طراحی سیستم تولید همزمان برق، گرما و سرما CCHP برای منازل مسکونی در اقلیم آب و هوایی تهران
حسن قاسم زاده، مهدی معرفت، عزيز عظیمی
1- کارشناس ارشد مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران
٢- دانشیار مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران
۳- استادیار مهندسی مکانیک، دانشگاه شهید چمران اهواز تهران
چکیده
در سیستم تولید همزمان سرما، گرما و برق، با بازیافت گرمای هدر رفته از محرک، گرما و سرمای مورد نیاز تامین می شود، در این پژوهش، سیستم تولید همزمان نسبت به سیستم رایج برای ساختمان های مسکونی در آب و هوای تهران، از نظر دو معیار صرفه جویی مصرف انرژی و کاهش انتشار آلودگی، مقایسه شده است. حالت طراحی سیستم تولید همزمان در این بررسی طراحی براساس بیشینه برق یا گرمای مورد نیاز و بزرگ ترین مستطیل برق یا گرمای مورد نیاز می باشد، برای ساختمان مسکونی پنج و پیازده طبقه، طراحی سیستم تولید همزمان براساس بزرگ ترین مستطیل برق، بزرگ ترین مستطیل گرما و بزرگ ترین برق مورد نیاز بهترین طراحی ها می باشند. در صورتی که برای تامین سرما چیلر تراکمی به همراه چیلر جذبی به کار گرفته شود، کارایی قابل توجهی نسبت به سیستم رایج دارند.
در بهترین حالت مقدار ۱۳٪ در مصرف سوخت و ۱۲٪ از انتشار آلودگی کاسته می شود. در حالتی که فقط چیلر جذبی به کار گرفته شود، نسبت به سیستم رایج، مصرف سوخت و انتشار آلودگی بیشتر می شود. در این حالت بدترین استراتژی نیز بزرگترین برق و بزرگترین گرما می باشند. در بدترین حالت مقدار مصرف سوخت ۳۹ و انتشار آلودگی ۵۶% افزایش می یابد، بازگشت سرمایه برای ۱۱طبقه ۵/ ۵ سال و برای ۵ طبقه ۷ سال به دست آمده است.
1- مقدمه
طبق مفهوم تولید همزمان سرما، گرما و برق مورد نیاز در محل مصرف تولید می شود و قسمت عمده حرارت دفعی نیز برای تامین نیازهای گرمایش و سرمایش مصرف کننده بازیافت می شود، بنابراین راندمان کلی تبدیل نیز به میزان قابل توجهی بهبود می یابد. در نیروگاه های سنتی، گرمایی که به عنوان محصول جنبی الکتریسیته تولید می شود، به محيط دفع می شود اما در سیستم تولید همزمان، این حرارت جذب شده و برای مصارف گرمایش و یا با استفاده از چیلرهای جذبی برای مصارف سرمایشی مورد استفاده قرار می گیرد. محل مصرف این انرژی باید در نزدیکی محل تولید برق باشد، زیرا در غیر این صورت برای انتقال انرژی حرارتی به دور دست نیازمند هزینه – های بالای عایق بندی و نیز تحمل اتلاف بالا و راندمان پایین هستیم.
در سال ۲۰۰۹، ماگو، فومو و چمرا به آنالیز عملکرد سیستم تولید همزمان برق و گرما براساس استراتژی بار گرمایی و بار الکتریکی پرداختند. در تحقیق دیگری در سال ۲۰۰۵ یوگور سال و نایت به بررسی تکنولوژی های موجود برای طراحی سیستم تولید همزمان در کاربردهای خانگی پرداختند. همچنین در همین سال فومو، ماگو و چمرا به آنالیز سیستم تولید همزمان بر اساس مصرف سوخت اوليه پرداختند. در سال ۲۰۰۳، کار دوتا و پیاچنزا به بررسی روشی جدید به نام بزرگ ترین مستطیل برای طراحی تولید همزمان در آب و هوای مدیترانه ای پرداختند. در سال ۲۰۱۰ هونگیو و گائو به ارزیابی محیطی و اقتصادی سیستم تولید همزمان برق و گرما در استراتژی های مختلف برای ساختمان های ژاپن پرداختند.
آنالیز و بهینه سازی سیستم تولید همزمان براساس انرژی، اقتصادی و محیطی توسط ماگو و چمرا در سال ۲۰۰۹ انجام شده است. در سال ۲۰۰۴ جلالزاده به مقایسه سیستم تولید همزمان براساس استراتژی گرمایی و الکتریکی پرداخته است .
در این پژوهش، با توجه به استراتژی های مختلف طراحی و معیارهای صرفه جویی مصرف سوخت و کاهش انتشار آلودگی به بررسی مزایای سیستم تولید همزمان برق، گرما و سرما نسبت به سیستم رایج پرداخته شده و استراتژی مناسب برای طراحی سیستم تولید همزمان انتخاب می شود.
۲- محاسبه انرژی مورد نیاز منازل مسکونی
ساختمان های مسکونی مورد بررسی پنج و یازده طبقه اند که هر طبقه شامل یک واحد و مساحت هر طبقه نیز ۹۰ متر مربع میباشد و همچنین تعداد اعضای ساکن در هر واحد ۴ نفر است، مشخصات فنی ساختمان مانند مشخصات ارائه شده در مرجع شماره(11) و شکل ۱ در نظر گرفته شده است.
برای محاسبه مقدار انرژی الکتریکی مصرفی هر خانواره مصرف الکتریکی هر دستگاه را در زمانی که از آن استفاده می شود ضرب کرده و کیلووات ساعت مصرفی هر وسیله در یک روز به دست آمده و در نهایت مجموع این کیلووات ساعت برای یک ماه و یک سال به دست می آید.
در جدول ۱ نرخ مصرف انرژی الکتریکی برای نمونه در ماه دی برای یک واحد نشان داده شده است.
مسلما در تمام طبقات برج مسکونی، در یک زمان ثابت از وسایل الکتریکی استفاده نمی گردد. لذا با توجه به ضریب همزمانی که برای ساختمان مسکونی پنج طبقه برابر 0/7 و برای بازده طبقه 0/5در نظر گرفته شده است، مصرف برق كل برج مسکونی محاسبه می شود برای مشخص کردن گرمایش و سرمایش مورد نیاز نیز از نرم افزار کرییر استفاده شده است. شکل ۲ و ۳ گرمایش و سرمایش مورد نیاز برای ساختمان ۵ و ۱۱ طبقه را نشان میدهد. انرژی گرمایی مورد نیاز برای تامین آب گرم نیز با توجه به رابطه (۱) به دست می آید. میانگین آب گرم مصرفی برای استحمام برای ۴ نفر، ۳۵۸/۵ لیتر بر روز و دمای مورد نیاز41/5 درجه سانتی گراد و برای آب گرم مصرفی برای شستن ظرف ها نیز ۳۰ لیتر بر روز با دمای ۵۲ درجه سانتی گراد در نظر گرفته شده است. با توجه به فرمول زیر می توان گرمای مورد نیاز را محاسبه کرد.
همچنین، فرض می کنیم که مصرف آب گرم به صورت یکنواخت بین ساعت ۵ صبح تا ۱۱ شب صورت می گیرد.
شکل ۴ انرژی گرمایی مورد نیاز برای آب گرم مصرفی ساختمان های مورد نظر را نشان می دهد.
٣- روابط و معادلات حاکم بر سیستم ها
۱ – ۳- سیستم رایج
در سیستم رایج [۱۲،۱۴]، همان طور که در شکل ۵ نشان داده شده است، گرمای مورد نیاز از بویلر و سرمای مورد نیاز از چیلر الکتریکی تامین می شود و برق مورد نیاز نیز از شبکه خریداری می شود.
برق لازم برای تامین سرمای مورد نیاز برابر است با:
کهQC سرمای مورد نیاز می باشد. همچنین برخی از پارامترها در قسمت علائم آورده شده است. برق مورد نیاز در سیستم رایج برابر است با:
مقدار سوخت مصرف شده برای تامین برق مورد نیاز برابر است با:
مقدار سوخت مصرفی برای تامین گرمای مورد نیاز برابر است با:
که Qhگرمای مورد نیاز می باشد و مجموع سوخت مصرفی در روش رایج برابر است با:
۲ – ۳ – سیستم تولید همزمان سرما، گرما و برق
۱ – ۲ – ۳ – تامین سرما فقط از طریق چیلر جذبی
سیستم تولید همزمان برق، گرما و سرما در این حالت در شکل ۶ نشان داده شده است، در این حالت اولیه، با مصرف گاز
طبیعی به عنوان سوخت، برق تولید کرده و گرمای بازیافت شده از محرک اولیه برای مصارف گرمایشی و آب گرم مصرفی و یا با استفاده از چیلر جذبی برای مصارف سرمایشی، مورد استفاده قرار می گیرد.
برق مورد نیاز برای تامین سرمای مورد نیاز برابر است با:
که Epgn برق تولیدی توسط محرک اولیه Egrid مقدار برق خریداری شده از شبکه در صورت نیاز می باشد.
مقدار سوخت مصرف شده توسط محرک برابر است با:
گرمای بازیافت شده از محرک برابر است با:
مقدار گرمای لازم برای تامین سرمای مورد نیاز برابر است:
مقدار گرمای لازم برای تامین گرمای مورد نیاز برابر است با:
مقدار سوختی که توسط بویلر برای تامین گرمای مورد نیاز مصرف می شود برابر است با:
و مجموع مقدار سوخت مصرفی در این روش برابر است با:
۲ – ۲ – ۳ – تامین سرما توسط چیلر جذبی و چیلر الکتریکی
شماتیکی از این حالت در شكل ۷ نشان داده شده است. در این حالت گرمای بازیافت شده از محرک اولیه فقط برای تامین گرمایش و آب گرم مصرفی به کار می رود. اگر گرمای مورد نیاز بیشتر از مقدار بازیافت باشد، از بویلر استفاده می کنیم ولی اگر مقدار گرمای مورد نیاز کمتر از مقدار بازیافت باشد، گرمای اضافه توسط چیلر جذبی برای تولید سرما مصرف می شود.
اگر مقدار سرمای تولیدی توسط چیلر جذبی کمتر از مقدار سرمای مورد نیاز باشد، بقیه سرما توسط چیلر الکتریکی با مصرف برق از شبکه و یا از برق تولیدی اضافه توسط محرک مورد نظر تامین می شود، در این روش بویلر کمکی فقط برای تامین بار گرمایشی و آب گرم مصرفی به کار می رود و برای تامین گرمای مورد نیاز چیلر جذبی برای تولید سرما استفاده نمی شود.
اگر مقدار گرمای بازیافت شده بیشتر از مقدار گرمای مورد نیاز برای تامین بار گرمایشی و آب گرم مصرفی باشد.
که مقدار سرمایی است که توسط چیلر جذبی از گرمای باقی مانده تولید می شود.
اگر مقدار گرمای بازیافت شده کمتر از مقدار گرمای مورد نیاز باشد:
سرمای تولیدی توسط چیلر الکتریکی و برق مورد نیاز برابر است با:
اگر در رابطه بالا 
کوچکتر از صفر شود، در حقیقت یعنی نیازی به خرید برق از شبکه نمی باشد.
سوخت مصرفی برای تامین برق مورد نیاز در این روش برابر است با :
و مجموع سوخت مصرفی در این روش برابر است با:
مطالعه بیشتر :
۴- معیارهای ارزیابی
۱ – ۴- صرفه جویی در مصرف انرژی
براساس این معیار، مقدار صرفه جویی در مصرف سوخت برای تامین انرژی مورد نیاز جهت طراحی سیستم تولید همزمان نسبت به سیستم رایج را محاسبه کرده و با مقایسه مصرف سوخت در دو حالت می توان به ارزیابی سیستم تولید همزمان نسبت به تولید رایج پرداخت.
۲ – ۴ – کاهش انتشار آلودگی
براساس این معیاره می توان مقدار کاهش انتشار آلودگی در سیستم تولید همزمان نسبت به سیستم رایج را محاسبه کرده و به ارزیابی سیستم تولید همزمان نسبت به رایج پرداخت.
۳ – ۴ – زمان برگشت سرمایه
با توجه به قیمت اجزای سیستم تولید همزمان و همچنین قیمت برق و گاز طبیعی و روابط ارائه شده، می توان مدت زمان برگشت سرمایه را محاسبه کرد.
که 
مقدار صرفه جویی هزینه در خرید گاز طبیعی و برق شبکه به خاطر تولید توسط سیستم تولید همزمان است .
که 
کل هزینه نصب و نگهداری همه اجزای سیستم مورد نظر از قبیل محرک، چیلر جذبی، بویلر و چیلر الکتریکی می باشد.
5- استراتژی های طراحی سیستم CCHP
۱ – ۵- براساس ماکزیمم گرمای مورد نیاز
در این روش محرک طوری انتخاب می شود که ماکزیمم گرمای مورد نیاز را تامین کند و برق تولیدی توسط محرک، اگر کمتر از برق مورد نیاز باشد، می توان با خریداری از شبکه کمبود برق را جبران کرد و اگر بیشتر از برق مورد نیاز باشد، می توان در صورت امکان به شبکه فروخت و یا در باتری ذخیره کرد.
۲ – ۵ – براساس ماکزیمم برق مورد نیاز
در این روش محرک اولیه طوری انتخاب می شود که ماکزیمم برق مورد نیاز را تامین کند و اگر گرمای بازیافت شده از محرک اولیه کمتر از گرمای مورد نیاز باشد، می توان با بویلر کمکی کمبود گرما را تامین کرد و اگر بیشتر از گرمای مورد نیاز باشد بدون مصرف باقی می ماند.
۳ – ۵ – براساس بزرگ ترین مستطیل گرمای مورد نیاز
در روش بزرگ ترین مستطیل گرمای مورد نیاز، ابتدا نمودار مدت زمان اعمال بار گرمای مورد نیاز را رسم و سپس بزرگ ترین مستطیل ممکن زیر نمودار را رسم کرده و نقطه ای که مستطیل رسم شده محور عمودی (گرما) را قطع می کند در حقیقت ظرفیت محرک را مشخص می کند. برق تولیدی اگر کمتر از مقدار مورد نیاز باشد، کمبود برق با خریداری از شبکه جبران می شود، همچنین گرمای بازیافت شده اگر کمتر از مقدار مورد نیاز باشد، توسط بویلر تامین و اگر از مقدار مورد نیاز بیشتر باشد، در صورت امکان برای مصارف دیگر به کار می رود .
۴ – ۵ – براساس بزرگ ترین مستطیل برق مورد نیاز
در روش بزرگ ترین مستطیل برق مورد نیاز، ابتدا نمودار مدت زمان اعمال بار برق مورد نیاز را رسم و سپس بزرگ ترین مستطيل ممکن را رسیم کرده و نقطه ای که مستطیل رسم شده محور عمودی (برق) را قطع می کند در حقیقت مقدار ظرفیت برق تولیدی توسط محرک را مشخص می کند. برق و گرمای تولیدی اگر بیشتر از نیاز باشد، برای مصارف دیگر استفاده می شود و اگر کمتر باشد، برق با خریداری از شبکه و گرما با استفاده از بویلر تامین می شود.
۶- نتایج
برای مشخص کردن ظرفیت محرک برای طراحی سیستم تولید همزمان سرما، گرما و برق به روش بزرگ ترین مستطيل، لازم است نمودارهای مدت زمان اعمال بار گرمای مورد نیاز را رسم کرد. برای رسم نمودار مدت زمان اعمال بار گرما، ابتدا مقدار گرمای مورد نیاز برای سیستم گرمایشی و آب گرم مصرفی در تمام ساعتهای سال محاسبه می شود، گرمای مورد نیاز را از ماکزیمم به مینیمم مرتب کرده و همچنین مدت زمان اعمال بار را مشخص و سپس نمودار مدت زمان اعمال بار به مقدار گرما رسم می شود. با توجه به نمودار، بزرگ ترین مستطیل ممکن زیر نمودار را رسم می کنیم و نقطه ای که مستطیل رسم شده محور عمودی را قطع می کند ظرفیت گرمای بازیافت شده از محرک در نظر گرفته می شود. یعنی محرک طوری انتخاب می شود که این مقدار گرما را بتوان از آن بازیافت نمود.
طبق شکل ۸ و ۹. برای ساختمان مسکونی پنج و یازده طبقه مورد بررسی، با توجه به محاسبه گرمای مورد نیاز و رسم نمودار مدت زمان اعمال بار گرمای مورد نیاز و بزرگترین مستطیل ممکن زیر نمودار، مشخص شده است که محرک بایدطوری انتخاب شود که مقدار گرمایی که باید از محرک بازیافت شود.
برای پنج و یازده طبقه به ترتیب برابر ۲۸۵۰ و ۵۹۰۰ وات باشد، برای رسم نمودار مدت زمان اعمال بار- برق مورد نیاز، مقدار برق مصرفی توسط تجهیزات روشنایی و الکتریکی بدون در نظر گرفتن برق مصرفی توسط تجهیزات سرمایشی را در تمام ساعت های سال محاسبه کرده و مانند روش قبل برق مورد نیاز را از ماکزیمم به مینیمم مرتب می کنیم و همچنین مدت زمانی که این مقدار برق مورد نیاز می باشد را مشخص کرده و سپس نمودار مدت زمان اعمال بار برق مورد نیاز را رسم و براساس نمودار رسم شده بزرگ ترین مستطیل ممکن زیر نمودار رسم می شود، نقطه ای که مستطیل رسم شده محور عمودی (برق) را قطع کرده، مقدار برق تولیدی توسط محرک در نظر گرفته شده است. یعنی محرک باید طوری انتخاب شود که این مقدار برق را تولید کند.
طبق شکل ۱۰ و ۱۱، برای ساختمانهای مسکونی مورد بررسی، با توجه به محاسبه برق مورد نیاز و رسم نمودار مدت زمان اعمال بار- برق مورد نیاز و رسم بزرگ ترین مستطیل ممکن زیر نمودار، مشخص شده که محرک باید طوری انتخاب شود که به ترتیب برای پنج و یازده طبقه مقدار ۱۲۲۵ و ۲۳۱۰ وات برق تولید نماید، البته محرک با ظرفیت های اشاره شده در همه ساعات نیازهای خانوار را تامین نمی کند.
در جدول ۲ قیمتها به صورت مثال آورده شده اند که تا حدودی از قیمت های واقعی متاثر می باشند. برای محاسبه دقیق، قیمت های روز دستگاه ها و سیاست روز دولت و نرخ روز ارز مورد نیاز است. همچنین محرک همیشه در حالت بار کامل کار می کند.
۱ – ۶ – سرمای مورد نیاز فقط از طریق چیلر جذبی
شکل های ۱۲ و ۱۴ مقدار صرفه جویی در مصرف سوخت و شکل های ۱۳ و ۱۵ مقدار کاهش انتشار آلودگی در سیستم تولید همزمان نسبت به سیستم رایج در استراتژی های مختلف را نشان می دهند. در سیستم تولید همزمان در استراتژیهای بزرگترین مستطیل برق و بزرگترین مستطیل گرمای مورد نیاز در چهار ماه سرد سال (آذر، دی، بهمن و اسفند) مقدار مصرف سوخت کمتر شده است. همچنین، با توجه به کاهش مصرف سوخت، مقدار انتشار آلودگی نیز کاهش می یابد که در حقیقت نشانه کارایی سیستم تولید همزمان نسبت به سیستم رایج است، به دلیل اینکه طراحی به روش بزرگ ترین مستطیل برق و گرما در حقیقت مقداری از گرما و برق مورد نیاز را تامین می کند و در بیشتر ساعات فصل سرما تولید اضافه ای در این روش وجود ندارد، در نتیجه تمام برق و گرمای تولید شده در این روش که با مصرف سوخت همراه می باشد مورد استفاده قرار می گیرد.
در ماه آبان در آب و هوای تهران، نیاز بار گرمایشی و سرمایشی تقریبا پایین می باشد و عملا اکثر گرمای تولیدشده به هدر می رود. تولید این مقدار گرما توسط سیستم تولید همزمان با مصرف سوخت همراه می باشد. در صورتی که به این مقدار گرما و برق تولیدی احتیاج نمی باشد؛ در نتیجه مصرف سوخت در این ماه در سیستم تولید همزمان نسبت به سیستم رایج بیشتر می باشد و با توجه به افزایش مصرف سوخت، انتشار آلودگی نیز افزایش می یابد.
در ماه های دیگر سال، به دلیل نیاز بار سرمایشی و با توجه به اینکه بار سرمایشی مورد نیاز در سیستم تولید همزمان فقط توسط چیلر جذبی انجام می شود، چیلر جذبی نیز دارای ضریب عملکرد بسیار پایینی می باشد. ضریب عملکرد پایین باعث میشود که برای تولید سرمای مورد نیاز به گرمای زیادی نیاز باشد، گرمای مورد نیاز برای تولید سرما از مقدار گرمای بازیافت شده بیشتر می باشد و نیاز به استفاده از بویلر کمکی برای تامین گرمای مورد نیاز وجود دارد.
به همین دلیل مصرف سوخت در سیستم تولید همزمان نسبت به سیستم رایج، که سرمای مورد نیاز از چیلر الکتریکی با ضریب عملکرد بالا تامین می شود، و همچنین انتشار آلودگی بیشتر می باشد. همان طور که در نمودارها مشخص است، هر چه مقدار سرمای مورد نیاز در ماه های سال بیشتر باشد، مقدار مصرف سوخت نسبت به سیستم رایج و همچنین انتشار آلودگی بیشتر می شود.
در روش ماکزیمم برق مورد نیاز محرک طوری انتخاب می شود که بیشترین مقدار برق مورد نیاز را تامین کند. با توجه به شکل ۱۲ و ۱۴، در دو ماه از ماه های سرد سال، دی و بهمن، مصرف سوخت در سیستم تولید همزمان نسبت به سیستم رایج کمتر می شود، ولی برای ساختمان پنج طبقه آنچنان اختلاف بارزی ندارند و تقریبا به سمت صفر میل می کنند و این اختلاف برای ساختمان یازده طبقه بیشتر به نظر می رسد، همان طور که از نمودار مشخص است، مقدار صرفه جویی در مصرف سوخت در استراتژی ماکزیمم بار الکتریکی نسبت به بزرگترین مستطیل کمتر می باشد، به خاطر اینکه گرمای تولیدشده در روش ماکزیمم بار الکتریکی در بعضی از ساعات ماه های سرد سال بیشتر از مقدار گرمای مورد نیاز می باشد.
در نتیجه باعث کاهش صرفه جویی مصرف سوخت نسبت به بزرگترین مستطیلی که در اکثر ساعات ماه سرد سال تولید اضافه ندارد، می شود. در نتیجه کاهش صرفه جویی مصرف سوخت باعث افزایش انتشار آلودگی نسبت به بزرگترین مستطیل می شود. در بقیه ماههای سرد سال، آبان، آذر و اسفند، چون گرمای مورد نیاز نسبت به ماه های دی و بهمن کمتر می باشد، در حقیقت گرمای بازیافت شده بسیار بیشتر از گرمای مورد نیاز می باشد و این یعنی تولید گرمای بدون استفاده که با مصرف سوخت به دست آمده است؛ در نتیجه باعث افزایش مصرف سوخت و افزایش انتشار آلودگی نسبت به سیستم رایج می شود.
در ماه های گرم برای تامین سرمای مورد نیاز از چیلر جذبی استفاده می شود، برای تامین گرمای مورد نیاز برای چیلر جذبی به بویلر کمکی نیاز داریم. به دلیل ضریب عملکرد پایین چیلر جذبی نسبت به چيلر الکتریکی باعث افزایش مصرف سوخت و افزایش انتشار آلودگی در سیستم تولید همزمان نسبت به سیستم رایج می شود.
در روش ماکزیمم گرمای مورد نیاز نیز سیستم براساس بیشترین گرمای مورد نیاز طراحی می شود، طوری که حتی در اکثر ساعت های سرد سال نیز به این مقدار گرما نیاز نمی باشد؛ در حقیقت تولید اضافه گرما که هیچ مصرفی ندارد. این گرمای تولیدی با مصرف سوخت همراه می باشد؛ در نتیجه مقدار مصرف سوخت در ماه های سرد سال در سیستم تولید همزمان نسبت به سیستم رایج افزایش می یابد. در ماه های گرم سال نیز به همان دلایلی که در استراتژی های قبلی اشاره شده است مصرف سوخت در سیستم تولید همزمان افزایش می یابد و با توجه به افزایش مصرف سوخت در تمام ماه های سال نسبت به سیستم رایج، انتشار آلودگی نیز افزایش می یاید.
۲ – ۶ – سرما توسط چیلر جذبی به همراه چيلر الکتریکی
در حالت طراحی براساس بزرگترین بار گرمایی، در حقیقت سیستم طوری طراحی می شود که بیشترین بار گرمایی مورد نیاز در طول سال را تامین کند، به تبع زمان های زیادی در طول سال وجود دارد که نیازی به این گرما وجود ندارد و همان طور که در شکل ۱۶ و ۱۸ نشان داده شده، در ماههای سرد سال آذر، دی، بهمن مقدار مصرف انرژی در حالت تولید همزمان بیشتر از سیستم رایج می باشد. در ماه های آبان و اسفند، به خاطر اینکه بار گرمایی و سرمایشی مورد نیاز خیلی کمتر از مقدار تولیدی توسط سیستم تولید همزمان می باشد مصرف انرژی در این دو ماه به مقدار زیادی نسبت به ماههای دیگر بیشتر است و به تبع انتشار آلودگی نیز، همانطور که در شکل های ۱۷ و ۱۹ نشان داده شده است، نسبت به سیستم رایج بیشتر می باشد.
در ماه های فروردین، اردیبهشت و مهر چون علاوه بر گرما به مقداری سرما نیاز داریم، در نتیجه گرمای مورد نیاز از گرمای بازیافت شده تامین شده و از بقیه گرمای بازیافت شده برای تولید سرما، با استفاده از چیلر جذبی استفاده می شود. ولی با توجه به اینکه مقدار گرمایش و سرمایش مورد نیاز از مقدار گرمای بازیافت بیشتر می باشد، در نتیجه در این مدت نیز مقدار مصرف انرژی و در نتیجه انتشار آلودگی در سیستم تولید همزمان از سیستم رایج بیشتر است. در این مدت در حقیقت با مصرف سوخت گرما و برقی تولید می شود که هیچ بهره برداری از آن نمی شود.
ولی در این ماهها چون علاوه بر گرما، به مقداری سرما نیز نیاز داریم، در نتیجه گرمای اضافی توسط چیلر جذبی مصرف می شود. در نتیجه صرفه جویی در مصرف انرژی و انتشار آلودگی نسبت به ماههای سرد سال شرایط بهتری دارد. در ماههای خرداد، تیر، مرداد و شهریور که در حقیقت ماه های گرم سال می باشند و در این ماه ها به سرمای زیادی نیاز وجود دارد. این سرما توسط چیلر جذبی با مصرف گرمای بازیافت شده به دست می آید. در نتیجه گرمای بازیافت شده، علاوه بر تامین گرمای مورد نیاز برای تامین سرما توسط چیلر جذبی مصرف می شود و همه گرمای بازیافت شده مصرف می شود، در این حالت، همان طور که در ابتدا اشاره شده است، برای تولید سرما در صورت نیاز از چیلر الکتریکی در کنار چیلر جذبی استفاده می شود.
در نتیجه چون گرمای بازیافت شده همه سرمای مورد نیاز را تامین نمی کند بقیه سرما توسط چیلر الکتریکی باید تامین شود. برق مصرفی توسط چيلر الکتریکی از برق تولیدی توسط محرک در صورت مازاد تامین می شود، در نتیجه در این حالت علاوه بر استفاده از گرمای بازیافت شده، از برق تولیدی اضافی برای چیلر الکتریکی استفاده می شود؛ در نتیجه مقدار تولید بدون مصرف در این ماه ها خیلی پایین می باشد و به این دلیل، مقدار مصرف انرژی و انتشار آلودگی در سیستم تولید همزمان نسبت به سیستم رایج کمتر میباشد.
در حالت بزرگترین برق مورد نیاز، گرمایی که بازیافت می شود در صدی از گرمای مورد نیاز در ماه های سرد سال آذر، دی و بهمن می باشد، و گرمای بازیافت شده برای تامین گرمای زمستان مصرف می شود. ولی نقطه ضعف این حالت این است که برق تولیدی در اکثر ساعات بیشتر از مقدار مورد نیاز می باشد، ولی در کل چون درصد زیادی از گرمای مورد نیاز فصل سرد تامین می شود، مقدار مصرف انرژی و انتشار آلودگی نسبت به سیستم رایج کمتر می باشد.
این اختلاف برای منزل مسکونی یازده طبقه خیلی بیشتر از پنج طبقه می باشد. در ماه های آبان و اسفند، همان طور که در استراتژی قبلی اشاره شده است، مقدار مصرف انرژی و انتشار آلودگی نسبت به سیستم رایج بیشتر می باشد، ولی در بقیه ماهها چون علاوه بر گرما، به سرما نیاز داریم و گرمای بازیافت شده علاوه بر تامین گرما، برای تامین سرما توسط چیلر جذبی مصرف می شود، در
نتیجه همه گرمای بازیافت شده مورد استفاده قرار می گیرد. همچنین، برق تولیدی، در زمان هایی که مقدار تولیدی بیشتر از مقدار مورد نیاز برای تجهیزات الکتریکی و روشنایی میباشد توسط چيلر الکتریکی برای تولید سرمای مورد نیاز، در صورتی که سرمای مورد نیاز بیشتر از سرمای تولید چیلر جذبی باشد، استفاده می شود. با این کار برق تولیدی مازاد نیز توسط سیستم تولید همزمان مصرف می شود که در نتیجه مقدار مصرف انرژی و انتشار آلودگی نسبت به سیستم رایج کمتر می باشد.
در حالت بزرگترین مستطیل برق و بزرگ ترین مستطیل گرما، موتور محرک انتخاب شده قسمتی از برق و گرمای مورد نیاز در سال را تامین می کند، در این استراتژی از تمام گرمای بازیافت شده و برق تولیدی برای تامین انرژی مورد نیاز مصرف – کننده استفاده می شود و چون تولید اضافه نداریم، در تمام ماه – های سال مقدار مصرف انرژی و انتشار آلودگی کمتر از سیستم رایج می باشد.
۷- عملکرد سالانه
شکل های ۲۰ و ۲۱ عملکرد سالانه صرفه جویی در مصرف سوخت و کاهش انتشار آلودگی را برای استراتژی های مختلف برای منزل مسکونی پنج طبقه نشان می دهد. همان طور که از نمودارها مشخص می باشد، استراتژی بزرگ ترین مستطیل برق و گرما، در حالتی که سرمایش مورد نیاز توسط چیلر جذبی و چیلر الکتریکی تامین شود. بهترین استراتژی می باشد که با ٪۱۳ و ۱۲٪ صرفه جویی در مصرف سوخت، ۱۱% و ۱۰% کاهش انتشار آلودگی نسبت به سیستم رایج همراه می باشد. همچنین در استراتژی بزرگ ترین برق مورد نیاز نیز در مصرف سوخت صرفه جویی می شود و انتشار آلودگی نیز در سیستم تولید همزمان کاهش می یابد، ولی نسبت به دو استراتژی قبلی بسیار کمتر می باشد.
بدترین استراتژی تیز استراتژی بزرگترین گرمای مورد نیاز در صورتی که سرمایش مورد نیاز فقط از طریق چیلر جذبی تامین شود که در این حالت مصرف سوخت به اندازه ۳۹ و انتشار آلودگی به اندازه ۵۶% در سیستم تولید همزمان برق گرما و سرما نسبت به سیستم رایج افزایش می یابد.
شکل های ۲۲ و ۲۳، عملکرد سالانه صرفه جویی در مصرف سوخت و کاهش انتشار آلودگی را برای استراتژی های مختلف برای ساختمان مسکونی یازده طبقه نشان میدهد. استراتژی بزرگ ترین مستطیل برق و بزرگ ترین مستطیل گرما، در حالتی که سرمایش مورد نیاز توسط چیلر جذبی و چیلر الکتریکی تامین شود، جزو بهترین استراتژی ها می باشند که با ٪۱۳ صرفه جویی در مصرف سوخت، ۱۲ و ۱۱ کاهش انتشار آلودگی نسبت به سیستم رایج همراه می باشد. همچنین در استراتژی بزرگ ترین برق مورد نیاز نیز به میزان ۱۳ در مصرف سوخت صرفه جویی می شود و انتشار آلودگی نیز در سیستم تولید همزمان کاهش می یابد، ولی نسبت به دو استراتژی قبلی بسیار کمتر می باشد و حدود ۵% می باشد.
بدترین استراتژی نیز، استراتژی بزرگ ترین گرمای مورد نیاز در صورتی که سرمایش مورد نیاز فقط از طریق چیلر جذبی تامین شود، می باشد که مصرف سوخت به اندازه ۳۵٪ و انتشار آلودگی به اندازه ۴۷% در سیستم تولید همزمان برق، گرما و سرما نسبت به سیستم رایج افزایش می یابد .
۸- نتیجه گیری و جمع بندی
با توجه به انرژی مورد نیاز منزل مسکونی بررسی شده و استراتژی های طراحی سیستم تولید همزمان برق و گرما و سرما، به طراحی سیستم تولید همزمان برای ساختمان های مسکونی مورد بررسی پرداخته شده و همچنین برای مقایسه سیستم تولید همزمان برق و گرما و سرما نسبت به سیستم رایج، معیار کاهش مصرف انرژی و کاهش انتشار آلودگی در نظر گرفته شده است و در نهایت مدت زمان برگشت سرمایه محاسبه شده است، با توجه به بررسی انجام شده، در آب و هوای تهران استراتژی طراحی براساس بزرگ ترین مستطیل برق و مستطیل گرمای مورد نیاز و طراحی براساس ماکزیمم بار الکتریکی مورد نیاز بهترین استراتژی ها می باشند، در صورتی که برای تامین سرما علاوه بر چیلر جذبی از چیلر الکتریکی نیز استفاده شود.
برای پنج طبقه در استراتژی بزرگترین مستطیل برق و مستطیل گرماء ۱۳ و ۱۲ و برای بازده طبقه، 12% و 13% در مصرف انرژی صرفه جویی می شود. همچنین انتشار آلودگی در این استراتژی ها به ترتیب برای پنج طبقه ۱۱٪ و ٪۱۰ و یازده طبقه ۱۲ %و ۱۱٪ نسبت به سیستم رایج کاسته میشود. برای بازده طبقه در استراتژی بزرگ ترین برق نیز، ٪۱۳ از مصرف سوخت و ۵٪ از انتشار آلودگی کاسته می شود.
در صورتی که فقط چیلر جذبی به کار گرفته شود نسبت به سیستم رایج، مصرف سوخت و انتشار آلودگی بیشتر می شود که بدترین استراتژی نیز بزرگترین برق و گرمای مورد نیاز می باشند، در استراتژی بزرگ ترین گرما برای پنج طبقه به ترتیب ۳۹ و ۵۶% و برای بازده طبقه ۳۵٪ و ۴۷٪، مصرف سوخت و انتشار آلودگی نسبت به سیستم رایج افزایش می یابد. مدت زمان برگشت سرمایه نیز در استراتژی های بزرگ ترین برق، بزرگ ترین مستطیل برق و بزرگ ترین مستطیل گرمای مورد نیاز برای ساختمان پنج طبقه به مدت ۷ سال و برای یازده طبقه به مدت ۵۵ سال می باشد.
۹- فهرست علایم
C0 هزینه
Cw گرمای ویژه
F سوخت
T دما
v حجم (I)
W آب
اندیسها
ac چیلر جذبی
b بویلر
c سرما
dist توزيع
e الکتریسیته
ec چیلر الکتریکی
f سوخت
h گرما
hc کویل گرمایشی
inv سرمایه گذاری
Pgu محرک
r بازیافت گرما
o محیط
1 استحمام
2 شستن ظرف
دیدگاهتان را بنویسید