Ημερολόγιο Εκδηλώσεων

ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ
Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών
Πρόγραμμα Προπτυχιακών Σπουδών

ΠΑΡΟΥΣΙΑΣΗ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ

Δημητρίου Μανέλα

με θέμα

Μοντελοποίηση Συστήματος Τριπαραγωγής σε Κτίρια
Modeling of Trigeneration System in Buildings
 

Εξεταστική Επιτροπή

Αναπληρωτής Καθηγητής Φώτιος Κανέλλος (επιβλέπων)
Καθηγητής Γεώργιος Σταυρακάκης
Αναπληρωτής Καθηγητής Κωνσταντίνος Γυφτάκης

 Περίληψη

Είναι γεγονός ότι οι ενεργειακές απαιτήσεις για ψύξη, θέρμανση και ηλεκτρισμό έχουν αυξηθεί τα τελευταία χρόνια. Συγκεκριμένα, η ραγδαία ανάπτυξη στον βιομηχανικό, εμπορικό και οικιακό τομέα συμβάλλει στην αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας. Αυτή η ολοένα και περισσότερο αυξανόμενη ζήτηση της ενέργειας, έχει οδηγήσει στην μείωση των ενεργειακών αποθεμάτων. Εμμένοντας σε αυτόν τον ρυθμό, αποτέλεσμα θα είναι η εξάντληση των πηγών καυσίμων. Επιπλέον, αυτή η εκτεταμένη χρήση έχει αντίκτυπο στις εκπομπές αερίων ρύπων που εντείνουν το φαινόμενο το θερμοκηπίου. Συνεπώς, είναι επιτακτική ανάγκη η υιοθέτηση πιο αποδοτικών και φιλικών προς το περιβάλλον μεθόδων χρήσης των πηγών ενέργειας. Σε μια προσπάθεια να ξεπεραστεί το επερχόμενο πρόβλημα, η τριπαραγωγή πιθανόν να αποτελεί λύση. 
     
Σε αυτό το πλαίσιο, ένα ολοκληρωμένο σύστημα τριπαραγωγής για χρήση σε οικεία προτείνεται και εξετάζεται υπό διαφορετικά σενάρια λειτουργίας. Για αυτό τον σκοπό, παρουσιάζεται μια περιεκτική διερεύνηση της έννοιας της τριπαραγωγής. Ο όρος τριπαραγωγή (ή αλλίως συνδυασμένη ψύξη, θέρμανση και ηλεκτρισμός) αναφέρεται σε συστήματα τα οποία μπορούν ταυτόχρονα να παράγουν και να παρέχουν ψύξη, θέρμανση και ηλεκτρισμό μόνο από μια πηγή ενέργειας. Στα συμβατικά συστήματα, όπως αυτά που χρησιμοποιούνται προς το παρόν, το μεγαλύτερο μέρος της ενέργειας που παρέχεται από το καύσιμο (περίπου το 60 με 70 τοις εκατό) μετατρέπεται σε θερμότητα και διαχέεται στο περιβάλλον. Ένα μέρος της θερμότητας που απελευθερώνεται ως υποπροϊόν της ηλεκτροπαραγωγής ανακτάται και χρησιμοποιείται για εφαρμογές θέρμανσης και ψύξης μέσω του συστήματος τριπαραγωγής. Λαμβάνοντας υπόψιν τα θερμικά φορτία του κτιρίου και άλλες λειτουργικές παραμέτρους, επιτυγχάνεται η κατάλληλη επιλογή της κινητήριας μηχανής, του συστήματος ψύξης και άλλων εξαρτημάτων που συνθέτουν το σύστημα τριπαραγωγής. Ως εκ τούτου, ο κινητήρας Stirling και ο ψύκτης απορρόφησης επιλέγονται για το προτεινόμενο σύστημα. Πραγματοποιείται εκτεταμένη ανάλυση για τα επιλεγμένα εξαρτήματα. Πραγματοποιείται επίσης μοντελοποίηση των θερμικών φορτίων του κτιρίου. Με αυτόν τον τρόπο, εξήχθησαν ρεαλιστικά δεδομένα που αντιπροσωπεύουν τυπικά φορτία οικείας και χρησιμοποιήθηκαν για την επαλήθευση της ορθής λειτουργίας του συστήματος. Έγινε χρήση του αλγόριθμου PSO με σκοπό την ελαχιστοποίηση του κόστους λειτουργίας του συνδεδεμένου στο δίκτυο συστήματος τριπαραγωγής. Ο συγκεκριμένος αλγόριθμος καθορίζει τo βελτιστο προφίλ λειτουργίας, λαμβάνοντας υπόψη διάφορους περιορισμούς, όπως είναι η τιμή της ηλεκτρικής ενέργειας του δικτύου και οι απαιτήσεις των φορτίων του κτιρίου. Όλα τα μοντέλα που αναπτύχθηκαν και συνθέτουν το σύστημα τριπαραγωγής επαληθεύονται με ρεαλιστικές προσομοιώσεις. Έτσι, εξάγονται και σχολιάζονται αποτελέσματα για διαφορετικά σενάρια λειτουργίας διάρκειας 24 ωρών.

Abstract 

It is a fact that the energy demand for cooling, heating and electricity has been steadily increasing over the years. In particular, rapid development in the industrial, commercial and residential sectors have contributed to the growth in energy consumption. This constantly-increasing energy demand has led to a significant reduction in fuel reserves. Continuing at this rate would result in a depletion of fuel sources. Additionally, this irrational extensive use has also an impact on greenhouse gas and pollutant emissions. Consequently, it is an imperative need to adopt more efficient and environmentally friendly ways of using energy sources. In an attempt to overcome this upcoming problem, trigeneration may be a solution. 

In this framework, an integrated trigeneration system for residential use is proposed and examined under different operating scenarios. To this end, a comprehensive investigation of the trigeneration concept is presented. Trigeneration or CCHP (Combined Cooling, Heating, Power) is the term referring to systems that can simultaneously produce and provide cooling, heating and electricity from a single source. In conventional systems, such as those currently in use, most of the energy provided by the fuel (approximately 60 to 70 percent) is converted to heat and dissipated into the environment. A portion of the heat released as a by-product of power generation is recovered and used for heating and cooling applications through the trigeneration system. Considering building’s thermal loads and other operational parameters, a proper selection of the prime mover, refrigeration system and other components assembling the CCHP system is achieved. Hence, Stirling engine and absorption chiller have been selected for the proposed system. An extensive analysis of these components is performed. Building thermal loads modelling is also carried out. In this way, realistic data representing typical building loads were extracted and used to verify the proper operation of the system. PSO algorithm was used with the purpose of minimizing the operating cost of the grid-connected CCHP system. This algorithm determines system’s operational behavior and finds the optimum operation profile, considering several constraints such as the grid electricity price and the demand of the building loads. All the developed models comprising the CCHP system are verified through the simulation of realistic case studies. Hence, results are extracted and discussed for different operating scenarios over a 24-hour period.