PROJEKT STRATEGICZNY PBS-3/RIE6/2010 II Seminarium zadania badawczego nr 3 strategicznego projektu badawczego Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków PROJEKT STRATEGICZNY PBS-3/RIE6/2010 „ZINTEGROWANY SYSTEM ZMNIEJSZENIA EKSPLOATACYJNEJ ENERGOCHŁONNOŚCI BUDYNKÓW” Zadanie nr 3 „Zwiększenie wykorzystania energii z odnawialnych źródeł energii w budownictwie” Etap 8. Analiza systemowa gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego użyteczności publicznej Wykonawcy: prof. dr hab. inż. Andrzej Ziębik dr inż. Krzysztof Hoinka dr hab. inż. Wojciech Stanek, prof. w Pol. Śl. mgr inż. Michał Budnik Instytut Techniki Cieplnej, Politechnika Śląska Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

ZAKRES PRZEPROWADZONYCH PRAC II Seminarium zadania badawczego nr 3 strategicznego projektu badawczego Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków ZAKRES PRZEPROWADZONYCH PRAC Celem etapu jest opracowanie modelu matematycznego służącego do analizy systemowej gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego użyteczności publicznej. W ramach dotychczasowych prac skompletowano bazę wiedzy o urządzeniach i instalacjach energetycznych stosowanych w tego typu budynkach poddając szczególnej analizie rozwiązania wykorzystujące odnawialne źródła energii. Opracowano algorytmy i modele matematyczne bilansu bezpośredniego jak również skumulowanego zużycia energii, skumulowanej emisji substancji szkodliwych oraz model bilansu kosztu termoekologicznego. W modelach matematycznych uwzględniono możliwość wykorzystania nośników energii ze źródeł odnawialnych. Aktualnie sformułowane algorytmy i opracowane modele są wykorzystywane w obliczeniach testowych. Instytut Techniki Cieplnej , Politechnika Śląska Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

ENERGY SYSTEMS OF COMPLEX BUILDINGS II Seminarium zadania badawczego nr 3 strategicznego projektu badawczego Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków TITLE: ENERGY SYSTEMS OF COMPLEX BUILDINGS TABLE OF CONTENTS 1. Introduction into system analysis. 2. Large energy systems. 3. Mathematical modelling of energy systems. 4. Energy management of complex buildings as a system. 5. Techniques of producing electricity, heat and cooling agents in complex buildings. 6. System approach to energy-ecological analysis of complex buildings. 7. System analysis of the exploitation of energy management in complex buildings. 8. LCA analysis of the energy system in complex buildings. 9. Choice of the structure of the energy system of complex buildings in the course of preliminary designing. Instytut Techniki Cieplnej , Politechnika Śląska Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

II Seminarium zadania badawczego nr 3 strategicznego projektu badawczego Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków ECOS 2011, 4-7.VII, Serbia Wnioski z przeprowadzonych analiz zostaną przedstawione w referacie „Mathematical model for the simulation of cumulative emissions generated by energy management of complex buildings” na konferencji ECOS 2011 - The 24th International Conference on Efficiency, Cost, Optimization, Simulation and Environmental Impact of Energy Systems. Novi Sad, Serbia. Instytut Techniki Cieplnej , Politechnika Śląska Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

Kompleks budowlany użyteczności publicznej jako system energetyczny II Seminarium zadania badawczego nr 3 strategicznego projektu badawczego Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków Kompleks budowlany użyteczności publicznej jako system energetyczny CHP – silnik tłokowy CHP - mikroturbina gazowa Kolektory PV Ogniwa paliwowe Układy trigeneration ORC Silnik Stirling Biomasa Instytut Techniki Cieplnej , Politechnika Śląska Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

II Seminarium zadania badawczego nr 3 strategicznego projektu badawczego Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków Model matematyczny bilansu bezpośredniego zużycia energii w gospodarce energetycznej kompleksu budowlanego – systemowe podejście „Input-Output” Instytut Techniki Cieplnej , Politechnika Śląska Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

PRZEBIEG PROCESU OBLICZENIOWEGO II Seminarium zadania badawczego nr 3 strategicznego projektu badawczego Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków PRZEBIEG PROCESU OBLICZENIOWEGO Dane wejściowe Uniwersalna lista nośników energii oraz gałęzi odbiorczych, Binarne macierze powiązań nośników energii w rozpatrywanym budynku –analiza procesowa, Wskaźniki bezpośredniego zużycia energii –analiza procesowa, Modele symulacyjne instalacji wytwórczych –pliki *.exe, Wskaźniki SZE, SE, KT dla nośników dostarczanych z zewnątrz –analiza systemowa. Instytut Techniki Cieplnej , Politechnika Śląska Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

PRZEBIEG PROCESU OBLICZENIOWEGO II Seminarium zadania badawczego nr 3 strategicznego projektu badawczego Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków PRZEBIEG PROCESU OBLICZENIOWEGO Wyniki Wskaźniki SZE, SE, KT dla nośników energii w budynku, Wskaźniki SZE, SE, KT dla poszczególnych instalacji wytwórczych, Wskaźniki SZE, SE, KT dla poszczególnych gałęzi odbiorczych, Roczne wartości SZE, SE, KT dla całego budynku. Instytut Techniki Cieplnej , Politechnika Śląska Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

II Seminarium zadania badawczego nr 3 strategicznego projektu badawczego Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków Przykład obliczeniowy - analiza skumulowanej emisji substancji szkodliwych w budynku użyteczności publicznej Analizowanym obiektem był budynek biurowy Na podstawie projektu budynku określono roczne zapotrzebowanie na poszczególne nośniki energii Dla wybranego wariantu realizacji gospodarki energetycznej budynku utworzono schemat energetycznych powiązań międzygałęziowych Określono binarne macierze powiązań międzygałęziowych Na podstawie analizy procesowej wyznaczono wskaźniki bezpośredniego zużycia nośników energii oraz bezpośredniej emisji w budynku W analizie wykorzystano wcześniej określone wskaźniki emisji dla nośników energii dostarczanych z zewnątrz Zastosowano model systemowy i określono wielkości skumulowanych emisji Instytut Techniki Cieplnej , Politechnika Śląska Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

II Seminarium zadania badawczego nr 3 strategicznego projektu badawczego Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków Przykład obliczeniowy - analiza skumulowanej emisji substancji szkodliwych w budynku użyteczności publicznej Przykładowy bilans skumulowanej emisji substancji szkodliwych został przeprowadzony dla wariantu gospodarki energetycznej rozpatrywanego kompleksu budowlanego z zastosowaniem układu CHP Analizę oparto na przedstawionym na ostatnim Seminarium Projektu modelu matematycznym obliczania wskaźników skumulowanej emisji substancji szkodliwych W analizowanym przykładzie obliczeniowym rozpatrzono emisją związków NOx W analizie uwzględniono efekt zastępowania przez energię elektryczną produkowaną w układzie CHP energii elektrycznej wytwarzanej z tego samego paliwa w elektrowni gazowej Uwzględniono sprawność transformacji przesyłania energii elektrycznej do budynku. Instytut Techniki Cieplnej , Politechnika Śląska Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

Schemat energetycznych powiązań międzygałęziowych w budynku II Seminarium zadania badawczego nr 3 strategicznego projektu badawczego Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków Schemat energetycznych powiązań międzygałęziowych w budynku Instytut Techniki Cieplnej , Politechnika Śląska Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

Wybrane wskaźniki przyjęte do analizy II Seminarium zadania badawczego nr 3 strategicznego projektu badawczego Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków Wybrane wskaźniki przyjęte do analizy Wskaźnik skumulowanej emisji NOx dla energii elektrycznej wytwarzanej w elektrowni gazowej p*d el g = 0,136 (kg/GJel) Wskaźnik skumulowanej emisji NOx dla energii elektrycznej wytwarzanej w elektrowni systemowej p*d el s = 0,4861 (kg/GJel) Wskaźnik skumulowanej emisji NOx dla pozyskania i dostarczenia do budynku wody wodociągowej p*d w = 0,003936 (kg/Mg) Wskaźnik bezpośredniej emisji NOx dla układu CHP pb CHP = 0,0884 kg/GJc Wskaźnik bezpośredniej emisji NOx dla gazowego kotła szczytowego pb k sz = 0,005556 kg/GJc Roczna produkcja ciepła w układzie CHP QCHP=3308 GJ/rok Roczna produkcja ciepła szczytowego w budynku Qk sz=367,6 GJ/rok Roczna uboczna wytwórczość energii elektrycznej w układzie CHP U8=2150 GJ/rok Sprawność energetyczna układu CHP ηE CHP=0,77 Sprawność energetyczna gazowego kotła szczytowego ηE k sz=0,85 Instytut Techniki Cieplnej , Politechnika Śląska Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

II Seminarium zadania badawczego nr 3 strategicznego projektu badawczego Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków Schemat bilansu bezpośredniej emisji NOx w gałęzi energetycznej budynku odpowiedzialnej za produkcję ciepła (j=7) Instytut Techniki Cieplnej , Politechnika Śląska Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

II Seminarium zadania badawczego nr 3 strategicznego projektu badawczego Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków Wskaźniki skumulowanej emisji związków NOx dla nośników energii w analizowanym kompleksie budowlanym Instytut Techniki Cieplnej , Politechnika Śląska Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

II Seminarium zadania badawczego nr 3 strategicznego projektu badawczego Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków Roczne obciążenie skumulowaną emisją NOx podsystemu odbiorców (kg NOx/rok) Instytut Techniki Cieplnej , Politechnika Śląska Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

Wyniki analizy skumulowanej emisji substancji szkodliwych (NOx) II Seminarium zadania badawczego nr 3 strategicznego projektu badawczego Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków Wyniki analizy skumulowanej emisji substancji szkodliwych (NOx) Instytut Techniki Cieplnej , Politechnika Śląska Konarskiego 22, 44-100 Gliwice

Kierunki dalszych badań w ramach projektu II Seminarium zadania badawczego nr 3 strategicznego projektu badawczego Zintegrowany system zmniejszenia eksploatacyjnej energochłonności budynków Kierunki dalszych badań w ramach projektu W ramach prac planuje się zastąpienie części wskaźników liniowych modelami symulacyjnymi. Przyjęcie budynku referencyjnego (bez wykorzystania OZE) i porównanie go z wariantami gospodarki energetycznej budynku wykorzystującymi OZE. W ramach aneksu zaproponowano rozszerzenie badań o model optymalizacyjny doboru struktury gospodarki energetycznej kompleksu budowlanego użyteczności publicznej z zastosowaniem metody dekompozycji globalnego zadania optymalizacyjnego. Instytut Techniki Cieplnej , Politechnika Śląska Konarskiego 22, 44-100 Gliwice