Analisi energetica, exergetica ed economica (3E) dell'appartamento

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 411 (2023) Citare questo articolo

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L’uso dell’energia solare è una delle strategie più importanti per affrontare le attuali sfide della gestione energetica. L'energia solare viene utilizzata in numerosi settori residenziali attraverso i collettori solari piani. L’efficienza termica dei collettori solari a piastra piana migliora quando i fluidi termovettori convenzionali vengono sostituiti con nanofluidi perché offrono proprietà termofisiche superiori ai fluidi termovettori convenzionali. Le sostanze chimiche concentrate vengono utilizzate nelle tecniche di sintesi convenzionali dei nanofluidi, che producono sottoprodotti tossici pericolosi. La presente ricerca indaga gli effetti di nuovi nanofluidi di acqua e nanotubi di carbonio multiparete trattati con acido gallico verde funzionalizzato in modo covalente sulle prestazioni dei collettori solari a piastra piana. I GAMWCNT sono altamente stabili nel fluido di base, secondo le tecniche di analisi della stabilità, tra cui la spettroscopia ultravioletto-visibile e il potenziale zeta. La valutazione sperimentale mostra che le proprietà termofisiche del nanofluido sono migliori di quelle dell'acqua deionizzata del fluido base. L'analisi energetica, exergetica ed economica viene eseguita utilizzando concentrazioni in peso di 0,025%, 0,065% e 0,1% di acqua GAMWCNT a portate di massa variabili 0,010, 0,0144, 0,0188 kg/s. L'introduzione del nanofluido GAMWCNT ha migliorato le prestazioni termiche dei collettori solari a piastre piane in termini di efficienza energetica ed exergetica. Si verifica un miglioramento dell'efficienza con l'aumento del flusso di calore, della portata massica e della concentrazione di peso, ma si osserva un calo con l'aumento della temperatura di ingresso. Secondo i risultati sperimentali, il miglioramento più elevato in termini di efficienza energetica è del 30,88% per una concentrazione in peso dello 0,1% di nanofluido GAMWCNT a 0,0188 kg/s rispetto al fluido di base. L'efficienza exergetica del collettore aumenta all'aumentare della concentrazione di peso mentre diminuisce all'aumentare della portata. La massima efficienza exergetica si ottiene con una concentrazione di GAMWCNT dello 0,1% e una portata massica di 0,010 kg/s. I nanofluidi GAMWCNT hanno valori più elevati per il fattore di attrito rispetto al fluido base. C'è un piccolo incremento nella potenza di pompaggio relativa con l'aumento della concentrazione in peso del nanofluido. Valori dell'indice di prestazione superiori a 1 vengono raggiunti per tutte le concentrazioni di GAMWCNT. Quando il collettore solare termico funziona a 0,0188 kg/s e con una concentrazione in peso dello 0,1% di nanofluido GAMWCNT, si ottiene la riduzione dimensionale più elevata, pari al 27,59%, rispetto a un collettore solare a piastra piana con acqua come fluido termovettore.

La popolazione mondiale e il consumo di energia sono in rapida espansione. L'industrializzazione e la globalizzazione delle culture umane moderne sono le principali cause di questo aumento del consumo di energia. L’Agenzia internazionale per l’energia prevede che entro la fine del 2040 il consumo globale di energia crescerà di circa il 30%1. I combustibili fossili soddisfano l’86% della domanda energetica mondiale2. Le riserve mondiali di combustibili fossili si stanno rapidamente esaurendo e l’ambiente è gravemente inquinato. La sfida nell’era attuale è soddisfare la domanda energetica senza degradare ulteriormente l’ambiente. L’Obiettivo di Sviluppo Sostenibile 7 diventa una sfida che deve affrontare ogni Paese e riguarda tutti. L’obiettivo fondamentale dell’Obiettivo di sviluppo sostenibile 7 è ottenere un’energia che sia economica, pulita, efficiente, affidabile e accessibile a tutte le persone. Poiché le risorse energetiche convenzionali sono limitate, la ricerca di fonti energetiche alternative si è intensificata in tutto il mondo. Le risorse energetiche rinnovabili hanno dimostrato di poter soddisfare il fabbisogno di energia pulita3.

Grazie alla sua convenienza e disponibilità, l’energia solare è più richiesta rispetto ad altre risorse energetiche rinnovabili. L’energia solare può essere utilizzata in vari modi. Il calore solare può essere utilizzato per varie applicazioni, tra cui il riscaldamento degli ambienti, l'acqua calda domestica, il raffreddamento e persino il riscaldamento dei processi4,5. La raccolta e la conversione dell’energia solare rappresentano un obiettivo chiave in questo settore energetico. L'energia del sole può essere facilmente raccolta e convertita in energia termica o elettrica. Diverse apparecchiature e tecnologie, come i collettori fotovoltaici e solari termici, possono realizzare questo processo di conversione energetica. I collettori solari utilizzano un fluido scambiatore di calore per convertire l’energia solare in energia termica. La piastra assorbente del collettore cattura l'energia solare e la cede al fluido assorbitore, aumentandone l'energia interna, che può successivamente essere utilizzata per vari scopi. I collettori solari a piastra piana (FPSC) senza concentrazione ottica vengono utilizzati nell'intervallo di temperatura compreso tra 40 e 100 ° C. Sono adatti per applicazioni domestiche grazie alla loro semplicità, facilità di manutenzione e costi di gestione minimi. FPSC ha un'efficienza e una temperatura di uscita relativamente basse. Materiali, design6, rivestimento sulla piastra del collettore7, angolo di inclinazione8, condizioni climatiche9 e fluido di lavoro10 sono tutti fattori che influenzano l'efficacia dei collettori solari piani. La sostituzione dell'acqua pura (che funge da fluido di lavoro) con un fluido a maggiore conduttività termica è uno dei modi più semplici ed efficaci per migliorare l'efficienza.