Refinement and further development of the cooking stove thermal performance simulator (Cook-STePS)

More than 2.5 billion people in the world rely on traditional biomass for cooking or heating purposes, with serious and dangerous consequences on the health, environmental, economic and social dimensions. Improved Cooking Stoves are the main solution proposed to address these issues and foster the access to cleaner forms of energy, in particular in those rural contexts in which the access to energy sources like electricity or LPG is not forecasted in the near future. Many development programs in recent years have failed in their intentions to promote ICS because of poor attention to cultural habits and bad field’s performances of stove whose laboratory’s outputs had been conversely encouraging. To reduce this gap a software called Cook-STePS (Cooking Stove Thermal Performance Simulator) has been developed by the Energy Department in Politecnico di Milano. It is implemented in Excel/VBA with a Guided User Interface (GUI) and it includes a simple theoretical model of heat and mass transfer that allows to simulate the performance of a stove according to different boundary conditions. This thesis work focuses on a further development of Cook-STePS to include the simulation of three standardized protocols, the simulation of a complex sequence of cooking tasks, and the integration of the Power Calculator tool. Other developments regards the fuel employed in the stove: it is possible to account for fuel-switching and for the influence of the fuel properties on the final performance of the studied device. To validate the improvements implemented in Cook-STePS, the results of three experimental campaigns performed in recent years are analysed and compared with the outcomes obtained with the software. In the end, a deep sensitivity analysis is performed about the influence of some parameters on the performance of the stove, highlighting those which mainly affect the performance on the field and the test-repeatability in a laboratory environment. The ability and reliability of Cook-STePS in simulating heating processes according to different boundary conditions could result in a reduction of the gap between the results of laboratory and field, and between the output of similar testing protocols performed in different ambient conditions.

Oltre 2.5 miliardi di persone nel mondo si affidano a biomassa tradizionale, carbone o cherosene per cucinare o riscaldare le proprie abitazioni, con conseguenze pericolose in ambito sanitario, ambientale, economico e sociale. Sebbene non siano considerate “pulite” da un punto di vista energetico, le Improved Cooking Stoves rappresentano la soluzione principale per limitare nel breve-medio periodo le conseguenze legate al consumo di combustibili tradizionali, soprattutto in quei contesti dove non sono programmati ampliamenti delle reti elettriche o della distribuzione di gas. Molti programmi di sviluppo negli anni recenti hanno fallito nel loro intento di diffusione delle ICS a causa della poca attenzione rivolta alle tradizioni delle popolazioni interessate e, principalmente, a causa delle scarse prestazioni sul campo di stufe i cui risultati di laboratorio erano sembrati invece incoraggianti. Per ridurre il gap tra le prestazioni di laboratorio e quelle sul campo di una determinata stufa, un software chiamato Cook-STePS è stato sviluppato dal Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano. Si tratta di un software implementato in Excel che include un semplice modello di scambio termico e massico: quest’ultimo consente di simulare la performance di una stufa in base a diverse condizioni ambiente. Questo lavoro di tesi si è concentrato principalmente sullo sviluppo di ulteriori funzionalità di Cook-STePS come la possibilità di simulare tre protocolli di laboratorio standardizzati, la possibilità di simulare una sequenza complessa di cicli di cottura sul campo, e l’integrazione del Power Calculator nell’interfaccia del software. Un altro importante cambiamento ha riguardato il combustibile impiegato nella stufa: adesso Cook-STePS consente di tenere da conto sia le conseguenze dovute al fuel-switching sia le influenze che hanno le condizioni al contorno sull’umidità e sul potere calorifico della biomassa legnosa utilizzata in camera di combustione. Per validare gli sviluppi implementati, i risultati di tre campagne sperimentali eseguite negli anni scorsi sono stati analizzati e confrontati con quelli prodotti da Cook-STePS. Infine, una dettagliata analisi di sensitività è stata eseguita per verificare l’influenza di alcuni parametri sulla prestazione della stufa, evidenziando quelli che incidono sulla performance sul campo e sulla ripetibilità di un test nel laboratorio. L’affidabilità di Cook-STePS a simulare diverse procedure di riscaldamento al variare delle condizioni ambiente può aiutare ad indagare e ridurre il divario nelle prestazioni tra campo e laboratorio, e le differenze tra i risultati di medesimi protocolli eseguiti in ambienti diversi.