Αριστοποίηση συστήματος συμπαραγωγής ηλεκτρισμού θερμότητας ψύξης

Abstract

The scientific objective of this thesis refers to the analysis of a combined heat cooling power generation system, the identification of its critical parameters and its optimization. This thesis focused on the mathematical formulation of the system, on multi-objective optimization, on the quantification of uncertainties and on the development of experience-based rules, models and screening parameters that facilitate the understanding of these systems.More specifically, the problem of optimal design of trigeneration plants was addressed for the coverage of energy needs of commercial buildings. After the presentation of the system, all critical factors that affect the operation and viability of the system were discussed. A new operation strategy is being introduced and the effect of the variance of energy loads and the pricing of energy was studied on the economic and energetic performance of the plant.After the understanding of the system, the problem of multi-objective optimization was formulated, and solved by using evolutionary algorithms. The optimization was based on economic, energetic and environmental criteria for the identification of the non-dominated solution set. The sizing and discrete operational variables were chosen as the optimization variables. All above methods were applied for the case of a commercial hospital unit. Based on the developed methodology, surrogate models were developed for the generalization of trigeneration system design for consumers with different characteristics. For that reason, an empirical model that describes the quality load characteristics was developed based on the load duration curve and their correlation. By using this model, the optimum solutions were identified and fitted for the development of empirical relationships.Finally, theoretical indices were developed for the comparison of energy savings and viability as a function of energy prices. It was found that the competitive advantage of cogeneration versus trigeneration is not based on the native technological excellence and bigger efficiency of the latter but on the biggest flexibility and wider range of its application.With the use of the above, the recent policy, that subsidizes the electrical energy produced by cogeneration, was evaluated. The results showed that cogeneration technologies can assist in the development of a more open system of distributed generation of energy.

Το επιστημονικό αντικείμενο της διατριβής αφορά στην ανάλυση ενός συστήματος παραγωγής ηλεκτρισμού θερμότητας ψύξης (τριπαραγωγής), τον προσδιορισμό των κρίσιμων παραμέτρων και την αριστοποίηση τους. Η διατριβή επικεντρώθηκε στην μαθηματική προτυποποίηση του συστήματος, την πολυστοχική αριστοποίηση, την ποσοτικοποίηση της αβεβαιότητας και την ανάπτυξη εμπειρικών κανόνων και παραμέτρων ελέγχου, που βοηθούν στην κατανόηση αυτών των συστημάτων.Πιο συγκεκριμένα διευθετήθηκε το πρόβλημα του βέλτιστου σχεδιασμού ενός συστήματος τριπαραγωγής για την κάλυψη των ενεργειακών αναγκών εμπορικών κτηρίων και αφού παρουσιάστηκε το κατάλληλο σύστημα συζητήθηκαν οι παράγοντες που επηρεάζουν την βιωσιμότητα της επένδυσης. Αναπτύχθηκε ένας νέος τύπος στρατηγικής λειτουργίας και αναλύθηκε η επίδραση της διακύμανσης των ενεργειακών φορτίων και της τιμολόγησης των ενεργειακών παροχών στην λειτουργική και οικονομική απόδοση του συστήματος. Μετά την κατανόηση του συστήματος, διατυπώθηκε το πρόβλημα της πολυστοχικής αριστοποίησης το οποίο επιλύθηκε με τη χρήση εξελεκτικών αλγορίθμων. Η αριστοποίηση βασίστηκε σε οικονομικούς, ενεργειακούς και περιβαλλοντικούς δείκτες επίδοσης για την εύρεση του συνόλου μη κυρίαρχων λύσεων. Οι παραπάνω μέθοδοι εφαρμόστηκαν για την περίπτωση μιας εμπορικής νοσοκομειακής μονάδας. Με βάση την περιγραφόμενη μεθοδολογία αναπτύχθηκαν παρένθετα πρότυπα για τον γενίκευση του σχεδιασμού των συστημάτων τριπαραγωγής για διαφορετικούς καταναλωτές. Για αυτό το σκοπό, αναπτύχθηκε εμπειρικό πρότυπο περιγραφής των φορτίων βασισμένο στην καμπύλη διάρκειας φορτίου και τον συγχρονισμό τους. Με την χρήση του προτύπου βρέθηκαν οι άριστες λύσεις και προσαρμόστηκαν για την ανάπτυξη εμπειρικών σχέσεων.Τέλος, αναπτύχθηκαν θεωρητικοί δείκτες για την σύγκριση της ενεργειακής εξοικονόμησης και της βιωσιμότητας ως συνάρτηση των τιμών ενέργειας, για συστήματα ΣΗΘ και ΣΗΘΨ και εξάχθηκαν εμπειρικοί κανόνες για την βιώσιμη λειτουργία τους και την αποτελεσματικότητα των πολιτικών στήριξης τους. Βρέθηκε ότι το συγκριτικό πλεονέκτημα της ΣΗΘ έναντι της ΣΗΘΨ δεν οφείλεται στην εγγενής τεχνολογική υπεροχή και μεγαλύτερη απόδοση της δεύτερης έναντι της πρώτης αλλά στη μεγαλύτερη ευελιξία και ευρύτερο πεδίο εφαρμογής της.Με τη βοήθεια των παραπάνω αξιολογήθηκε η πρόσφατη νομοθετική ρύθμιση που επιδοτεί την πώληση συμπαραγόμενου ηλεκτρισμού στο δίκτυο. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τεχνολογίες αυτές συμβάλλουν στη δημιουργία ενός ανοιχτότερου συστήματος αποκεντρωμένης παραγωγής ενέργειας.