ANALIZY SYMULACYJNE ZINTEGROWANYCH SYSTEMÓW ENERGII ODNAWIALNEJ HEIM Dariusz 1 BŁASZCZYK Ernest 2 1 Katedra Fizyki Budowli i Materiałów Budowlanych, Politechnika Łódzka 2 Absolwent Wydziału Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska PŁ SIMULATION ANALYSIS OF INTEGRATED, RENEWABLE ENERGY SYSTEMS The general problems concerning integrated modelling and simulation of renewable energy systems are discussed. Presented program is able to connect different renewable energy supplies and create a variety of possibilities of this connection, according to applied demands and indicates the best demand supply matching. The practical application of computational tool for renewable systems is outlined in this paper. The results of exemplar case study, are also presented. Supply profiles are defined in terms of Polish climate and local resources base. Demand profiles comes from real data for one of the universities educational building in Łódź. As the best solution in analysed particular case the hybrid system consists of PV panels and wind turbines is selected and described. STRESZCZENIE W pracy omówiono podstawowe zagadnienia dotyczące modelowania procesów pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych. Opisano narzędzie do komputerowego modelowania systemów odnawialnych na podstawie zależności podaż/popyt dla energii elektrycznej. Do analiz wykonanych dla wybranych budynków Politechniki Łódzkiej wykorzystano symulacyjny program komputerowy. Określono podstawowe charakterystyki dotyczące profili zapotrzebowania na energię w zależności od sposobu użytkowania obiektu w poszczególnych okresach roku kalendarzowego. Symulacje komputerowe wykonano dla kilku wariantów zaopatrzenia budynku w energię ze źródeł odnawialnych: turbin wiatrowych, ogniw PV oraz konwencjonalnego generatora zasilanego paliwem. Symulacje przeprowadzono dla pełnego roku kalendarzowego z uwzględnieniem danych klimatycznych obszaru Polski. W pracy zaprezentowano wybrane wyniki dla najlepszego z analizowanych wariantów składającego się z ogniw PV i turbin wiatrowych. 1. WSTĘP Prawidłowe projektowanie systemów energii odnawialnej wymaga użycia zaawansowanych technik obliczeniowych opartych na analizach statystycznych i modelach numerycznych, w szczególności odniesionych do parametrów środowiska zewnętrznego (warunki brzegowe dla systemów energii odnawialnej) oraz opisu charakterystyki obiektu (profile zapotrzebowania). Najkorzystniejszą pod względem ekologicznym formą pokrycia 118
zapotrzebowania na energię są źródła odnawialne (np. słońce i wiatr). Ze względu na zmienny charakter generowanej przez nie energii powinny być one łączone w systemy hybrydowe w celu zapewnienia maksymalnej ciągłości dostarczanej energii [1]. Dlatego też, podstawowym kierunkiem rozwoju energetyki odnawialnej są systemy zintegrowane w ujęciu globalnym. Na dzień dzisiejszy są one najwydajniejszą formą równomiernego pozyskiwania energii i zapewniającą w ten sposób ciągłe pokrycie jej zapotrzebowania. Kompleksowość i złożoność zagadnień wymaga skorzystania z zaawansowanych metod symulacyjnych i opartych na nich programach komputerowych, wykorzystujących zintegrowane modele obliczeniowe. Potrzeba stosowania takiego podejścia wynika z konieczności oceny rzeczywistego charakteru zachowania się budynku wraz z systemami jako całości. Budynek należy traktować jako złożony zbiór elementów składowych współdziałających ze sobą w sposób dynamiczny i powiązanych zależnościami fizycznym, opisanymi równaniami nieliniowymi. 2. MODELOWANIE ENERGETYCZNE BUDYNKÓW Wpływ budownictwa na środowisko widoczny jest na każdym etapie istnienia budynku, od momentu pozyskania surowców do jego wytworzenia aż po etap utylizacji. Budynki wpływają na zmianę naszego komfortu, stylu życia i produktywności. Rosnące zapotrzebowanie na opłacalne i ekologicznie czyste budownictwo jest motorem wzmożonej aktywności dla wielu branż, lecz wymaga ogromnych nakładów. Aby procesy inwestycyjne przebiegały z jak największą efektywnością niezbędne jest wprowadzenie nowoczesnych technologii już na etapie projektowania. Używanie do tego celu programów symulacyjnych pozwala na przewidywanie racjonalności zastosowanych rozwiązań oraz konsekwencji z nich wynikających, jeszcze przed ich praktycznym zastosowaniem. Pomimo, iż każda symulacja obarczona jest błędem wynikającym z założeń, otrzymywane w ten sposób informacje są pomocne dla projektantów w momencie podejmowania decyzji o wyborze danego rozwiązania. Rozważając zastosowanie odnawialnych źródeł energii, podstawową decyzję jaką podejmuje projektant jest ustalenie jaki rodzaj zasilania brany będzie pod uwagę oraz określenie na podstawie badań, czy istnieją potencjalne możliwości jego wykorzystania w kontekście istniejących na danym obszarze warunków, w tym warunków klimatycznych. Chcąc wykorzystać nowoczesne narzędzia przy analizie wykorzystania odnawialnych źródeł energii konieczne jest posiadanie danych dotyczących zapotrzebowania energetycznego rozpatrywanego obiektu oraz danymi na podstawie, których można określić wydajność zastosowanych urządzeń. Z dostarczonych informacji można stworzyć dwa podstawowe profile: profil zasilania i profil zapotrzebowania na energię. Relacje pomiędzy tymi profilami nazwano umownie połączeniem. Na podstawie wprowadzonych parametrów program ocenia jakość połączenia i wydaje opinie, które z zadanych przez użytkownika systemów zasilania są najlepsze dla założonego profilu zapotrzebowania. Poniżej przedstawiono sposoby, dzięki którym można ustalać profile zapotrzebowania i zasilania oraz dokonywać oceny połączenia. Przedstawione modele stanowią integralną część programu symulacyjnego użytego do omawianych analiz, a także mogą być wykorzystywane przez inne programy. 119
3. PROFILE ZAPOTRZEBOWANIA I ZAOPATRZENIA W ENERGIĘ I OCENA ICH ZGODNOŚCI Profile zapotrzebowania określają okresowe zachowanie się obiektu pod kątem jego potrzeb energetycznych i stanowią podstawowe kryterium przy doborze sposobu zasilania. Sposób zbierania informacji o zapotrzebowaniu budynku przyjmuje różne formy i zależy od tego do jakich celów te informacje są potrzebne projektantowi oraz stopnia dokładności analizy. Potrzebne dane możemy otrzymywać w sposób bezpośredni (pomiary), pośredni (np. przewidywanie charakteru zmian mocy szczytowej) oraz teoretyczny, za pomocą symulacji komputerowych. Dokładny opis sposobu oceny połączenia pomiędzy profilami zapotrzebowania a profilami zaopatrzenia w energię opisany został przez Born [2]. Przy omawianiu zasad działania programu zamieszczonych w niniejszym opracowaniu powołano się na przykłady zaprezentowane przez jego autora. Dla potrzeb niniejszego opracowania wprowadzono pojęcia o umownym znaczeniu. Jako połączenie rozumie się relacje potencjał źródła a zapotrzebowanie budynku. Przez źródło rozumie się technologie odnawialne oraz systemy wspomagające użyte w analizie, zaś odbiornikiem jest konkretny budynek. Profil źródła i profil zapotrzebowanie to określona charakterystyka mocy urządzeń i odbiorników adekwatna dla rozważanego przypadku. Do oceny połączenia pomiędzy profilem źródła a profilem odbiornika wykorzystuje się zaawansowane modele matematyczne i statystyczne. 4. PROGRAM MERIT Rys.2. Podstawowe moduły programu (za ESRU) Fig.2. Principal components of program (by ESRU) 120
Zastosowanie programu w analizach odnawialnych źródeł energii jest bardzo szerokie i uniwersalne. Do potencjalnych użytkowników tego programu można zaliczyć inżynierów, prywatnych dostawców energii, konsultantów branży energetycznej, architektów, urbanistów i naukowców. Program został stworzony w celu wspomagania procesu optymalizacji zintegrowanych systemów energii odnawialnej, aczkolwiek jego szerokie zastosowanie dotyczy także: wymiarowania systemów odnawialnych źródeł energii, wymiarowania systemów pomocniczych, analizy usytuowania urządzeń pozyskujących energię odnawialną, identyfikacji potencjalnych rynków zbytu dla technologii odnawialnych, analizy obciążenia sieci, dyskontowania taryf energetycznych. Podstawowe moduły programu pokazano na rysunku 2, zaś szczegółowy opis zasad działania zamieszczono w pracach [2,3]. Praktyczne możliwości zastosowania Merita zostały zaprezentowane na przykładzie analizy i optymalizacji zintegrowanych systemów energii odnawialnej dla budynków Wydziału Architektury, Budownictwa i Inżynierii Środowiska Politechniki Łódzkiej. 5. STUDIUM PRZYPADKU Przykładową analizę przeprowadzono dla budynków oddanych do użytku w latach 60- tych ubiegłego wieku. Są to dwa budynki, jeden 35 metrowy budynek wysoki o zwartej bryle i drugi, 10 metrowy, rozbudowany obiekt na planie kwadratu z dwoma małymi dziedzińcami w części centralnej. Obiekty należące do Wydziału są użytkowane w pełni przez cały rok, z wyjątkiem okresu wakacyjnego, kiedy praca wydziału ogranicza się tylko do działalności naukowej i administracyjnej. Przestarzały system oświetleniowy i intensywna eksploatacja obiektu w pozostałych dziesięciu miesiącach pociąga za sobą znaczne zużycie energii elektrycznej. Przy pomocy Merit a przeprowadzono roczną analizę, mającą na celu określenie możliwości zastąpienia energii ze źródeł konwencjonalnych energią odnawialną. Badania dotyczą jedynie zmiany źródła energii, z pominięciem aspektu finansowego. Również rozmieszczenie urządzeń i ilość dostępnego miejsca, czyli uwarunkowania technologiczne nie był decydujący przy doborze urządzeń zasilających. Wyniki analizy mają na celu pokazanie możliwości zastosowania odnawialnych źródeł energii w pokryciu zapotrzebowania na energie elektryczną, jakie technologie są w tym przypadku najwydajniejsze i czy ich zastosowanie jest racjonalne. Tak duże roczne zużycie energii jest wypadkową kilku czynników. Oba budynki to duże obiekty użyteczności publicznej. Są otwarte przez cały rok od rana do późnego wieczora. Poza okresem wakacyjnym obiekty są intensywnie eksploatowane. Znaczna część energii zużywana jest dla potrzeb oświetlenia elektrycznego. Najbardziej intensywny okres pracy to semestr zimowy, który jest najdłuższy i pociąga za sobą największe zapotrzebowanie na energię spowodowane oświetleniem elektrycznym. Sytuacja ta jest tym bardziej niekorzystna, gdyż używane do tego celu są konwencjonalne żarówki zwarciowe, nierzadko o dużej mocy (powyżej 75W). Jednak największy wpływ na ilość energii elektrycznej na omawianym Wydziale mają urządzenia biurowe tj.: komputery, faksy, 121
drukarki, kserokopiarki, wszelkiego rodzaju rzutniki oraz urządzenia laboratoryjne. Do najmniejszej grupy urządzeń pochłaniających energie elektryczną możemy zaliczyć urządzenia używane do utrzymania czystości (np. froterki, odkurzacze) oraz urządzenia zastosowane w sanitariatach (np. wentylatory, suszarki do rąk). Jeśli dodamy do tego, ze liczba ich jest znaczna a niejednokrotnie nie są one urządzeniami energooszczędnymi wielkość 378 242 kwh/rok staje się wartością wytłumaczalną. Analizowany budynek rozpatrywany jest w stanie rzeczywistym. Nie są brane pod uwagę żadne modernizacje mające na celu zredukowanie zużycia energii. W związku z tym istnieje tylko jeden scenariusz zapotrzebowania i tylko on będzie brany pod uwagę w dalszej analizie. Tworzenie scenariuszy dla zredukowanych potrzeb energetycznych i modyfikacje samego budynku pozwalające na zmniejszenie zapotrzebowania planowane są w dalszej przyszłości. Warunki brzegowe W celu rozpoczęcia symulacji niezbędne jest określenie klimatu, dla którego mają być prowadzone obliczenia. W omawianym przypadku posłużono się plikiem klimatycznym TMY (z ang. Typical Meteorical Year) dla Warszawy [4]. Profil zapotrzebowania Zapotrzebowanie na energie elektryczną ustalone zostało na podstawie odczytów z liczników energii elektrycznej dla całego Wydziału. Merit posiada opcję samodzielnego tworzenia schematu zapotrzebowania na energię. Możliwe jest zdefiniowanie do 10 profili zapotrzebowania dla dni roboczych (Weekday), do 10 dla weekendów (Weekend) oraz do 10 dla wakacji i dni wolnych (Holiday). Każdy z profili jest ważny dla określonego przez użytkownika okresu czasu. Na podstawie zdefiniowanych profili program generuje profil rocznego zużycia energii. Pomiędzy okresami, które nie zostały opisane program może dokonać interpolacji liniowej lub pozostawić je jako niezdefiniowane. W analizowanym przypadku zastosowano interpolację. Aby jak najdokładniej zdefiniować zapotrzebowanie na energię elektryczną dla Politechniki Łódzkiej należało wyznaczyć różne tryby pracy uczelni na przełomie całego roku. Politechnika funkcjonuje ze zróżnicowaną intensywnością. Podczas roku akademickiego wyróżniamy okresy semestralne, sesje oraz dni wolne. Uczelnia posiada także trzy systemy nauczania w trybie studiów dziennych, wieczorowych oraz zaocznych. W przypadku tych ostatnich zajęcia odbywają się co drugi weekend każdego semestru. Poza wakacjami, w ciągu roku akademickiego są przerwy spowodowane świętami kościelnymi i państwowymi. Niestety liczba dostępnych w programie Merit typów profili jest zbyt mała aby można było opisać niezależnie każdy z tych okresów, dlatego poszczególne okresy przydzielono do następujących typów profili: Dni robocze podczas regularnego semestru: profil Weekday Soboty i Niedziele zjazdowe: profil Weekend Święta, przerwy semestralne oraz sesje: profil Holiday Zestawienie wszystkich profili zapotrzebowania pokazano na rysunku 3. Profil zasilania Profile zasilania budynku w energię wynikają z przyjętych założeń. Mogą to być systemy energii odnawialnej (np. słońce, wiatr, biomasa, biogaz itp.) jak i źródła konwencjonalne(np. generator prądu). Profile te mają często zmienny charakter a część z nich silnie zależy od warunków klimatycznych (warunki brzegowe dla OZE). 122
Rys.3. Zestawienie profili zapotrzebowania dla analizowanego budynku Fig.3. Demands profiles for analysed building 6. PRZYKŁADOWE WYNIKI Analizy przeprowadzono przy założeniu zastosowania ogniw fotowoltaicznych i turbin wiatrowych (z możliwością wspomagania dodatkowym generatorem prądotwórczym), dla kilku wariantów i ich kombinacji. Najlepszym rozpatrywanym przypadkiem jest połączenie turbin wiatrowych o łącznej mocy 100kW oraz ogniw PV o łącznej mocy 255kW. Zastosowano ponad dwukrotnie słabsze turbiny wiatrowe (względem ogniw PV) w celu uniknięcia nadprodukcji energii zwłaszcza, że w tym konkretnym przypadku zdecydowano się na dodatkowe użycie generatora o mocy 45kW. W efekcie otrzymano połączenie ocenione jako 7/10 co w przypadku analiz opartych na dużym zapotrzebowaniu na energię jest bardzo dobrym wynikiem. Współczynnik zbieżności wynosi 0,29, zaś korelacji 0,49. Stosunkowo nieznaczne nadmiary i w pełni pokryte zapotrzebowanie na energię świadczą o poprawności tego wariantu. 123
Rys.3. Najlepsze zestawienie dla analizowanego budynku Fig.3. The best connection for analysed building 7. PODSUMOWANIE W pracy pokazano praktyczne narzędzie do analiz symulacyjnych wybranych systemów energii odnawialnej. Przedstawione wyniki analiz pokazują zarówno duże możliwości samego programu jak i konieczność przeprowadzania podobnych analiz przy projektowaniu systemów energetycznych. W analizach ważne jest zarówno właściwe określenie warunków brzegowych dane klimatyczne (zależnie od wybranego urządzenia energii odnawialnej) jak i profili zapotrzebowania samych obiektów. Wyniki przedstawione dla analizowanego, przypadku zapotrzebowania na energię budynku, zlokalizowanego w warunkach klimatu zgodnego z danymi TMY (dla Warszawy), potwierdzają znaczny potencjał odnawialnych źródeł energii pomimo słabej charakterystyki energetycznej obiektu (wysokie zapotrzebowanie na energię). Niniejsze opracowanie zawiera jedynie fragment analiz przeprowadzonych dla konkretnego budynku, zlokalizowanego w warunkach polskich. Szczegółowe wyniki wszystkich przeprowadzonych analiz zamieszczono w pracy [5]. 124
8. LITERATURA [1] HEIM D., Zintegrowany system energii odnawialnej dla potrzeb budownictwa ekologicznego, Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym, s.119-125, Częstochowa, 2004. [2] BORN F. J. - Aiding Renewable Energy Integration through Complimentary Demand-SupplyMatching - 2001 [3] BŁASZCZYK E., HEIM D., Merit for integration analysis of renewable energy systems in Polish conditions, Book of Abstracts, The Fifth International Youth Environmental Forum Ecobaltica 2004, St. Petersburg, Russia, s. 58, 2004. [4] GAWIN D., KOSSECKA E., Typowy rok meteorologiczny do symulacji wymiany ciepła i masy w budynkach, Politechnika Łódzka, 2002. [5] BŁASZCZYK E., Analizy symulacyjne odnawialnych systemów energii elektrycznej pod kątem ich optymalnego wykorzystania, Praca magisterska na Wydziale Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska PŁ, Łódź, 2004. Dr inż. Dariusz Heim, adiunkt w Katedrze Fizyki Budowli i Materiałów Budowlanych Politechniki Łódzkiej. Tematyka zainteresowań: modelowanie i komputerowa symulacja procesów transportu masy i energii w budynkach oraz procesów cieplno-wilgotnościowych w jego elementach, modelowanie i komputerowa symulacja zintegrowanych systemów energetycznych z uwzględnieniem odnawialnych źródeł energii, budownictwo ekologiczne i architektura bioklimatyczna, oświetlenie architektoniczne i urbanistyczne. darkheim@p.lodz.pl Mgr inż. Ernest Błaszczyk, absolwent kierunku dyplomowania Budownictwo Ekologiczne na Wydziale Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska, Politechniki Łódzkiej. Tematyka zainteresowań: modelowanie i komputerowa symulacja odnawialnych źródeł energii oraz ich praktyczne zastosowanie w budownictwie, budownictwo drewniane, projektowanie domów w konstrukcji szkieletowej z naciskiem na oszczędność energii i rozwiązania proekologiczne całej infrastruktury budynku. walvorine@interia.pl 125