Πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση σχεδιασμού ηλιακού θερμικού συστήματος, υποβοηθούμενου από αντλία θερμότητας, για κάλυψη θερμικών φορτίων

Abstract

Η συνεχής αύξηση των ενεργειακών μας αναγκών αποτελεί ένα βασικό πρόβλημα στην εποχή μας, το οποίο με σωστή διαχείριση αυτών και χρήση κατάλληλων μέσων παραγωγής της ενέργειας μπορεί να μειωθεί η ζημία του προβλήματος. Η χρήση κατάλληλων μέσων παραγωγής ενέργειας αφορά κυρίως συστήματα που εκμεταλλεύονται Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, οι οποίες πρόκειται για πηγές φιλικές προς το περιβάλλον και ανεξάντλητες. Με δεδομένο ότι ο κτιριακός τομέας είναι υπεύθυνος για το 40% περίπου της συνολικής κατανάλωσης ενέργειας, η εξοικονόμηση ενέργειας στα κτίρια θεωρείται απαραίτητη και μπορεί να επιτευχθεί είτε με το βιοκλιματικό σχεδιασμό των κτιρίων είτε με τη χρήση πιο αποδοτικών συστημάτων θέρμανσης και κλιματισμού είτε με σωστή λειτουργία-συμπεριφορά των χρηστών. Κάποιες βασικές έννοιες θέρμανσης και κλιματισμού όπως η θερμότητα, η θερμοκρασία και η θερμοπερατότητα αναλύονται στη συνέχεια για την περεταίρω κατανόηση παραγόντων που σχετίζονται με την ενέργεια. Επιπλέον, αυτοί οι παράγοντες αφορούν και τη θερμική συμπεριφορά των κτιρίων που αποτελείται από τρία στάδια τις θερμικές ανάγκες, τα θερμικά κέρδη και τις θερμικές απώλειες των κτιρίων. Οι αντλίες θερμότητας αφορούν συστήματα τα οποία επιτρέπουν την μεταφορά θερμότητας από χώρους χαμηλότερης θερμοκρασίας σε χώρους υψηλότερης θερμοκρασίας βασιζόμενες στον αντίστροφο κύκλο Carnot. Ένα άλλο σύστημα που καταγράφεται στην συνέχεια είναι τα ηλιακά θερμικά συστήματα, τα οποία είναι συστήματα που εκμεταλλεύονται την ηλιακή ενέργεια με στόχο την κάλυψη θερμικών φορτίων ενός κτιρίου. Επόμενο στάδιο της εργασίας είναι η εισαγωγή στα μονοκριτηριακά και πολυκριτηριακά προβλήματα βελτιστοποίησης. Επιπρόσθετα αναφέρεται ο σκοπός της παρούσας εργασίας ο οποίος ήταν η πολυκριτηριακή βελτιστοποίηση σχεδιασμού ηλιακού θερμικού συστήματος υποβοηθούμενου από αντλία θερμότητας, για κάλυψη θερμικών φορτίων. To συγκεκριμένο πρόβλημα βελτιστοποίησης διαθέτει δύο κριτήρια απόφασης: 1. την ελαχιστοποίηση της συνεισφοράς ισχύος της αντλίας θερμότητας, QHP,cons [kWh] 2. τη μεγιστοποίηση του μέσου ποσοστού κάλυψής των φορτίων ΖΝΧ για την ικανοποίηση των χρηστών, DHWcov [%]. Αυτά τα κριτήρια βασίστηκαν στην κατάλληλη επιλογή πέντε παραμέτρων σχεδιασμού και λειτουργίας οι οποίες είναι:  ύψος δεξαμενής ζεστού νερού χρήσης  επιφάνεια επίπεδου ηλιακού συλλέκτη  είδος επίπεδου ηλιακού συλλέκτη  παροχή νερού της αντλίας θερμότητας  όριο θερμοκρασίας λειτουργίας της αντλίας θερμότητας Η εξεταζόμενη διάταξη, η οποία πρόκειται για μία θεωρητική διάταξη, περιλαμβάνει έναν επίπεδο ηλιακό συλλέκτη, μία αντλία θερμότητας, δύο δεξαμενές αποθήκευση;, τρεις εναλλάκτες θερμότητας και δύο καταβόθρες θερμότητας. Οι εξισώσεις που διέπουν αυτά τα συστήματα προήλθαν από το εγχειρίδιο TRNSYS 16. Η μεθοδολογία εύρεσης βέλτιστων σεναρίων που ακολουθήθηκε αποτελείται από πέντε βήματα τα οποία επιλύθηκαν με την βοήθεια λογισμικών, το Spyder και το ALAMO. Αρχικά έγινε η δημιουργία του μοντέλου προσομοίωσης στο λογισμικό Spyder. Στην συνέχεια έγινε η υλοποίηση του αλγορίθμου ελέγχου ο οποίος αποτελούταν από δύο αλγορίθμους:  τον αλγόριθμο ρύθμισης της ροής εξόδου από τον συλλέκτη  τον αλγόριθμο λειτουργίας της αντλίας θερμότητας Μέσω της ανάλυσης του μοντέλου προσομοίωσης προέκυψαν σενάρια βέλτιστων παραμέτρων σχεδιασμού και λειτουργίας. Με τα αποτελέσματα των σεναρίων αυτών δημιουργήθηκαν οι μηνιαίες καμπύλες του ορίου Pareto (Pareto frontier), τα μηνιαία υποκατάστατα μοντέλα προσομοίωσης (Surrogate Simulation Model), καθώς και τα υποκατάστατα μοντέλα των ορίων Pareto (Surrogate Pareto frontier). Τελευταίο βήμα της μεθοδολογίας ήταν ο προσδιορισμός του επιθυμητού ποσοστού κάλυψης φορτίων ΖΝΧ από τον ηλιακό συλλέκτη, ο υπολογισμός των μηνιαίων (βέλτιστων) τιμών της κατανάλωσης ισχύος της αντλίας θερμότητας μέσω των υποκατάστατων μοντέλων των ορίων Pareto. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε η δημιουργία πολλών σεναρίων βελτιστοποίησης μέσω των υποκατάστατων μοντέλων προσομοίωσης και επιλογή του βέλτιστου σεναρίου βάσει του ελάχιστου αθροίσματος των τετραγωνικών σχετικών σφαλμάτων (SSRE) των σεναρίων βελτιστοποίησης. Στη συνέχεια παρουσιάζονται τα αποτελέσματα που εξήλθαν από την επίλυση της συγκεκριμένης μεθοδολογίας, για το πρόβλημα της πολυκριτηριακής βελτιστοποίησης σχεδιασμού ηλιακού θερμικού συστήματος, υποβοηθούμενου από αντλία θερμότητας, για κάλυψη θερμικών φορτίων. Τέλος, καταγράφονται τα συμπεράσματα και μερικές προτάσεις για μελλοντική έρευνα που προέκυψαν από την εκπόνηση της παρούσας εργασίας.