Coursework  Aims  (Learning  Outcomes)

Upon successful completion of the coursework, students should be able to:

· Explain and analyse a wide range of fundamental building systems components, their performance  and  inter-relationship.

Demonstrate hands-on experience with using component-level simulation tools and pre- developed libraries of building systems components models.

Planbuildingsystemscomponentsperformanceanalysis,assembleappropriatecomponents model, conduct analysis and critically examine model's outputs.

Communicate project results directed at audiences of varied backgrounds.

Overall Brief

As part of the everyday activities of digital engineers and energy analysts, they have to address a variety of engineering problems concerning the design and performance of   energy systems. These problems typically require performing calculations and

communicating recommendations/decisions to clients. This coursework collects a set of situational examples that might be encountered in your professional life. You need to

understand the requirements (as stated in the coursework brief), develop your models

and/or use propertytables or software, use your knowledge and relevant tools to

perform engineering calculations, and summarise your results in a form that is suitable for external non-specialist audiences (clients). You will be involved in three projects:

Project 1:Analysis of a vapour compression system

Refrigeration system with outdated refrigerant is improved by replacing the outdated refrigerant with new and environmentally friendly refrigerants and by changing the

system design(replace the initial system with a cascade system). The main goal is to

evaluate the performance of modernised systems and to compare their performance to that of the initial system.

Project 2: Air conditioning facility in Barcelona, Spain

An initially designed air-conditioning system has limited control capabilities of a supply air  tempera-ture.  The  proposed  improvements include two ways of controlling supply  air temperature. The main goal is to assess the energy performance of the key system

elements as well as the behaviour of the most important system parameters for varied system  configurations.

Project 3:Offsetting electric energy demand using renewable energy sources

Energy demand can, in some cases, be fully or partially covered by energy generated by renewables. Bringing supply and demand closer to each other can result in a reduction   of COzemissions. Solar photovoltaic (PV) system is one of the renewable technologies   which can be utilised to achieve this. The main goal of this task is to analyse the impact  of the main PV system parameters (such as size and orientation) on the PVplant output and to evaluate the potential for fully or partially offsettingelectricity demand created    by the air-conditioning system described in the project 2.

Details on what is required for each project can be found in the corresponding sections

Resources needed to complete this coursework

The weather files and supplementary information is available on the Moodle page of the module.The main software packages you will be using for the tasks are:

·Coolprop(using   the   Python   binding)

●  Modelica/Dymola

● Selected components from the Modelica Buildings library (version 8.1.3)

Details on where to obtain/download and install each of these tools have been provided during in- duction week. You are welcome to use alternative tools(or even tables),but using the tools above is recommended, as much of the pre-requisite knowledge has been covered in the practical sessions that followed  each  lecture.  You  are  also  welcome  to  use(referencing  appropriately)external  sources  for additional information/data required to make a solid recommendation.

If you have any questions or remarks on any of the tasks, you are encouraged to post on the Moodle Question & Answer Forum on the Module Moodle Page.

Project 1:Analysis of a vapour compression system

Statement

A  frozen  food processing  factory  located  in Barcelona,  Spain with  a peak  ambient temperature  of 35°℃,keeps the  foods  stored  in  a  cold room  at  - 15°C  and the  cooling  load  (refrigeration  effect)at the peak capacity is 20 kW. .Currently, the factory employs a single-stage vapour compression system with R236fa as a refrigerant. The company has decided to upgrade the system to one with a more environmentally  friendly  refrigerant.A  consultant(you)has  been  appointed  to  redesign  the  system. The refrigerants available at the local market,which cover the operating temperature range, are R40 and R1233zd(E) . The proposal is to evaluate two possible system upgrade scenarios:

1. Replace R236fa in a single-stage vapour compression system(Figure  1) with:

(a)R40,or

(b)R1233zd(E)

S

Figure  1:Single-stage vapour compression  system

Figure 2:Cascade vapour compression system

2. Use a cascade system (Figure 2) with:

(a)R40 in both lower temperature cycle and higher temperature cycle,

(b)R1233zd(E) in both lower temperature cycle and higher temperature cycle,

(c) R40 in the lower temperature cycle and R1233zd(E) in the higher temperature cycle, or

(d) R1233zd(E) in the lower temperature cycle and R40 in the higher temperature cycle.

The client has appointed you to provide them with answers to the following:

1. Which solution from the first upgrade scenario would you propose based on the COP of the system at peak capacity?How do the proposed systems perform (in terms of COP)when compared to the original R236fa system?

2. Which solution from the second upgrade scenario would you propose based on the optimal COP of the system at peak capacity? What is the optimal intermediate temperature in the proposed cascade system(T 。 low≈T 。 high)?Plot the proposed cascade system performance (COP vs intermediate  temperature).How  do  the  proposed  systems  perform(in  terms  of COP)when compared to the original R236fa system?

3. A detailed description of a cascade vapour compression system.

Hints:

● Use the ideal refrigeration cycle for this analysis.

● The temperature of the refrigerant in the evaporator(evaporation temperature)is 10°C cooler than the cold room temperature.

● The temperature of the refrigerant in the condenser (condensation temperature)is 15°C higher than the ambient temperature.

● Heat rejection from the lower cycle to the higher cycle takes place in an adiabatic counter-flow   heat exchanger where phase change in both streams happens at about the same temperature (Tc low≈Te high).(In practice, the working fluid of the lower cycle is at a higher temperature in the heat exchanger for effective heat transfer.)

Project 2:Air-conditioning  facility

Statement

An air-conditioning facility installed in Barcelona, Spain, ,shown in Figure 3, is composed of an air- cooled chiller, a chilled water pump, a fan and a heat exchanger.The initial design has the following characteristics (Task2a in the Modelica .mo input file provided with the coursework brief):

● Air-cooled liquid chiller with R134a refrigerant and the nominal capacity of 743.7kW.

● Constant speed chilled water pump which keeps the constant chilled water volume flow rate in the chilled water loop of I 1151m3/h(0.032m³/s or mass flow rate of 32 kg/s).

· Constant speed air fan which keeps the constant outdoor air volume flow rate of 48000 m n3/h (13.33m³/s or mass flow rate of 16kg/s).

●  The  chilled water temperature  leaving  the  chiller(and  entering  the  cooling  coil  -water  side), tch out,is controlled to a fixed setpoint of 7°C.

The system as designed operates with a variable temperature of the air delivered to the conditioned space(and  leaving  the  cooling  coil-air-side),tair out,which  fluctuates  between8°Cand   10°Cduring most of the warm season period.

Due to persistent complaints from occupiers of the conditioned space about non-comfortable conditions caused by  the  cold  air  draft,a  consultant(you)has been  appointed to modify  the  system  to  operate with the fixed temperature of the air delivered to the conditioned space, tair out.The desired fixed setpoint is  set to  13°C.

You decide to analyse two possible system modification scenarios:

coil

Figure 3:Air-conditioned  system (initial design)

coil

Figure 4:Air-conditioned system(with the cooling coil bypass)

1. To introduce the three-port valve and the bypass in the chilled water loop(Figure 4) which are used to modulate the chilled water flow rate through the cooling coil to keep the air temperature constant at  13°C.The amount of water flowing through the chiller(and chilled water pump) remains as initially designed(constant).The air-side has no changes except the installation of the air temperature sensor in the air stream path after the cooling coil (Task2b in the Modelica  .mo input file provided with the coursework brief).

2. To keep the water-side intact and to control the air delivered to the conditioned space temperature (at  13°C by modulating the airflow rate via installing the variable speed drive(VSD)which  controls the fan motor speed(Figure 5).(Task2c in the Modelica .mo input file provided with the coursework brief).

The  chilled water temperature  is  controlled by  a  fixed  setpoint(tch out =7°C)in both  scenarios.  The conclusions are to be provided based on the analysis conducted for the particularly warm summer week; week 35 (the simulation interval start time is a day 239 while the simulation interval stop time is a day 246. The external weather conditions are provided in .mos file supplied with this coursework brief).

You   are   asked   to   prepare   a   report   with   the   following   information:

Note: You may want to focus on the subset while providing more in-depth analyses.

● Chiller,pump and fan energy consumptions for the analysed week with the discussion on differ- ences(and cause of differences)among analysed scenarios.

● Chiller COP in all three scenarios(and a reason for a difference, if any).

● Heat exchanged between water stream and air stream.

Figure 5:Air-conditioned system(with the VSD)

● The temperature of the air delivered to the conditioned space both uncontrolled and controlled (temperature oscillations as a function of the control mechanism).

● For the second modification scenario air flow rates compared to the constant flow rate operation.

● The temperature of the water leaving the cooling coil in all three scenarios.

● The first modification scenario water flow rates through the cooling coil compared to the operation without bypass.

Hint: Use 0.001 for the integration tolerance within the simulation setup to decrease simulation time.

Project  3:Offsetting  electric  energy  demand  using  renewable  energy

sources

Statement

As part of the previous project, there is a discussion about offsetting electricity requirements using renewable energy sources. You are tasked to explore the opportunity of installing a solar photovoltaic (PV) plant to support and partially offset the electricity requirements of the air-conditioning facility. Analyse the coupling of the air-conditioning facility with the PV plant with respect to the PV net surface area, the PV tilt angle,and the PV azimuth angle.

Hint: Compare the PV power output with the fan/pump/chiller power inputs.

END OF COURSEWORK BRIEF

MAKE SURE YOU HAVE DOWNLOADED ALL SUPPLEMENTARY FILES

Appendix 1:Marking Scheme

In the  assessment, marks will be  awarded  for the  following  criterion,  in the weighting  shown.  Pass grades  areA(70- 100),B(60-69)and  C(50-59).  Fail  grades  are  D  and  E(below  50%).