کاربرد سیستم CHP در ساختمان های تجاری

کاربرد سیستم CHP در ساختمان های تجاری

کاربرد سیستم CHP در ساختمان های تجاری انکار ناپذیر است. اکثر ساختمان های تجاری که برق خود را از شبکه تامین می­ کنند، فضای خود را توسط دیگ بخار یا کوره گرم کرده و آب گرم خود را توسط گرمکن ­هایی که توسط برق یا سوزاندن گاز کار می­ کنند، تامین می ­کند. ساختمان تجاری مجهز به سیستم (CHP)  برای رفع این نیازها الگوی دیگری را به کار می­ برد.سیستم CHP برق خود را تامین کرده و گرمای اتلافی را برای تولید برق و گرمایش محیط و تولید آب گرم به کار می­ برد.

سیستم ­هایCHP  همچنین قادر به تامین بارهای لازم خنک سازی فضا می ­باشند، به عنوان مثال، کاربرد گرمای اتلافی در محرک چیلرهای جذبی و خشک سازی آن توسط سیستم خشک­ سازی رطوبت. در عمل تمامی گرمای اتلافی تولید شده در فرایند تولید برق را نمی توان بازیافت و مورد استفاده قرار داد. انرژی گرمایی به کار نرفته شامل موارد زیر است:

1. تابش به هوای محیط ۲٫ گرمای از دست رفته حین خروج جریان گاز ۳٫ بارهای حرارتی از دست رفته حین کاهش دما ۴٫ بارهای حرارتی که در آن لحظه

اجزای تشکیل دهنده یک سیستم ­ CHP

اجزای تشکیل دهنده یک سیستم ­های CHP به طور کلی شامل: یک عامل محرک اولیه، سیستم تولید برق یا بهره­ وری برق، دستگاه بازیابی گرما، رابط صنایع و کنترل می ­باشد. علاوه بر این ، سیستم ممکن است شامل تجهیزات خنک کننده جذبی، تجهیزات خشک ­کننده­ ی رطوبت و منبع انرژی حرارتی و یا الکتریکی باشد. عامل محرک اولیه سوخت را به  انرژی مکانیکی یا مستقیما به انرژی الکتریکی تبدیل می­ کند و با کاربرد انرژی گرمایی تولید شده توسط دستگاه باریافت حرارت بارهای لازم را تامین می­ کند.

محرک اولیه بالقوه در ساختمان های تجاری مجهز به CHP  شامل موتور احتراق داخلیIC) (، میکرو توربین­ ها، سلول های سوخت، موتورهای استرلینگ، و چرخه بخار رانکین می­ باشد. این موارد در وضعیت توسعه، هزینه، بهره وری، تولید گازهای گلخانه­ ای، کاربردهای سوختی، زندگی، صدا یا نوسانات و خدمات مورد نیاز متفاوت هستند.

کاربرد سیستم CHP در ایالات متحده

در بازار ساختمان تجاری ایالات متحده CHP تا به امروز نفوذ اندکی داشته است، در حالیکه درکاربرده ای صنعتی تقریبا رایج است. به عنوان مثال، طبق ارزیابی ­های اخیر از ظرفیت CHP در سوپر مارکت­ ها، بیمارستان­ ها، خانه­ های سالمندان، هتل­ ها، رستوران­ ها و فروشگاه­ های جعبه بزرگ خرده فروشی، تعداد ۳۱۸ نصب تاسیسات با مجموع حدود ۵۰۰ مگاوات ظرفیت تولید برق را در بر دارد.

اساس نصب CHP در ساختمان­ های تجاری نصب ایمن می ­باشد، به عنوان مثال حدود دو سوم تاسیسات حال حاضر و بیش از ۹۰ درصد از ظرفیت با ۷ تاسیسات بزرگتر برای بیش از نیمی از ظرفیت کل محاسبه می­ شود. اکثر سیستم ­های موجود کوچکتر هستند (کمتر از ۵۰۰ کیلو وات ، با متوسط اندازه ۱۵۰ کیلو وات) و در مناطق ساحلی با میزان برق بالا ، مانند کالیفرنیا ایالات و شمال شرقی یافت می­ شوند.

مثلا در بخش صنعتى (فرآیندهایی در سطح پایدار که به برق و حرارت همزمان نیازدارند)،CHP  تمایل به جذاب بیشتر در کاربردهای ساختمان تجاری دارای بارهای حرارتی نسبتا بالا و مداوم دارد. این شرحی از وجود CHP ساختمان تجاری در بیمارستان­ها که دارای بارهای حرارتی آب منظم و قابل تناسب را بیان می­کند.

صرفه جویی در انرژی پتانسیل

سیستم CHP  توانایی دستیابی به ذخیره انرژی اولیه به دو روش را دارد. اگر سیستم CHP  الکتریسیته را در یک راندمان بالاتر ازشبکه تولید کند (به طور متوسط ۳۵ درصد ارزش حرارتی کمتر [LHV] ، با توجه به انتقال و توزیع [T&D]  کم میشود)، به تنهایی قادر به کاهش مصرف انرژی بر پایه برق خروجی می­ باشد. اگر راندمان تولید انرژی الکتریکی یک سیستم CHP  مشابه یا کمتر از شبکه برق باشد، صرفه جویی انرژی به میزان کاربرد گرمای اتلافی در گرمایش فضا، خنک کردن فضا، و یا بارهای گرمایش آب بستگی دارد.

بخش عمده­ای از فضای همکف یک ساختمان تجاری، مانند ساختمان­ های اداری و فروشگاه­ های خرده فروشی، دارای بارهای نسبتا کم گرمایش فضا و گرمایش آب می­ باشد. بنابراین، چیلر خنک کننده جذبی و سیستم خشک­ کننده رطوبت قادر به افزایش جذابیت CHP می ­باشد، زیرا باعث افزایش کاربرد گرمای اتلافی در طول سال و کاهش تقاضای برق می­شود.

با این حال، راندمان بالا تولید برق به مراتب در دستیابی به صرفه جویی انرژی دارای اهمیت بیشتری نسبت به کاربرد بیشتر گرمای اتلافی دارد. به این علت که منابع موجود در ساختمان برای گرمایش و سرمایش دارای راندمانی مناسب هستند. به عنوان مثال، یک دیگ بخار غیر چگالشی معمولی یا کوره دارای راندمان بیش از ۸۰ درصد بالاتر از ارزش حرارتی بالا (HHV) ، که به بیش از ۹۰ درصد ارزش حرارتی پایین بیان می­ شود، می ­باشد. راندمان تجهیزات سرمایش چرخه بخار موجود، حتی پس از محاسبه اتلاف در تولید، انتقال و توزیع شبکه برق، بالاتر می­ باشد.

توجه کنید:

گاهی اوقات از این واقعیت چشم پوشی می ­شود، به عنوان مثال برخی از ترویج ­دهنده CHP، راندمان کلی سیستم های CHP را بر اساس قانون اول که خروجی گرمایی و الکتریسیته را جمع می کند، گزارش می­ کنند. راندمان ، اگرچه برای مقادیر نسبی خروجی گرما و الکتریسیته محاسبه می­شود، معنی دار تعریف می­ شود.

نتایج ارزیابی ها

یک ارزیابی دقیق از ذخیره انرژی پتانسیل CHP نیاز به محاسبه دقیق استراتژی عملیاتی و تلاقی بارهای الکتریکی و حرارتی دارد. یک مطالعه عملکرد سرمایش, گرمایش و نیرو را برای سه نوع از ساختمان های تجاری در پنج مکان­ مختلف با استفاده از شبیه­ سازی بر اساس بارهای ساختمان روزانه، نرخ صنایع محلی و استراتژی عملیاتی اقتصادی ارزیابی می­کند ، یعنى سیستم CHP تنها هنگامی که هزینه های عملیاتی را کاهش یابد، عمل می­کند.

نتایج تایید می­کند که ذخیره انرژی اولیه حساس به راندمان  تولید می­ باشد. به عنوان مثال یک ساختمان اداری بزرگ مجهز به CHP در شهر نیویورک توسط یک میکرو توربین با راندمان ۲۶ درصد [LHV] می­باشد که مصرف انرژی اولیه ساختمان را در حدود ۴ ٪ کاهش می دهد ، در حالی که یک موتور IC پیشرفته[LHV] باراندمان ۴۲ درصد به کاهش حدود ۳۰ می­ رسد. در این کاربرد (با ذخیره حرارتی کم)، با توجه به غیر قابل بازیابی بودن تلفات و عدم تلاقی بودن بارهای الکتریکی و حرارتی، ساختمان­ها می­توانند تنها بین ۳۰ تا ۴۰ درصد از گرمای اتلافی را استفاده کنند.

در قیاس ۳۰ درد ذخیره ملی، CHP قادر به کاهش ۱۷ ربع از انرژی مصرف شده توسط ساختمان­ های تجاری ایالات متحده شود. اقتصاد CHP تا حد زیادی بستگی به نرخ صنایع محلی ، به­ خصوص تقاضای واریز (دلار در هر کیلووات) و قیمت گاز طبیعی و همچنین هزینه های سرمایه سیستم های CHP، دارد. شبیه­ سازی­ بالا از ذخیره انرژیCHP  که براساس سیستم ­های اقتصادی CHP طراحی شده است، فرض می­کند که تکنولوژی­ های محرک اولیه اهداف عملکردی R&D آن­ها تامین کرده و سیستم­ های CHP به رشد حجم تولید می­ رسند.

توجه نمایید:

مطالعه نشان می­ دهد که CHP موتور پیشرفته IC با راندمان تولید ۴۲ درصد، درخواست یک دوره بازپرداخت ساده (SPP ( بین یک تا سه سال برای ساختمان های اداری بزرگ واقع در لس آنجلس یا شهر نیویورک را دارد، اما (SPP) در میامی و فونیکس درخواست برای بازپرداخت در بیش از ۱۵ سال را داشت. در مقابل SPP برای یک میکرو توربین استاندارد و پیشرفته با راندمان تولید ۲۶ و ۳۱ درصد به ترتیب دو و پنج سال را خواستار بود. آشکار است که راندمان تولید برق بالا همانند ذخیره انرژی، اقتصادی است، تولید حرارت بیشتر از فن­آوری تولید با راندمان کمتر  نمی ­تواند خروجی جریان الکتریکی را جبران کند.

مزیت بزرگ CHP چیست؟

علاوه بر کاهش هزینه­ های انرژی ، CHP قادر به بهبود قابلیت برق اضطراری، بهبود کیفیت نیرو و کاهش بار بر روی سیستم­ های ابزار T&D در طول دوره از اوج تقاضا می ­باشد. در حال ­حاضر، راندمان، هزینه­ های سرمایه ­گذاری، هزینه­ های نگهداری، قابلیت اطمینان و در دسترس بودن CHP موانع قابل توجهی تا مقرون به صرفه بودن را ­در برخواهد داشت. در حال حاضر ، محرک های اولیه در نسخه تجاری در حجم زیادی به جز موتورIC در دسترس نیستند.

با کاهش میزان قابل توجهی از هزینه­ های انرژی، سیستم CHP باید دارای تولید برق با راندمان مشابه یا بزرگتر از شبکه برق­ رسانی را داشته باشد. برخی از فن­آوری­ های سلول سوخت (مانند اسید فسفریک و اکسید جامد) و فن­آوری­ های پیشرفته موتورIC ممکن است ضمانت نگهداری تجهیزات CHP را تامین کند..

علاوه بر این:

CHP  با چندین مانع غیر اقتصادی در استفاده بیشتر در ساختمان­ های تجاری مواجه می­ شود. خط مشی صنایع و مقررات موانعی را برای CHP در برخواهد داشت، عبارتند از مالیات standby charge ، ذخیره ظرفیت برای زمانی­ که CHP  کار نمی ­کند و اتصال شبکه مورد نیاز، تعریف می­ شود. علاوه بر این طراحی، احداث و منطقه بندی مورد نیاز برای اجرا در محل تولید برق از طراح تا مجری به میزان قابل توجهی متفاوت است.

فهم روند مناسب برای یک پروژه بالقوه مانند کسب مجوزهای لازم و توانایی در نظر گرفتن CHP، زمان می برد. تولید گازهای گلخانه ­ای جدید مورد نیاز (به ویژه در کالیفرنیا و دیگر مناطق غیر قابل دسترسی) نیز ممکن است مانع از استفاده از موتور IC و میکرو توربین بر اساس CHPشود. سلول سوخت پاک کننده بر اساس CHP باید با موانع مرتبط با تولید کمتر گازهای گلخانه ای مواجه شوند.

یک نمونه برای برنامه­ های کاربردی ساختمان تجاری، CHP می­ باشد. بسیاری از صاحبان ساختمان و طراح­ های حرف ه­ای تمایلی به در نظر گرفتن آنچه آنها به عنوان یک تکنولوژی ناشناخته و خطرناک می­ ببینند، ندارند. با وجود راه­ اندازی اخیر یک سیستم CHP که ادغام یک میکروتوربین با چیلر جذبی و برج خنک کننده بود، با وجود عدم دسترسی کالا در بازار، سیستم ­های یکپارچه موجود هستند. در نتیجه, هر نرم افزار نیاز به انتخاب سفارش و اندازه از اجزای سیستم کلیدی و همچنین ادغام و زمینه نصب دارند.

این پیچیدگی ها و افزایش هزینه های پیاده سازی CHP، هر چند پشتیبانی زیرساخت گسترده برای موتورهای IC  وجود دارد ، چنین زیرساختی برای میکرو توربین­ های یا سلول سوخت هنوز وجود ندارد، به ویژه برای سرویس دهی رتبه دهی نشده است.

کاربرد سیستم CHP در بیمارستان ها

ظرفیت سیستم CHP برای بیمارستان ها به طور معمول در محدوده­­­­ ی از چند صد کیلووات تا چند مگاوات (معمولا زیر ۱۰ مگاوات) بسته به مقدار امکانات موجود است. محرک­ های اولیه در سیستم هایCHP بیمارستان به طور معمول عبارتند از موتورهای رفت­ و برگشتی که با گاز طبیعی کار می کنند، توربین گاز طبیعی و یا توربین های بخار (برپایه ­ی بخار تولید شده توسط گاز طبیعی ، روغن ، یا دیگ های بخار زغال سنگ کار می کنند).

بیمارستان با چرخه بخار و یا ظرفیت الکتریکی چند مگاوات اغلب از توربین های گاز با ژنراتور­های بخار بازیابی حرارت استفاده می کنند. بیمارستان­ ها همراه با چرخه آب گرم اغلب اوقات از موتور رفت­ و برگشتی استفاده می کنند. بیشتر سیستم های CHP بیمارستان نیازمند تامین بار حرارتی کافی هستند، از برق تولید شده برای جبران قدرت برق خریداری شده از تجهیزات شبکه استفاده می­ شود وهنگام تولید برق بیش از مقدار مورد نیاز در بیمارستان، می توان برق اضافی را به فروش رساند و به تجهیزات برگردد. سیستم CHP جایگزین احتیاج مجموعه ژنراتور اضطراری برای مواجه با مواقع بحرانی بیمارستان نمی شود، اما آنها می توانند تعداد و ظرفیت ژنراتور اضطراری مورد نیاز را کم کنند در حالی که توانایی تکیه کردن به جریان الکتریکی کل برای بیمارستان را افزایش می­دهند.

چرا بیمارستان به CHP نیاز دارد؟

کاربرد سیستم CHP در بیمارستان ها بسیار زیاد است. هزینه سیستم های CHP بیمارستان فقط در طول دوره اوج تقاضا الکتریکی (حدود ۱۰ تا ۱۲ ساعت در روز ، ۵ تا ۷ روز در هفته، بیشتر از۳,۰۰۰ ساعت در سال) می­ توانند قابل توجه باشد. تفاوت قابل توجه در انرژی برق و هم تقاضای شارژ شدن برق در در دوره اوج در مقابل دوره کاهش تقاضا در روز مورد نظر می باشد.

برق اضطراری مورد نیاز بیمارستان برای ذخایر «مواقع اظطراری » نمی تواند با یک سیستم CHP جایگزین شود (به احتمال زیاد شروع «سریع» CHP را کمتر از ۸ تا ۱۰ ثانیه برآورده نمی کنند).با این حال ، مجموعه ژنراتور اظطراری برای اجرا پیوسته طراحی نشده است ، بنابراین قطع برق طولانی می تواند باعث تعطیلی بیمارستان شود.

بیمارستان­ها بسیار مستعد ابتلا به « افت ولتاژ» یا قطع برق آنی شبکه هستند. این شرایط می تواند موجب اشتباه تجهیزات تشخیصی پزشکی شود که منجر به تاخیر رسیدگی به بیمار و از دست دادن درآمد می­شود. سیستم CHP در هنگام بسیاری از افت ولتاژها یا قطع آنی شبکه برق ، با ارائه بهتر قدرت کیفیت ، ضمانت و مزیت مالی کار خواهد کرد