Ενεργειακή βελτιστοποίηση με μαθηματικό προγραμματισμό σε κτιριακό συγκρότημα: ο ρόλος των συστημάτων αποθήκευσης θερμότητας

Abstract

Η χρήση της αποθήκευσης θερμότητας είναι μια σχετικά νέα τεχνολογία η οποία αρχίζει να εφαρμόζεται ευρύτερα σε διαφόρων ειδών κτιριακές εγκαταστάσεις. Αρχικά, στην εργασία αυτή γίνεται μια βιβλιογραφική ανασκόπηση στις διάφορες τεχνολογίες που μπορεί να χρησιμοποιηθούν για την αποθήκευση της θερμότητας. Ειδικότερα όμως, η εργασία αυτή έχει ως στόχο να μελετήσει ένα σύστημα αποθήκευσης θερμότητας σε κτιριακή εγκατάσταση η οποία χρησιμοποιεί σύστημα συμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρικού ρεύματος για την ικανοποίηση των ενεργειακών αναγκών της. Η μελέτη αυτή γίνεται αφού μοντελοποιηθεί το σύστημα αποθήκευσης θερμότητας και με τις κατάλληλες παραδοχές και περιορισμούς απλοποιηθεί σε μαθηματικές εξισώσεις. Στην συνέχεια γίνεται χρήση του γραμμικού προγραμματισμού ο οποίος αποτελεί ένα ιδιαίτερο και χρήσιμο εργαλείο για τον υπολογισμό του βέλτιστου τρόπου λειτουργίας του συστήματος, δηλαδή στην εύρεση των κατάλληλων τιμών που πρέπει να λάβουν οι μεταβλητές απόφασης του μοντέλου. Συγκεκριμένα, το αποτέλεσμα έδειξε χρησιμοποιώντας τον βέλτιστο τρόπο λειτουργίας, η χρήση της αποθήκευσης θερμότητας είναι ιδιαίτερα αποδοτική και από ενεργειακή αλλά και από οικονομική άποψη. Η περεταίρω μελέτη της συμπεριφοράς του συστήματος γίνεται με την ανάλυση ρίσκου με την βοήθεια της μεθόδου Monte Carlo ώστε να βρεθεί ο βαθμός ευαισθησίας του συστήματος. Πιο συγκεκριμένα, επιλέγονται ορισμένες μεταβλητές οι οποίες θεωρούνται αβέβαιες ως προς την τιμή τους και εξετάζεται το κατά πόσο μία αυξομείωση σε αυτές, επηρεάζει κάποιες άλλες όπως για παράδειγμα το συνολικό κόστος. Η ανάλυση έδειξε επιθυμητά και αναμενόμενα αποτελέσματα για την ευαισθησία του συστήματος αυτού. Αφού έγιναν οι διάφοροι υπολογισμοί, παρουσιάζονται αναλυτικά σε διαγράμματα όλα τα αποτελέσματα αυτής της ανάλυσης και εξάγονται τα πιο σημαντικά γενικά συμπεράσματα σχετικά με τα διάφορα χαρακτηριστικά του συστήματος αλλά και τον τρόπο λειτουργίας του. Η αποθήκευση θερμότητας σε κτιριακές εγκαταστάσεις, φαίνεται πως αποτελεί μια ιδιαίτερη ελκυστική επιλογή.

The use of thermal energy storage is a relatively new technology which is beginning to become more widely applied into various types of buildings. Initially, this work introduces a literature review with various types of technologies that may be used for thermal energy storage. In specific, this work aims to study the technology of thermal energy storage in buildings combined with the use of a cogeneration system that produces heat and electrical power to meet the building's energy needs. In this study, firstly, the thermal energy storage system is modeled. Furthermore, appropriate assumptions and limitations are taken into consideration in order to have some simplified mathematical equations. Then, we make use of linear programming, which is a unique and useful tool for calculating the optimum operational mode of the system. That means to find the appropriate values that the decision variables of the model should take. Specifically, the result showed that by using the thermal energy storage system into the optimal operation mode, the whole system becomes highly efficient in economical and energy terms. A further study of the behavior of the system requires risk analysis to be made with the help of Monte Carlo simulation in order to find the sensitivity of the system. Specifically, some variables are selected and considered to have uncertain values. These variables are examined in order to find whether a fluctuation on their values affect other variables such as the overall cost. The analysis showed some desirable and expected results for the sensitivity of this system. After having made various calculations, all the results of this analysis are presented in charts by detail. Then, some general conclusions are made about the most important facts and features of the system related with the way it works. The thermal energy storage in buildings, seems to be a particularly attractive option.