Al-Satri, Mohammad (2026) Development of a Small-Scale Solar-Driven Absorption Chiller. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF Mohammed Alsetri Thesis V12.pdf Restricted to Repository staff only until 11 October 2027. Download (5MB)

Arabic Abstract

الطلب على تبريد الهواء للمباني السكنية متزايد في المناطق ذات المناخ الحار , ويؤدي إلى زيادة استهلاك الطاقة الكهربائية وقد يتجاوز الطلب على الكهرباء القدرة القصوى في اوقات الذروة في فصل الصيف ، إضافةً إلى زيادة انبعاثات غازات الاحتباس الحراري، ولا سيما في المملكة العربية السعودية حيث يهيمن التكييف على معظم استهلاك الطاقة في القطاع السكني. ويُعد التبريد بالامتصاص المعتمد على الطاقة الشمسية بديلاً واعدًا لأنظمة التبريد التقليدية القائمة على الانضغاط البخاري، نظرًا لاعتماده على الطاقة الحرارية منخفضة الدرجة والقدرة على توظيف الطاقة الشمسية لتقليل الاعتماد على الشبكة الكهربائية. تستعرض هذه الدراسة نمذجة وتقييم لمبرد امتصاصي صغير السعة أحادي التأثير يعمل بمحلول بروميد الليثيوم والماء (LiBr–H₂O) يعمل بالطاقة الشمسية. تم تطوير نماذج ديناميكية حرارية تفصيلية لكل من المبرد الامتصاصي ومنظومة المجمعات الشمسية باستخدام برنامج Engineering Equation Solver (EES)، وتم التحقق من صحتها من خلال مقارنتها بدراسات تجريبية منشورة، حيث لا يتجاوز متوسط جميع الانحرافات نسبة 5%. وحقق المبرد الامتصاصي معامل أداء حراري 0.75 تقريبا تحت ظروف التشغيل الصيفية النموذجية. تم تطبيق النماذج المعتمدة على حالتين دراسية في مدينة الظهران بالمملكة العربية السعودية، وهما قاعة اجتماعات ومنزل سكني صغير. وقد تم تقييم ومقارنة أداء كل من المجمعات الشمسية ذات الألواح المسطحة (FPC) والمجمعات ذات الأنابيب المفرغة (ETC). وأظهرت التحليلات البيئية أن النظام الامتصاصي الشمسي المعتمد على المجمعات ذات الأنابيب المفرغة يحقق خفضًا في إجمالي الانبعاثات السنوية لثاني أكسيد الكربون بنسبة 77% في كلتا الحالتين، في حين حقق النظام المعتمد على المجمعات المسطحة نسب خفض بلغت 66% و69% لقاعة الاجتماعات والمنزل السكني على التوالي، مقارنةً بأنظمة التبريد التقليدية بالانضغاط البخاري. وأوضحت التحليلات الاقتصادية أن النظام المعتمد على المجمعات المسطحة غير مجدٍ اقتصاديًا في ظل تعرفة الكهرباء الحالية، حيث تظهر فترات استرداد طويلة للغاية. في المقابل، حقق النظام المعتمد على المجمعات ذات الأنابيب المفرغة فترات استرداد بلغت 29.0 سنة لقاعة الاجتماعات و33.4 سنة للمنزل السكني، والتي يمكن خفضها إلى نطاق 14.5–16.7 سنة عند تطبيق دعم رأسمالي بنسبة 50%. وتؤكد هذه النتائج الجدوى الفنية والفوائد البيئية الكبيرة لأنظمة التبريد بالامتصاص المعتمدة على الطاقة الشمسية، مع إبراز أهمية الدعم والسياسات الحكومية لتحسين الجدوى الاقتصادية في المناطق ذات المناخ الحار.

English Abstract

The rapid growth of space cooling demand in hot-climate regions has led to increased electricity consumption, peak power demand, and greenhouse gas emissions, particularly in Saudi Arabia where air conditioning dominates residential energy use. Solar-driven absorption cooling offers a promising alternative to conventional vapor-compression (VC) systems by utilizing low-grade thermal energy and reducing reliance on grid electricity. This study presents the modeling and evaluation of a small-scale solar-driven single-effect lithium bromide–water (LiBr–H₂O) absorption chiller. Detailed thermodynamic models of the absorption chiller and solar collector subsystems were developed using Engineering Equation Solver (EES) and validated against published experimental studies, with average deviation below 5%. The absorption chiller achieved a thermal coefficient of performance around 0.75 under typical summer operating conditions. The validated models were applied to two representative case studies in Dhahran, Saudi Arabia: a meeting room and a small residential house. Flat plate collectors (FPC) and evacuated tube collectors (ETC) were evaluated and compared. Environmental analysis shows that the ETC-based solar absorption system reduces total annual CO₂ emissions by 77% in both case studies, while the FPC-based system achieves emission reductions of 66% and 69% for the meeting room and residential house, respectively, compared to conventional VC systems. Economic assessment indicates that the FPC-based system is not economically feasible under current electricity tariffs, exhibiting excessively long payback periods. In contrast, the ETC-based system achieves discounted payback periods of 29.0 years for the meeting room and 33.4 years for the residential house, which can be reduced to 14.5–16.7 years when a 50% capital subsidy is applied. These results demonstrate the technical feasibility and significant environmental benefits of solar-driven absorption cooling while highlighting the importance of policy support to improve economic viability in hot-climate regions.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Mechanical
Department:	College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Thesis Advisor:	Atia Khalifa,
Thesis Committee Members:	Esmail Mokheimer, Mohammed Antar,
Depositing User:	MOHAMMAD AL-SATRI
Date Deposited:	13 Oct 2026 04:48
Last Modified:	13 Oct 2026 04:48
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144780