Ilmanvaihdon ja ilmastoinnin eksergia-analyysi prosessi- ja järjestelmätasolla

Thumbnail Image

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

Insinööritieteiden korkeakoulu | Master's thesis

Authors

Date

2020-12-14

Department

Major/Subject

Energy Technology

Mcode

Degree programme

Master's Programme in Energy Technology (EEN)

Language

fi

Pages

88

Series

Abstract

Työssä perehdytään ilmanvaihdon ja ilmastoinnin eksergia-analyysiin, joka on edistynyt menetelmä energiateknisten järjestelmien analyysiin. Menetelmällä voidaan tarvittaessa tutkia komponenttikohtaisesti, miten paljon järjestelmä kuluttaa eksergiaa ja siten saadaan tietoa siitä, miten kaukana sen toiminta on ihanteellisesta toiminnasta. Eksergia-analyysi auttaa löytämään taloteknisten järjestelmien komponentit, joissa on eniten kehityspotentiaalia. Tämä tehdään vertaamalla järjestelmän prosesseja idealisoituihin reversiibeleihin prosesseihin. Järjestelmissä tapahtuva eksergian väheneminen on läheisessä yhteydessä järjestelmän generoimaan entropiaan. Eksergian vähenemisen ja entropian generoitumisen välinen yhteys tunnetaan Gouy-Stodola-teoreemana. Entropian käsitteeseen perehdytään tarkasti esittelemällä niin sanottu Lieb-Yngvason-aksiomatisointi. Työssä käsitellään eksergia-analyysiä seuraaville ilmastoinnin perusprosesseille: ilmavirtojen sekoittaminen, ilman lämmitys, haihdutuskostutus, höyrykostutus, ilman jäähdytys vakiopintalämpötilassa ja lämmön talteenotto (rekuperatiivinen ja regeneratiivinen). Sekoittamisprosessissa havaitaan eksergia-analyysissä häviöitä, joita ei havaita energiaa tarkastelemalla. Tarkasteltaessa jäähdytystä vakiopintalämpötilassa havaittiin, että lämmönsiirto mahdollisimman pienen lämpötilaeron yli kasvattaa eksergiatehokkuutta. Jos taserajan lämpötila ei ole vakio, eksergia-analyysi edellyttää taserajan geometriasta riippuvan pintaintegraalin laskentaa. Järjestelmätason eksergia-analyysiin perehdytään kirjallisuuskatsauksella. Työssä käsitellään kahta eksergiankulutusta minimoivaa ohjausstrategiaa, joista ensimmäinen säätää järjestelmän toimintaa eksergiankulutusta mittaavan indeksin perusteella ja toinen käyttää sääennustetta. Lisäksi käsitellään maa-ilmalämmönvaihdinta, hajautettua Airbox-ilmanvaihtojärjestelmää, jäähdytystä Maisotsenko-prosessilla ja jäähdytystä kuivauspyörällä.

In this work, ventilation and air conditioning processes and systems are examined with exergy analysis, which is advanced method of analysing energy devices. Exergy analysis can be applied separately to single components in order to examine how close the performance is to an ideal operation. Exergy analysis can be used to find components, which have the largest potential for development. This can be achieved by comparing processes to idealized reversible processes. Exergy destruction in a process is closely connected with produced entropy in the process. The exact result connecting exergy destruction and entropy production is known as Gouy-Stodola relation. Definition of entropy is presented using Lieb-Yngvason axiomatization. At component or process level, this work addresses mixing process, heating, evaporative humidification, steam humidification, evaporative cooling, recuperative heat recovery, and regenerative heat recovery. In mixing processes, exergy destruction is observed, although energy analysis does not indicate any losses. In evaporative cooling, it was observed that exergy efficiency improves when temperature difference diminishes between cooling coil and air. If temperature is not constant at the surface of the control region, exergy analysis requires computation of surface integral which is dependent on the geometry of the control region. System level analysis is a literature review. Covered technologies include two control strategies which minimize exergy destruction, the former by adjusting system parameters based on exergy destruction index, and the latter by utilizing weather forecasts. In addition, the review includes earth-to-air heat exchanger, decentralized ventilation using three stage heat exchanger called Airbox, and air conditioning using Maisotsenko cycle or desiccant wheel.

Description

Supervisor

Vuorinen, Ville

Thesis advisor

Keinänen, Mikko

Keywords

eksergia, ilmastointi, ilmanvaihto, entropia, Lieb-Yngvason

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122056322

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG