Program Analiza systemowa gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego użyteczności publicznej

Transkrypt

1 W programie zawarto metodykę wykorzystywaną do analizy energetyczno-ekologicznej eksploatacji budynków, jak również do wspomagania projektowania ich optymalnego wariantu struktury gospodarki energetycznej. Opracowano algorytmy i modele matematyczne bilansu bezpośredniego jak również skumulowanego zużycia energii, skumulowanej emisji substancji szkodliwych oraz model bilansu kosztu termoekologicznego. W modelach matematycznych uwzględniono możliwość wykorzystania nośników energii ze źródeł odnawialnych. Na podstawie opracowanych modeli matematycznych zostały utworzone kody komputerowe pozwalające na analizę energetyczno- ekologiczną wybranego kompleksu Poniżej przedstawiono modele matematyczne bilansów energetycznych w kompleksach budynków użyteczności publicznej. Model matematyczny bilansu bezpośredniego zużycia energii W gospodarce energetycznej kompleksów budowlanych można wyodrębnić dwa charakterystyczne podsystemy: podsystem energetyczny, który jest odpowiedzialny za wytwarzanie, przetwarzanie, przesyłanie i rozdział nośników energii w budynku oraz podsystem odbiorców energii (pomieszczenia, wyposażenie budynku, itp.) umownie nazywany podsystemem technologicznym. Nośniki energii przeznaczone na potrzeby podsystemu technologicznego są wytwarzane w sieci wzajemnie ze sobą powiązanych procesów energetycznych. Część tych powiązań ma charakter sprzężeń zwrotnych, co utrudnia zamknięcie bilansu energetycznego za pomocą bilansów cząstkowych. Przez zastosowanie modelu matematycznego bilansu gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego unika się uciążliwej, przybliżonej metody bilansów cząstkowych. Model matematyczny bilansu gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego opiera się na układzie równań bilansowych wykorzystywanym w analizie przepływów międzygałęziowych z uzupełnieniami charakterystycznymi dla przemysłowej gospodarki energetycznej. Podstawową zasadą modelu matematycznego jest założenie liniowych zależności między produkcją i zużyciem nośników energii w budynku. Gałąź energetyczną definiuje się jako grupę urządzeń i instalacji podsystemu energetycznego, która wytwarza określony nośnik energii. Gałęzie technologiczne w kompleksie budowlanym definiuje się jako odbiorców nośników energii: np. magazyny, biura, hale handlowe, itp. Przepływy nośników energii w podsystemie energetycznym i technologicznym kompleksów budowlanych można przedstawić w formie tablicy przepływów międzygałęziowych utworzonej przy następujących założeniach: w podsystemie energetycznym wyróżnia się gałęzie energetyczne; każdej gałęzi odpowiada produkcja jednego nośnika energii, nośnik energii może być produktem głównym danej gałęzi energetycznej, produktem ubocznym innych gałęzi, bądź też może być dostarczany z zewnątrz, 1

2 wszystkie nośniki energii są zużywane wewnątrz osłony bilansowej budynku; głównie na potrzeby podsystemu technologicznego, ale również w pewnym stopniu przez urządzenia podsystemu energetycznego. Każdy produkt ( nośnik energii) jest wytwarzany w wyniku nie tylko bezpośredniego, ale i pośredniego zużycia energii w licznych ogniwach poprzedzających w sieci powiązań energetycznych i technologicznych. Dlatego też kompletna analiza energetyczna powinna być oparta o rachunek skumulowanego zużycia energii. Model matematyczny bilansu skumulowanego zużycia energii Analiza bezpośredniego zużycia energii nie obejmuje całkowitej energii jaka jest potrzebna do wytworzenia danego użytecznego nośnika energii (produktu). Stosowane do jego wytworzenia inne nośniki energii (np. paliwa) również wymagają pewnego zużycia energii w pośrednich procesach wytwórczych i transportowych. Kompletna analiza energetyczna oparta jest o rachunek skumulowanego zużycia energii. W celu określenia relacji opisujących wskaźniki skumulowanego zużycia energii sporządza się bilanse skumulowanego zużycia na wzór liniowego modelu matematycznego gospodarki kompleksu Dane wejściowe do takiej analizy stanowią wyniki obliczeń bilansu bezpośredniego zużycia energii w kompleksie budowlanym oraz wskaźniki skumulowanego zużycia energii dla nośników energii dostarczanych z zewnątrz (wartości średnich wskaźników skumulowanego zużycia energii w krajowym systemie energetycznym). Sumę bezpośredniego zużycia energii i zużycia energii w ogniwach pośrednich nazywa się skumulowanym zużyciem energii. Wskaźnik skumulowanego zużycia energii może być obliczany w odniesieniu do konkretnego nośnika energii (np. energii elektrycznej) lub energii pierwotnej (np. gaz ziemny). Można również określić wskaźnik skumulowanego sumarycznego zużycia energii pierwotnej (węgiel kamienny, gaz ziemny, ropa naftowa). Model matematyczny obliczania wskaźników ekologicznych; Wskaźniki skumulowanej emisji szkodliwych substancji Produkcja nośników energii w kompleksie budowlanym jest nieodłącznie związana z emisją szkodliwych gazów, cieczy i stałych produktów odpadowych. Bezpośrednie zużycie nośników energii (głównie paliw) prowadzi do bezpośredniej emisji związanej z produkcją danego nośnika energii. Nośniki te dostarczone do kompleksu budowlanego są już obciążone szkodliwymi emisjami wynikającymi z wcześniejszych etapów produkcji i procesów transportowych. Jest to podobnie jak w przypadku analizy skumulowanego zużycia energii, rezultatem istnienia energetyczno-technologicznej sieci wzajemnych powiązań. Zatem obciążenie ekologiczne danego nośnika energii zużywanego w kompleksie budowlanym zależy nie tylko od bezpośredniej emisji, ale także od emisji, która miała miejsce w procesach poprzedzających i w transporcie. Analogicznie jak w przypadku wskaźników skumulowanego zużycia energii posługujemy się wskaźnikami skumulowanej emisji. Wskaźniki skumulowanych emisji obciążających dostawy zewnętrzne nośników energii wynikają z 2

3 analizy dotyczącej wzajemnych powiązań w skali kraju. Wskaźniki emisji dotyczące produktów ubocznych są wyznaczane w oparciu o metodę zastępowania, która bazuje na zasadzie unikniętych emisji. Wskaźniki kosztu termoekologicznego Eksploatacja kompleksu budowlanego jest możliwa dzięki zużyciu nieodnawialnych zasobów energetycznych. Dążenie do minimalizacji zużycia nieodnawialnych zasobów energii staje się coraz częściej kluczową sprawą z uwagi na zrównoważony rozwój ludzkości. Jakość nieodnawialnych zasobów energii powinna być określona za pomocą egzergii, ponieważ skład i koncentracja bogactw naturalnych różnią się od powszechnie występującej w otoczeniu. Skumulowane zużycie nieodnawialnych zasobów egzergii związane z wytworzeniem określonego produktu może zostać użyte jako miara zubożenia nieodnawialnych zasobów w związku z działaniem kompleksu Miara ta została określona jako koszt termoekologiczny danego nośnika energii bądź produktu. Koszt termoekologiczny można zatem zdefiniować jako skumulowane zużycie nieodnawialnych zasobów egzergii połączone z wytwarzaniem danego nośnika energii bądź produktu oraz z koniecznością kompensacji strat w środowisku naturalnym wywołanych przez emisję szkodliwych substancji. Wskaźniki kosztu termoekologicznego mogą zostać wyznaczone w oparciu o równania bilansu kosztu termoekologicznego kompleksu Równanie bilansu kosztu termoekologicznego zawiera: koszt termoekologiczny krajowych nośników energii i półproduktów, koszt termoekologiczny wyrobów importowanych, bezpośrednie zużycie egzergii nieodnawialnych zasobów energetycznych, koszt termoekologiczny produktów ubocznych zastępujących inne użyteczne nośniki energii (np. czynnik chłodzący z układu trigeneration zastępuje chłód wytwarzany w sprężarkowym agregacie chłodniczym) w rezultacie zmniejszając koszt termoekologiczny obciążający produkt główny. Analiza systemowa gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego użyteczności publicznej prowadzona jest na podstawie obliczeń przy pomocy oprogramowania MS Excel. W programie przedstawiono skoroszyt z następującymi arkuszami kalkulacyjnymi (oryginalne nazwy arkuszy jak w programie): - Lista nośników; w arkuszu definiowana jest lista nośników energii oraz wyodrębniony zostaje podsystem odbiorców nośników energii w budynku, - Wskaźniki; dla poszczególnych nośników energii (określonych w poprzednim arkuszu) wprowadza się wartości wskaźników skumulowanego zużycia energii, skumulowanej emisji substancji szkodliwych oraz wskaźniki kosztu termoekologicznego, - Tablica przepływów; w tabeli określa się powiązania nośników energii dla przepływu nośników i podsystemu odbiorców, - NO x ; wykres przedstawia obliczone wartości skumulowanej emisji NO x w kg NO x /rok dla poszczególnych odbiorców nośników energii, 3

4 - NO x _udziały; wykres przedstawia obliczone udziały skumulowanej emisji NO x w odniesieniu do zewnętrznych nośników energii, - CO 2 ; wykres przedstawia obliczone wartości skumulowanej emisji CO 2 w kg CO 2 /rok dla poszczególnych odbiorców nośników energii, - CO 2 _udziały; wykres przedstawia obliczone udziały skumulowanej emisji CO 2 w odniesieniu do zewnętrznych nośników energii, - Skm_zuz.en.; wykres przedstawia obliczone wartości skumulowanego zużycia energii w GJ/rok dla poszczególnych odbiorców nośników energii, - Skm_zuz.en._udziały; wykres przedstawia obliczone udziały skumulowanego zużycia energii w odniesieniu do zewnętrznych nośników energii, - Koszt_T-E; wykres przedstawia obliczone wartości kosztu termoekologicznego w GJ/rok dla poszczególnych odbiorców nośników energii, - Koszt_T-E_udziały; wykres przedstawia obliczone udziały obciążenia kosztem termoekologicznym w odniesieniu do zewnętrznych nośników energii, - obliczenia; arkusz obliczeniowy, - NO x BASA-CHP; wykres przedstawia porównanie obliczonych wartości skumulowanej emisji NO x w kg NO x /rok dla poszczególnych odbiorców nośników energii, dla rozwiązania bazowego i z zastosowaniem CHP. Przeprowadzenie analizy systemowej budynku użyteczności publicznej wymaga określenia poniższych danych: 1. Wielkości zapotrzebowania na poszczególne nośniki energii w podsystemie odbiorców. Mogą one być wynikiem analiz i symulacji uzyskanych w innych etapach, np. zapotrzebowanie na ciepło, zapotrzebowanie na c.w.u, zapotrzebowanie chłodu, strumień powietrza klimatyzacyjnego, itd. Alternatywnie można przewidzieć możliwość wprowadzania tych wielkości bezpośrednio przez użytkownika. Dane wprowadzane są w formie wektorów, każdy wektor odpowiada wyodrębnionej grupie pomieszczeń w podsystemie odbiorców. Wiersze odpowiadają zużyciu określonego nośnika energii. Liczba wektorów nie więcej niż 30, wymiar nie większy niż 50x1. 2. Binarne macierze powiązań międzygałęziowych w podsystemie energetycznym i podsystemie odbiorców. Wymiary macierzy (nie większe niż 50x50). 3. Macierze wskaźników bezpośredniego zużycia/produkcji nośników energii w podsystemie energetycznym i podsystemie odbiorców. Wymiary macierzy (nie większe niż 50x50). Wskaźniki bezpośredniego zużycia/produkcji wynikają z symulacji bądź pomiarów urządzeń energetycznych w budynku. 4. Wektory wskaźników skumulowanego zużycia energii, skumulowanej emisji substancji szkodliwych oraz kosztu termo-ekologicznego dla nośników energii dostarczanych z zewnątrz. Wskaźniki te stanowią wewnętrzną bazę danych modułu. Użytkownik po wybraniu danego nośnika energii, który będzie dostarczany z zewnątrz do budynku przyporządkuje automatycznie odpowiedni wskaźnik (np. wskaźnik skumulowanego zużycia energii dla dostarczanej elektryczności, wskaźniki emisyjne dla biomasy, itd.). 4

5 Wyniki: 1. Wektory zapotrzebowania na nośniki energii, które są produkowane w budynku oraz dostarczane z zewnątrz (produkcja szczytowa i podstawowa). 2. Macierze zużyć/produkcji poszczególnych nośników energii w gałęziach energetycznych i w podsystemie odbiorców. Analogicznie dla skumulowanego zużycia energii, skumulowanej emisji substancji szkodliwych oraz kosztu termoekologicznego. 3. Wektory wskaźników skumulowanego zużycia energii, skumulowanej emisji substancji szkodliwych oraz kosztu termo-ekologicznego dla wszystkich nośników energii w budynku. 4. Wyniki dla wybranego okresu bilansowania przedstawione na wykresach i w tablicach. 5. Proponowany okres bilansowania na potrzeby analizy energetyczno-ekologicznej to 1 rok, bądź ewentualnie 1 miesiąc. Założenie krótkich okresów bilansowania pociąga za sobą konsekwencję znacznego zwiększenia liczby wprowadzanych danych. 6. W finalnej aplikacji komputerowej 5