Abstract

The solar thermal-based hot water system has established itself as one of the prominent options to achieve sustainable energy systems. Optimization of the solar water-heating system focuses mainly on two major decision variables, the solar collector area and the storage tank volume, and leads to a significant reduction in the capital investment. In conventional design practice, a well-mixed storage tank is considered for storing the heat. A thermocline tank offers benefits like the uniformity of the output temperature and reduction in thermal losses from the solar collector, through the establishment of thermal stratification. A holistic approach to optimize the overall system is missing in the literature. A methodology is proposed in this paper to optimize the solar water-heating systems, incorporating a thermocline storage tank, with the application of the design space framework. The design space was proposed initially to design and optimize energy systems as it helps in identifying different design constraints through a graphical representation. The design space, graphically represented on a storage volume versus collector area diagram, incorporates variations of the thermocline zone with the change in solar irradiation, thermal load, and other system-level constraints. The effects of various system parameters on system design through sensitivity analysis are also studied. It is observed that the solar collector area requirement and the overall capital investment can be reduced by 57% and 28%, by optimally integrating a thermocline tank.

Graphic abstract

中文翻译：

---

带有恒温槽的太阳能热系统的优化

摘要

以太阳能为基础的热水系统已成为实现可持续能源系统的重要选择之一。太阳能热水系统的优化主要集中在两个主要决策变量上，即太阳能集热器面积和储水箱容积，从而导致资本投资显着减少。在常规设计实践中，考虑使用混合均匀的储罐来存储热量。通过建立热分层，温跃层水箱可提供诸如输出温度均匀性和减少太阳能收集器产生的热损失等优点。文献中缺少用于优化整个系统的整体方法。本文提出了一种方法，以优化太阳能热水系统，并结合了一个温跃层储水箱，设计空间框架的应用。最初提出设计空间是为了设计和优化能源系统，因为它有助于通过图形表示来识别不同的设计约束。设计空间以图形方式表示在存储量与收集器面积的关系图上，其中包含了随着太阳辐射，热负荷和其他系统级约束条件变化而引起的温跃层区域的变化。通过灵敏度分析，研究了各种系统参数对系统设计的影响。可以看到，通过最佳地集成一个温跃层水箱，可以将太阳能集热器的面积要求和总的资本投资减少57％和28％。最初提出设计空间是为了设计和优化能源系统，因为它有助于通过图形表示来识别不同的设计约束。设计空间以图形方式表示在存储量与收集器面积的关系图上，其中包含了随着太阳辐射，热负荷和其他系统级约束条件变化而引起的温跃层区域的变化。还通过敏感性分析研究了各种系统参数对系统设计的影响。观察到，通过最佳地集成一个温跃层水箱，可以将太阳能集热器的面积要求和总的资本投资减少57％和28％。最初提出设计空间是为了设计和优化能源系统，因为它有助于通过图形表示来识别不同的设计约束。设计空间以图形方式表示在存储量与收集器面积的关系图上，其中包含了随着太阳辐射，热负荷和其他系统级约束条件变化而引起的温跃层区域的变化。通过灵敏度分析，研究了各种系统参数对系统设计的影响。可以看出，通过最佳地集成一个温跃层水箱，可以将太阳能集热器的面积要求和总的资本投资减少57％和28％。结合了温跃层区域的变化以及太阳辐射，热负荷和其他系统级约束的变化。通过灵敏度分析，研究了各种系统参数对系统设计的影响。可以看到，通过最佳地集成一个温跃层水箱，可以将太阳能集热器的面积要求和总的资本投资减少57％和28％。结合了温跃层区域的变化以及太阳辐射，热负荷和其他系统级约束的变化。通过灵敏度分析，研究了各种系统参数对系统设计的影响。可以看到，通过最佳地集成一个温跃层水箱，可以将太阳能集热器的面积要求和总的资本投资减少57％和28％。

图形摘要