Efficient Energy Management of Hybrid Air Conditioning Systems to Mitigate Peak Power Demand. PhD thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (PhD dissertation focusing on energy management and hybrid air conditioning system for reducing peak power demand) EFFICIENT ENERGY MANAGEMENT OF HYBRID AIR CONDITIONING SYSTEMS TO MITIGATE PEAK POWER DEMAN.pdf - Published Version Restricted to Repository staff only until 27 April 2027. Available under License Creative Commons Attribution Non-commercial No Derivatives. Download (14MB)

Arabic Abstract

تهدف هذه الدراسة إلى تحسين أداء نظام هجين للتبريد التبخيري غير المباشر المتجدد (R-IEC) مدمج مع نظام تخزين الطاقة الحرارية بالجليد (ITES) باعتباره بديلاً مستدامًا لأنظمة تكييف الهواء التقليدية المعتمدة على دورة الانضغاط البخاري، خاصة في المناطق ذات المناخ الحار. وتقدم الدراسة أولاً مراجعة شاملة لتقنيات التبريد التبخيري غير المباشر (IEC)، تشمل التكوينات الكلاسيكية لنقطة الندى المتجددة والتطورات الحديثة في تكامل الأنظمة. كما يتم التركيز على الحلول الهجينة التي تدمج تخزين الطاقة الحرارية، والعجلات الماصة للرطوبة، وتحلية المياه باستخدام الترطيب–إزالة الترطيب، وأنظمة الانضغاط البخاري الميكانيكي، ودورات برايتون، مع إبراز إمكاناتها في تحسين فعالية التبريد وكفاءة الطاقة والأداء البيئي من خلال تحسين ظروف تدفق الهواء وهندسة القنوات وتكوين النظام. استنادًا إلى هذه الأسس، تتناول الرسالة دراسة تجريبية لنظام RIEC–ITES بهدف نقل الأحمال القصوى للطاقة في بيئة حارة وجافة. ويتكون النظام المتكامل من مبادل حراري وكتلي متجدد، ومبادلات حرارية تعتمد على الإيثيلين جلايكول، وخزان لتخزين الجليد مزود بنظام خلط داخلي متحكم فيه لتعزيز التجانس الحراري. وأظهرت النتائج التجريبية أن تشغيل نظام الخلط يحسن الطاقة المسترجعة والكفاءة الكلية للنظام، في حين تحقق معدلات التدفق المثلى توازنًا بين القدرة اللحظية للتبريد ومدة التفريغ. كما يتيح دمج تخزين الطاقة الحرارية الكامنة نقل الطلب على التبريد إلى فترات الأحمال المنخفضة، مما يقلل من استهلاك الكهرباء في أوقات الذروة والانبعاثات المرتبطة بها. كما أدى دمج نظام تخزين الطاقة الحرارية بالجليد (ITES) إلى تحسين أداء النظام، حيث زادت الطاقة الحرارية المسترجعة بنسبة 14.4 %، وتحسنت الكفاءة بنسبة 8.9%، وارتفعت كمية المياه المقطرة المسترجعة بنحو 51%. وأظهر التقييم التقني–الاقتصادي أن نظام RIEC–ITES يستهلك 3412.8 كيلوواط ساعة سنويًا، بتكلفة سنوية إجمالية قدرها 1682.74 دولارًا، مع انبعاثات ثاني أكسيد الكربون تبلغ 3.30 طن سنويًا، مما يشير إلى أن استهلاك الكهرباء يظل العامل الأكثر تأثيرًا في الأداءين الاقتصادي والبيئي. علاوة على ذلك، تم تطوير والتحقق من نموذج عددي يعتمد على طريقة الفروق المحدودة لمحاكاة انتقال الحرارة والكتلة المترافق داخل نظام R-IEC ذي الجريان المعاكس. كما أُجريت تحليلات بارامترية وتحليلات حساسية لتقييم تأثير المعلمات الهندسية والتشغيلية الرئيسة، بما في ذلك طول القنوات، وتباعدها، وسرعة الهواء الداخل، ونسبة الهواء، وذلك تحت الظروف المناخية لست مدن سعودية ممثلة هي: نيوم، الدمام، الرياض، جدة، مكة المكرمة، والمدينة المنورة. وتبين النتائج أن أداء نظام التبريد التبخيري غير المباشر المتجدد (R-IEC) يعتمد بدرجة كبيرة على هندسة القنوات وظروف التشغيل. فقد أدى زيادة طول القناة إلى 1.9 متر إلى تحسين ملحوظ في أداء التبريد، حيث بلغت فعالية البصيلة الرطبة 1.04 وفعالية نقطة الندى 0.72، مع انخفاض درجة حرارة الهواء الخارج من 33 °م إلى 22 °م. كما تبين أن التباعد الأمثل للقنوات يتراوح بين 5–6 مم، وهو ما يحقق أفضل توازن بين فعالية التبريد وكفاءة الطاقة. وأظهر التحليل المناخي أن المناخات الحارة والجافة مثل الرياض تحقق أداءً أعلى من حيث فعالية نقطة الندى، في حين تحقق المناخات ذات الرطوبة المتوسطة مثل مكة المكرمة والمدينة المنورة فعالية أعلى للبصيلة الرطبة، مما يؤكد أهمية تصميم الأنظمة بما يتوافق مع الخصائص المناخية المحلية. كما ساهمت نماذج التعلم الآلي في تحسين القدرة على التنبؤ بأداء النظام، حيث حققت النماذج الهجينة ANFIS-PSO وANFIS-GA دقة تنبؤ عالية بمعامل تحديد يقارب R² ≈ 0.99، مع إظهار نموذج ANFIS-GA لأكثر النتائج استقرارًا. إضافة إلى ذلك، أسفرت منهجية سطح الاستجابة (RSM) عن نماذج انحدار عالية الدقة بمعامل تحديد يصل إلى 0.9989، مما يتيح تنفيذ أمثلية متعددة الأهداف لمعلمات النظام. وبشكل عام، توضح النتائج أن أنظمة R-IEC–ITES المحسّنة توفر حلول تبريد عالية الكفاءة ومنخفضة الاستهلاك للطاقة وصديقة للبيئة، بما يتماشى مع أهداف المباني شبه صفرية الطاقة (Nearly Zero Energy Buildings) ويلبي المتطلبات المناخية لمنطقة الشرق الأوسط.

English Abstract

This study aims to improve the performance of a hybrid R-IEC system integrated with an ice thermal energy storage (ITES) system as a sustainable alternative to conventional vapor compression air-conditioning, particularly for hot climatic regions. A comprehensive review of IEC technologies is first presented, covering classical regenerative dew-point configurations and recent advancements in system integration. Emphasis is placed on hybrid solutions incorporating thermal energy storage, desiccant wheels, humidification–dehumidification desalination, mechanical vapor compression, and Brayton cycles, highlighting their potential to improve cooling effectiveness, energy efficiency, and environmental performance through optimized airflow conditions, channel geometry, and system configuration. Building on this foundation, the thesis experimentally investigates an RIEC-ITES for peak load shifting in a hot–arid environment. The integrated configuration combines a regenerative heat-and-mass exchanger, ethylene glycol-based heat exchangers, and an ice storage tank with controlled internal mixing to enhance thermal uniformity. Experimental results confirm that mixer operation improves recovered energy and overall efficiency, while optimized flow rates balance instantaneous cooling capacity and discharge duration. The integration of latent thermal storage effectively shifts cooling demand to off-peak periods, reducing peak electricity consumption and associated emissions. Integration of ice thermal energy storage (ITES) enhanced system operation, increasing recovered thermal energy by approximately 14.4%, while input energy rose by about 5.1% . Consequently, the COP increases by 8.9%, and the EER increases by 9.2%, boosting distilled water recovery by approximately 51%. The techno-economic assessment showed that the RIEC–ITES system consumes 3412.8 kWh annually, with a total annual cost of $1682.74 and CO₂ emissions of 3.30 tons per year, indicating that electricity consumption remains the dominant factor influencing economic and environmental performance Additionally, the study develops and validates a finite-difference numerical model to simulate coupled heat and mass transfer in a counter-flow R-IEC system. Parametric and sensitivity analyses are conducted to evaluate the influence of key geometric and operational parameters, including channel length, spacing, inlet air velocity, and air ratio, under the climatic conditions of six representative Saudi Arabian cities (Neom, Dammam, Riyadh, Jeddah, Makkah, and Madinah). The results demonstrate that the performance of the regenerative indirect evaporative cooling (R-IEC) system is highly dependent on channel geometry and operating conditions. Increasing the channel length to 1.9 m significantly enhanced cooling performance, achieving wet-bulb effectiveness of 1.04 and dew-point effectiveness of 0.72, while reducing outlet air temperature from 33 °C to 22 °C. An optimal channel spacing of 5–6 mm provided the best balance between cooling effectiveness and energy efficiency. Climatic analysis revealed that hot-dry climates, such as Riyadh, favor higher dew-point performance, while moderately humid climates, such as Makkah and Madinah, achieve higher wet-bulb effectiveness, highlighting the need for climate-specific design optimization. Machine learning models further improved performance prediction, where hybrid ANFIS-PSO and ANFIS-GA models achieved prediction accuracies close to R² ≈ 0.99, with ANFIS-GA providing the most stable results. In addition, Response Surface Methodology (RSM) produced highly accurate regression models with R² up to 0.9989, enabling effective multi-objective optimization of system parameters. Overall, the findings demonstrate that optimized R-IEC–ITES systems offer high-efficiency, low-energy, and environmentally sustainable cooling solutions aligned with Nearly Zero Energy Building objectives and the climatic demands of the Middle East.