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A Small Scale Solar Electric Powered Air Cooling System for Apartments in the MENA Region

  • This thesis focuses on small scale residential cooling application with unitary air conditioning units as they are wide spread in the so called Middle East North African Region. The presence of these single room or single apartment cooling systems is evaluated and their impact throughout the region assessed. They have a tremendous impact on the electric supply in countries like Saudi Arabia where most of the households already have an AC-unit. The impact in other countries with relatively less installed systems, like in Egypt, is already crucial and leads to regular power cuts. However, the stability of the grids of these countries will decrease further with a higher penetration rate of electric air conditioning systems. Current technology development aims to reduce the buildings cooling energy demand, increase the coefficient of performance, or to substitute the cooling mechanism with a different approach such as sorptive cooling systems. However, these systems require a costly and time intensive change of the building structure orThis thesis focuses on small scale residential cooling application with unitary air conditioning units as they are wide spread in the so called Middle East North African Region. The presence of these single room or single apartment cooling systems is evaluated and their impact throughout the region assessed. They have a tremendous impact on the electric supply in countries like Saudi Arabia where most of the households already have an AC-unit. The impact in other countries with relatively less installed systems, like in Egypt, is already crucial and leads to regular power cuts. However, the stability of the grids of these countries will decrease further with a higher penetration rate of electric air conditioning systems. Current technology development aims to reduce the buildings cooling energy demand, increase the coefficient of performance, or to substitute the cooling mechanism with a different approach such as sorptive cooling systems. However, these systems require a costly and time intensive change of the building structure or an exchange of the existing cooling system. Due to this reasons, this thesis focuses on the additional installation of a small scale PV electric system, including a battery and applying advanced control strategies to utilize the thermal storage capacity of the building masses. Therefore, the present room cooling system is modeled as a reference system as it could be present throughout the entire region. This system consists of a room model of a typical apartment structure and is cross validated. Two use cases are applied: a bed room and a living room. Further, it includes a model of the solar electric system which is as well parametrized to regional values. Newly, a split unit model and an extended Kinetic Battery model are set up. The single models are combined to an entire system simulation. Afterwards, the main parameters are varied in particle swarm optimization runs to determine the impact of various boundary conditions, such as the electricity price and feed in tariffs, battery and thermal storage capacities, and solar collector field size. The simulation results are compared in terms of levelized costs of cooling, solar coverage rate and the solar cooling autonomy. The findings are compared in a case study. This study highlights the results of the Hurghada, Egypt city district of El Gouna. There, personal observations of the results where possible and an in depth analysis of the results was undertaken. In this location, the levelized costs of electricity for a small scale PV system with 1kWpeak drop there to 0.18USD/kWh with a short investment period of 5 years. They even drop to 0.08 and 0.05USD/kWh when taking an investment period of 15 or 25 years into consideration. With this values, various levelized costs of cooling are simulated as a parameter field of the particle swarm optimization. The findings show, that in most cases, the cooling costs become negative, even with relatively short investment periods. Within a bed room, a solar coverage rate of 0.9 can be achieved with a small scale PV system with weighted costs of only 677USD. In terms of solar cooling autonomy, the most cost efficient system has weighted costs of1,036USD, resulting in a coverage rate of 0.71. The living room air conditioning system can achieve best weighted costs of1,459USDfor a cooling autonomy of 0.86.Further, the practical application of a small scale PV electric solar cooling system was evaluated by the author in the case study location itself. The limitations of the theoretic system design are presented and discussed. Part of this analysis is the thermal stratification in typical vaulted apartment structures as they have a huge impact on the deviation between simulated and measured room air cooling demand.zeige mehrzeige weniger
  • Diese Arbeit fokussiert sich auf kleinskalige Wohnraumklimatisierung mit weitverbreiteten Einzelraumkühlsystemen in der Region des Mittleren Osten und Nordafrika. Das Vorhandensein dieser Einzelraum- oder Wohnungskühlsysteme wird bewertet und ihre Auswirkungen in der gesamten Region beurteilt. Sie haben einen enormen Einfluss auf die Stromversorgung in Ländern wie Saudi-Arabien, wo die meisten Haushalte bereits über ein Klimagerät verfügen. Die Auswirkungen in anderen Ländern mit relativ wenig installierten Systemen, wie in Ägypten, sind bereits entscheidend und führen zu regelmäßigen Stromunterbrechungen. Die Stabilität der Netze dieser Länder wird mit einer höheren Durchdringungsrate von elektrischen Klimaanlagen weiter abnehmen. Die derzeitige Technologieentwicklung zielt darauf ab, den Energiebedarf für die Gebäudekühlung zu reduzieren, die Leistungszahl zu erhöhen oder den Kühlmechanismus durch einen anderen Ansatz wie z.B. Sorptionskühlsysteme zu ersetzen. Diese Systeme erfordern jedoch eine kosten- und zeitintensiveDiese Arbeit fokussiert sich auf kleinskalige Wohnraumklimatisierung mit weitverbreiteten Einzelraumkühlsystemen in der Region des Mittleren Osten und Nordafrika. Das Vorhandensein dieser Einzelraum- oder Wohnungskühlsysteme wird bewertet und ihre Auswirkungen in der gesamten Region beurteilt. Sie haben einen enormen Einfluss auf die Stromversorgung in Ländern wie Saudi-Arabien, wo die meisten Haushalte bereits über ein Klimagerät verfügen. Die Auswirkungen in anderen Ländern mit relativ wenig installierten Systemen, wie in Ägypten, sind bereits entscheidend und führen zu regelmäßigen Stromunterbrechungen. Die Stabilität der Netze dieser Länder wird mit einer höheren Durchdringungsrate von elektrischen Klimaanlagen weiter abnehmen. Die derzeitige Technologieentwicklung zielt darauf ab, den Energiebedarf für die Gebäudekühlung zu reduzieren, die Leistungszahl zu erhöhen oder den Kühlmechanismus durch einen anderen Ansatz wie z.B. Sorptionskühlsysteme zu ersetzen. Diese Systeme erfordern jedoch eine kosten- und zeitintensive Änderung der Gebäudestruktur oder einen Austausch des bestehenden Kühlsystems. Aus diesen Gründen konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf die zusätzliche Installation eines kleinen PV-Systems, einschließlich einer Batterie und der Anwendung fortschrittlicher Regelungsstrategien zur Nutzung der thermischen Speicherkapazität der Gebäudemassen. Daher wird ein Raumkühlsystem als Referenzsystem modelliert, wie es in der gesamten Region vorhanden sein könnte. Dieses System besteht aus einem Raummodell einer typischen Apartmentstruktur welches kreuzvalidiert wurde. Zwei Nutzungsszenarien wurden untersucht: ein Schlafzimmer und ein Wohnzimmer. Darüber hinaus enthält es ein Modell des solaren elektrischen Systems, das ebenfalls auf regionaleWerte parametrisiert ist. Neu werden ein Kleinkälteanlagenmodell und ein erweitertes Modell der kinetischen Batterie aufgestellt. Die einzelnen Modelle werden zu einer Gesamtsystemsimulation kombiniert. Anschliessend werden die Hauptparameter in Partikelschwarm-Optimierungsläufen variiert, um die Einflüsse verschiedener Randbedingungen wie Strompreis und Einspeisetarife, Batterieund thermische Speicherkapazitäten, oder die Solarkollektorfeldgrösse, zu bestimmen. Die Simulationsergebnisse werden hinsichtlich der nivellierten Kosten für die Kühlung, der solaren Deckungsrate und der solaren Kühlungsautonomie verglichen. Die Ergebnisse werden in einer Fallstudie untersucht. Diese Studie beleuchtet die Ergebnisse des Stadtbezirks El Gouna von Hurghada, Ägypten. Dort wurden, wo möglich, persönliche Beobachtungen und eine eingehende Analyse der Ergebnisse vorgenommen. An diesem Standort sinken die nivellierten Stromkosten für ein PV-Kleinanlagensystem mit 1kWpeak auf 0.18USD/kWh bei einer kurzen Investitionsdauer von 5 Jahren. Bei einer Investitionsdauer von 15 oder 25 Jahren sinken sie sogar auf 0.08 bzw. 0.05USD/kWh. Mit diesen Werten werden verschiedene nivellierte Kosten der Kühlung als Parameterfeld der Partikelschwarmoptimierung simuliert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kühlkosten in den meisten Fällen schon bei relativ kurzen Investitionszeiträumen negativ werden. Innerhalb eines Schlafzimmers kann mit einem kleinen PV-System mit gewichteten Kosten von nur 677USD eine solare Deckungsrate von 0.9 erreicht werden. In Bezug auf die Autonomie der solaren Kühlung hat das kosteneffizienteste System gewichtete Kosten von 1, 036USD, was zu einem Deckungsgrad von 0.71 führt. Das Wohnzimmer-Klimasystem kann die besten gewichteten Kosten von 1, 459USD für eine Kühlungsautonomie von 0.86 erreichen. Weiterhin wird die Anwendung eines PV-elektrischen Kühlsystems in kleinem Maßstab durch den Autor am Standort der Fallstudie bewertet. Die Grenzen des theoretischen Systemdesigns werden vorgestellt und diskutiert. Teil der Analyse ist der Einfluss der thermische Schichtung in gewölbten Apartmentstrukturen auf die Abweichung zwischen simuliertem und gemessenem Kühlbedarf.zeige mehrzeige weniger

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Metadaten
Verfasserangaben:M.Sc. Christoph BanhardtORCiD
URN:urn:nbn:de:kobv:b170-19588
DOI:https://doi.org/10.25624/kuenste-1958
Herausgeber*in: Christoph Banhardt
Gutachter*in:Prof. Dr.-Ing. Christoph Nytsch-Geusen, Prof. Dr.-Ing. Felix Ziegler
Betreuer:Prof. Dr.-Ing. Christoph Nytsch-Geusen
Dokumentart:Dissertation
Sprache:Englisch
Jahr der Fertigstellung:2021
Veröffentlichende Institution:Universität der Künste Berlin
Titel verleihende Institution:Universität der Künste Berlin, Fakultät Gestaltung
Datum der Abschlussprüfung:12.11.2021
Datum der Freischaltung:07.12.2022
Freies Schlagwort / Tag:Air Cooling; HVAC; MENA; Residential Cooling; SWANA; Solar Powered Air Conditioning; Split Unit
GND-Schlagwort:MENA-RegionGND; KlimatechnikGND; HochspannungsdrehstromübertragungGND
Seitenzahl:218
Fakultäten und Einrichtungen:Fakultät Gestaltung
DDC-Klassifikation:7 Künste und Unterhaltung
Lizenz (Deutsch):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
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