improved performance as well as "more economical" and with an improved environmental footprint throughout their entire operational life cycle. Mathematical optimization was applied in order to simulate the design parameters, i.e. creation of mathematical parametric models of performance and cost. Therefore, more than one objective function was used (Nonlinear Multi-Objective Optimization Problem).In the first stage of the study, the LCA methodology was applied to a commercial type ICS system of the Greek market. In this way, information about ICS systems were deployed and then used in the optimal design process to "approach" parameters of standard ICS systems for which it was very difficult to find real data (e.g. the production cost).In the next stage, a Multi-Objective optimization was applied to the new ICS systems, creating the equations and the objective functions of energy efficiency (mean daily efficiency and thermal loss coefficient) and production cost. In this stage, a combination of existing literature and mathematical operations was made to create the design equations of the new ICS systems. A mathematical algorithm was created to evaluate the optimal geometry of the parabolic CPC reflectors as well as the number of ICS units which will be installed in buildings for hot water production, which based on an original algorithm for nonlinear optimization of a single objective function. The energy performance curves of the designed by the algorithm systems were compared with the corresponding energy performance curves of original models and a conventional type solar thermal system (Flat Plate Thermosiphonic Unit: FPTU). The next step was the development of a prototype way to design the parabolic surface in a CAD environment, for use in CNC (Computerized Numerical Control) machines for the manufacturing of parabolic CPC reflectors. Finally, the other parts of the ICS systems were designed using a prototype mathematical technique for calculating their dimensions, based on original models. In the final stage of the dissertation, the energy, environmental and economic study of the new ICS devices compared to the respective prototypes as well as with the FPTU unit, was made to demonstrate the improvements in the performance of the algorithmically designed versus the original models. The study indicates that the new ICS systems approach the performance of conventional devices at a much lower cost, so might serve as an advisor for the design and selection of improved ICS devices, which will be installed in buildings for domestic applications.

Η Ανάλυση Κύκλου Ζωής (ΑΚΖ) είναι μία μεθοδολογία εκτίμησης των περιβαλλοντικών επιπτώσεων σε ολόκληρο το κύκλο ζωής ενός προϊόντος ή ενός συστήματος: επεξεργασία πρώτων υλών, κατασκευή, χρήση, τελική απόρριψη. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή η ΑΚΖ χρησιμοποιείται ως σημείο αναφοράς για τη βέλτιστη σχεδίαση ηλιακών θερμικών συστημάτων και συγκεκριμένα συστημάτων με ολοκληρωμένη συσκευή συλλέκτη αποθήκης θερμότητας (Integrated Collector Storage, ICS). Αρχικά μελετώνται εφαρμογές της ΑΚΖ σε ηλιακά θερμικά συστήματα γενικά καθώς και στην τεχνική σχεδίαση τέτοιου τύπου συστημάτων. Αναφέρονται τα είδη του συλλέκτη που χρησιμοποιούνται από τα πιο απλά μέχρι τα πιο σύνθετα - με παραβολικό ανακλαστήρα (Compound Parabolic Concentrator, CPC). Εξετάζονται δύο τύποι ICS συστημάτων: α) σύστημα με ασύμμετρο ανακλαστήρα CPC και διπλό δοχείο νερού και β) σύστημα με συμμετρικό ανακλαστήρα CPC και δύο δεξαμενές νερού σε σειρά. Τα συγκεκριμένα συστήματα θα αποτελέσουν τη «βάση» για τη πρόταση σχεδιαστικών λύσεων και προτάσεων με στόχο τη παραγωγή νέων ICS συστημάτων με βελτιωμένη απόδοση καθώς επίσης «οικονομικότερα» και με βελτιωμένο περιβαλλοντικό αποτύπωμα σε ολόκληρο το κύκλο λειτουργικής ζωής τους. Η παραπάνω διαδικασία έγινε με μαθηματική βελτιστοποίηση των παραμέτρων σχεδίασης, δηλαδή δημιουργία μαθηματικών παραμετρικών μοντέλων απόδοσης και κόστους με χρήση περισσοτέρων του ενός αντικειμενικών συναρτήσεων (Πρόβλημα μη γραμμικής πολυστοχαστικής βελτιστοποίησης: Nonlinear Multi-Objective Optimization). Στο πρώτο στάδιο της επεξεργασίας εφαρμόστηκε η μέθοδος της ΑΚΖ σε ένα συνήθη ICS σύστημα που υπάρχει στην Ελληνική αγορά. Με αυτό τον τρόπο αντλήθηκαν στοιχεία που αφορούσαν τα ICS συστήματα τα οποία χρησιμοποιήθηκαν στη συνέχεια στη διαδικασία βέλτιστης σχεδίασης ώστε να «προσεγγιστούν» παράμετροι των πρότυπων ICS συστημάτων για τους οποίους ήταν πολύ δύσκολο να βρεθούν πραγματικά στοιχεία (όπως για παράδειγμα το κόστος παραγωγής που αφορούσε οικονομικά στοιχεία στη διαδικασία παραγωγής). Στο επόμενο στάδιο έγινε η παραμετρική βελτιστοποίηση των νέων ICS συστημάτων, με τη δημιουργία των αναλυτικών εξισώσεων σχεδίασης και τον ορισμό των αντικειμενικών συναρτήσεων ενεργειακής απόδοσης (μέση ημερήσια απόδοση και συντελεστής θερμικών απωλειών δεξαμενής νερού) και κόστους (κόστος παραγωγής στη βιομηχανία). Η διαδικασία αυτή έγινε με συνδυασμό δεδομένων βιβλιογραφίας και μοντελοποίησης ώστε να παραχθούν οι νέες εξισώσεις σχεδίασης των ICS. Χρησιμοποιήθηκε ένας πρωτότυπος μαθηματικός αλγόριθμος που δίνει τη βέλτιστη γεωμετρία των παραβολικών CPC ανακλαστήρων καθώς και τον αριθμό ICS μονάδων που θα εγκατασταθούν σε οικίες, ο οποίος δημιουργήθηκε με βάση ένα παλαιότερο αλγόριθμο μη γραμμικής βελτιστοποίησης μίας όμως αντικειμενικής συνάρτησης. Σε αυτό το στάδιο έγινε και η σύγκριση των νέων καμπύλων απόδοσης (που προκύπτουν από τη μαθηματική βελτιστοποίηση) με τις αντίστοιχες καμπύλες απόδοσης των παλαιότερων μοντέλων και ενός συμβατικού ηλιακού θερμικού συστήματος με επίπεδο συλλέκτη (Flat Plate Thermosiphonic Unit: FPTU). Δημιουργήθηκε επίσης ένα πρωτότυπο δημιουργίας της παραβολικής επιφάνειας σε περιβάλλον CAD για χρήση σε εργαλειομηχανές αριθμητικού ελέγχου (CNC: Computerized Numerical Control) κατασκευής παραβολικών CPC ανακλαστήρων. Στη συνέχεια έγινε η σχεδίαση των υπολοίπων τμημάτων των ICS με μία πρωτότυπη μαθηματική τεχνική υπολογισμού των διαστάσεων τους, με βάση τα πρότυπα τους. Στο τελικό στάδιο της διατριβής έγινε η ενεργειακή, περιβαλλοντική και οικονομική σύγκριση των νέων ICS με τα αντίστοιχα πρότυπα τους καθώς και με το FPTU ώστε να φανεί η βελτιωμένη απόδοση τους σε σχέση με τα παλαιότερα ICS, η οποία έδειξε ότι τείνει να προσεγγίσει την απόδοση των συμβατικών ηλιακών θερμικών συστημάτων της αγοράς με αρκετά μικρότερο κόστος.