Development of a building and district simulation tool, with decentralized heat and power production and thermal energy storage

Τα τελευταία χρόνια, οι τεχνολογικές εξελίξεις στον τομέα της μικρο-συμπαραγωγής (μ-ΣΗΘ) θερμότητας και ηλεκτρισμού αρχίζουν και παρουσιάζουν νέες δυνατότητες με αύξηση του βαθμού απόδοσης των συστημάτων αλλά και δυνατότητα μείωσης των ρύπων. Νέες μονάδες, όπως οι κυψέλες καυσίμου, παρουσιάζουν πολύ υψηλούς βαθμούς απόδοσης και έχουν πλέον την δυνατότητα να μεταβάλλουν ικανοποιητικά τα επίπεδα λειτουργίας τους. Στην αγορά διατίθενται πλέον συστήματα χαμηλής θερμικής και ηλεκτρικής ισχύος, βασισμένα σε διάφορες τεχνολογίες. Παρουσιάζεται πλέον η δυνατότητα της μικροσυμπαραγωγής, η οποία μπορεί να βρει εφαρμογή και σε μικρά κτήρια, πχ. κατοικίας. Έχει παρατηρηθεί ότι η επίτευξη ικανοποιητικής απόδοσης συστημάτων μικροσυμπαραγωγής, σε επίπεδο μικρών καταναλωτών, είναι δύσκολη εξαιτίας:-των λιγοστών ωρών λειτουργίας,-λόγω της, κυρίως χειμερινής, απαίτησης για θερμότητα,-του προφίλ χρήσης των μικρών κτηρίων που είναι συνήθως διακοπτόμενο. Αυτό έχει σαν συνέπεια την απαίτηση μεγάλων θερμορυθμιστικών δεξαμενών αποθήκευσης, καθώς και τον περιορισμό της συμπαραγωγής σε κτήρια που έχουν υψηλές απαιτήσεις για διεργασίες (κυρίως κτήρια τριτογενούς τομέα).Για να ξεπεραστεί αυτό το πρόβλημα και να γίνει καλύτερα εκμεταλλεύσιμο το δυναμικό μίας μονάδας μικρο-συμπαραγωγής, η διατριβή εξετάζει την ακόλουθη πρόταση: τη δημιουργία ενός δικτύου θερμότητας (όπως τα δίκτυα τηλεθέρμανσης) σε μία ομάδα κτηρίων διαφορετικών χρήσεων τα οποία ανήκουν στην ίδια γειτονιά/συνοικία. Στο δημιουργούμενο δίκτυο είναι συνδεδεμένες μονάδες μ-ΣΗΘ, οι οποίες είναι εγκατεστημένες διάσπαρτα στα κτήρια και τροφοδοτούν με θερμότητα όλα τα κτήρια της κοινότητας. Η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να καλύπτει τις ανάγκες τις συνοικίας ή να πωλείται στο δίκτυο με βάση κάποια τιμή πώλησης. Η γενική ιδέα της συναλλαγής θερμότητας ανάμεσα στα κτήρια δημιουργεί ένα ομαλοποιημένο προφίλ θερμικής και ηλεκτρικής απαίτησης της συνοικίας, αφού οι πολλαπλοί χρήστες και ο ετεροχρονισμός των απαιτήσεων εξομαλύνουν τις αιχμές ζήτησης. Αυτό δίνει τη δυνατότητα στις μονάδες μ-ΣΗΘ να λειτουργούν περισσότερες ώρες και πιο αποδοτικά, με πολύ μικρότερες απαιτήσεις για θερμική και ηλεκτρική αποθήκευση σε σχέση με την λειτουργία τους σε μεμονωμένο κτήριο. Προκειμένου να εξεταστεί ένα τέτοιο φιλόδοξο σχέδιο διαχείρισης ενέργειας σε επίπεδο συνοικίας, η επιτυχία του οποίου εξαρτάται από τη σύνθεση των κτηρίων, την σύνθεση και τον αριθμό των μονάδων μ-ΣΗΘ, καθώς και από τις στρατηγικές λειτουργίας των, αναπτύχθηκε στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής το λογισμικό DEPOSIT. Το λογισμικό έχει τη δυνατότητα να εξετάζει πολλές διαφορετικές διαμορφώσεις συνοικίας, με διαφορετικούς τύπους κτηρίων και μονάδες μ-ΣΗΘ καθώς και με διαφορετικούς στόχους και στρατηγικές λειτουργίας. Το υπολογιστικό εργαλείο, με βάση τη διαμόρφωση της συνοικίας και χρησιμοποιώντας δεδομένα κατανάλωσης για κάθε τύπο κτηρίου καθώς και άλλα στοιχεία, δημιουργεί το δίκτυο σωληνώσεων και υπολογίζει σε κάθε βήμα τη συνολική θερμική και ηλεκτρική απαίτηση. Θέτοντας ένα στόχο βελτιστοποίησης κατανάλωσης, το DEPOSIT υπολογίζει το βέλτιστο τρόπο με τον οποίον μπορούν να καλυφτούν οι θερμικές και ηλεκτρικές απατήσεις της συνοικίας. Επιλέγεται με ωριαίο βήμα το ιδανικό εύρος λειτουργίας των διαφόρων μονάδων συμπαραγωγής, των εφεδρικών μονάδων και υπολογίζεται η διαχείριση της αποθήκευσης θερμότητας σε δεξαμενές. Οι δύο κύριοι στόχοι που εξετάζονται είναι η ελαχιστοποίηση του κόστους και η ελαχιστοποίηση της κατανάλωσης πρωτογενούς ενέργειας. Για την εισαγωγή μεγαλύτερης ακρίβειας στην προσομοίωση μπορεί να χρησιμοποιηθεί η ωριαία Οριακή Τιμή Συστήματος ή feed in tariffs για πώληση ηλεκτρικής ενέργειας στο δίκτυο. Επίσης υπολογίζεται και χρησιμοποιείται η ωριαία εξέλιξη του συντελεστή πρωτογενούς ενέργειας για την ηλεκτροπαραγωγή. Έτσι η εξοικονόμηση δεν υπολογίζεται με βάση υψηλές τιμές επιδότησης, και το περιβαλλοντολογικό όφελος προσεγγίζεται πιο ρεαλιστικά και όχι με ετήσιους μέσους συντελεστές. Το DEPOSIT υπολογίζει την ωριαία λειτουργία όλων των συστημάτων για το χρόνο μελέτης, καθώς και τα κόστη και τις καταναλώσεις πρωτογενούς ενέργειας. Γίνεται επίσης σύγκριση με συμβατικά συστήματα θέρμανσης.Για να γίνει πιο σαφής η λειτουργία του λογισμικού μελετήθηκαν και προσομοιώθηκαν δύο υποθετικές συνοικίες σε δύο διαφορετικές πόλεις, με διαφορετική σύνθεση, με χρήση τριών τεχνολογιών συμπαραγωγής: η μία συνοικία με κτήρια κατοικίας στην Αθήνα και η άλλη με κτήρια τριτογενούς τομέα στο Μόναχο. Οι δύο μελέτες περίπτωσης ανέδειξαν τις δυνατότητες του DEPOSIT, την αναγκαιότητα τέτοιων λογισμικών για τη μελέτη πολύπλοκων προβλημάτων εξοικονόμησης ενέργειας καθώς και τα οφέλη ενέργειας και κόστους που προκύπτουν από την εφαρμογή του.