Gestionarea energiei pentru un ansamblu rezidențial, produsă prin
trigenerare
1
UNIVERSITATEA TEHNICĂ „GHEORGHE ASACHI”
DIN IAȘI
FACULTATEA DE CONSTRUCȚII ȘI INSTALAȚII
GESTIONAREA ENERGIEI PENTRU
UN ANSAMBLU REZIDENȚIAL,
PRODUSĂ PRIN TRIGENERARE
REZUMAT
- TEZĂ DE DOCTORAT -
Doctorand:
Drd. Ing. Bogdan-Andrei TOFAN
Conducător științific:
Prof. univ. dr. ing. Ion ȘERBĂNOIU
IAȘI – 2016
Gestionarea energiei pentru un ansamblu rezidențial, produsă prin
trigenerare
2
Gestionarea energiei pentru un ansamblu rezidențial, produsă prin
trigenerare
3
Cuprins
Capitolul 1. Obiectivele cercetării. Actualitatea cercetării. Stadiul
cercetării 4
1.1 Obiectivele cercetării privind producerea energiei prin trigenerarea 4
1.2 Actualitatea cercetării în domeniul producerii energiei prin trigenerare 5
1.3 Stadiul cercetării privind producerea energiei prin trigenerare 8
Capitolul 2. Confortul asigurat prin trigenerare în construcțiile
rezidențiale 27
2.1 Locuirea în perspectiva folosirii trigenerării 27
2.2 Locuințele și locuirea în perspectivă istorică 28
2.3 Soluții tehnice pentru construcții rezidențiale 31
2.4 Dinamica condițiilor de locuire și confort în România 33
2.5 Confortul termic în construcțiile rezidențiale 37
2.5.1. Standardizarea confortului în clădiri 39
2.5.2. Beneficiarul confortului termic în clădirile rezidențiale 41
2.5.3 Abordări matematice în modelarea confortului termic în clădirile
rezidențiale 46
2.6 Confortul termic în clădire – parametrii caracteristici 53
2.6.1 Temperatura aerului interior 54
2.6.2 Temperatura medie a elementelor de anvelopă 54
2.6.3 Temperatura punctului de rouă 55
2.6.4 Viteza de circulație a aerului Eroare! Marcaj
în document nedefinit. 56
2.6.5 Umiditatea relativă a aerului 57
2.7 Cuantificarea parametrilor caracteristici confortului termic în clădirile
rezidențiale 57
2.7.1 Temperatura efectivă 57
2.7.2 Temperatura operativă Eroare!
Marcaj în document nedefinit. 58
Gestionarea energiei pentru un ansamblu rezidențial, produsă prin
trigenerare
4
2.7.3 Temperatura termometrului cu bulb umed 59
2.7.4. Asimetria de radiație 59
2.7.6 Gradient de temperatură 61
2.7.7. Temperatura pardoselii 61
2.8 Particularitățile confortul termic în clădirile rezidențiale 62
2.9 Influența confortului termic în proiectarea sistemelor de încălzire/răcire 66
Capitolul 3. Sisteme de asigurare a energiei în clădirii rezidențiale 70
3.1 Teoria sistemelor aplicată în asigurarea energiei pentru clădirile
rezidențiale 70
3.2 Clădirea rezidențială – sistem tehnico-economic 75
3.3. Subsistemul de alimentare cu resurse energetice primare a sistemului
energetic 88
3.4. Subsistemul de producere a energiei în clădirile rezidențiale 91
3.4.1. Producerea energiei electrice pentru clădirile rezidențiale 91
3.4.2 Subsistemul instalații de producere a energiei termice de tip local și
local-centralizat în cadrul clădirilor rezidențiale 93
3.5. Sistemele de cogenerare și trigenerare pentru asigurarea confortului în
clădirile rezidențiale 105
3.5.1 Echipamente și tehnologii pentru producerea energiei electrice în
sistemele de trigenerare
108
3.5.2 Tehnologiile de producere a agentului de răcire în sisteme de
trigenerare 120
Capitolul 4. Eficiența economică a utilizării surselor de
asigurare a energiei în clădirile rezidențiale 124
4.1 Conceptul de eficiență economică a investiției 124
4.2 Indicatorii de apreciere a eficienței economice a investiției 128
4.3 Cuantificarea criteriilor de apreciere a eficienței economice 129
4.3.1 Indicatorii de apreciere a eficienței unui sistem de trigenerare 129
4.3.2 Indicatorii economici de apreciere a eficienței unui sistem de trigenerare 132
Gestionarea energiei pentru un ansamblu rezidențial, produsă prin
trigenerare
5
4.3.3 Indicatorii de mediu pentru aprecierea eficienței unui sistem de trigenerare 135
4.4 Simularea funcționării unui sistem de trigenerare pentru clădirile
rezidențiale 135
4.4.1 Programul de simulare Retscreen și algoritmul de funcționare 135
4.4.2 Descrierea ipotezelor și a datelor de intrare 146
4.4.3 Interpretarea rezultatelor 17
Capitolul 5. Concluzii și contribuții personale privind
gestionarea energetică a ansamblurilor rezidențiale folosind
trigenerare 165
5.1 Concluzii generale privind trigenerarea în asigurarea confortului 165
5.2 Contribuții personale 169
5.3. Valorificarea rezultatelor cercetării 170
BIBLIOGRAFIE 173
Teza de doctorat cuprinde un număr total de 180 de pagini şi un număr de 159 citări
bibliografice. Rezumatul tezei respectă numerotarea paragrafelor, figurilor şi a tabelelor
prezentate în lucrare.
Gestionarea energiei pentru un ansamblu rezidențial, produsă prin
trigenerare
6
Capitolul 1. Obiectivele cercetării. Actualitatea cercetării.
Stadiul cercetării
1.1 Obiectivele cercetării privind producerea energiei
prin trigenerarea
Asigurarea confortului a fost una din preocupările principale ale
omului, încă din cele mai vechi timpuri, începând cu descoperirea focului
și utilizarea acestuia pentru a încălzi peștera în care stătea, până în secolul
XXI d.Hr. când nevoile de confort sunt mult mai ridicate, iar cantitatea de
energie consumată a fost într-o continuă creștere.
Creșterea nevoii de energie presupune creșterea consumului de
combustibili corelată în majoritatea cazurilor cu o intensificare a poluării
mediului înconjurător. Pornind de la această constatare, Comisia
Europeană a impus o serie de directive pentru a determina producătorii,
dar și consumatorii, să dezvolte/achiziționeze echipamente cu randamente
din ce în ce mai ridicate, care să scadă consumul de energie și să emane
mai puține noxe.
Din ce în ce mai multe țări și oameni de știință încurajează
producerea combinată a 2 sau mai multor tipuri de energie, aceste sisteme
conducând, în anumite situații, la o eficiență mai ridicată decât producerea
separată a acestora. Producerea mai multor tipuri de energie se poate
realiza în mai multe feluri și anume: cogenerare (CHP) - producerea de
energie electrică și agent termic pentru încălzire și prepararea apei calde
de consum; trigenerare - producerea de energie electrică, agent termic
pentru încălzire și preparare apă caldă de consum și agent de răcire; quad-
generation - producerea de energie electrică, agent termic pentru încălzire
și prepararea de apă caldă de consum, agent de răcire și captarea emisiilor
de dioxid de carbon.
Gestionarea energiei pentru un ansamblu rezidențial, produsă prin
trigenerare
7
Obiectivul principal urmărit în cadrul cercetării constă în
identificarea unei soluții tehnice eficiente - de ce nu cea mai eficientă?
– care să asigure în același timp energia electrică, energie termică
pentru încălzirea și răcirea spațiilor pentru un ansamblu rezidențial de
mărime mică-mijlocie, care va fi arondat, unui punct termic.
Se au în vedere un număr variabil de cerințe, dintre care
menționăm:
În cadrul obiectivului principal, avem în vedere
coroborarea soluțiilor de trigenerare studiate, cu
exigențele unui confort termic adecvat în spațiile locuite
din arealul rezidențial. Cercetarea are în vedere
exigențele utilizatorului legate de asigurarea confortului
termic la standardele actuale cu un efort financiar minim
din partea beneficiarului.
Un obiectiv secundar al cercetării îl constituie reducerea
emisiilor de dioxid de carbon, soluțiile de trigenerare
fiind o alternativă la soluțiile actuale care poluează într-o
măsură mai mare mediul înconjurător.
Gestionarea energiei pentru un ansamblu rezidențial, produsă prin
trigenerare
8
Capitolul 2. Confortul asigurat prin trigenerare în
construcțiile rezidențiale
Pentru a cuantifica posibilitățile de asigurare a confortului în
construcțiile rezidențiale, au fost necesare lămuriri în legătură cu
conceptele de locuire și locuință, care în literatura de specialitate apar sub
diferite definiții. Analizând numeroasele interpretări, acceptăm că:
locuința poate fi definită ca o „Unitate funcțională, construcție de sine
stătătoare sau componentă a unei construcții, formată din una sau mai
multe camere de locuit situate la același nivel al clădirii sau la niveluri
diferite, cu dependințele, dotările și utilitățile necesare, având acces
direct sau servitute de trecere și intrare separată, și care a fost construită
sau transformată în scopul de a fi folosită, de regulă, de o singură
gospodărie, pentru satisfacerea cerințelor de locuit”. Respectiv locuirea
este un ansamblu de interacțiuni de natură socială, economică și
culturală înscrise între anumite repere istorice și spațiale, locuirea fiind
influențată de aspecte legislative, administrative și politice din care face
parte comunitatea în care este inclus individul. Complexitatea
influențelor răsfrânte asupra modului de locuire sunt cel mai ușor de
observat în cazul locuințelor urbane, cu mult diferite de cele rurale, prin
gradul de confort sporit, prin funcționalități diferite, locuințele urbane
fiind integrate în cadre rezidențiale cu impuneri economice, sociale și
culturale.
Calitatea unei clădirii poate fi apreciată prin măsura în care
proprietățile acesteia, la darea în exploatare sau la un moment dat în
timpul exploatării, corespund exigențelor specifice determinate de
destinație și comandă socială. Din acest motiv se impun anumite exigențe
sau criterii de performanță pe care clădirile trebuie să le îndeplinească:
Gestionarea energiei pentru un ansamblu rezidențial, produsă prin
trigenerare
9
Exigențe privind confortul termic; Temperatura aerului; Uniformitatea
câmpului de temperatură; Temperatura medie radiantă; Temperatura
rezultantă; Calitatea aerului exterior clădirii; Degajarea de noxe din
interiorul clădirii; Gradul de ventilare; Intensitatea de iluminare optimă în
toate punctele de lucru; Evitarea variațiilor de luminozitate importante la
limita câmpului vizual; Evitarea umbrelor pronunțate pe suprafețele de
lucru; Asigurarea unui contrast corespunzător între detaliu și fond; Nivel
de zgomot din surse exterioare; Nivel de zgomot din surse interioare. Se
detașează exigențele privind confortul termic care poate fi asigurat în
diferite forme, detașându-se, după aprecierea noastră, trigenerarea, atât
din punct de vedere tehnic cât și economic. Pentru a identifica sistemul
optim de sistem de trigenerare pentru clădiri, în cap. 2.7, se cuantifică
matematic parametrii caracteristici confortului termic în clădiri
rezidențiale. Prin relații de calcul, reprezentări grafice, tabele, se
cuantifică principalii parametrii ce caracterizează confortul termic în
construcțiile rezidențiale, parametrii ce se constituie în criterii de selectare
a sistemului optim de trigenerare studiat în continuare.
10
Capitolul 3. Sisteme de asigurare a energiei în clădirii rezidențiale
Clădirea rezidențială poate fi asimilată cu un sistem (conform
teoriei sistemelor cibernetice), ce respectă în mare parte caracteristicile
proprii acestuia. În acest sens, sistemul clădire, în general, deci și clădirea
rezidențială presupune mai multe subsisteme, interdependente.
Scopul clădirii este de a asigura, printre altele, și confortul
utilizatorului, acest lucru fiind posibil prin menținerea constantă a unor
parametrii tehnici. Reglarea acestora este realizată în urma analizei
mărimilor de intrare (temperaturi interioare, exterioare, nivel de
îmbrăcăminte al utilizatorului, etc) transformându-le în mărimi de ieșire
(consum de energie electrică, termică, etc.).
Confortul termic într-o clădirile rezidențială poate fi formalizat
matematic, după aprecierea noastră, astfel:
𝑪𝒕 = 𝒇(𝑮,𝑸î𝒏𝒄, 𝑸𝒓ă𝒄) (3.4)
unde:
G – coeficient global de izolare termică definit conform
normativului C 107-2005;
Qînc – necesarul termic pentru perioada de iarnă, calculat
conform standardului SR 1907 – 2014;
Qrăc – necesarul termic pentru perioada de vară, calculat în
conformitate cu normativul I5-2010.
3.5. Sistemele de cogenerare și trigenerare pentru asigurarea
confortului în clădirile rezidențiale
Trigenerarea, care are ca efect producerea a trei categorii de
energie – energie electrică, agent de încălzire, agent de răcire – importante
în mod determinant pentru asigurarea confortului în clădiri, presupune
moduri diferite de manifestare funcție de anotimp, astfel:
11
În sezonul cald există un consum energetic ridicat pentru
asigurarea confortului termic, în principal datorită creșterii
temperaturilor medii zilnice anuale în perioada de vară.
În perioada rece energia termică este utilizată pentru
producerea agentului termic pentru încălzire și prepararea
apei calde menajere.
Structura unui sistem de trigenerare se poate observa în figura
3.19.
Figura 3.19. Alcătuirea unui sistem de trigenerare
Alimentarea clădirilor de la un sistem de trigenerare beneficiază
de o serie de avantaje, de natură economică, tehnică, estetică.
Consumurile electrice ale clădirilor racordate la un sistem de trigenerare
sunt mai reduse față de alte clădirii, în primul rând datorită eliminării
instalațiilor de răcire individuale, echipamente energofage și, în al doilea
rând, permite o reglare mult mai calitativă a parametrilor interiori.
Echipamentele frigorifice care utilizează căldură pentru a
produce apă rece sunt instalațiile cu absorbție, adsorbție sau
dezumidificatoare.
S1.Subsist
em Alimentare
combustibi
l
Gaz
natural
Energi
e
electri
Motori
nă
și/sa
u
și
S2. Subsistem
Producere
energie
S3.Subsistem
Transport și
distribuție
S4.Subsistem
Consumato
r final
12
Capitolul 4. Eficiența economică a utilizării surselor
de asigurare a energiei în clădirile rezidențiale
4.3 Cuantificarea criteriilor de apreciere a eficienței
economice
Cuantificarea criteriilor de apreciere a eficienței economice, în
cazul sistemelor de trigenerare se poate realiza prin intermediul
următoarelor tipuri de indicatori:
- indicatori cu caracter tehnic
- indicatori economici,
- indicatori de mediu.
4.4 Simularea funcționării unui sistem de
trigenerare pentru clădirile rezidențiale
Programul de simulare Retscreen, varianta 4.1, a fost dezvoltat
de centrul de cercetare CanmetEnergy. Finanțarea programului a fost
asigurată de către Guvernul Canadei și a unor organizații internațional,
cele mai importante fiind: N.A.S.A. (National Aeronautics & Space
Administration), U.N.E.P. (United Nations Environment Programme) și
alții.
Decizia de a investi într-un sistem de trigenerare poate avea la
bază două metode, care apar în literatura de specialitate (***,
http://www.cospp.com, 2015):
Metoda de decizie bazată pe criterii de bază,
Metoda de decizie bazată pe designul sistemului.
13
Schema de decizie pe care o propunem, în vederea proiectării unui
sistem de trigenerare, este de forma prezentată în figura 4.8.
START
Suprafata desfăsurată a clădirii/clădirilor care se vor alimenta
de la sistemul de trigenerare
Caracteristicile elementelor de constructie ale clădirii/clădirilor
Necesar de căldură pentru perioada rece
Necesar de căldură pentru perioada caldă
Necesarul de energie electrică în cazul clădirilor noi
Graficul de consum al energiei electrice
Sistemul va compensa vârfurile
de consum energie electrică?
NUDA
DASe poate sistemul de
trigenerare interconecta
cu sistemul electric
na?ional?
Sistemul energetic
national va prelua
vârfurile de sarcină.
NU
Este posibilă utilizarea
resurselor regenerabile
pentru a produce
energie electrică?
DA
Se vor utiliza panourile
fotovoltaice sau turbine
eoliene ca sistem de
rezervă ?i preluare a
vârfurilor sarcină
Se supradimensionează
subsistemul de
generare energie
electrică pentru a prelua
?i vârfurile de sarcină
Dimensionare
subsistem de generare
energie electrică pentru
acoperire pentru
sarcina electrică medie
NU
1
14
Figura 4.8 Schema de principiu privind proiectarea unui sistem de trigenerare
NUSistemul va dispune de sistem de
rezervă pentru preparare agent
termic?
1
Dimensionare
subsistem de preparare
agent termic pentruîncălzire ?i preparare
apă caldă menajeră
DA
Dimensionaresubsistem rezerva
pentru preparare agent
termic pentru încălzire?i apă caldă menajeră
Dimensionaresubsistem de preparare
agent de răcire
NUSistemul va dispune de sistem de
rezervă pentru preparare agent de
răcire?
DA
Dimensionare
subsistem de rezervă
pentru preparare agent
răcire
DA
Dimensionare
re?ea de distributie energieelectrică, termică ?i de răcire
către consumatori
DA
Dimensionare
corpuri de încălzire/răcire la
consumatori, dimensionare
retea de distribu?ie energie
electrică
2
2
Evaluare costuri initiale:- studii, proiect, aprobări;
- procurare ?i montaj
echipamente;- diverse ?i neprevăzute;
Evaluare costuri operare ?i
mentenantă;
Determinare indicatori
financiari (profit, amortizare,
etc.)
Evaluare impact asupra
mediului.
Sunt necesare măsuri
suplimentare pentru reducerea
noxelor?
DA
NU
Analiza indicatorilor financiari
obtinuti
Decizie privind eficienta
economica a investitiei
STOP
15
4.4.2 Descrierea ipotezelor și a datelor de intrare
Studiile efectuate pe durata doctoratului au relevat faptul că
sistemele de trigenerare cu biomasă, într-un ansamblu rezidențial din
cadrul unei așezări urbane prezintă multe provocări din punct de vedere
logistic și de spațiu (Tofan, B.A. et al. 2014a). Soluțiile de trigenerare
luate în considerare în cele trei cazuri propuse reprezintă variante studiate
și bine documentate, care pot fi implementate relativ facil în cadrul unei
zone rezidențiale (Tofan, B.A. et al. 2014c; Tofan, B.A. et al., 2015).
Cele trei cazuri propuse sunt:
Cazul I: este constituit dintr-o clădire de locuit, structurat
pe P + 4E,având suprafața desfășurată de 1556 [m2].
Cazul II: este constituit din 2 clădiri de locuit, structurat
pe P + 4E, având suprafața desfășurată de 1556
[m2]/clădire.
Cazul III: este constituit din 3 clădiri de locuit, structurat
pe P + 4E, având suprafața desfășurată de 1556
[m2]/clădire.
Pentru fiecare din cele trei cazuri, s-au analizate o serie de
scenarii cauzate de:
Tipul de echipament pentru producerea de energie
electrică:
- Motor cu ardere internă;
- Microturbină.
Tipul de combustibil utilizat (doar în cazul folosirii
motorului cu ardere internă):
- Gaz natural;
16
- Motorină.
După modul de operare a sistemului de trigenerare:
- operare după curba de consum a energiei electrice;
- operare după curba de consum a agentului termic.
După cerințele utilizatorilor în realizarea confortul
termic:
- temperaturi interioare diferite în perioada rece care ar
conduce la un necesar de căldură cuprins între 40-50
W/m2
- temperaturi interioare diferite în perioada caldă care ar
conduce la un necesar de frig cuprins între 145-155 W/m2
În efectuarea analizei eficienței economice, s-au folosit următorii
indici economici și financiari:
Curs euro – dolar american: 1 euro = 1.09 USD
Curs euro – dolar canadian: 1 euro = 1.50 CAD
Curs euro – leu românesc: 1 euro = 4.525 lei
Prețul gazului natural în România: 1 m3N gaz natural =
0.385 euro
Prețul unui kWh de energie electrică în România: 1
kWh = 0.095 euro
Valoarea inflației în România la nivelul anului 2015:
2.5 %
Rata de indexare a combustibilului în România: 5 %
Impozitul pe venituri: 16 %.
Randament centrală termică caz de referință 80%
C.O.P. aparat de climatizare tip split caz de referință: 3
17
Durata de viață a proiectului: 20 de ani
Se prevăd sisteme de back-up pentru producerea de
agent termic.
4.4.3 Interpretarea rezultatelor
Datele obținute vor fi prezentate pe cazuri, în final realizându-se
matricea decizională, care va lua în considerare caracteristicile cele mai
sugestive. De notat este că numărul de criterii de decizie din matrice poate
avea un număr mai mare față de cea propusă de noi, funcție de nivelul de
analiză dorit.
Costul total al investiției, calculat conform ecuației 4.10, este
redat, pentru fiecare caz, în tabelele 4.8, 4.9 și 4.10, precum și costurile
care compun costul total. Costurile sunt exprimate în euro.
Tabelul 4.8 Indicatori economici obținuți în cazul I
Subcaz Cstudii +
Cinginerie Celectric Cîncălzire Crăcire Cdiverse
Costuri
total
1 2 3 4 5 6 7
1A 40/145 45500 229948 68646 78467 214637 635697
1A 50/155 45500 229948 68646 78467 214712 637272
1B 40/145 45500 218573 70937 78467 235257 648734
1B 50/155 45500 218573 70937 78467 244565 658042
1C 40/145 52000 278323 76585 78467 256688 742062
1C 50/155 52000 278323 76585 78467 256688 742062
Tabelul 4.9 Indicatori economici obținuți în cazul II
18
Subcaz Cstudii +
Cinginerie
Celectric Cîncălzire Crăcire Cdiverse Costuri
total
1 2 3 4 5 6 7
2A 40/145 82000 440573 113959 162567 400003 1199101
2B 50/155 82000 440573 115459 162567 400078 1200678
2B 40/145 82000 400323 117933 162567 388339 1151161
2B 50/155 82000 400323 117933 162567 388339 1151161
2C 40/145 88000 505646 121733 162567 401427 1279373
2C 50/155 88000 505646 118733 162567 401427 1276223
Tabelul 4.10 Indicatori economici obținuți în cazul III
Subcaz Cstudii +
Cinginerie
Celectric Cîncălzire Crăcire Cdiverse Costuri
total
1 2 3 4 5 6 7
3A 40/145 119000 631596 171702 243171 548212 1702169
3A 50/155 119000 631596 171702 243171 548212 1702169
3B 40/145 119000 598446 172151 243171 572756 1694372
3B 50/155 119000 598446 172151 243171 572756 1694372
3C 40/145 126000 711471 172809 243171 578882 1812476
3C 50/155 126000 711471 172809 243171 578882 1812476
După cum se poate observa, costurile totale nu sunt influențate
de sarcina termică pe timpul verii sau iernii ele fiind constante atunci când
19
sarcinile termice cresc. Acest aspect este cauzat de o serie de factori din
care:
- producerea de agent termic pentru încălzire este dependentă de
producerea de energie electrică, agentul termic fiind rezultatul răcirii
motorului cu ardere internă sau a microturbinei.
- sistemul considerat în lucrare dispune de sisteme de rezervă/ de
preluare a vârfurilor de sarcină, astfel că costul echipamentelor pentru
producerea de agent termic nu diferă.
- chiller-ele cu absorbție se supradimensionează cu aproximativ
10% astfel că modificări ale sarcinii termice nu influențează costul
echipamentelor, nefiind nevoie de alte echipamente pentru a satisface un
necesar de frig mai crescut.
Se poate observa că în calculul costurilor totale nu s-a luat în
considerat modul de funcționare a sistemului, deoarece acesta
influențează doar costurile operaționale. Astfel în figura 4.9 sunt ilustrate
costurile pe care le implică funcționarea celor trei cazuri comparativ cu
modul de lucru al cazului de referință dacă sistemul este analizat după
curba sarcinilor electrice având în vedere un necesar termic de 40 W/m2
pe timpul iernii și 145 W/m2 pe timpul verii.
Din grafic se pot enunța următoarele concluzii:
- costurile operaționale ale sistemelor de trigenerare cu motorină
sunt cele mai crescute;
- costurile operaționale totale a sistemelor de trigenerare care
utilizează gazul natural în cazul I sunt mai crescute decât costurile totale
ale cazului de referință, însă pe măsură ce necesarul de energie crește, se
observă că operarea sistemului de referință în cazul III este mai rentabilă
decât a cazului de referință.
- costurile cu energia electrică în cazul sistemele de trigenerare
este redus, acesta fiind utilizat doar pentru a prelua vârfurile de consum.
20
Figura 4.9 Costuri de operare pentru sistemele de trigenerare cu sarcină
termică 40 W/m2, sarcină de răcire 145 Wm2, acționate după curba de sarcină
electrică
În figura 4.10 este evidențiată influenta creșterilor de sarcină
termică și de răcire (de 50 W/m2 și 155 W/m2 ) asupra curbei de operare
după sarcina electrică.
1187
0
101075
102262
1187
276092
1731
279010
1187
0
138094
139281
100743
0
7413
108156
1187
0
200998
202185
1187
561544
2296
565028
2376
0
224016
226391
201388
0
14831
216219
3563
0
295258
298821
3563
772123
4326
780012
3563
0
308652
312215
302082
0
22247
324329
Cost energ. el.
Costuri motorina
Costuri gaz natural
Cost total
Ref. 3C 3B 3A Ref. 2C 2B 2A Ref. 1C 1B 1A
21
Figura 4.10 Costuri de operare pentru sistemele de trigenerare cu sarcină
termică 50 W/m2, sarcină de răcire 155 Wm2, acționate după curba de sarcină
electrică
După cum se poate observa există diferențe minore de cost
privind combustibili, lucru de înțeles ținând cont de faptul că sarcina
termică și de răcire nu influențează echipamentul de producere a energiei
electrice, principalul consumator de combustibil.
Din analiza graficului 4.11 se poate preciza faptul că sistemele de
trigenerare au costuri de funcționare sub cele ale cazului de referință deși
acest cost nu a suferit modificări. Comparativ cu graficul 4.9 unde
1178
0
100554
101733
1178
273932
1984
277094
1177
0
137196
138373
100860
0
9266
110127
1189
0
199415
565028
1189
556433
2554
560177
2354
0
222367
224721
201388
0
18539
219927
3531
0
293034
296565
3531
765096
4763
773390
3531
0
306230
309850
302082
27808
329890
Cost energ. el.
Costuri
Costuri gaz natural
Cost total
Ref. 3C 3B 3A Ref. 2C
2B 2A Ref. 1C 1B 1A
22
costurile operaționale ale cazului de referință erau mai reduse față de
sistemele de trigenerare, exceptând cazul III, în situația din graficul 4.11
se poate concluziona că rularea după sarcina termică aduce economii
anuale substanțiale.
Figura 4.11 Costuri de operare pentru sistemele de trigenerare cu sarcină
termică 40 W/m2, sarcină de răcire 145 Wm2, acționate după curba de sarcină
termică
În figura 4.12 sunt ilustrate costurile de operare atunci când
sistemele de trigenerare lucrează la sarcina termică și de răcire maximă
proiectată. Diferențele de costuri nu sunt mari, fiind de maxim 5 %.
Aceste diferențe sunt normale, dat fiind faptul că sistemul reacționează la
creșterile de necesar termic prin echipamentele de rezervă.
20397
0
37611
58007
21429
77287
6007
104723
24885
0
31083
55969
100743
0
7413
108270
21963
0
61873
83836
24609
92306
16480
133395
49230
0
55669
104899
201388
0
14831
216219
64722
0
97472
162194
66107
198567
17434
282108
68937
0
90875
159812
302082
0
22247
324329
0 100000 200000 300000
Cost energ. el.
Costuri motorina
Costuri gaz natural
Cost total
Ref. 3C 3B 3A Ref. 2C
23
Figura 4.12 Costuri de operare pentru sistemele de trigenerare cu sarcină
termică 50 W/m2, sarcină de răcire 155 Wm2, acționate după curba de sarcină
termică
Costurile de întreținere a sistemelor de trigenerare se situează în
jurul valorii de 7000-8000 euro pentru cazul I crescând până la 11000-
20000 euro pentru cazul III. Procentual, din costul de operare, costurile
de întreținere sunt exprimate în tabelul 4.11. Aceste costuri au un caracter
constant pe toata durata de viață preconizată a proiectului, eventualele
19544
0
41277
60821
20655
82648
7468
110770
24381
0
34351
58732
100860
0
9266
110127
21442
0
66804
88246
24336
98234
17664
140234
48160
0
59883
108043
201338
0
18539
219927
62380
0
106223
168603
63872
212555
20545
296972
63872
0
104384
168256
302082
27808
329890
Cost energ. el.
Costuri
Costuri gaz natural
Cost total
Ref. 3C 3B 3A Ref. 2C 2B 2A Ref 1C 1B 1A
24
creșterii fiind nesemnificative. De asemenea, ponderea în costul de
operare diferă între modurile de operare din trei motive:
- aceste costuri nu țin cont de modul de operare a sistemului de
trigenerare;
- ponderea diferită provine din faptul că operarea are costuri
diferite funcție de modul de operare;
- costul de operare este influențat de creșterea sarcinii termice.
Tabel 4.11 Ponderea costurilor de întreținere din costurile de operare
Nr.
Crt.
Caz Pondere Nr.
Crt.
Caz Pondere
1 2 3 4 5 6
1. IA CSE 6,86 - 6,89
%
10. IIB CST 5,34 - 5,61%
2. IA CST 11,53 –
12,09 %
11. IIC CSE 3,84 – 3,87 %
3. IB CSE 2,56 – 2,61
%
12. IIC CST 8,05 – 8,28 %
4. IB CST 6,44 – 6,86
%
13. IIIA CSE 3,85 – 3,88 %
5. IC CSE 57,9 - 5,83
%
14. IIIA CST 6,38 – 7,10 %
6. IC CST 13,74 –
14,42 %
15. IIIB CSE 1,43 – 1,44 %
7. IIA
CSE
3,82-3,85 % 16. IIIB CST 3,75 – 3,95 %
8. IIA
CST
8,75 – 9,21
%
17. IIIC CSE 6,36 – 6,41 %
9. IIB
CSE
1,32-1,34 % 18. IIIC CST 11,80 – 12,42%
Dintre parametrii tehnici enumerați în capitol 4.1, vom studia doar
randamentul, doar acesta are efect asupra indicatorilor economici și
financiari. Eficiența energetică a sistemelor de trigenerare, în cazurile
considerate, este influențat de modul de operare a instalațiilor, având
25
valori mai reduse, figura 4.13a și b, în modul de operare după curba de
sarcină electrică decât în cea termică.
Figura 4.13a Randamentul sistemelor de trigenerare care funcționează după
curba de sarcină electrică
54,857,4
50,152,5
40,142
51,854,1
46,648,6
46,648,6
53,355,751
53,351
53,3
0 20 40 60 80 100
1A 40/145
1B 40/145
1C 40/145
2A 40/145
2B 40/145
2C 40/145
3A 40/145
3B 40/145
3C 40/145
26
Figura 4.13b Randamentul sistemelor de trigenerare care funcționează după
curba de sarcină termică
Randamentele sistemelor de trigenerare funcționând după CST,
în toate cele trei cazuri, au valori apropiate, nefiind influențate de creșteri
ale sarcinii termice, spre deosebire de randamentele sistemelor de
trigenerare care funcționează după CSE, care au fluctuații sesizabile
atunci când numărul de clădirii studiat este mai mare.
Emisiile de noxe sunt influențate de randamentul instalației,
astfel că acolo unde apar valori diferite ale eficienței energetice se
raportează și cantității de dioxid de carbon diferite. Tabelul 4.12 ilustrează
cantitățile de dioxid de carbon – exprimate în tCO2 – emise de către
instalațiile considerate, corespunzător celor trei cazuri. În aceastăipoteză,
s-a efectuat și o corespondență față de cazul de referință.
Tabelul 4.12 Emisii de dioxid de carbon
Caz Emisii noxe tCO2 Caz Emisii noxe tCO2
1A CSE 40/145 506,1 1A CST 40/145 469,1
86,786,786,186,1
84,984,9
86,786,78686868686,986,986,586,586,586,5
1A 40/145
1B 50/155
1C 50/155
2A 40/145
2B 40/145
2C 40/145
3A 40/145
3B 40/145
3C 40/145
27
1B CSE 40/145 766,3 1B CST 40/145 538,2
1C CSE 40/145 685,3 1C CST 40/145 500,6
Caz referință 497,2 Caz referință 500,1
1A CSE 50/155 503,4 1A CST 50/155 474,9
1B CSE 50/155 761,6 1B CST 50/155 548,7
1C CSE 50/155 680,8 1C CST 50/155 509,4
Caz referință 506,7 Caz referință 509,7
2A CSE 40/145 989,8 2A CST 40/145 608,8
2B CSE 40/145 1535,4 2B CST 40/145 674,1
2C CSE 40/145 1118 2C CST 40/145 962,3
Caz referință 994,4 Caz referință 1000,4
2A CSE 50/155 982,2 2A CST 50/155 625,4
2B CSE 50/155 1523 2B CST 50/155 692
2C CSE 50/155 1109,7 2C CST 50/155 967,4
Caz referință 1012,3 Caz referință 1019
3A CSE 40/145 1479,6 3A CST 40/145 1382,8
3B CSE 40/145 2144 3B CST 40/145 1548
3C CSE 40/145 1544,5 3C CST 40/145 1410,1
Caz referință 1491,6 Caz referință 1502
3A CSE 50/155 1468,4 3A CST 50/155 1392,3
3B CSE 50/155 2127 3B CST 50/155 1569
3C CSE 50/155 1532,7 3C CST 50/155 1404,3
Caz referință 1518,5 Caz referință 1529,8
Emisiile de noxe în cazul sistemelor de trigenerare care utilizează
motorină au valorile cele mai crescute. Atunci când se utilizează sisteme
de trigenerare care utilizează gazul natural, cazurile II și III înregistrează
valori sub nivelul cazului de referință. Astfel, putem concluziona că, pe
măsură ce sistemul alimentează un număr mai mare de clădiri, aceste
instalații reprezintă o variantă mai ecologică decât cea a cazului de
referință.
28
Indicatorii financiari analizați în cadrul lucrării sunt:
- rata de recuperare a investiției - RRI;
- perioada de amortizare simplă - PAS;
- rentabilitatea capitalurilor proprii - R;
- valoarea netă actualizată - VAN;
- raportul cost – beneficiu C-B.
Tabelurile 4.13, 4.14 și 4.15 ilustrează indicatorii financiari pentru
cele trei cazuri, mod de operare și sarcina termică și de răcire.
Tabel 4.13 Indicatori financiari caz I
Caz Mod de operare RRI PAS R VAN C-B
% an An Euro -
1 2 3 4 5 6 7
1A 40/145 CSE < 0 > 20 ani > 20 ani -610315 0,04
CST 8,7 14,7 12,1 684464 2,08
1A 50/155 CSE < 0 > 20 ani > 20 ani -538407 0,16
CST 8,5 15 12,3 658157 2,03
1B 40/145 CSE < 0 > 20 ani > 20 ani -6757529 -9,42
CST < 0 > 20 ani > 20 ani -701563 -0,08
1B 50/155 CSE < 0 > 20 ani > 20 ani -6634408 -9,08
CST < 0 > 20 ani > 20 ani -855213 -0,3
1C 40/145 CSE < 0 > 20 ani > 20 ani -2002720 -1,73
CST 7,3 16,8 13,3 614653 1,83
1C 50/155 CSE < 0 > 20 ani > 20 ani -1926689 -1,6
CST 7,1 17,1 13,5 589578 1,79
29
Tabel 4.14 Indicatori financiari caz II
Caz Mod de
operare RRI PAS R VAN C-B
% an An Euro -
1 2 3 4 5 6 7
2A
40/145
CSE < 0 > 20
ani
> 20
ani -950597 0,21
CST 13,9 9,6 8,8 2508227 3,09
2A
50/155
CSE < 0 > 20
ani > 20 ani
-797923 0,34
CST 13,8 9,6 8,9 2486898 3,07
2B
40/145
CSE < 0 > 20
ani
> 20
ani
-
13446996
-
10,68
CST 8,1 15,2 12,6 1115654 1,97
2B
50/155
CSE < 0 > 20
ani
> 20
ani
-
13146708
-
10,45
CST 7,7 15,8 12,9 1028225 1,9
2C
40/145
CSE < 0 > 20
ani
> 20
ani -1847892 -0,44
CST 10,5 12,4 10,8 1793386 2,4
2C
50/155
CSE < 0 > 20
ani
> 20
ani -1658030 -0,3
CST 10,6 12,3 10,7 1815198 2,42
Tabel 4.15 Indicatori financiari caz III
Caz Mod de operare RRI PAS R VAN C-B
% an An Euro -
1 2 3 4 5 6 7
3A 40/145 CSE < 0 > 20 ani > 20 ani 1197913 0,3
CST 12% 11,2 10 2799160 2,64
3A 50/155 CSE < 0 > 20 ani > 20 ani -969899 0,43
CST 11,7 11,3 10,1 2775567 2,63
30
3B 40/145 CSE < 0 > 20 ani > 20 ani -17791729 -9,5
CST < 0 > 20 ani > 20 ani -684600 0,6
3B 50/155 CSE < 0 > 20 ani > 20 ani -17368714 -9,25
CST < 0 > 20 ani > 20 ani -954800 0,44
3C 40/145 CSE < 0 > 20 ani > 20 ani -1884831 -0,04
CST 10,6 12,5 10,8 2583314 2,43
3C 50/155 CSE < 0 > 20 ani > 20 ani -1641401 0,09
CST 10,3 12,7 10,9 2500367 2,38
În cazul adoptării unui sistem de trigenerare pentru o clădire cu
regim de înălțime P+4E, putem constata că sistemele care generează
indicatori financiari favorabili sunt sistemele care folosesc echipamente
care utilizează gazul natural și care operează după curba de sarcină
termică.
În cazul II se observă că toate sistemele prezintă indicatori
financiari favorabili, iar în cazul III se observă că doar sistemele cu gaz
natural generează profituri.
Funcționarea după curba de sarcină electrică nu prezintă
indicatori financiari favorabili în niciuna dintre situație analizată, prin
urmare este de dorit evitareaunui astfel de mod de funcționare a sistemele
de trigenerare.
Desigur, pentru a putea realiza o analiză exhaustivă toți
indicatori enumerați trebuie analizați simultan. Informațiile prezentate
anteriori sunt centralizate într-o matrice decizională, prezentată în tabel
4.16, 4.17 și 4.18.
31
Tabel. 4.16 Matrice decizională caz I
Analizând matricea decizională în cazul I se ajunge la concluzia că
alegerea unui sistem de trigenerare bazat pe motor cu ardere internă cu
funcționare pe gaz natural, operat după curba de sarcină termică
reprezintă soluția optimă dintre cazurile analizate.
Cinitial η COÎ Emis. RRI PAS R VAN C-B
euro % euro tCO2 /an % ani an euro -
1 2 3 4 5 6 7 8 9Sursa: Motor cu ardere
internă; Combustibil: gaz
natural; Strategie de operare:
CSESursa: Motor cu ardere
internă; Combustibil: gaz
natural; Strategie de operare:
CSTSursa: Motor cu ardere
internă;
Combustibil: motorină;
Strategie de operare:
CSE
Sursa: Motor cu ardere
internă;
Combustibil: motorină;
Strategie de operare:
CST
Sursa: microturbină;
Combustibil: gaz
natural; Strategie de
operare: CSE
742062 41,1 145715 683 <0 >20 >20 -1964705 <0
Sursa: Microturbină;
Combustibil: gaz
natural; Strategie de
operare: CSE
742062 84,9 65421 505 7,2 16,95 13,4 602116 1,81
>20 -778388 <0
>20 -6695969 <0
653388 86,1 114934 543 <0 >20
12,2 671311 2,1
653388 51,3 285240 764 <0 >20
>20 -574361 0,1
636485 86,7 66429 472 8,6 14,85
Cazul I: Ansamblu rezidențial compus dintr-o clădire de locuit P+4E
636485 56,1 109013 505 <0 >20
32
Comparativ cu cea de-a doua opțiune – sistem de trigenerare
echipat cu microturbină care utilizează gaz natural și funcționează după
curba de sarcină termică -, sistemul de trigenerare cu motor cu ardere
internă are costul de investiție inițial mai redus, randament energetic mai
mare, emisii mai reduse de noxe, perioadă de amortizare a investiției mai
redusă, sistemul devine rentabil într-o perioada mai redusă de timp, are o
valoare actualizată netă mai mare și un raport cost-beneficiu mai crescut.
Parametrul care face diferența între cele două sisteme este dat de costul
inițial de investiției – mult mai redus la motoarele cu ardere internă – în
condițiile în care, indicatorii financiari sunt relativ apropiați ca valori.
Tabel 4.17 Matrice decizională caz II
Cinitial η COÎ Emis. RRI PAS R VAN C-B
euro % euro tCO2 /an % ani an euro -
10 11 12 13 14 15 16 17 18
Sursa: Motor cu ardere
internă;
Combustibil: gaz natural;
Strategie de operare: CSE
Sursa: Motor cu ardere
internă;
Combustibil: gaz natural;
Strategie de operare: CST
Sursa: Motor cu ardere
internă;
Combustibil: motorină;
Strategie de operare: CSE
Sursa: Motor cu ardere
internă;
Combustibil: motorină;
Strategie de operare: CST
Sursa: microturbină;
Combustibil: gaz natural;
Strategie de operare: CSE
1279373 47,6 571292 1529 <0 >20 >20 -2E+06 <0
Sursa: microturbină;
Combustibil: gaz natural;
Strategie de operare: CST
1279373 86 145504 965 10,6 12,4 10,8 1804292 2,4
1,9
<0
1151161 86 144298 683 8 15,5 12,8 1071940
3,1
1151161 47,6 570086 1529 <0 >20 >20 -1E+07
0,3
1199890 86,7 93764 617 13,9 9,6 8,9 2E+06
Cazul II: Ansamblu rezidențial compus din 2 clădiri de locuit P+4E
1199890 52,9 141986 986 <0 >20 >20 -874260
33
Ca și în cazul I, analiza matricei decizionale pentru cazul II
sugerează clar că sistemul cu motor cu ardere internă acționat cu gaz
natural și operat după curba de sarcină termică are indicatori net superiori
celorlalte soluții propuse. Similar cazului I, operarea după curba de
sarcină electrică, indiferent de soluția aleasă, generează indicatori
negativi, nefiind o soluție viabilă de investiție.
Spre deosebire de cazul I, în cazul II se remarcă faptul că
trigenerarea bazată pe motor cu ardere internă care utilizează motorina
drept combustibil are indicatori pozitivi, comparabil cu soluția cu
microturbină. Totuși soluția cu microturbină prezintă un plus la capitolul
indicatori financiari, având un raport cost-beneficiu mai mare, valoarea
netă actualizată mult mai ridicată față de motorul cu ardere internă cu
motorină, care compensează, dar într-o manieră insuficientă, cu un cost
de investiție mult mai redus.
Ca și în cazul I și II, sistemul de trigenerare cu motor cu ardere
internă operat după curba de sarcină termică și alimentat cu gaz natural
reprezintă soluția optimă și în cazul III.Similar celorlalte cazuri analizate,
operarea după curba de sarcină electrică, nu reprezintă o soluție viabilă de
investiție.
Spre deosebire de cazul I, în cazul III sistemul cu microturbină are
criterii apropiate ca valori, mai ales în cazul costului de investiție, pentru
care în primul caz diferența era considerabilă.
Tabel 4.18 Matrice decizională caz III
34
În concluzie:
Pentru evaluarea performanțelor economice ale sistemelor de
trigenerare propuse s-a efectuat o simulare prin prisma
indicatorilor economici, folosind un soft de analiză a proiectelor
de energie curată – RETScreen international.
Cinitial η COÎ
Emi
sRRI PAS R VAN C-B
euro % eurotCO
2 /an% ani an euro -
19 20 21 22 23 24 25 26 27
Sursa: Motor cu
ardere internă;
Combustibil: gaz
natural; Strategie de
operare: CSE
1702169 54,5 106446 965 <0 >20 >20 114007 0,4
Sursa: Motor cu
ardere internă;
Combustibil: gaz
natural; Strategie de
operare: CST
1702169 86,9 224741 ### 12 11,3 10,1 2787364 2,64
Sursa: Motor cu
ardere internă;
Combustibil:
motorină; Strategie
de operare: CSE
1694372 52,7 776701 2136 <0 >20 >20 -17580222 <0
Sursa: Motor cu
ardere internă;
Combustibil:
motorină; Strategie
de operare: CST
1694372 86,5 289540 1559 <0 >20 >20 -819700 0,52
Sursa: microturbină;
Combustibil: gaz
natural; Strategie de
operare: CSE
1812476 52,2 297693 1474 <0 >20 >20 114007 0,37
Sursa: microturbină;
Combustibil: gaz
natural; Strategie de
operare: CST
1812476 86,5 165399 1407 10,5 12,6 10,9 2541841 2,41
Cazul III: Ansamblu rezidențial compus din 3 clădiri de locuit P+4E
35
Scopul rulării acestui program este acela de a estima dacă - pe
parcursul derulării proiectelor – raportul dintre economii și
costuri constituie o ofertă ce poate aduce avantaje financiare;
Elementul de bază pentru efectuarea unor studii utilizând
RETScreen-ul îl constituie comparația care are în vedere un caz
inițial (numit - de referință) și alte situații (propuse de
solicitant);
În acest context, s-a pornit de la ideea că, studiile efectuate pe
durata stagiului de doctorat au relevat faptul că sistemele de
trigenerare cu biomasă, într-un ansamblu rezidențial - din cadrul
unei așezări urbane - prezintă multe provocări din punct de
vedere logistic și de spațiu;
Pentru a stabili o soluție documentată și pertinentă de trigenerare
- care poate fi implementată, relativ facil – în cadrul unui
ansamblu rezidențial, s-a efectuat o analiză economică
exhaustivă cuantificată într-un studiu de caz;
Rezultatele pentru fiecare caz au fost transpuse în câte o matrice
decizională. Astfel din matricea decizională a cazului I s-a putut
trage concluzia că sistemul de trigenerare optim pentru o clădire
rezidențială de tip P+4E este cel dotat cu motor cu ardere internă,
cu funcționare pe gaz natural și rulat după sarcina termică.
Motorul cu ardere internă și funcționare pe combustibil lichid de
tip motorină prezintă rezultate negative pentru toți parametrii.
Rularea după sarcina electrică a tuturor celor trei sisteme
analizate prezintă rezultate negativă nefiind o soluție optimă.
Cazul II a avut același deznodământ, în sensul că alegerea
producerii de energie electrică folosind un motor cu ardere
internă pe combustibil gazos prezintă rezultatele cele mai
favorabile. Particularitatea cazului II a constat în indicatori
financiari acceptabili pentru sistemul de trigenerare cu motor cu
36
ardere internă alimentat cu motorină. Funcționarea după curba
de sarcină electrică a obținut rezultate nesatisfăcătoare pentru
toate sistemele analizate.
Sistemul cu microturbină pe gaz natural a obținut, în cadrul
cazului III, rezultate apropiate, din punct de vedere valoric, cu
soluția optimă (motor cu ardere internă cu gaz natural). Ca și în
cazurile precedente, funcționarea după curba electrică a obținut
rezultate negative.
37
Capitolul 5. Concluzii și contribuții personale privind gestionarea
energetică a ansamblurilor rezidențiale folosind
trigenerare
5.1 Concluzii generale privind trigenerarea în
asigurarea confortului
Așa cum precizam în capitolul introductiv obiectivul principal
urmărit în cadrul cercetării a constat în identificarea unei soluții tehnice
eficiente - de ce nu cea mai eficientă? – care să asigure în același timp
energia electrică, energie termică pentru încălzirea și răcirea spațiilor
pentru un ansamblu rezidențial de mărime mică-mijlocie, arondat, în
prezent, unui punct termic. S-a avut în vedere: corelarea soluțiilor de
trigenerare studiate, cu exigențele unui confort termic adecvat în spațiile
locuite din arealul rezidențial, punând în centrul atenției exigențele
utilizatorului legate de asigurarea confortului termic la standardele
actuale cu un efort financiar minim din partea beneficiarului; reducerea
emisiilor de dioxid de carbon, soluțiile de trigenerare fiind o alternativă
la soluțiile actuale care poluează mediul înconjurător.
Indiferent de modul de producere și transport la consumator a
energiei, indiferent de categoria acesteia, apelăm la un sistem de instalații
mai mult sau mai puțin complex, funcție de mărimea și complexitatea
spațiului, de destinația acestuia, de exigențele utilizatorului. Scopul
clădirii este de a asigura, printre altele, și confortul utilizatorului, acest
lucru fiind posibil prin menținerea constantă a unor parametrii tehnici.
Reglarea acestora este realizată în urma analizei mărimilor de intrare
(temperaturi interioare, exterioare, nivel de îmbrăcăminte al utilizatorului,
etc) transformându-le în mărimi de ieșire (consum de energie electrică,
termică, etc.). Pornind de la această interpretare, propunem o relație
proprie de exprimare matematică a confortului termic, relația 3.4, în
38
cadrul căreia am utilizat ca parametrii generali: G – coeficient global de
izolare termică definit conform normativului C 107-2005; Qînc –
necesarul termic pentru perioada de iarnă, calculat conform standardului
SR 1907 – 2014; Qrăc– necesarul termic pentru perioada de vară, calculat
în conformitate cu normativul I5-2010. Demonstrăm astfel că abordarea
sistemică a sistemului clădire rezidențială în care se integrează și
subsistemul de trigenerare, este mult mai mult decât abordarea separată a
fiecărui subsistem, cu alte cuvinte "întregul este mult mai mult decât suma
părților". Prin scheme și reprezentări proprii, prezentăm detalii pentru
subsistemele din cadrul sistemului de asigurare a confortului termic cu
accent pe trigenerare, precum și o parte importantă a echipamentelor ce
pot fi integrate cu caracteristicile lor tehnice și economice.
Eficiența economică a unei investiții se traduce prin cheltuirea
rațională a resurselor materiale și umane pentru a obține beneficii cât mai
mari. Eficiența economică crește cu cât efectul util pe unitatea de efort
consumat este mai mare, fiind determinată pe fundamente științifice.
Pentru cuantificarea eficienței economice a sistemului de trigenerare,
identificăm și cuantificăm principalii indicatori tehnico economici, cap.
4.2, care se constituie în final în criterii de selectare a variantei optime.
Cunoscând structura unui sistem de trigenerare pentru construcțiile
rezidențiale, cunoscând performanța echipamentelor din componența
acestuia caracterizate prin parametrii tehnici și economici, cunoscând
criteriile de selecție și posibilitatea de cuantificare a acestora, propunem
în continuare simularea funcționării sistemului de trigenerare folosind în
acest sens programul Retscreen, varianta 4.1, a fost dezvoltat de către
centrul de cercetare CanmetEnergy. Decizia de a investi într-un sistem de
trigenerare poate avea la bază două metode, care apar în literatura de
specialitate:Metoda de decizie bazată pe criterii de bază; Metoda de
decizie bazată pe designul sistemului. În prima metodă, deciziile fac
referire numai la conceptul de bază al unui sistem de trigenerare, și anume
principalele echipamente. Metoda bazată pe design va ține cont și de alte
39
sisteme, precum sistemele de back-up, sistemul de stocare a energiei,
modul de conectare cu rețeaua de energiei electrică națională, etc. Luarea
unei decizii ține de modul de cuantificare a factorilor, unii dintre aceștia
fiind mai importanți decât alții, au unități de măsură diferite. S-a avut în
vedere trei cazuri și anume: Cazul I: este constituit dintr-o clădire de
locuit, structurat pe P + 4E,având suprafața desfășurată de 1556 [m2];
Cazul II: este constituit din 2 clădiri de locuit, structurat pe P + 4E, având
suprafața desfășurată de 1556 [m2]/clădire; Cazul III: este constituit din 3
clădiri de locuit, structurat pe P + 4E, având suprafața desfășurată de 1556
[m2]/clădire.
Rezultatele simulării au condus la sisteme de trigenerare optime
din punct de vedere tehnic și economic pentru cele trei cazuri analizate,
rezultate materializate în:
Pentru cazul 1 - clădire de locuit, structurat pe P + 4E,având
suprafața desfășurată de 1556 [m2]: Sistemul de trigenerare potrivit în
acest caz este cel care utilizează motorul cu ardere internă care utilizează
gazul natural drept combustibil așa cum rezultă din matricea de decizie
pentru cazul I (tabelul 4.16).Raportat la cazul de referință considerat
(producerea separată a celor trei forme de energie), soluția propusă pentru
sistemul de trigenerare operat după curba de consum a sarcinii termice
reduce costurile referitoare la combustibil cu până la 46%, iar emisiile de
noxe sunt reduse cu 6,2 %.
Pentru cazul 2 - 2 clădiri de locuit, structurat pe P + 4E, având
suprafața desfășurată de 1556 [m2]/clădire: soluția optimă este dată de
sistemul de trigenerare care produce energie prin intermediul motorului
cu ardere internă care utilizează gazul natural. Comparativ cu producerea
separată a celor trei forme de energie pentru cazul 2, emisiile de noxe sunt
reduse cu 39 %, iar costurile privind combustibilii (energie electrică, gaz
natural) sunt reduse cu aproximativ 61,2 %.
40
Pentru cazul 3 - 3 clădiri de locuit, structurat pe P + 4E, având
suprafața desfășurată de 1556 [m2]/clădire: în acest caz rezultatele din
matricea decizională cazului 3 (tabelul 4.18) au relevat faptul că soluțiile
optime sunt motorul cu ardere internă care funcționează pe gaz natural și
microturbinele pe gaz natural, ambele soluții având rezultate apropiate ca
valori. În comparație față de cazul de referință, soluțiile optime scad
costurile de operare cu 50,7%, în timp ce emisiile de dioxid de carbon
scad cu până la 7,93%.
Se poate ușor desprinde concluzia că în toate cazurile studiate, cu
posibilitatea de generalizare și pentru alte categorii de construcții- după
părerea noastră, trigenerarea în cazul construcțiilor rezidențiale aduce
beneficii notabile în ceea ce privește: efortul financiar de achiziție și
exploatare; consumul de energie; performanțele tehnice ale sistemului;
reducerea emisiilor de noxe. Pe fondul acestor avantaje notabile, folosirea
sistemelor de trigenerare în construcțiile rezidențiale asigură garanția
atingerii dezideratului major cerut de utilizatori - creșterea confortului
în spațiile locuite.
Date fiind rezultatele încurajatoare obținute în urma cercetării,
dată fiind ampla documentare bibliografică , date fiind numeroasele
discuții cu specialiștii în domeniu dar și cu utilizatorii sistemelor actuale
de cogenerare - pasul premergător trigenerării - ne propunem elaborarea
unui ghid practic cu scheme și soluții tehnice pentru promovarea
trigenerării în cadrul construcțiilor studiate.
5.2 Contribuții personale
Prin teza de doctorat „Gestionarea energiei pentru un ansamblu
rezidențial, produsă prin trigenerare” aducem o serie de contribuții
proprii, cu caracter de originalitate și anume:
41
Abordarea subiectului propus cu mijloace de cercetare diferite
are un caracter multidisciplinar care se încadrează, în spiritul
actual și modern al abordării temelor de cercetare științifică;
Analiza sintetică a sistemelor de instalații funcționale în
clădirile rezidențiale, cu accent pe sistemele de cogenerare și
trigenerare utilizate pentru asigurarea confortului utilizatorilor
în condiții de eficiență maximă din punct de vedere tehnic,
economic, al protecției mediului, s-a efectuat pe baza studiului
literaturii de specialitate și a documentației companiilor de
profil;
Analiza teoretică a funcționării sistemului de trigenerare cu
descrierea fiecărei componente, punându-se accent pe
identificarea și cuantificarea parametrilor tehnici și economici
prin care se poate caracteriza performanța și costul sistemului
studiat;
Identificarea, analiza și cuantificarea criteriilor de selecție
pentru identificarea variantei optime de sistem de trigenerare
funcție de parametrii geometrici și funcționali a clădirilor
rezidențiale;
Propunerea unei funcții ce cuantifică matematic confortul
termic în construcțiile rezidențiale, aceasta incluzând
majoritatea parametrilor caracteristici construcției ca soluție
constructivă și ca funcțional precum și pe cei caracteristici
sistemului de instalații funcționale;
Dezvoltarea unei scheme logice care să vină în sprijinul
persoanelor sau entităților economice care plănuiesc să
realizeze investiții în domeniul trigenerării pentru a facilita
interpretările grafice și analitice a rezultatelor;
42
Elaborarea unei matrice decizională pentru fiecare caz studiat,
folosind analiza multicriterială pentru a crea o imagine cât mai
vastă asupra tuturor indicatorilor de eficiență economică
relevanți.
Efectuarea unui studiu de caz pe bază de simulare (folosind
programul de analiză a proiectelor de energie regenerabilă
RETScreen International), a permis evaluarea performanțelor
tehnico-economice și financiare a sistemelor de trigenerare
propuse prin prisma indicatorilor de performanță tehnică și
economică:
- Costurile de investiție – Cinițiale;
- Costuri de operare și întreținere – COÎ;
- rata internă de rentabilitate – RIR;
- perioada de amortizare – PRI;
- valoarea actualizată netă – VAN;
- raportul cost beneficiu - RCB.
Cercetările efectuate pe modelul experimental susțin
– fără îndoială – oportunitatea utilizării sistemelor de
trigenerare în asigurarea confortului termic în construcțiile
rezidențiale, sisteme adaptate funcție de caracteristicile
tehnice și funcționale ale clădirilor, respectiv funcție de
exigențele utilizatorilor.
43
5.3. Valorificarea rezultatelor cercetării
Rezultatele cercetării au fost valorificate sub forma următoarelor
lucrări științifice, publicate la conferințe naționale și internaționale.
1. Publicarea unui număr de 13 lucrări în reviste de specialitate, în
buletinul manifestărilor științifice, astfel:
Lucrări publicate în reviste B+ incluse în baze de date
internaţionale:
[1] Tofan B. A., Șerbănoiu I., Burlacu A., Environmental and
financial assessment for a cchp district plant in a city in Romania,
Bulletin of the Polytechnic Institute of Jassy. Construction.
Architecture. Section, Tom LXI, Fasc. 4, 2015, p. 147-156.
[2] Tofan B. A., Șerbănoiu I., Hoblea A.E., Comparative analysis of
two trigeneration systems for a rezidential building, Bulletin of the
Polytechnic Institute of Jassy. Construction. Architecture. Section,
Tom LX, Fasc. 4, 2014, p. 141-150.
[3] Hoblea A.E., Șerbănoiu I., Tofan B.A., Total Building
Performance and Active House Concept, Bulletin of the
Polytechnic Institute of Jassy. Construction. Architecture. Section,
Tom LX, Fasc. 4, 2014, p. 133-140.
[4] Burlacu A., Verdeș M, Ciocan V., Popovici C., Bălan M., Tofan
B.A., Păstrăv D., Numerical study regarding the flow movement in
natural convection in an asymmetrical heated vertical channel, 6th
International Conference on Advanced Concepts in Mechanical
Engineering, 12-13 Iunie, Iași, România, 2014, p. 319-324.
[5] Burlacu A., Verdeș M, Ciocan V., Popovici C., Bălan M., Tofan
B.A., Păstrăv D., Experimental study for data validation regarding
44
the flow movement in natural covection in an asymmetrical heated
vertical channel, 6th International Conference on Advanced
Concepts in Mechanical Engineering, 12-13 Iunie, Iași, România,
2014, p. 313-318.
[6] Popovici C., Bălan M, Verdeș M, Ciocan V, Burlacu A., Tofan
B.A., Production of Electricity in Photovoltaic Systems for
Administrative Buildings in Romania, Technical and Economic
Analysis, 6th International Conference on Advanced Concepts in
Mechanical Engineering, 12-13 Iunie, Iași, România, 2014, p. 431-
434.
[7] Popovici C., Bălan M, Verdeș M, Ciocan V, Burlacu A., Bogdan-
Andrei Tofan, Integrated System for Producing, Transporting and
Consuming the Unconventional Energy for a Residential Building
, 6th International Conference on Advanced Concepts in
Mechanical Engineering, 12-13 Iunie, Iași, România, 2014, p. 425-
430.
Lucrări publicate în volume ale conferinţelor
internaţionale:
[1] Tofan B.A., Energy efficiency increase by using a trigeneration
system in an residential building, 2nd Conference for PhD students
in Civil Engineering, 10-13 decembrie, Cluj-Napoca, 2014, p. 529
– 537.
[2] Poenari C., Țurcanu E. F., Tofan B. A., Luciu R., Bălan M.,
Technical Solutions for optimization of energy demands in
university district campus, Conferința tehnico-științifică cu
45
participare internațională ”Instalații pentru construcții și economia
de energie”, 3-4 iulie, Iași, România, 2014, p. 408 – 414.
Lucrări publicate în volume ale conferinţelor naţionale:
[1] Tofan B.A., Cogenerarea și trigenerarea pentru producerea
energiei de confort, Al VII-a Simpozion Național ”Creații
Universitare 2014”, Iași, România, 2014.
[2] Tofan B.A., Șerbănoiu I., Hoblea A. E., Analiza costurilor
diverselor soluții de termoizolații pentru o clădire rezidențială, A
VIII-a Conferință Națională a AAECR, ”Eficiența Energetică în
clădiri. Exigențe Europene - Orizont 2020”, 4 aprilie, București,
2014, p. 76 - 80.
[3] Hoblea A. E., Șerbănoiu I., Tofan B. A. , Analiza variantelor de
îmbunătățire a eficienței energetice - studiu de caz, A VIII-a
Conferință Națională a AAECR, ”Eficiența Energetică în clădiri.
Exigențe Europene - Orizont 2020”, 4 aprilie, București, 2014, p.
34 - 35.
[4] Țurcanu E. F., Poenari C., Tofan B. A., Luciu R., Bălan M.,
Technical Solutions for optimization of energy demands in
university district campus, Conferință ”Știință modernă și Energie
- Producerea, Transportul și Utilizarea energiei”, Cluj-Napoca,
România, 2014, p. 304 – 310.
2. Elaborarea și multiplicarea unui material "Ghid privind
alegerea unui sistem de trigenerare", autori Tofan B.A. și Șerbănoiu I.,
util, după aprecierea noastră, specialiștilor- proiectanți și constructori,
alte categorii - interesați de folosirea sistemelor de trigenerare optime din
46
punct de vedere tehnic și economic, pentru asigurarea confortului termic
în clădirile rezidențiale și nu numai;
3. Elaborarea unei monografi intitulată "Trigenerarea pentru
asigurarea confortului în clădiri rezidențiale", autori Tofan B.A. și
Șerbănoiu I., în curs de apariție la Editura Societății Academice ”Matei-
Teiu Botez” Iași, care vine să îmbogățească, după aprecierea noastră,
informația științifică legată de confortul termic în clădirile rezidențiale,
de utilizarea sistemelor de trigenerare pentru asigurarea acestuia în
condiții de eficiență tehnică și economică;
BIBLIOGRAFIE SELECTIVĂ
[12]. Beith, R. 2011. Small and micro combined heat and power (CHP)
systems – Advanced design, performance, materials and
applications.,Cambridge: Woodhead Publishing.
[14]. Buonomano, A., F. Calise, G. Ferruzzi and L. Vanoli. 2014. A novel
renewable polygeneration system for hospital buildings: Design,
simulation and themo-economic optimization., Applied Thermal
Engineering, 67, p. 43 – 60.
[18]. Cardona, E., A. Piacentino and F. Cardona. 2006. Energy saving in
airports by trigeneration. Part I: Assessing economic and
technical potential., Applied Thermal Engineering, 26, p. 1427 –
1436.
[20] Cardona, E., A. Piacentino. 2007. Optimal design of CHCP plants
in the civil sector by thermoeconomics., Applied Energy, 84, p.
729 - 748.
[22] Chicco, G., P. Mancarella. 2007. Trigeneration primary energy
saving evaluation for energy planning and policy development.,
Energy Policy, 35, p. 6132 – 6144.
[25] Cho, H., P. J. Mago, R. Luck and L.M., Chamra. 2009. Evaluation
of CCHP systems performance based on operational cost, primary
energy consumption, and carbon dioxide emission by utilizing an
optimal operation scheme., Applied Energy, 86, p. 2540 – 2549.
47
[30] Djongyang N., R. Tchinda, D. Njomo. 2010. Thermal comfort: A
review paper, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14,
2626-2640.
[32] Ebrahimi, M., A. Keshavarz. 2015. Combined Cooling, Heating
and Power – Decision making, Design and Optimization.,
Amsterdam: Elsevier.
[33] Ebrahimi, M., A. Keshavarz. 2012. Climate impact on the prime
mover size and design of a CCHP system for the residential
building., Energy and Buildings, 54, p. 283 – 289.
[44] Indraganti M., Rao K.D. 2010. Effect of age, gender, economic
group and tenure on thermal comfort: A field study in residential
buildings in hot and dry climate with seasonal variations, Energy
and Buildings 42, p. 273-281.
[51] Kordjamshidi M. 2011. House rating Schemes – From energy to
comfort base, chapter 3, Berlin: Springer Publishing.
[56] Mago, P.J., L.M. Chamra. 2009. Analysis and optimization of
CCHP systems based on energy, economical, and environmental
considerations., Energy and Buildings, 41, p. 1099-1109.
[67] Parsons, K. 2010. Materials for energy efficiency and thermal
comfort in buildings, chapter 5, Cambridge: Woodhead Publishing
Limited.
[69] Peeters, L., De Dear R, Hensen J. and D’Haeseleer W. 2009.
Thermal comfort in residential buildings: Comfort values and
scales for building energy simulation, Applied Energy, 86, p. 772-
780.
[74] Sârbu, C. N. . 2006. Locuirea în România: o abordare cadru.,
Editura Universitară ”Ion Mincu”.