25994

تحليل فني و اقتصادي سيستم‌هاي توليد همزمان قدرت، حرارت و سرمايش (CCHP) با موتور گازسوز و با منبع ذخيره سرمايش

دكتري

مهندسي مكانيك، تبديل انرژي

1400-1401

1400/10/04

سپهر صنايع

مهندسي مكانيك

در اين گزارش ابتدا به معرفي يك پيكربندي جديد براي سيستم يكپارچه متشكل از موتور گازسوز به عنوان محرك اوليه، سيكل ارگانيك رانكين چندطبقه و سيستم تبريد تراكمي به همراه مخزن ذخيره يخ، به منظور تأمين انرژي‌هاي مورد نياز در واحد مصرف (الكتريكي، حرارتي و سرمايشي) با بازده بالا و مصرف انرژي اوليه پايين پرداخته شده است. در اين پيكربندي، سيكل ارگانيك رانكين چندطبقه متشكل از دو حلقه دما بالا و دما پايين بوده و از سيستم‌ تبريد تراكمي به‌همراه مخزن ذخيره يخ به منظور تأمين انرژي سرمايشي كل، كاهش مصرف انرژي الكتريكي و هزينه‌هاي عملكردي كل سيستم استفاده شده است. در بخش دوم، از دو روش مستطيل بيشينه و مديريت انرژي به منظور تعيين اندازه (ظرفيت) تجهيزات و استراتژي عملكرد سيستم يكپارچه استفاده شده است. روش مستطيل بيشينه متشكل از دو استراتژي مستطيل بيشينه پايه و مستطيل بيشينه اصلاح شده و روش مديريت انرژي متشكل از 4 استراتژي دنبال كردن بارهاي الكتريكي، دنبال كردن بارهاي حرارتي، دنبال كردن تركيبي بارها و تعيين نقطه كمينه مي‌باشند. تحليل سيستم يكپارچه پيشنهادي در 4 جنبه انرژي، اگزرژي، زيست‌محيطي و اقتصادي انجام شده و بهينه‌سازي با تعريف متغيرهاي طراحي مناسب و توابع هدف سود نسبي ساليانه و بازده اگزرژي كل با استفاده از الگوريتم ژنتيك چندهدفه دنبال شده است. در ادامه، نتايج حاصل از تركيب هريك از استراتژي‌هاي روش مستطيل بيشينه و روش مديريت انرژي با روش بهينه‌سازي چندهدفه ارائه گرديده است. نتايج تحليل فني-اقتصادي و بهينه‌سازي سيستم يكپارچه پيشنهادي در مورد مطالعاتي ساختمان اداري 17 طبقه متشكل از 136 واحد با متراژ تقريبي 100 مترمربع براي هر واحد در شرايط آب و هوايي گرم و مرطوب در فصول گرم و شرايط آب و هوايي معتدل در فصول سرد، حاكي از سودآوري استفاده از سيستم يكپارچه در مقايسه با سيستم مرسوم به ميزان حدود 105×85/3 دلار در سال بوده كه به طور عمده ناشي از كاهش هزينه‌هاي خريد برق از شبكه و مصرف سوخت در بويلرهاي پشتيبان به‌همراه افزايش درآمد حاصل از فروش برق مازاد به شبكه سراسري است. اين موضوع سبب گرديده كه دوره بازگشت سرمايه در سيستم يكپارچه حدود 63/3 سال محاسبه گردد. مقايسه نتايج حاصل از تركيب روش بهينه‌سازي چندهدفه و روش مستطيل بيشينه در 5 استراتژي بهينه‌سازي منفرد، مستطيل بيشينه پايه، مستطيل بيشينه اصلاح شده، تركيب بهينه‌سازي چندهدفه با مستطيل بيشينه پايه و تركيب بهينه‌سازي چندهدفه با مستطيل بيشينه اصلاح شده، در مورد مطالعاتي مجتمع مسكوني با 16 بلوك متشكل از 384 واحد با متراژ تقريبي 80 مترمربع براي هر واحد در شرايط آب و هوايي گرم و خشك در فصول گرم و شرايط آب و هوايي معتدل در فصول سرد نشان داد كه استفاده از استراتژي تركيب بهينه‌سازي چندهدفه با مستطيل بيشينه اصلاح شده سبب بيشينه شدن مقادير توابع هدف سود نسبي ساليانه (106×04/1 دلار در سال) و بازده اگزرژي كل (54/46 %) و كمينه شدن پارامتر دوره بازگشت سرمايه (64/3 سال) شده است. مقايسه نتايج حاصل از تركيب روش بهينه‌سازي چندهدفه و روش مديريت انرژي در 8 استراتژي دنبال كردن بارهاي الكتريكي، دنبال كردن بارهاي حرارتي، دنبال كردن تركيبي بارها، تعيين نقطه كمينه، تركيب بهينه‌سازي چندهدفه با دنبال كردن بارهاي الكتريكي، تركيب بهينه‌سازي چندهدفه با دنبال كردن بارهاي حرارتي، تركيب بهينه‌سازي چندهدفه با دنبال كردن تركيبي بارها و تركيب بهينه‌سازي چندهدفه با تعيين نقطه كمينه در مورد مطالعاتي مجتمع مسكوني نشان داد كه استفاده از استراتژي تركيب بهينه‌سازي چندهدفه با دنبال كردن بارهاي حرارتي سبب بيشينه شدن مقادير توابع هدف سود نسبي ساليانه (106×15/1 دلار در سال) و بازده اگزرژي كل (59/49 %) و كمينه شدن پارامتر دوره بازگشت سرمايه (93/2 سال) شده است. محاسبه مصرف برق در سيستم تبريد تراكمي به همراه مخزن ذخيره يخ در تركيب روش بهينه‌سازي چندهدفه با هريك از روش‌هاي مديريتي در مورد مطالعاتي مجتمع مسكوني نشان داد كه عملكرد ساليانه اين سيستم تحت استراتژي‌هاي تركيب بهينه‌سازي چندهدفه با مستطيل بيشينه اصلاح شده، دنبال كردن بارهاي حرارتي و تركيب بهينه‌سازي چندهدفه با دنبال كردن بارهاي حرارتي سبب كمينه شدن مصرف انرژي الكتريكي كل شده است. درنهايت، مقايسه مقادير بهينه توابع هدف سود نسبي ساليانه و بازده اگزرژي كل به‌همراه دوره بازگشت سرمايه در استراتژي‌هاي مطالعه شده منجربه انتخاب استراتژي تركيب بهينه‌سازي چندهدفه با دنبال كردن بارهاي حرارتي به عنوان استراتژي نهايي گرديد.

1400/11/12

Technical and economical analysis of combined cooling, heating and power (CCHP) systems integrated with gas engine and thermal energy storage

12/25/2022 12:00:00 AM

This report first introduces an innovative configuration for the integrated system consisting of the gas engine as the prime mover, the Cascaded Organic Rankine Cycle and the vapor compression refrigeration system with ice thermal energy storage tank in order to provide the required energy demand (electrical, heating and cooling) with high efficiency and profitability. In this configuration, the Cascaded Organic Rankine Cycle consists of two high temperature and low temperature loops and the vapor compression refrigeration system with ice thermal energy storage tank is used for providing cooling load and reducing total electrical consumption and its corresponding costs. In the second part, two new methods including Maximum Rectangle Method and Energy Management Method are used to determine the size (capacity) of equipment and their operational strategy in the integrated system. The Maximum Rectangle Method consists of two strategies: Basic Maximum Rectangle Method and Modified Maximum Rectangle Method. Also, Energy Management Method consists of 4 strategies: Following Electrical Load, Following Thermal Load, Following Hybrid Load and Minimum Distance Determination. The proposed integrated system analysis is performed in 4 aspects of energy, exergy, environmental and economic, and the optimization is followed by defining appropriate design variables and objective functions of relative annual benefit and total exergy efficiency using a multi-objective genetic algorithm. Then, the results of combining each of the strategies of the maximum rectangle method and the energy management method with the multi-objective optimization method are presented. The results of techno-economic analysis and optimization of the proposed integrated system for an office building as a case study with 17 floors (consisting of 136 units with an approximate area of 100 square meters per unit) in hot and humid climates in hot seasons and moderate climates in cold seasons, indicates an increase in annual income by 3.85×105 $ compared to the traditional system, which is mainly due to reducing the costs of buying electricity from the grid and fuel consumption in backup boilers along with increasing income from selling excess electricity to the grid. These results have caused the payback period in the integrated system to be calculated at about 3.63 years. Comparison of the results of combining multi-objective optimization method and maximum rectangle method in 5 strategies of single optimization, basic maximum rectangle, modified maximum rectangle, combination of multi-objective optimization with basic maximum rectangle and combination of multi-objective optimization with modified maximum rectangle, for a residential complex as a case study with 16 blocks (consisting of 384 units with an approximate area of 80 square meters per unit) in hot and dry climates in hot seasons and moderate climates in cold seasons showed that the use of multi-objective optimization with modified maximum rectangle maximizes the objective functions relative annual benefit (1.04×106 $/year) and total exergy efficiency (46.54%) and minimizes the payback period (3.64 years). Comparison of the results of combining multi-objective optimization method and energy management method in 8 strategies of following electric loads, following thermal loads, following hybrid loads, minimum distance determination, combining multi-objective optimization with following electric loads, combining multi-objective optimization with following thermal loads, combining multi-objective optimization with following hybrid loads and combining multi-objective optimization with minimum distance determination in residential complex as a case study showed that using combining multi-objective optimization with following thermal loads strategy maximizes the objective functions relative annual benefit (1.15×106 $/year) and total exergy efficiency (49.59%) and minimizes the payback period (2.93 years). Results for vapor compression refrigeration system with ice thermal energy storage tank in combining multi-objective optimization method with the management methods in residential complex as a case study showed that the annual performance of this system under combining multi-objective optimization with modified maximum rectangle, following thermal loads and combining multi-objective optimization with following thermal loads minimize the total annual electricity consumption. Finally, comparing the optimal values of the objective functions relative annual benefit and total exergy efficiency along with the payback period in the studied strategies led to the selection of combining multi-objective optimization with following thermal loads as the final strategy.

سيستم يكپارچه , سيكل ارگانيك رانكين چندطبقه , سيستم تبريد تراكمي به همراه مخزن ذخيره يخ , روش مستطيل بيشينه , روش مديريت انرژي

Integrated system , Cascaded Organic Rankine Cycle , Ice Thermal Energy Storage , Maximum Rectangle Method , Energy Management Method