Προσομοίωση λειτουργίας και παραμετρική μελέτη μονάδων μικρο-συμπαραγωγής στις Ελληνικές κλιματικές ζώνες

Abstract

Η διπλωματική εργασία που ακολουθεί έχει στόχο την αξιολόγηση της εφαρμογής συστημάτων μικροσυμπαραγωγής στον οικιακό τομέα. Μικροσυμπαραγωγή είναι η μικρής κλίμακας εκμετάλλευση καυσίμου για την ταυτόχρονη παραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού, τεχνολογία που παρέχει υψηλότερο βαθμό απόδοσης σε σύγκριση με την μεμονωμένη παραγωγή των απαιτούμενων θερμικών και ηλεκτρικών φορτίων. Ενδεχόμενη διείσδυση της τεχνολογίας εξασφαλίζει επιπλέον ενεργειακή εξοικονόμηση λόγω του αποκεντρωμένου χαρακτήρα της καθώς μειώνονται οι απώλειες μεταφοράς. Για να γίνει η εκτίμηση της ενεργειακής και οικονομικής βιωσιμότητας μιας τέτοιας επένδυσης πραγματοποιείται προσομοίωση της λειτουργίας τέτοιων μονάδων. Για την άντληση συνολικής εικόνας προσομοιώνονται συστήματα για διάφορες κατοικίες και για διαφορετικές παραμέτρους στην υλοποίηση της κατασκευής του συνόλου του συστήματος θέρμανσης. Συγκεκριμένα εξετάζονται εγκαταστάσεις σε διαφορετικής παλαιότητας κατασκευής κατοικίες και διαφορετικών κλιματικών ζωνών της Ελλάδας. Τα συστήματα που προσομοιώνονται, είναι δυο διαφορετικής εγκατεστημένης ισχύος μονάδες μικροσυμπαραγωγής, έχουν διαφόρων χωρητικοτήτων θερμοδοχεία για αποθήκευση θερμότητας, ακολουθούν διαφορετικές πρακτικές λειτουργίας, δηλαδή ετήσιας και διακοπτόμενης τους καλοκαιρινούς μήνες και διανέμουν με δυο εναλλακτικούς τρόπους την θερμότητα εντός της κατοικίας. Ακολουθεί παραμετρική ανάλυση όλων των αποτελεσμάτων και στοιχειοθετείται ένα βέλτιστο σενάριο εγκατάστασης, στο οποίο ορίζονται βασικές απαιτήσεις και πρακτικές για τη βιωσιμότερη επένδυση. Στο πρώτο κεφάλαιο γίνεται μια εισαγωγή και εξηγούνται οι έννοιες της συμπαραγωγής, της μικροσυμπαραγωγής και της τριπαραγωγής, ενώ αναφέρονται και τα πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα της τεχνολογίας. Το δεύτερο κεφάλαιο κάνει μια ανασκόπηση του νομικού περιβάλλοντος για τη συμπαραγωγή που ίσχυε στο παρελθόν και απεικονίζει αναλυτικότερα το νομοθετικό πλαίσιο που ισχύει κατά την διάρκεια εκπόνησης της εργασίας. Οι διαθέσιμες τεχνολογίες μικροσυμπαραγωγής αναλύονται στο τρίτο κεφάλαιο και συγκεκριμένα τα συστήματα που ενδείκνυνται για εφαρμογή σε κατοικίες 100 m2. Στο τέταρτο κεφάλαιο γίνεται λόγος για την εξεταζόμενη κατοικία, τις κλιματικές ζώνες της Ελλάδας και τις κατηγορίες παλαιότητας κατασκευής κατοικιών. Στη συνέχεια αναλύεται η μεθοδολογία που ακολουθείται στην υλοποίηση της προσομοίωσης λειτουργίας. Αρχικά καταγράφεται ο προσδιορισμός των θερμικών και ηλεκτρικών φορτίων της κατοικίας και το υπάρχον σύστημα θέρμανσης και ακολουθεί ο τρόπος που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση των επεμβάσεων στο σύστημα θέρμανσης ενώ στο τέλος παρουσιάζεται τα κριτήρια και η υλοποίηση της οικονομοτεχνικής ανάλυσης. Στο πέμπτο κεφάλαιο στοιχειοθετείται ένα βασικό σενάριο εγκατάστασης και δίνονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης του. Ακολουθούν τα αποτελέσματα της παραμετρικής ανάλυσης και στη συνέχεια με βάση αυτά παρουσιάζεται το βέλτιστο σενάριο εγκατάστασης. Στο τελευταίο κεφάλαιο καταθέτονται τα συμπεράσματα που αντλούνται από την πραγματοποιηθείσα προσομοίωση λειτουργίας και παραμετρική ανάλυση.

The present thesis aims to evaluate the potential implementation of microcogeneration (m-CHP) systems in the Greek residential sector. The concept of m-CHP refers to the simultaneous micro-scale production of heat and power, providing higher efficiency compared to the separate coverage of the required thermal and electrical loads. The potential implementation of the m-CHP technology ensures additional energy savings due to its decentralized nature and reduced transmission losses. In order to assess the energy and economic viability of the required investment, an operational simulation has been performed. Various house types and different parameters have been considered in the analysis of the entire heating system simulation. Specifically, installations in dwellings of varying construction ages and climatic zones in Greece have been compared. The simulated systems are two microcogeneration units with Internal Combustion Engine (ICE), but with different electric capacities, along with differing storage tank capacities. Different operating practices have been tested, i.e. annual operation and intermittent during the summer months and two alternative heat distribution means. A parametric analysis of the results follows, which identifies energy and cost saving requirements and practices. The first chapter introduces the concepts of co-generation, micro-cogeneration and trigeneration, also outlining the advantages and disadvantages of the technology. The second chapter provides an overview of the relevant Greek legislative frame. The micro cogeneration technologies available in the market are presented in the third chapter, focusing on the systems suitable for application in 100 m2 dwellings. The fourth chapter presents the basic characteristics of the examined house, the Greek climatic zones and the construction age categories. The thermal and electrical loads of the dwelling are calculated on the basis of previous relevant studies, while a benchmark conventional system is defined for each assessment case study. Following, the operational simulation methodology is described and the criteria and implementation of the techno economic analysis are outlined. In the next section a basic installation scenario is been setup and the simulation results are given. The results of the parametric analysis are presented and used as the basis for the definition of the best case scenario. In the last chapter, the conclusions from the operational simulation and parametric analysis are summarized.