مجله تاسیسات

بهینه سازی CCHP یا سیستم تولید همزمان از نظر فنی و اقتصادی با تکیه بر نقش ارزش زمانی پول در دوره بازگشت سرمایه

فاطمه توکلی دستجرد، محمد مصطفی غفوریان، سیداحسان شکيب

1- دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه سیستان و بلوچستان، زاهدان

 2- کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران

3 – استادیار، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه بزرگمهر قاینات، قاین * قاین 

چکیده

در مقاله حاضر به بهینه سازی CCHP و ارزیابی فنی اقتصادی سیستم تولید همزمان برق، حرارت و برودت برای یک هتل در شهر کرمان پرداخته شده است. پارامترهای طراحی، ظرفیت نامی موتور گازسوز به عنوان محرک اولیه)، بار جزیی و تعداد آن ها، ظرفیت گرمایشی بویلر، ظرفیت سرمایشی چیلر جذبی و نیز ظرفیت سرمایشی چیلر تراکمی بوده که با استفاده از تحلیل اقتصادی، انرژی و زیست محیطی و روش سود سالیانه نسبی (AP بهینه گردیده اند، در گام بعدی، پارامتر دوره بازگشت سرمایه [PB] برای نتایج بهینه این روش، با در نظر گرفتن ارزش زمانی پول و عدم در نظر گرفتن آن ارزیابی شده است.

نتایج نشان می دهد که افزایش تعداد محرک اولیه میزان سود سالیانه نسبی را کاهش داده و این روند با پارامتر دوره بازگشت سرمایه کلاسیک نسبت عکس دارد، به طوری که با انتخاب یک ظرفیت 2550 کیلو واتی برای موتور گاز سوز، بیشترین سود سالیانه نسبی(AP) با مقدار (سال دلار) 10*45 / 5 و کمترین مدت زمان بازگشت سرمایه اولیه (PB) با مدت زمان 6 سال بدست می آید. آنالیز افزایش قیمت حامل های انرژی در دو روش کلاسیک و سنتی دوره بازگشت سرمایه، برای حالت انتخاب یک ظرفیت محرک اولیه نشان میدهد که نتایج این دو روش یکسان نبوده و با افزایش قیمت حامل های انرژی، مدت زمان بازگشت سرمایه برای روش کلاسیک، افزایش و برای روش سنتی، کاهش می یابد.

1- مقدمه

سیستم های تولید همزمان  یا CCHP به سیستم هایی گفته میشود که توانایی تولید متوالی دو یا سه صورت مفید انرژی، یعنی حرارت، سرما و توان را از یک منبع سوخت دارند. معمولا در این سیستم های انرژی شیمیایی سوخت، به انرژی مکانیکی و گرمایی تبدیل می شود، انرژی مکانیکی برای تولید برق و انرژی گرمایی برای تولید بخار، آب گرم و یا هوای گرم مورد استفاده قرار می گیرد که در صورت اضافه بودن هر یک از این دو صورت انرژی می توانند با استفاده از تجهیزات سرمایشی برای تولید سرمایش مورد استفاده قرار گیرند.

تاکتون محققان کارهای زیادی در زمینه بهینه سازی CCHP یا سیستم های تولید همزمان انجام داده اند(۱-۳). قاسم زاده و همکاران به طراحی سیستم تولید همزمان برق، حرارت و برودت برای یک مجتمع مسکونی در اقلیم آب و هوایی تهران پرداختند، معیار اروپایی آنها در انتخاب ظرفیت بهینه روش ماکزیمم مستطیل، صرفه جویی مصرف انرژی و کاهش انتشار آلاینده ها بود که پس از تعیین ظرفیت، به محاسبه دوره بازگشت سرمایه، با استفاده از رابطه نسبت درآمدهای حاصل از صرفه جویی مصرف برق و سوخت، به هزینه اولیه تجهیزات، بدون در نظر گرفتن نقش ارزش زمانی پول پرداخته شد. گو و همکاران به ارزیابی سیستم تولید همزمان برق حرارت و برودت برای کاربرد مسکونی با استفاده از مدیریت های مختلف و طرح پرداختند.

آنها از روش ماکزیمم مستطيل در دو حالت عملکرد گرمایی و الکتریکی، برای تعیین ظرفیت سیستم خود استفاده نمودند . وانگ و همکاران به تحلیل جریان انرژی، سیستم معمولی و سیستم تولید همزمان پرداختند. چهار متغیر تصميم شامل ظرفیت واحد تولید برق، ظرفیت مخزن ذخیره سازی گرما ضریب خاموشی و نسبت خنک کننده الکتریکی به بار سرمایی انتخاب و بهینه شدند.

 صنایع و همکاران با تعریف تابع هدف سود سالیانه واقعی، در دو حالت بار نامی و جزیی، به تعیین ظرفیت سیستم تولید همزمان برق و حرارت با محرک اولیه میکروتوربین پرداختند و در نهایت پارامتر دوره بازگشت سرمایه را برای هر حالت ارزیابی کردند . کشاورز و همکاران یک تابع چند معیاره برای طراحی اندازه و استراژی بهینه محرک اصلی یک خنک کننده ترکیبی در تولید سه گانه ارائه دادند . آنها نسبت صرفه جویی در انرژی سوخت و راندمان اکسرژی را به عنوان پارامترهای ترمودینامیکی و کاهش  CO , NO2, CO2 و دوره بازگشت سرمایه را به ترتیب برای ارزیابی های زیست محیطی و اقتصادی در نظر گرفتند. رابطه ای که آنها برای دوره بازگشت سرمایه استفاده کردند، رابطه نسبت هزینه ها به درآمدها بود.

همان طور که مشاهده شد بیشتر محققان از رابطه نسبت هزینه ها به درآمدها در محاسبه دوره بازگشت سرمایه بهره می برند و نقش ارزش زمانی پول را در فرایند مالی این روش اقتصادی در نظر نمی گیرند. در این مقاله پس از ارزیابی فنی اقتصادی سیستم تولید همزمان برق، حرارت و سرما با تابع هدف سود سالیانه نسبی، به پارامتر دوره بازگشت سرمایه پرداخته میشود.

این پارامتر در دو حالت، با در نظر گرفتن نقش ارزش زمانی پول، با استفاده از روش ارزش فعلی هزینه ها و عدم آن با استفاده از نسبت هزینه ها به در آمدها، محاسبه و مقایسه می شود. در انتها آنالیز افزایش قیمت حامل های انرژی و تعداد ظرفیت محرک اولیه در پارامترهای طراحی و دوره بازگشت سرمایه ارزیابی خواهد شد.

2- توصیف سیستم

 شکل1 و شماتیکی از سیستم سه گانه در تداخل با شبکه را به همراه سیستم سنتی نشان می دهد. سیستم تولید همزمان شامل محرک اولیه، بویلر پشتیبان، چیلر جذبی و چیلر الکتریکی است که به منظور تأمین گرمایش، سرمایش و الکتریسیته یک هتل، واقع در شهر کرمان کنار هم چیده شده است. این هتل شامل ۱۲۰ اتاق با مساحت متوسط 30m2 برای هر اتاق بوده که ارتفاع متوسط سقفها m2/7 ، ضریب مقاومت حرارتی دیوارها 1/53W/m2K و ضریب مقاومت حرارتی کف، برای فضاهای فایل تهویه و غیر قابل تهویه به ترتیب 2/839m2k و 0/568w/m2k فرض شده است. شکل 2 بار های مورد نیاز این هتل را در ماه ها مختلف سال نشان می دهد.

این سیستم کل الکتریسیته مورد نیاز هتل را که شامل الکتریسیته روشنایی و چیلر الکتریکی است، تأمین کرده و در صورت کمبود از شبکه خریداری خواهد کرد. حرارت مورد نیاز که شامل حرارت ساختمان و چیلر جذبی است از حرارت دریافتی از محرک اولیه و بویلر کمکی تأمین شده و سرمایش مورد نیاز نیز توسط چیلر جذبی و یا الکتریکی تأمین خواهد شد.

3- روش تعیین ظرفیت

 نقطه شروع در طراحی منطقی سیستم های CCHP، مستلزم شناخت کافی از این سیستم، محیط و بررسی نارسایی ها و جوانب موجود است تا بتوان با ارزیابی وقایعی که در آینده اتفاق می افتد این نارسایی ها و جوانب را پوشش داد. روش سود سالیانه نسبی با در نظر گرفتن کلیه نارسایی ها با تحلیل های سه گانه انرژی، اقتصادی و زیست محیطی و نیز نقش ارزش زمانی پول ظرفیت بهینه تجهیزات را تعیین می کند. در این روش که برگرفته از تکنیک اقتصادی یکنواخت سالیانه( EuA) بوده، امکان مقایسه اقتصادی پروژه هایی با عمرنا برابر فراهم می شود. رابطه (۱) تابع هدف مربوط به این روش را نشان می دهند.

TACtra و TACCHP به ترتیب کل هزینه های سیستم تولید سنتی و کل هزینه های سیستم تولید همزمان می باشند که با در نظر گرفتن، عواملی مانند شرایط محیطی، کارکرد سیستم در بار جزیی، هزینه اولیه و تعمیر و نگهداری تجهیزات و عواملی از قبیل قیمت خرید برق از شبکه و فروش آن، خرید سوخت، نرخ بهره سالانه و عمر مفید دستگاه ها به دست می آیند. رابطه مربوط به سیستم سنتی برابر است با:

و رابطه ی مربوط به رابطه ی CCHP برابر است با :

مقدار این تابع، با توجه به سه آنالیز انرژی، اقتصادی و زیست محیطی، با در نظر گرفتن تجهیزات سیستم سنتی و سیستم تولید همزمان CCHP برق، حرارت و برودت و نیز با در نظر گرفتن نقش ارزش زمانی پول با پارامترهای نرخ بهره و عمر تجهیزات، به منظور تأمین بارهای سالانه الکتریکی، گرمایی و سرمایی یک هتل فرضی بدست می آید و ماکزیمم مقدار این تابع، تعیین کننده توان نامی و استراتژی عملکردی محرک های اولیه خواهد بود .

3-1 آنالیز انرژی

 آنالیز انرژی سیستم های ترمودینامیکی از جمله مباحث نظری اند که با استفاده از قوانین ترمودینامیک، کار کرد دقیق و بهینه یک سیستم را با تحلیل عوامل عملکردی، بیان می کند. در این مقاله این آنالیز با در نظر گرفتن، کلیه مشخصات تجهیزات، نظير بازده و گرمای دریافتی از محرک اولیه، سوخت مصرفی، بازده بویلر و ضریب عملکرد چیلر ها در شرایط بار جزیی انجام گردیده و از اطلاعات و روابط (۴۵) استفاده شده است [۸-۱۰]۔

حرارت دریافتی از موتور گازسوز شامل سه قسمت اصلی، حرارت دریافتی از سیستم خنک کاری با ژاکت آپ، حرارت حاصله از گاز خروجی و حرارت تولید شده توسط روغن است که این مقادیر تابعی از بار جزئی بوده و برای محاسبه آنها از روابط مندرج در مرجع (۸) استفاده شده است (روابط ۶-۸)

3-2 آنالیز اقتصادی

آنالیز اقتصادی پروژه، تکنیک های مقایسه و تصمیم گیری و انتخاب از میان راه حل ها، بر اساس شرایط مطلوب پولی یا اقتصادی را شامل میشود. به همان میزان که تکنولوژی سیستم های تولید همزمان افزایش می یابد. تصمیم گیری مشکل تر و حساس تر می شود. به طور کل استفاده از این تحلیل دارای اهمیت اساسی است، زیرا میزان سود یا ضرر حاصل از کیفیت روش انتخاب شده، بستگی به استفاده بجا از این تکنیک دارد. به این منظور در پخش آنالیز اقتصادی، کلیه هزینه های اولیه تجهیزات، هزینه تعمیر و نگهداری، هزینه های عملکرد و اسقاطی در نظر گرفته شده است که هزینه – های عملکرد شامل هزینه های مصرف سوخت، خرید و فروش الکتریسیته می باشد. اطلاعات مربوط به این آنالیز در جدول ۱ آورده شده است.

3-3 آنالیز زیست محیطی

آنالیز زیست محیطی، با در نظر گرفتن جریمه برای انتشار آلاینده های NOx co و CO2، در تابع هدف اعمال می شود که اطلاعات مربوط به این آلاینده ها در جدول ۲ ارائه شده است.

4- دوره بازگشت سرمایه

 سرمایه گذاران سیستم های تولید همزمان همیشه مشتاقند از مدت زمان بازگشت سرمایه آگاه باشند و تمایل به سرمایه گذاری در پروژه هایی را دارند که کمترین دوره بازگشت را داشته باشد. بنابراین محاسبه دقیق آن نقش اساسی در اقتصاد این سیستم ها خواهد داشت در این بخش به محاسبه این پارامتر با دو روش سنتی و کلاسیک پرداخته می شود.

4-1محاسبه دوره بازگشت به روش سنتی

 محاسبه دوره بازگشت سرمایه به روش سنتی، یک روشی تقریبی و سریع برای مقایسه اقتصادی پروژه ها است که سرمایه گذاران در جستجوی مدت  زمانی

که سرمایه اولیه بتواند توسط درآمدهای سالیانه جبران شود، از رابطه (۹) استفاده می کنند.

که P و cfy به ترتیب هزینه اولیه و فرایند مالی سیستم در پایان سال yام است. اگر درآمدها در پایان هر سال برابر باشند، دوره بازگشت به صورت رابطه (۱۰) ساده می شود (۲):

4-2 محاسبه دوره بازگشت سرمایه کلاسیک

در روش سنتی دوره بازگشت سرمایه، ارزش زمانی پول و ارزش اسقاطی تجهیزات در نظر گرفته نمی شود و به همین دلیل نتایج حاصل از آنها دقيق نبوده و به عنوان روشی تقریبی معرفی می شود. در ادامه دوره بازگشت سرمایه با در نظر گرفتن موارد نام برده و انتخاب فرایند مالی همسنگ ارزش فعلی به صورت رابطه (۱۱) تعریف می شود.

به گونه ای که، مدت زمان دوره بازگشت سرمایه زمانی خواهد بود که ارزش فعلی هزینه های اولیه و ارزش فعلی خالص درآمدها در پایان آن سال با هم برابر شوند.

ارزش فعلی خالص هزینه ها که شامل هزینه های سرمایه گذاری اولیه، می باشد، مطابق با رابطه (۱۲) تعریف می شود.

ارزش فعلی در آمدها هم شامل، درآمد ناشی از هزینه های اسقاطی تجهیزات و درآمد سالانه سیستم هستند که به ترتیب با SV و 4 نشان داده شده اند و توسط روابط (۱۵-۱۳) ارزیابی می شوند:

به طوری که     قیمت فروش الکتریسیته و    کاهش در هزینه های اولیه، هزینه های عملکرد و تعمیر و نگهداری سیستم CCHP نسبت به سیستم سنتی می باشد. نکته قابل توجه در این روابط در نظر گرفتن نرخ بهره و هزینه های اسقاطی است که با استفاده از روش ارزش فعلی هزینه ها همسنگ سازی شده است.

5- فرایند بهینه سازی

 فرایند بهینه سازی پارامترهای طراحی توسط محدوده تغییرات این پارامترها و روش نقطه یابی مستقیم با نرم افزار متلب انجام شده است که در جدول ۳ محدوده تغییرات و شکل ۳ روند بهینه سازی را نشان می دهد. در واقع تابع سود سالیانه با توجه به پارامتر های طراحی برای ظرفیت ها و بارهای جزیی متفاوت محرک اولیه، بر اساس بار مورد نیاز ساختمان در طول سال بدست آمده و براساس ماکزیمم سود سالیانه نسبی، پارامترهای بهینه بدست می آید.

برای موتور گازسوز، عملکرد در پار جزیی و قدرت خروجی با کاهش دبی سوخت ورودی قابل کنترل بوده و ظرفیت های متفاوت 0/005 تا 5MW در شرایط بار جزیی ۲۰ تا ۱۰۰ درصد بررسی می شوند.

شرایط فرض شده برای موتور گازسوز واقعی بوده به گونه ای که در بار جزیی کمتر از 20 درصد به علت پایین بودن بازده حرارتی و دمای گاز خروجی، موتور خاموش فرض می شود. از طرفی به ازای هر ۳۰۳ متر(۱۰۰۰ فوت) افزایش ارتفاع، حدود 0/03 کاهش برای بازده و به ازای هر

۱۰°F ) ۵ / ۵°C ) افزایش در دمای محیط ۱ درصد کاهش در قدرت خروجی در نظر گرفته شده است .

6- بحث و نتایج

 جدول ۴ نتایج بهینه سازی پارامترهای طراحی را با روش سود سالیانه در سه حالت انتخاب ظرفیت برای محرک اولیه، به همراه سود سالیانه تسبی نشان می دهد. این نتایج به منظور ماکزیمم کردن سود سالیانه، ارائه شده اند. زمانی که یک محرک اولیه انتخاب می شود ماکزیمم سود در ظرفیت E= ۲۵۵ •kW با مقدار (سال/دلار   AP=4/45*105  با شرایط بار جزیی انتخاب شده در شکل ۴ اتفاق می افتد.

این روند برای انتخاب های مشابه محرک اولیه در حالات دو انتخاب و سه انتخاب با ظرفیت های           

   بر همین اساس است و بار جزیی همه ظرفیت های موتور گازسوز به منظور انتخاب بهینه ترین مفدار در هر ماه، با در نظر گرفتن قیمت الکتریسته و سوخت انتخاب شده است.

با مقایسه سه حالت انتخابی برای محرک اولیه مشاهده می شود افزایش تعداد محرک اولیه سود سالیانه را کاهش می دهد که علت آن مربوط به افزایش هزینه اولیه محرک اولیه است، زیرا هزینه کیلووات نصب شده افزایش خواهد یافت.

در ادامه به عنوان نمونه، پوشش دهی منحنی های بار مربوط به انتخاب یک ظرفیت برای محرک اولیه، با مقدار ۲۵۵۰ کیلو وات آورده شده است و به علت مشابه بودن مفاهیم، از تکرار این منحنی ها برای دیگر حالات انتخاب محرکها صرف نظر شده است.

شکل ۵ نتایج مربوط به پوشش دهی منحنی های بار گرمایی و الکتریسیته به همراه الکتریسیته خریداری شده از شبکه، و شکل ۶ نتایج مربوط به بار سرمایی مهیا شده از گرمای اتلافی موتور، توسط چیلر جذبی و سرمای مهیا شده توسط چیلر الکتریکی، را نشان می دهند. همان طور که مشاهده می شود میزان الکتریسیته دریافتی توسط محرک اولیه در بیشتر ماه – های سال کمتر از الکتریسیته مورد نیاز هتل است .به طوری که در این زمان ها، سیستم نیاز خود را با خرید الکتریسیته از شبکه تأمین می کند، این نتیجه در نمودار الکتریسیته خریداری شده مشاهده می شود. اما زمانی که الکتریسیته دریافتی از محرک اولیه بیشتر باشد، در صورت عدم نیاز برای چیلر الکتریکی، به شبکه فروخته می شود.

در مورد گرمای دریافتی از محرک اولیه هم می توان مشاهده کرد که در ماههایی که گرمای دریافتی بیشتر از نیاز گرمایی ساختمان است، در صورت نیاز سرمایشی در آن مادها، این گرمای اضافی با استفاده از چیلر جذبی سرمایش هتل را فراهم خواهد کرد و در صورت کمبود گرما و سرمای محل مصرف، مابه التفاوت را به ترتیب بویلر کمکی و چيلر الکتریکی فراهم می کنند.
در ادامه نتایج مربوط به دوره بازگشت سرمایه برای سه حالت انتخابی با دو روش سنتی و کلاسیک در جدول ۵ آورده شده است. همان طور که مشاهده می شود ارزش زمانی پول در محاسبه دوره بازگشت سرمایه نقش چشم گیری داشته است به طوری که نتایج روش کلاسیک با وجود در نظر گرفتن ارزش اسقاطی تجهیزات، 1/3 سال در حالت انتخاب یک محرک اولیه، ۲ / 5 سال در حالت انتخاب دو محرک اولیه و5/7سال در حالت انتخاب سه محرک اولیه افزایش می یابد.
با مقایسه نتایج جداول ۴ و ۵ مشاهده می شود، با افزایش تعداد محرک اولیه، سود سالیانه کاهش یافته و به دنبال آن دوره بازگشت سرمایه برای روش کلاسیک افزایش می یابد. اما در نتایج روش سنتی مشاهده میشود که در حالت انتخاب دو محرک اولیه با وجود سود بیشتر نسبت به حالت انتخاب سه محرک اولیه، دوره پاگشت سرمایه آن بیشتر شده است. این در حالیست که دوره بازگشت سرمایه باید رابطه مستقیمی با سود سالیانه داشته باشد.
7- آنالیز حساسیت
همان طور که مشاهده شد افزایش تعداد محرک اولیه رابطه مستقیمی با مدت زمان بازگشت سرمایه دارد که این هم در روش سنتی و

هم در روش کلاسیک به چشم می خورد، زیرا با افزایش تعداد محرک ها، ظرفیت محرکهای انتخابی کاهش می یابد و در نتیجه هزینه نصب (دلار بر کیلووات) تجهیزات افزایش خواهد یافت. اما در این قسمت با در نظر گرفتن شرایط یکسان انتخاب یک ظرفیت برای محرک اولیه به بررسی دوره بازگشت سرمایه با افزایش قیمت درصدی حامل های انرژی پرداخته می شود. شكل 7 تغییرات دوره بازگشت سرمایه سنتی و کلاسیک را با درصد افزایش حامل های انرژی نشان می دهد، مشاهده می شود که با افزایش قیمت حامل – های انرژی مدت زمان بازگشت سرمایه روش سنتی کاهش می یابد، اما برای فرمول کلاسیک، نتایج با افزایش پارامتر مذکور افزایش می یابد. علت این روند، ارزش زمانی پول و نسبت قیمت حامل های انرژی است.

8- نتیجه گیری

در این مقاله به مطالعه و ارزیابی فنی اقتصادی بهینه سازی CCHP یا سیستم تولید همزمان از نظر فنی و اقتصادی پرداخته شد. نتایج در سه حالت انتخاب برای محرک اولیه موتور گازسوز در بار جزیی و تداخل سیستم با شبکه ارائه شد و نقش ارزش زمانی پول در پارامتر دوره بازگشت سرمایه مورد ارزیابی قرار گرفت. نتایج نشان داد افزایش تعداد محرک اولیه باعث کاهش سود در هر سال می شود.

همچنین نتایج حاصل از ارزیابی های پارامتر دوره بازگشت سرمایه بیان می کند که ارزش زمانی پول در پارامتر نام برده نقش مؤثری دارد، به طوری که نتایج بدست آمده از مقایسه آنها کاملا متفاوت بدست می آید. دوره بازگشت سرمایه روش کلاسیک با افزایش تعداد محرک اولیه افزایش یافته در حالی که در روش سنتی روند یکسانی مشاهده نمی شود و با افزایش قیمت حامل های انرژی مدت زمان بدست آمده در روش سنتی و کلاسیک به ترتیب کاهش و افزایش می یابد.

از طرفی با مقایسه نتایج بهینه سازی سیستم های تولید همزمان برق، حرارت و سرما، با استفاده از روش های سرد سالیانه و دوره بازگشت سرمایه کلاسیک مشاهده می شود، سیستمی با کمترین مدت زمان بازگشت سرمایه پیشتر سود سالیانه را به همراه دارد به عبارت دیگر با طراحی سیستم تولید

همزمان برق حرارت و برودت برای یک هتل با روش سود سالیانه نسبی، می توان به کمترین دوره های بازگشت سرمایه دست یافت.

9- فهرست علائم

Aدرآمد سالیانه (5)

APسود سالیانه (year/$]

Cهزینه (kW/$) س

CCHP سیستم تولید همزمان برق حرارت و برودت

CHچیلر فرايند مالی ($)

 CLبار سرمایی (kw)

COPضریب عملکرد (%]

ELبار الکتریکی (kW)

 HLبار حرارتی (kW)

iنرخ بهره [9]

NC ظرفیت نامي (kW)

 NPWارزش فعلي خالص ($)

NPWB فعلی درآمدها ($)

NPWC ارزش فعلی هزینه ها [$)

Mنرخ جرمی (5/kg)

TACکل هزینه سالیانه [year/$)

Pهزینه اولیه [$]

PBدوره بازگشت سرمایه (سال)

PLبار جزیی [%]

Rکاهش

SVاسقاطی (kW/$)

Tمدت زمان