تحلیل ترمواکونومیک کاهش تلفات اگزرژی در گلخانه‌های با سیستم کشت هیدروپونیک از طریق فرایند بازچرخانی زهاب و تشکیل هرم کیفیت آب

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی انرژی، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

2 مؤسسۀ تحقیقات فنی و مهندسی کشاورزی، سازمان تحقیقات آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران

3 دانشکده مهندسی شیمی و نفت، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران

چکیده

به‌کارگیری منابع نامتعارف آب همراه با تصفیه و بازچرخانی آن راهکار اصلی در مواجهه با بحران‌ کمیابی منابع آب و رفع‌ نیازهای آینده محسوب می‌شوند. اگرچه بازچرخانی فاضلاب و زهاب از جنبه‌های مختلف در مقالات بررسی شده، اهمیت به‌کارگیری این فرایند و اثر آن بر سیستم کودآبیاری، با استفاده از تحلیل ترمواکونومیک انجام نشده است. در این مطالعۀ موردی، در یک گلخانۀ تولید گل رز، سه حالتِ سیستم کشت هیدروپونیک باز، سیستم کشت هیدروپونیک باز با در نظر گرفتن هزینۀ جبران اگزرژی، و سیستم کشت هیدروپونیک بسته (بازچرخانی مواد غذایی) با توجه به هزینۀ اگزرگواکونومیک تولید محصول مقایسه شدند. نتایج نشان داد که هزینۀ اگزرگواکونومیک برای تولید 212500 گل رز شاخۀ بریده، طی یک دورۀ شش‌ماهۀ فصل سرد، با تأمین گرمایش توسط بویلر، در سه حالت مذکور به‌ترتیب برابر $ 15760، $ 16525، $ 14718 بود. همچنین شاخص ترمواکونومیکی هزینۀ اگزرگواکونومیک واحد در این شرایط، به‌ترتیب برابر $.Gj-1 2/74، $.Gj-1 8/77، $.Gj-1 3/69 محاسبه شدند. بازچرخانی زهاب در سیستم بسته، تلفات اگزرژی کل سیستم را به مقدار Gj.y-1 02/4 کاهش داد که Gj.y-1 24/1 آن مربوط به کاهش آب ورودی و Gj.y-1  91/1 آن مربوط به کاهش کود بود، درحالی‌که Gj.y-1 12/1 افزایش هم به‌واسطۀ مصرف الکتریسیته در بازچرخانی سیستم بسته مشاهده ‌شد. در هرم کیفیت آب ارائه‌شده با استفاده از شاخص ترمواکونومیکی هزینۀ اگزرگواکونومیک واحد، آب تغذیه با $.Gj-1 9/459 در رأس هرم و فاضلاب با صفر، در پایین هرم قرار گرفتند.

کلیدواژه‌ها


[1]  Panagopoulos. A., "Water-energy nexus: desalination technologies and renewable energy sources", Environmental Science and Pollution Research, Vol. 1, No. 14, 2021.
[2]  Dubreuil, A., Assoumou, E., Bouckaert, S., Selosse, S. and Maı, N., "Water modeling in an energy optimization framework–The water-scarce middle east context", Applied energy, Vol. 101, pp. 268-279, 2013.
[3]  Pokhrel, P., Lin, S-L. and Tsai, C-T., "Environmental and economic performance analysis of recycling waste printed circuit boards using life cycle assessment", Journal of Environmental Management,  Vol. 276, pp. 111-276, 2020.
[4]  Valero, A., Magdalena, R., Calvo, G., Ascaso, S., Círez, F. and Ortego, A., "Eco-credit system to incentivise the recycling of waste electric and electronic equipment based on a thermodynamic approach", International Journal of Exergy, Vol. 35, No. 1, pp 132-154,  2021.
[5]  Wang, S., Dai, Y., Ma, Z., Qi, H., Chen, Z., Shen, Y., et al, "Application of energy-saving hybrid distillation-pervaporation process for recycling organics from wastewater based on thermoeconomic and environmental analysis", Journal of Cleaner Production, Vol. 294, pp. 126-297, 2021.
[6]  Castro, MBG., Remmerswaal, JAM., Brezet, JC. and Reuter, MA., "Exergy losses during recycling and the resource efficiency of product systems. Resour Conserv Recycl", Vol. 52, pp. 219-233, 2007.
[7]  Trubyanov, MM., Shablykin, DN., Mokhnachev, NA., Sergeeva, MS., Vorotyntsev, A V., Petukhov, AN., et al. "A hybrid batch distillation/membrane process for high purification part 1: Energy efficiency and separation performance study for light impurities removal", Separation and Purification Technology, Vol. 241,  2020.
[8]  Wang, C., Jin, H., Peng, P. and Chen, J., "Thermodynamics and LCA analysis of biomass supercritical water gasification system using external recycle of liquid residual", Renewable Energy, Vol. 141, pp. 1117-1126, 2019.
[9]  Amini, SH., Remmerswaal, JAM., Castro, MB. and Reuter, MA., "Quantifying the quality loss and resource efficiency of recycling by means of exergy analysis", Journal of Cleaner Production, Vol. 15, No. 10, pp. 907-913, 2007.
[10]         Seawright, KW., Young, ST., "A quality definition continuum", Interfaces (Providence), Vol. 26, No. 3, pp. 107-113, 1996.
[11]         Bartram, J. and Balance, R., "Water quality monitoring - a practical guide to the design and implementation of freshwater", Quality Studies and Monitoring Programmes, pp. 1-348, 1996.
[12]         Ayers, RS., Westcot, DW., "Water Quality for agriculture". FAO UNITED NATIONS, Rome, Italy, 1985.
[13]         Ye, F. and Kameyama, S., "Long-term spatiotemporal changes of 15 water-quality parameters in Japan: An exploratory analysis of countrywide data during 1982–2016", Chemosphere, Vol. 242, pp. 125-245,  2020.
[14]         ER Rene, MS., "Prediction of water quality indices by regression analysis and artificial neural networks", Vol. 2, No. 2, pp. 547-550, 2008.
[15]         Carrasquer, B., Uche, J. and Martínez-Gracia, A., "Exergy costs analysis of groundwater use and water transfers", Energy Conversion and Management, Vol. 110, pp. 419-427, 2016.
[16]         Hosseinnejad, A., Saboohi, Y. and Shayegan, J., "WEMS-1: Watergy integrated modelling for optimal technology assessment in steel Industry- Case study: Esfahan Mobarakeh Steel Company (MSC)", Scientific of Energy Engineering & Management, Vol.10, NO.1, PP, 54-71, 2020 (in persian).
[17]         Stanek, W. and Stanek Editor, W., "Thermodynamics for sustainable management of natural resources (green energy and technology)", Springer; 2017.
[18]         Huang, LQ., Chen, GQ., Zhang, Y., Chen, B. and Luan, SJ., "Exergy as a unified measure of water quality", Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, Vol. 12, No. 5, pp. 663-672, 2007.
[19]         Martínez, A. and Uche, J., "Chemical exergy assessment of organic matter in a water flow", Energy, Vol. 35, No. 1, pp. 77-84, 2010.
[20]         Dincer, I. and Rosen, MA., "Exergy: energy, environment and sustainable development", Newnes, 2012.
[21]         Javaherdeh, K., Naghashzadegan, M. and Saadatmand, Sh., "Optimization and thermoeconomic analysis of  solar lithium bromide-absorption chiller", 19th Annual Conference on Mechanical Engineering, 2011, (in persian).
 [22]        Hanifi, K., Javaherdeh, K. andYari, M., "Exergy and exergoeconomic analysis and optimiza tion of the cogeneration cycle under solar radiation dynamic model using genetic algorithm", Exergy for A Better Environment and Improved Sustainability 1, Springer, pp. 1139–60, 2018.
[23]         Carrasquer, B., Uche, J. aMartínez-Gracia, A., "Exergy costs analysis of grnd oundwater use and water transfers", Energy Conversion and Management, Vol. 110, pp. 419-427, 2016.
[24]         Gai, L., Varbanov, PS., Van Fan, Y., Klemeš, JJ. and Romanenko, SV., "Trade-offs between the recovery, exergy demand and economy in the recycling of multiple resources", Resources, Conservation and Recycling, Vol. 167, 2021.
[25]         Frangopoulos, C., "Exergy, energy system analysis, and optimization, Volume II", Encyclopedia of Life Support Systems, Vol. 2, 2009.
[26]         Tsatsaronis, G. and Pisa, J., "Energy Systems - Application To the Cgam Problem", Energy, Vol. 19, No. 3, pp. 287-321, 1994.
[27]         Di Fraia, S., Macaluso, A., Massarotti, N. and Vanoli, L., "Geothermal energy for wastewater and sludge treatment: An exergoeconomic analysis", Energy Conversion and Management, Vol. 224, pp. 113-180, 2020.
[28]         Chitsaz, A., Hosseinpour, J. and Assadi, M., "Effect of recycling on the thermodynamic and thermoeconomic performances of SOFC based on trigeneration systems: A comparative study", Energy, Vol. 124, pp. 613-624,  2017.
[29]         Conrad, K., "A theory of production with waste and recycling", Discussion papers/Institut für Volkswirtschaftslehre und Statistik; Department of Economics, Universität Mannheim, Vol. 550, 1997.
[30]         Valero, A., Botero, E. and Valero, A., "Global exergy accounting of natural resources", Exergy, Energy System Analysis, and Optimization, 1st ed.; Frangopoulos, CA, Ed, pp. 409-420, 2009.
[31]         Vox, G., Teitel, M., Pardossi, A., Minuto, A., Tinivella, F. and Schettini, E., "Sustainable greenhouse systems", Sustainable agriculture: technology, planning and management. Nova Science Publishers, Inc., New York, NY, USA, pp. 1-79, 2010.
[32]         Mokhtari, M. and Rostami, M., "Energy and exergy analysis of two configurations of organic rankine cycle in heat recovery of intenal combustion engine", Iranian journal of mechanical engineering (ISME), Vol.4, 2021 (in persian).
 [33]        Saboohi, Y., "Energy Supply Model: ESM", Sharif Energy Research Institute (SERI), Technical Report, 2005.